特開 2023-122453 加速器および加速器を備える粒子線治療システム。

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023122453

(43)【公開日】2023-09-01

(54)【発明の名称】加速器および加速器を備える粒子線治療システム。

(51)【国際特許分類】

   H05H 13/02 20060101AFI20230825BHJP

   H05H 7/10 20060101ALI20230825BHJP

   G21K 5/04 20060101ALI20230825BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20230825BHJP

【ＦＩ】

H05H13/02

H05H7/10

G21K5/04 A

G21K5/04 C

A61N5/10 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022026174

(22)【出願日】2022-02-22

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000279

【氏名又は名称】弁理士法人ウィルフォート国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】青木 孝道

(72)【発明者】

【氏名】横井 武一郎

(72)【発明者】

【氏名】▲えび▼名 風太郎

(72)【発明者】

【氏名】中島 裕人

【テーマコード（参考）】

2G085

4C082

【Ｆターム（参考）】

2G085AA11

2G085BA13

2G085BC15

2G085CA06

2G085CA16

2G085CA17

2G085CA22

2G085EA07

4C082AA01

4C082AC05

4C082AE01

(57)【要約】

【課題】効率よくビームを生成することができる加速器および加速器を備える粒子線治療システムを提供すること。
【解決手段】
加速器は、主磁場と周波数変調された高周波電場とにより、イオン源から供給されたイオンを加速してビームを生成する周回軌道型加速器であって、周波数変調が可能であり、イオンを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、加速高周波とは異なる周波数であって、ビームを取出すための取出し高周波を印加する取出し高周波印加装置と、擾乱磁場領域を形成する擾乱磁場領域形成部と、ビーム取り出し用のセプタム電磁石と、を備え、ビームの取り出し中において、イオン源から新たなイオンが供給されて加速される（図１１（１）－（８））。
【選択図】図１１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

主磁場と周波数変調された高周波電場とにより、イオン源から供給されたイオンを加速してビームを生成する周回軌道型加速器であって、
周波数変調が可能であり、イオンを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、
前記加速高周波とは異なる周波数であって、前記ビームを取出すための取出し高周波を印加する取出し高周波印加装置と、
擾乱磁場領域を形成する擾乱磁場領域形成部と、
ビーム取り出し用のセプタム電磁石と、を備え、
前記ビームの取り出し中において、前記イオン源から新たなイオンが供給されて加速される
加速器。

【請求項2】

主磁場と周波数変調された高周波電場とにより、イオン源から供給されたイオンを加速してビームを生成する周回軌道型加速器であって、
周波数変調が可能であり、イオンを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、
前記加速高周波とは異なる周波数であって、前記ビームを取出すための取出し高周波を印加する取出し高周波印加装置と、
複数極数の磁場成分を含み、少なくとも４極磁場成分を含む高次磁場よりなる擾乱磁場領域を形成する擾乱磁場領域形成部と、
ビーム取り出し用のセプタム電磁石と、を備え、
あるサイクルで前記イオン源から供給されたイオンが、前記サイクルより前の他サイクルで供給されたイオンであって既に周回しているイオンと略同一のエネルギを持つまで加速される
加速器。

【請求項3】

イオンを加速してビームを生成する加速器であって、
対向して配置される一対の磁石であって、その間に磁場を形成するための磁極を有する前記一対の磁石と、
イオンを前記一対の磁石間へ出力するイオン源と、
前記イオンを加速する加速用電場を形成する加速電極と、
前記加速用電場の周波数を変調するための変調部と、
前記一対の磁石の磁極間に配置され、前記磁極が形成する磁場により周回する前記イオンに対して安定領域からのキック作用を与えるキック部と、
前記イオンに動径方向の擾乱を与える擾乱用電場を発生させる擾乱部と、
前記加速用電場を制御する高周波電場制御部と、
前記加速用電場の振幅値を前記高周波電場制御部に入力する高周波電場振幅決定手段と、
前記擾乱用電場を制御する擾乱強度制御部と、
を備え、
前記一対の磁石によって形成される、異なるエネルギのイオンがそれぞれ周回する環状の複数のイオンの周回軌道が集約する領域と離散する領域を有しており、
前記変調部はある周期によって周期的に電場周波数を変調させ、
前記高周波電場振幅決定手段は、照射するビームのエネルギに応じて電圧振幅を定めるものであり、
前記イオン源は、前記加速用電場の周波数が特定の値となる期間にイオンを出力し、
前記イオンが出力される周波数の値は、取り出されるビームのエネルギに対応する周回周波数とずれており、
前記イオン源から出力されたイオンが、別のサイクルで出力されたイオンであって、既に周回している状態のイオンとエネルギが略同一となるまで加速される
加速器。

【請求項4】

さらに、ビーム量監視手段を備え、
前記ビーム量監視手段によって得られる周回ビーム量に基づいて、前記イオンを出力するか否かを判断する
請求項１に記載の加速器。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載の加速器で加速されたイオンを標的に照射する照射装置と、
前記加速器および前記照射装置を制御する制御装置と、
を備える
粒子線治療システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加速器および加速器を備える粒子線治療システムに関する。

【背景技術】

【0002】

粒子線治療や物理実験などで使用する高エネルギのイオンビームは、加速器を用いて生成される。核子当たりの運動エネルギが２００ＭｅＶ前後のビームを得る加速器には、種類がいくつかある。例えば、サイクロトロンやシンクロトロン、特許文献１に記載されているようなシンクロサイクロトロン、特許文献２に記載されているような可変エネルギ加速器が知られている。サイクロトロンおよびシンクロサイクロトロンの特徴は、静磁場中を周回するビームを高周波電場で加速する点である。サイクロトロンおよびシンクロトロンでは、加速されるにつれてビームはその軌道の曲率半径を増し、外側の軌道に移動し、最高エネルギまで到達した後に取り出される。そのため取り出すビームのエネルギは、基本的には固定される。

【0003】

特許文献１のシンクロサイクロトロンでは、半径Ｒの略円形の断面を有する一対の強磁性体のポールが、中心軸を一致させて、正中面を挟んで上下に配置されている。一対のポールは、ギャップによって離隔され、このギャップは、正中面に対して実質的に対称なプロファイルを有するキャビティを形成している。ギャップの高さは、ポールの半径方向において変化している。ギャップの高さは、中心軸ではＨｃｅｎｔｅｒであり、中心軸から半径Ｒ２までの円形の部分では、半径が大きくなるにつれてＨｃｅｎｔｅｒから徐々に増大し、半径Ｒ２において最大値Ｈｍａｘとなる。半径Ｒ２より大きい環状の部分は、半径が大きくなるにつれて、そのギャップの高さが徐々に減少し、ポールの縁におけるギャップの高さは、Ｈｅｄｇｅである。このようなギャップ形状のキャビティを備えるシンクロサイクロトロンは、ギャップ内の磁場を最小化する一方で、シンクロサイクロトロンのサイズを最小化することができると特許文献１には開示されている。

【0004】

特許文献２には、小型で、かつ可変エネルギのビームの取出しが可能な加速器として、主磁場、および周波数変調した高周波電場によりビームを加速する周回軌道型加速器であって、周波数変調が可能であり、前記ビームを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、前記加速高周波とは周波数が異なり、ビームを取出すための取出し高周波を印加する取出し高周波印加装置と、２極以上の極数の磁場成分を含み、少なくとも４極磁場成分を含む高次磁場よりなる擾乱磁場領域を形成する擾乱磁場領域形成部と、磁性体のシム、およびセプタムコイルを有するセプタム電磁石と、を備えたことを特徴とする加速器が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２０１３－５４１１７０号公報

【特許文献2】特開２０２０－３８７９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

粒子線治療では、治療計画などで予め定められた照射線量の許容範囲を超過することなく、照射対象の腫瘍にビームを照射することが求められる。特許文献１のシンクロサイクロトロンを用いる粒子線治療装置では、シンクロサイクロトロンの一運転周期内で加速し取り出しの可能なビーム量を、照射線量の許容範囲に対して十分小さくする必要が有る。よって、特許文献１では、一運転周期に加速する電荷量が加速器の性能で決まる上限より小さくせざるを得ず、照射完了に時間がかかる。

【0007】

特許文献２の可変エネルギ加速器は、取り出しビームのエネルギが可変であるため、治療計画で定められた照射線量に合わせたエネルギのビームを出射できる。よって、可変エネルギ加速器は、シンクロサイクロトロンと比較して、粒子線治療のビーム照射時間を短縮できる。可変エネルギ加速器は、加速器サイズにおいても、サイクロトロンやシンクロサイクロトロンと同等であり、小型である。そのため、可変エネルギ加速器は、粒子線治療装置の加速器として、ビーム照射時間のさらなる短縮が期待されている。しかしながら、特許文献２に記載の加速器の運転方法において、加速器は数ｍｓ程度のサイクルで動作する。このサイクル中にイオン源から加速器にイオンを入射する期間と、イオンを加速する期間と、入射したイオンを全量照射してから再度入射するまでの期間などで、イオンビーム（以下、ビーム）を取り出すことができない。

【0008】

本発明はの目的は、効率よくビームを生成することができる加速器および加速器を備える粒子線治療システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決すべく、本発明に従う加速器は、主磁場と周波数変調された高周波電場とにより、イオン源から供給されたイオンを加速してビームを生成する周回軌道型加速器であって、周波数変調が可能であり、イオンを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、加速高周波とは異なる周波数であって、ビームを取出すための取出し高周波を印加する取出し高周波印加装置と、擾乱磁場領域を形成する擾乱磁場領域形成部と、ビーム取り出し用のセプタム電磁石と、を備え、ビームの取り出し中において、イオン源から新たなイオンが供給されて加速される。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、効率よくビームを生成し、取り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例１の加速器の全体概形図。

【図2】加速器の内部構造。

【図3】周回中のビームエネルギと周回周波数の関係図。

【図4】設計軌道形状の説明図。

【図5】周回中のビームエネルギと設計軌道上磁場との関係図。

【図6】ディー電極に励起される高周波モードの概略図。

【図7】高周波バケツの概形図。

【図8】加速終了直前の位相空間を示す説明図。

【図9】加速終了直後の位相空間を示す説明図。

【図10】加速器の制御ブロック図。

【図11】加速器の運転のタイミングチャート。

【図12】加速器の制御処理を示すフローチャート。

【図13】ビーム量を測定する処理のフローチャート。

【図14】実施例３に係り、高周波空胴の構造例。

【図15】粒子線治療システムの全体構成図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面に基づいて、加速器を説明する。本実施形態では、イオンを入射（イオンの出力）するプロセス、入射されたイオンを加速するプロセス、加速されたイオン（ビーム）を取り出すプロセス、減速プロセスという時間的に直列なプロセスを並列的に実行する。本実施形態では、入射プロセスおよび加速プロセスを繰り返して実行し、照射エネルギに対応するビームが常に加速器内に補充されている状態を維持する。これにより、本実施形態では、入射プロセス、加速プロセスおよび取り出しプロセスを同時並行して実行することができるため、ビームを照射できない時間を短くし、効率を高めることができる。

【0013】

さらに、本実施形態で述べる加速器を備える粒子線治療システムでは、加速器の制御の面で照射不可能な時間を削減することができ、ビームを照射可能な時間的割合を増加させて、治療時間を短縮することができる。

【0014】

本実施形態に係る加速器１は、図１～図１３で後述するように、イオンを加速する加速用電場を形成する高周波加速空胴２１と、加速用電場の周波数を変調するための回転式可変容量キャパシタ２１２と、磁極１２３が形成する磁場により周回するイオンに対して安定領域からのキック作用を与える付加磁場発生用シム３１１と、付加磁場発生用シム３１１によってキック作用が与えられたイオンを加速器１から取り出すための擾乱用電場を発生させる擾乱用電極３１３と、加速用電場を制御する低レベル高周波発生装置４２と、擾乱用電場を制御する擾乱高周波制御装置４７と、を備え、異なるエネルギのイオンがそれぞれ周回する環状の複数のイオンの周回軌道が集約する領域と離散する領域を有しており、異なるサイクルで入射されたイオンが同時に略同一のエネルギで周回させる。

【実施例0015】

図１～図１３を用いて第１実施例を説明する。本実施例の加速器１は、周波数変調型の可変エネルギ加速器である。この加速器は時間的に一定な磁場を主磁場として持ち、主磁場中を周回する陽子を高周波電場によって加速する円形加速器である。その外観を図１に示す。

【0016】

図１に示すように、加速器１は、上下に分割可能な電磁石１１によって、加速・周回中のビームが通過する領域（以下、ビーム通過領域２０（図２参照）と呼ぶ）内に主磁場を励起する。電磁石１１は「一対の磁石」の例である。電磁石１１の内側は、図示を省略した真空ポンプによって真空引きされている。

【0017】

電磁石１１には、外部とビーム通過領域２０とを接続するための貫通口が複数設けられている。例えば、加速されたビームを取り出す取り出しビーム用貫通口１１１、電磁石１１内に配置されたコイル導体を外部に引き出すための引き出し用の貫通口１１２，１１３、高周波電力入力用貫通口１１４等の、各種貫通口が電磁石１１の上下の分割接続面の面上に設けられている。

【0018】

高周波電力入力用貫通口１１４を通じて、イオンを加速してイオンビームとするための加速用電場を形成する高周波加速空胴（加速電極）２１が設置されている。「加速高周波印加装置」の例である高周波加速空胴２１には、後述のように、加速用のディー電極２２１（図２参照）と、加速用電場の周波数を変調するための回転式可変容量キャパシタ（変調部）２１２とが設置されている。

【0019】

電磁石１１の上部の中心からずれた位置に、水素イオンを供給するためのイオン源１２が設置されている。イオン源１２は、ビーム入射用貫通口１１５および入射部１３０（図２参照）を通して、イオンを加速器１内部の電磁石１１間に入射する。入射部１３０には、貫通口１１５を通じて、外部からビーム通過領域２０へイオンを入射するのに必要な電力が供給されている。

【0020】

加速器１の内部構造について図１および図２を用いて説明する。図２は、電磁石１１を上下に分割した面を上から見たときの機器配置を示す図である。

【0021】

図１に示すように、電磁石１１の上下部それぞれは、円筒状のリターンヨーク１２１および天板１２２を有しており、その内部側には、図２に示すように、円柱状の磁極１２３を有している。上下対向した磁極１２３によって挟まれる円筒状の空間内に、上述のビーム通過領域２０がある。この上下の磁極１２３が互いに対向している面を磁極面と定義する。また磁極面に挟まれた磁極面に平行かつ上下の磁極面から互いに等距離にある面を軌道面と呼ぶ。

【0022】

磁極１２３とリターンヨーク１２１の間に形成される凹部には、円環状のコイル１３が磁極１２３の外周側の壁に沿って設置されている。コイル１３に電流を流すことによって上下対向する磁極１２３が磁化し、ビーム通過領域２０に後述する所定の分布で磁場が励起される。

【0023】

高周波加速空胴２１は、λ／４型の共振モードによって加速ギャップ２２３にイオンを加速するための加速用高周波電場を励起させる。高周波加速空胴２１のうち、加速器１に対して固定的に設置された部分をディー電極２２１と定義する。高周波加速空胴２１は、貫通口１１４を通じて、ビーム通過領域２０の一部領域を囲むディー電極２２１を形成する。イオンは、ディー電極２２１とこのディー電極２２１に対向するように配置される接地電極２２２とによって挟まれる領域である加速ギャップ２２３により励起される高周波電場によって加速される。前述のビームの周回周波数に同期するために、高周波電場の周波数は、ビームの周回周波数の整数倍であることが必要である。加速器１では、高周波電場の周波数はビームの周回周波数の１倍としている。

【0024】

磁極１２３には、磁場の微調整用のトリムコイル３３が複数系統設けられている。トリムコイル３３は、貫通口１１２，１１３を通じて外部電源に接続されている。各系統別に励磁電流を調整することで、後述の主磁場分布に近づけ、安定なベータトロン振動を実現するように、運転前にトリムコイル電流が調整される。

【0025】

上述の加速器１では、イオン源１２で生成されたイオンは、入射部１３０の引き出し電極に印加された電圧によって、低エネルギのイオンの状態でビーム通過領域２０に引き出される。入射されたイオンは、高周波加速空胴２１によって励起される高周波電場によって、加速ギャップ２２３を通過する毎に加速され、イオンビームとなる。

【0026】

図２に示すように、ビームを加速器１の外部へ取り出すために、四極磁場や六極以上の多極磁場を励磁する二か所の付加磁場発生用シム（キック部）３１１と高周波電場を印加する擾乱用電極（擾乱部）３１３とが、磁極面の一部に電気的に絶縁された状態で設置されている。磁極面の端部の一か所に取り出し用セプタム電磁石３１２の入射部が設置されている。

【0027】

擾乱用電極３１３は、微小な振幅の高周波（ＲＦ）電場を印加することが可能であり、周回中の粒子を軌道面内方向にキックし、設計軌道から粒子を外れさせる。その軌道が設計軌道から外れた粒子は、付加磁場発生用シム３１１の近くを通過する。

【0028】

付加磁場発生用シム３１１による磁場は、ビーム通過領域２０中を周回するイオンビームに対して安定領域を制限し、安定領域外に出た粒子を取り出し用セプタム電磁石３１２へ導入する。一対の付加磁場発生用シム３１１は、それぞれ逆極性の磁場を磁極１２３が形成する主磁場に対して重畳励磁する。

【0029】

擾乱用電極３１３に適当な周波数の高周波電圧を印加することでビームに擾乱を与えると、後に述べる原理により、擾乱用電極３１３に印加されるＲＦ電場のオン／オフに同期して、ビームのオン／オフ制御が可能となる。これら付加磁場発生用シム３１１および擾乱用電極３１３の詳細は後述する。

【0030】

軌道面において主磁場の面内成分がほぼ０となるように、上下の磁極１２３、コイル１３、トリムコイル３３、付加磁場発生用シム３１１、取り出し用セプタム電磁石３１２、擾乱用電極３１３の形状と配置が設計されており、軌道面に対して面対称の配置および電流分布となっている。磁極１２３、ディー電極２２１、コイル１３、トリムコイル３３、擾乱用電極３１３の形状は、図２に示すように、加速器１を上面側から見たときに、貫通口１１４の中心部と貫通口１１２の中心部とを結ぶ線分に対して、左右対称の形状となっている。

【0031】

加速器１内を周回するビームの軌道および運動について述べる。ビームは、ビーム通過領域２０中を周回しながら加速される。加速器１から取り出し可能なビームの運動エネルギは、最小７０ＭｅＶ、最大２３５ＭｅＶである。運動エネルギが大きいほどビームの周回周波数は小さくなる。入射直後の運動エネルギのビームは７６ＭＨｚで、運動エネルギ２３５ＭｅＶに達したビームは５９ＭＨｚで、ビーム通過領域２０中を周回する。これらのエネルギと周回周波数の関係は図３のようになる。図３の縦軸は周回周波数を示し、図３の横軸は運動エネルギを示す。

【0032】

図５に示すように、形成される磁場は、ビームの軌道に沿って一様、かつエネルギが高くなるにつれ磁場が低下していくような分布を作る。つまり、径方向外側の磁場が低下するような磁場を形成する。このような磁場下においては、ビームの軌道面内の動径方向と軌道面とに対して垂直な方向のそれぞれに対して安定にベータトロン振動する。

【0033】

図４に各エネルギの軌道を示す。図４には複数の周回軌道が示されている。図４では、最も外側に最大エネルギ２５２ＭｅＶの軌道に対応した半径０．４９７ｍの円軌道が存在し、そこから、エネルギ０ＭｅＶまで磁気剛性率で５１分割した計５１本の円軌道が示されている。点線は、各軌道の同一の周回位相を結んだ線であり、この線を等周回位相線と呼ぶ。

【0034】

図４に示すように、加速器１では、ビームの加速に従って、ビームの軌道中心（設計軌道）が軌道面内で一方向に移動する。設計軌道が移動する結果、異なる運動エネルギの軌道が互いに近接している箇所（周回軌道が集約する領域）と、互いに遠隔している領域（周回軌道が離散する領域）とが存在する。つまりビームの設計軌道が偏心している。

【0035】

最も設計軌道同士が近接している設計軌道の各点を結ぶと、すべての設計軌道に直交する線分となる。最も設計軌道同士が遠隔している設計軌道の各点を結ぶと、すべての設計軌道に直交する線分となる。これら二つの線分は、同一直線上に存在する。この直線を対称軸と定義すると、設計軌道の形状は対称軸を通り、軌道面に垂直な面に対して面対称となる。

【0036】

図４に示す等周回位相線は、集約領域から周回位相π／２０ごとにプロットされている。ディー電極２２１とディー電極２２１に対向する接地電極２２２との間に形成される加速ギャップ２２３は、集約点から見て±９０度周回した等周回位相線に沿って、設置されている。

【0037】

上記のような軌道構成と軌道周辺での安定な振動とを生じさせるために、加速器１では、設計軌道の偏向半径方向外側に行くにつれて、磁場の大きさが小さくなる主磁場分布としている。設計軌道に沿って磁場は、一定とする。よって、設計軌道は円形となり、ビームエネルギが高まるにつれて、その軌道半径・周回時間は増大する。

【0038】

このような体系では、設計軌道から半径方向へ微小にずれた粒子は、設計軌道に戻すような復元力を受けると同時に、軌道面に対して鉛直な方向にずれた粒子も軌道面に戻す方向へ主磁場から復元力を受ける。すなわち、ビームのエネルギに対して適切に磁場を小さくしていけば、設計軌道からずれた粒子には、設計軌道に戻そうとする向きに常に復元力が働き、設計軌道の近傍を振動することになる。これにより、安定にビームを周回させ加速させることが可能である。この設計軌道を中心とする振動をベータトロン振動と呼ぶ。各エネルギのビームにおける磁場の値を図５に示した。磁場は、入射部１３０で最大の５Ｔとなり、最外周では４．９１Ｔまで低下する。

【0039】

上述の主磁場分布は、コイル１３とそれを補助するトリムコイル３３とに所定の励磁電流を流して、磁極１２３が磁化されることにより、励起される。イオンの入射部１３０で磁場を大きくし、外周に向かって磁場を小さくする分布を形成するために、磁極１２３が対向する距離（ギャップ）は入射部１３０において最も小さく、外周に向かって大きくなる形状となる。さらに、磁極１２３の形状は、ギャップ中心を通る平面（軌道面）に対して面対称の形状であり、軌道面上では軌道面に垂直な方向の磁場成分のみを持つ。さらに、磁場分布の微調整を、磁極面に設置されたトリムコイル３３に印加する電流を調整することで行い、所定の磁場分布を励起させる。

【0040】

上述のように、高周波加速空胴２１は、加速ギャップ２２３に電場を励起させる。そのために、外部高周波電源（図１０の低レベル高周波発生装置４２およびアンプ４３を参照）から入力カプラ２１１を通じて高周波電力が導入され、ディー電極２２１と接地電極２２２の間の加速ギャップ２２３に高周波電場が励起される。

【0041】

一般に、ディー電極２２１が励起する電磁場は、電極形状によって定まる特定の共振周波数および空間分布の電磁場となる。特定の周波数と空間分布を持つ電磁場を固有モードと称する。固有モードには複数種類あり、加速のために励起するモードを基本モードと称する。基本モードの電磁場分布と表面電流分布を図６に示す。図６には、共振器の外形、太矢印にて電場の分布（Ｅ）、点線矢印で磁場の分布（Ｂ）、実線矢印で共振器表面の電流分布（ｊ）の概形を示している。基本モードではギャップのいたるところで、ディー電極２２１から設置電極２２２に対して同じ向きの電場が生じる。

【0042】

加速器１は、ビームの周回に同期して高周波電場を励起するために、電場の周波数を周回中のビームのエネルギに対応して変調させる。本実施例の共振モードを用いた高周波加速空胴２１では、共振の幅よりも広い範囲で、高周波の周波数を掃引する必要がある。そのために、高周波加速空胴２１の共振周波数も変更する必要が有る。その制御は、高周波加速空胴２１の端部に設置された回転式可変容量キャパシタ２１２の静電容量を変化させることで実施する。回転式可変容量キャパシタ２１２は、回転軸２１３に直接接続された導体板と外部導体（いずれも図示せず）との間に生じる静電容量を、回転軸２１３の回転角によって制御する。すなわち、ビームの加速に伴って、回転軸２１３の回転角を変化させる。

【0043】

加速器１のビーム入射から取り出しまでのビームの挙動を述べる。まずイオン源１２から低エネルギのイオンが出力され、ビーム入射用貫通口１１５および入射部１３０を介してビーム通過領域２０へ低エネルギのイオンビームが導かれる。

【0044】

ビーム通過領域２０に入射されたビームは、高周波電場による加速を受けながら、そのエネルギが増大するとともに、軌道の回転半径を増加させていく。その後ビームは、高周波電場による進行方向安定性を確保しながら加速される。

【0045】

ビームの重心は、高周波電場が最大となる時刻に加速ギャップ２２３を通過するのではなく、時間的に高周波電場が減少しているときに加速ギャップ２２３を通過する。高周波電場の周波数とビームの周回周波数とはちょうど整数倍の比で同期させているため、所定の加速電場の位相で加速された粒子は、次のターンもほぼ同じ位相で加速を受ける。一方、加速位相より早い位相で加速された粒子は、加速位相で加速された粒子よりもその加速量が大きいため、次のターンでは遅れた位相で加速を受ける。逆に有るときに加速位相より遅い位相で加速された粒子は、加速位相で加速された粒子よりもその加速量が小さいため、次のターンでは進んだ位相で加速を受ける。

【0046】

このように、所定の加速位相からずれたタイミングの粒子は、加速位相に戻る方向に動き、この作用によって、運動量と位相からなる位相平面（進行方向）内においても安定に振動することができる。この振動をシンクロトロン振動と呼ぶ。すなわち、加速中の粒子はシンクロトロン振動をしながら、徐々に加速され、取り出しされる所定のエネルギまで達する。安定なシンクトロン振動をする間、個々の粒子は、位相平面上に高周波バケツと呼ばれる安定領域内で回転運動をする。

【0047】

図７に位相平面上の高周波バケツＢｕの形状とその内部を動く粒子の軌跡との模式図を示す。この高周波バケツＢｕの運動両方向の幅は加速空胴に印加する電圧振幅の平方根に比例すること、および、高周波バケツＢｕの面積が単位時間当たりのビームのエネルギ増加（加速速度）に対して単調現象であることは、それぞれ知られている。

【0048】

回転式可変容量キャパシタ２１２の回転速度によって決まる運転周期下では、加速速度は自然と決まる。したがって、ある電圧振幅以下では高周波バケツＢｕの面積が０となり、安定なシンクロトロン振動を実現できない。高周波バケツＢｕの面積が初めて０を超える電圧振幅を臨界電圧Ｖｃと呼ぶことにすると

【0049】

臨界電圧Ｖｃは、加速中のビームエネルギに対して単調増加となる。逆に一定の電圧振幅になるように高周波加速空胴２１に対して高周波電力を入力したとき、ビームの加速に伴い、高周波バケツＢｕの面積は徐々に小さくなる。高周波バケツＢｕの面積が徐々に小さくなる状況下においては加速中のビームの運動量分散も小さくなる。

【0050】

所定の取り出しビームを目標のエネルギで取り出すために、高周波加速空胴２１に印加されている高周波電場が徐々に低くなり目標エネルギに達したところで、高周波電場の振幅が０となるように、制御装置４０は外部高周波電源からの出力を制御する。これにより、ビームは、目標エネルギにて安定に周回する。そして、擾乱用電極３１３に高周波が印加される。

【0051】

その高周波の周波数は、ビームのベータトロン振動の周波数に一致している。ビームは、その進行方向の位置、すなわち擾乱用電極３１３を通過する時刻に依存する擾乱を受ける。特定の粒子に着目すると、擾乱用電場と周回のベータトロン振動の周波数とが一致しているため、両者は共鳴し、ある粒子のベータトロン振動振幅が増大する。ベータトロン振動振幅が増大し続けると、設計軌道の外側に設置された付加磁場発生用シム３１１が励起するキック磁場の作用を受けて、急激にベータトロン振動が発散し、設計軌道から見て外側にビームが変位する。その結果、ビームは、取り出し用セプタム電磁石３１２に導入される。この安定領域と不安定領域との境界を、セパラトリクスと称する。

【0052】

上記目標エネルギに達してから取り出されるまでの間、ビームを構成する個々の粒子は、付加磁場発生用シム３１１由来の四極磁場と六極以上の多極磁場とによって、ビームの水平方向の位置と傾きで定まる位相空間上において、安定に周回できる領域と不安定に軌道ずれが増大し続ける領域とに分けられた状態で、周回する。

【0053】

セパラトリクスの内側に存在する粒子は、安定にベータトロン振動を続ける。セパラトリクスの外にいる粒子は、付加磁場発生用シム３１１によるキック作用が周回ごとに蓄積されるため、設計軌道に対して水平方向に大きな変位を生じる。水平方向に大きな変位を生じた粒子は、後述の擾乱用電極３１３による擾乱用電場と、あらかじめ設置された取り出し軌道３２２上の取り出し用セプタム電磁石３１２によって形成される磁場とによって、取り出し軌道３２２上を通り、加速器１の外へ取り出される。

【0054】

擾乱用電極３１３に印加される電場が切られると、ビームのベータトロン振動振幅の増大が停止し、安定領域内でビームが周回する。これにより、ビームの取り出しを停止することができる。

【0055】

上記ビームの取り出しのプロセスにおいて、周回中のビームの運動量分散を抑制することは、ビームの空間的な広がりを抑えることができ、セプタム電磁石３１２などに衝突して失われるビームの量を減らすのに有効である。したがって、前述の高周波バケツの面積は、加速終了時点でなるべく小さくし、周回中のビームの運動量分散を抑制することが望ましい。

【0056】

しかも、加速電場の減衰には、高周波加速空胴２１の共振のＱ値に基づいて、ある程度の時間がかかる。典型的にはＱ値は３０００程度であり、高周波加速空胴２１への電力入力を停止した時刻から３０００周期程度の時間で高周波電圧振幅が小さくなり、高周波バケツが消失する。高周波電圧振幅の減衰中には、高周波バケツの収縮に伴い、高周波バケツからこぼれる時刻によって各粒子の到達エネルギがばらつく。高周波バケツの消失に時間をかけるほど、その時間に比例してその後の周回ビームの運動量分散が広がる。

【0057】

以上より、加速中の高周波電圧振幅は、高周波バケツを形成できるように、そして加速できるビームの電荷量が充分確保できるならば、高周波バケツはなるべく小さく維持することが、取り出し効率の向上や結果的に照射時間の短縮に有効である。

【0058】

しかしながら、高周波振幅の電圧を過少にすると、加速途中で高周波バケツが消失し、ビームを目的のエネルギまで加速できないことも起きえる。たとえば、７０ＭｅＶまで加速する際の最適な高周波電圧振幅の値が存在する。しかし、その高周波電圧振幅値で２３５ＭｅＶまで加速しようとしても、加速途中で高周波バケツが消失してしまうため、２３５ＭｅＶまで加速できない。

【0059】

すなわち、目標とする到達エネルギに応じて、取り出し効率あるいは照射時間の観点で最適な電圧振幅が存在する。その最適な電圧振幅で高周波を励起することで、取り出し効率の向上あるいは照射時間の短縮を実現できる。本実施例の加速器１は、上述した、到達エネルギと電圧振幅との対応関係を保持する電圧振幅計算装置４５を備える。

【0060】

以上、１サイクル中の、ビームの入射から取り出しに関するビームのふるまいについて述べた。加速器１は、以降のサイクルも同様の動作を繰り返す。２サイクル目以降では、すでに加速されたビームが所定のエネルギでビーム通過領域２０内を周回中である。この場合、加速済みのビームに対しても、２サイクル目のビームを加速する高周波電場が作用する。しかし、加速済みのビームにとっては、入射直後のビームを加速する高周波はその周波数が周回周波数とマッチしないため、エネルギが微小に振動するに過ぎない。よって、２サイクル目のビームが十分加速済みのビームのエネルギに近づくまでは、加速済みのビームは、ほとんどエネルギや運動の状態を変化させることなく安定に周回しながら一部は取り出されていく。既に周回中のビームを先行ビームと、その後に発生するビームを後続ビームと、呼ぶこともできる。

【0061】

２サイクル目のビーム（後続ビーム）のエネルギが加速済みのビーム（先行ビーム）のエネルギに近接すると、より具体的には位相空間上で２サイクル目のビームを内包する高周波バケツが加速済みのビームが存在している領域に重なり始めると、はじめて加速済みのビームに対して有意な影響が高周波から及ぼされる。

【0062】

図８は、このタイミングでの位相空間上の分布についての模式図である。図８のグレーに網掛けした領域Ａ１が加速済みの周回ビームが存在する領域であり、ここに２サイクル目のビームを内包する高周波バケツＢｕが入る。

【0063】

前述の通り、高周波バケツは、運動量分散が小さくなるように適切な形状に制御されており、その運動量方向の高さは周回中のビームよりも小さい。高周波バケツと周回中のビームとが近接すると、周回中のビームは高周波バケツに入ることができず、高周波バケツに押しのけられるように位相空間上の別の位置に移動する。

【0064】

図９に、２サイクル目のビームを加速完了した瞬間の位相空間におけるビームの分布を示す。図９に示す瞬間では、高周波バケツは、先行ビームがすでに周回している領域を通過し、その影響で先行ビームの分布が乱され、運動量分散が増加している。さらに２サイクル目ビーム（後続ビーム）が高周波バケツの収縮とともにバケツからこぼれ、位相空間上のある領域に配置される。加速済みのビームと新たに加速されたビームとの位相空間上の領域は、このタイミングでは明確な境界をもつ。図９では、加速済のビーム（先行ビーム）が存在する領域Ａ２をドット柄で示し、新たに加速されたビーム（後続ビーム）の存在領域Ａ３を斜線で示す。このように、周回ビームの運動量分散が増える代わりに、新たなビームを追加することが可能となる。

【0065】

図１０および図１１を用いて、上述の原理によってビームを加速し、加速器１の外へ取り出すときの各機器の制御ダイアグラムと運転フローを説明する。図１０に本実施例の加速器１の制御ブロック図を示す。

【0066】

ビームを加速するための構成とその制御系としては、図１０に示すような、高周波加速空胴２１に付随する回転式可変容量キャパシタ２１２と、回転式可変容量キャパシタ２１２の回転軸２１３（図１参照）に接続されるサーボモータ２１４と、サーボモータ２１４を制御するモーター制御装置４１とがある。さらに、高周波加速空胴２１に高周波電力を入力するための入力カプラ２１１（図１参照）と、供給する高周波電力を生成する低レベル高周波発生装置４２およびアンプ４３がある。

【0067】

回転式可変容量キャパシタ２１２は、モータ制御装置４１により制御される。モータ制御装置４１は、全体制御装置４０により制御される。全体制御装置４０は、治療計画データベース６０中の治療計画データにより予め定められた指示値に基づいて、モータ制御装置４１を制御する。

【0068】

予め定められた回転速度でサーボモータ２１４が回転すると、これにより回転軸２１３が回転する。回転軸２１３の回転角が時間的に変化することで、静電容量を時間的に変調される。これにより、基本モードの共振周波数が変化する。

【0069】

低レベル高周波発生装置４２によって発生させた高周波信号をアンプ４３によって増幅することで、高周波加速空胴２１に入力される高周波を作る。低レベル高周波発生装置４２において作る高周波信号の周波数は、前記の基本モードの共振周波数に追従させる。高周波信号の振幅は、治療計画データベース６０によって定められており、全体制御装置４０より指示される。

【0070】

高調波モード用の低レベル高周波を発生させる装置４２によって発生させた高周波信号をアンプ４３によって増幅することで、高周波加速空胴２１へ入力される高周波電力を作る。高調波モード用低レベル高周波発生装置４２により作られる高周波信号の周波数は、前記の高調波モードの共振周波数に追従させ、振幅は、治療計画データベース６０によって定められたビームのエネルギを電圧振幅計算装置４５が参照し、電圧振幅計算装置４５の演算によって定められた振幅値を全体制御装置４０より指定される。

【0071】

ビームを加速器１外に取り出すための構成とその制御系としては、図１０に示す、擾乱用電極３１３に高周波電圧を印加するための高周波電源４６と、この高周波電源４６を制御する擾乱高周波制御装置４７とがある。

【0072】

高周波電源４６から擾乱用電極３１３に出力される電圧値は、擾乱高周波制御装置４７によって制御されている。高周波電源４６から出力される電圧の指定値は、取り出しビームエネルギと取り出しビームの出力電流とから一意に定まる値として治療計画データベース６０内に保存された治療計画データによって定められている。全体制御装置４０は、その治療計画データから指定値を取得し、擾乱高周波制御装置４７へ指示する。

【0073】

図１１および図１２に基づいて、以上のような加速器１の制御系における、ある二種類のエネルギのビームを連続的に取り出す際の各機器の動作（運転方法）を説明する。図１１は、各機器の動作のタイミングチャートである。図１２は、運転の流れをフローチャートである。

【0074】

図１１のチャートの縦軸は、上から順に、（１）回転式可変容量キャパシタ２１２の回転軸２１３の回転角、（２）高周波加速空胴２１の共振周波数、（３）高周波加速空胴２１に入力される高周波の周波数、（４）加速ギャップ２２３における加速用高周波の振幅、（５）イオン源１２が出力するビームの電流波形、（６）取り出し可能な周回中の電荷量、（７）擾乱用電極３１３に入力される擾乱高周波、（８）加速器１から出力されるビーム電流波形、を示している。図１１に示すチャートの横軸はすべて時間である。

【0075】

図１１に示すように、回転式可変容量キャパシタ２１２の回転軸２１３の回転角によって、高周波加速空胴２１の共振周波数は周期的に変化する。それに合わせて、低レベル高周波発生装置４２から出力され、高周波加速空胴２１へ入力される高周波信号の周波数も同期して変化する。ここで、共振周波数が最大となる時刻から次に最大となる時刻までの期間を運転周期と定義する。

【0076】

図１１（５）に示すように、運転周期の開始直後から、イオン源１２からビームが出力される。ビームは、安定なシンクロトロン振動が可能な範囲に入射された場合、加速される。これに対し、シンクロトロン振動が安定しない粒子は、加速できずに加速器１内部の構造物に衝突し、失われる。ここまでが図１２に示す入射プロセスである。入射プロセスは、加速電圧の印加を開始するステップＳ１１と、イオン源からイオンを出力するステップＳ１２を含む。

【0077】

図１１に戻り、共振周波数が低下するにつれてビームは加速され、所定の取り出しエネルギ近くまで加速される。その後、高周波加速空胴２１に入力される高周波の振幅を低下させ始める。この低下の開始タイミングは、イオンビームが目標エネルギになる前の所定のタイミングから開始するようにする。例えば、高周波電力の入力を切ってから加速ギャップ２２３に生じていた加速用電場が０になるまでに、目標エネルギに到達すると見込まれるエネルギに達するタイミングから低下を開始させることが望ましい。ここまでが図１２における加速プロセスである。加速プロセスは、イオンビームを加速するステップＳ１３と、加速電圧の印加を停止するステップＳ１４を含む。

【0078】

図１１に戻り、加速電場の振幅が十分小さくなった時点で、ビームは、所定の取り出しエネルギに達している。加速が完了した時点で、取り出し可能なビーム量はある値になり、これよりビーム取り出しが可能となる。ビームは、付加磁場発生用シム３１１によって定められたセパラトリクス内を満たすように周回することになる。

【0079】

次いで、擾乱用電極３１３による擾乱高周波を印加する。ビームを取り出す時間はあらかじめ定められている。周回中の全電荷がすべて取り出されるか、所定の照射線量が照射されるまで擾乱高周波を印加し、ビームを取り出し続ける。

【0080】

この間、高周波加速空胴２１に付随のサーボモータ２１４は回転を続け、共振周波数は変動を続ける。入射の周波数と共振周波数とが一致したら、イオン源から再度ビームを出力し、上記同様にビームを加速しつつ、ビームの取り出しも並行して進める。加速終了のごくわずかな時間（加速高周波振幅が減衰中）のみは、擾乱用高周波をオフして照射ビームのエネルギ変動を抑制する。高周波加速空胴２１が作る加速用高周波は、加速プロセス中においてビームの周回周波数と一致しないため、ビームに対する影響はほとんど生じない。よって、ビームは一定のエネルギで周回しながら、印加されている擾乱高周波によって順次取り出されていく。

【0081】

擾乱高周波の強度によってではあるが、図１１（６）に示すように、１回目の加速が終了して以降、加速高周波の振幅が減衰中の期間を除き、常に周回電荷量が追加されているため、いつでもビームのオン／オフの制御が可能である。以上が図１２に示す照射プロセスである。

【0082】

照射プロセスは、取り出し高周波の印加を開始させるステップＳ１５と、取り出し高周波の印加を停止させるステップＳ１６と、照射プロセスが完了したか判定するステップＳ１７と、周回電荷量を測定するステップＳ１８と、次サイクルまでに照射できる電荷量と基準値とを比較するステップＳ１９を含む。ステップＳ１７において、照射プロセスが完了したと判定されると、図１２に示す照射制御処理は終了する。照射プロセスが完了していない場合（Ｓ１７：ＮＯ）、ステップＳ１８へ進む。ステップＳ１９において、次サイクルまでに照射できる電荷量が基準値よりも大きいと判定されると（電荷量＞基準値）、ステップＳ１５へ戻る。次サイクルまでに照射できる電荷量が基準値以下であると判定されると（電荷量≦基準値）、ステップＳ１１へ戻る。

【0083】

図１１に戻る。ある一つのエネルギでの照射が終了すると、次の運転周期に到達するまでの間に、次の運転周期で取り出すべきイオンビームのエネルギに対応したパターンでの運転が開始される。上記のプロセスを繰り返すことで、任意のエネルギを任意の線量で照射可能な加速器１が実現する。

【0084】

図１１に示した２回目の運転周期（後続するビームの運転周期）は、１回目の運転周期（先行するビームの運転周期）とは異なるエネルギを照射する場合のタイミングチャートを示す。

【0085】

ここでは、後続ビームの照射エネルギは、先行ビームの照射エネルギと比較して、より大きい場合を説明する。図１１（４）に示すように、後続ビームの運転が先行ビームの運転と異なるのは、加速高周波の振幅の値とその印加期間である。より大きなエネルギまで加速するには、高周波の印加時間をより長くすることで実現される。前述のとおり、加速後の周回ビームの運動量分散を小さく抑制するために、エネルギ毎に電圧振幅計算装置４５によって計算される振幅値が定められている。これにより高周波バケツを不要に大きくすることを避け、周回ビームの運動量分散を抑制できる。さらに、ビームの取り出し効率の増加とビーム照射時間の短縮とを実現できる。

【0086】

上記の説明では、常に、イオンが入射可能なタイミングでイオンの入射を行うことを想定している。照射すべき電荷量と現に周回しているビーム量とを比較して、周回電荷量が十分に大きい場合は、新たなイオンの入射（イオン源１２からのイオン出力）をしないことも考えられる。その場合は、加速器１にビーム量の監視手段として、電極型周回ビーム量モニタＢＭ（図２参照）が設置される。ビーム量モニタＢＭは、ビーム軌道上の任意の場所に設置される電極であり、電極に励起される電圧および電荷量に比例する信号を取り出すことが可能である。あらかじめ定められた電荷量と比較して大きな電荷量が周回している場合は、イオンの入射をスキップさせる。

【0087】

ビーム量の監視手段は他の方式でもよい。直接ビーム量を計測する必要はない。ビームの取り出し量と擾乱用高周波振幅との比は、周回ビーム量に関連する量であるため、その比からビーム量を推測するなどの方法でもよい。

【0088】

例えば、加速空胴のピックアップ信号取得用のループアンテナ、または、入力カプラからの反射波モニタなどによって、ビーム周回量を計測することも可能である。その場合、ビームの周回周波数とビームのバンチ構造とを考慮してあらかじめ校正されており、ビームのエネルギと加速停止からの経過時間とに基づいた校正テーブルが用意される。

【0089】

図１３に、ビーム量を計測する処理のフローチャートを示す。ビーム量計測処理は、例えば、加速電極のピックアップ信号を取得するステップＳ２０、取得した信号の周波数を解析するステップＳ２１、ビーム周波数に対応する信号強度を取得するステップＳ２２、および、周波数特性と加速停止からの経過時間とでビーム量に換算するステップＳ２３を含む。

【0090】

すなわち、ビーム量計測処理では、計測開始の後（Ｓ２０）、モニタ信号の特定周波数成分の信号を取り出し（Ｓ２１，Ｓ２２）、校正テーブルから周回ビーム量に換算する（Ｓ２３）。これにより、周回電荷量に基づいて、新たなイオンの入射をスキップさせるか否かを判定することができる。

【0091】

高周波加速空胴２１は、上述の構成に限定されない。例えば、高周波空胴の変調機構として、回転式可変容量キャパシタ２１２による静電容量の変化に代えて、透磁率の変化を利用することもできる。空胴内部にフェライト磁性体を設置し、フェライト磁性体の性質である外部磁場による透磁率変化を利用することができる。

【0092】

その場合の高周波加速空胴２１の構造を図１４に示す。図１４は、加速空胴の一端が同軸構造となった共振空胴であり、同軸構造部に内胴体と外導体で囲まれた間隙中にフェライト磁性体２３１が設置されている。フェライト磁性体２３１にはバイアス電流コイル２３２が巻かれており、外部の電源に接続されている。バイアス電流コイル２３２に印加する電流は、高周波周波数から決まる。フェライト磁性体２３１の透磁率がバイアス電流の値によって決まることから、あらかじめ共振周波数とバイアス電流の関係をテーブル化することが可能である。そこで、この類型の加速空胴を用いる場合、可変容量キャパシタを用いる変調と異なり、バイアス電流の制御によって高周波の周波数を制御する。

【0093】

このように構成される本実施例によれば、イオン入射プロセス、イオン加速プロセス、イオンビームの取出しプロセス、減速プロセスという時間的に直列なプロセスを並列的に実行することができる。本実施例の加速器１は、入射プロセスおよび加速プロセスを繰り返して実行し、照射エネルギに対応するビームが常に加速器内に補充されている状態を維持する。したがって、本実施例の加速器１は、ビームを照射できない時間を短くし、ビーム取り出しの効率を高めることができる。

【実施例0094】

実施例２を説明する。本実施例を含む以下の実施例では、実施例１との相違を中心に述べる。実施例２は、図示を省略するが、当業者であれば理解でき、実施可能である。

【0095】

実施例１では、加速核種を水素イオンとしたが、実施例２では、加速核種を炭素イオンとする。実施例２の加速器は、炭素イオンを、核子当り運動エネルギ１４０ＭｅＶ～４３０ＭｅＶの範囲での取り出しが可能な周波数変調型の可変エネルギ加速器である。

【0096】

実施例２の加速器の動作原理、その機器構成、その操作手順は、実施例１で述べたと同様であるため、詳細な説明は省略する。

【0097】

実施例２の加速器が実施例１の加速器１と異なるのは、軌道半径の大きさと磁場とエネルギの関係、周回周波数とエネルギの関係である。それらは、実施例１に示した加速器１から、ビームの磁気剛性率の比に軌道半径と磁場の積を比例させることで決定することができる。

【0098】

よって、実施例２の加速器においても、実施例１の加速器１と同様の構成および手法によって、実施例１と同様の作用効果を奏する。すなわち、実施例２の加速器は、周回ビームの運動量分散を抑制することができ、従来技術の運転方法に比べて、取り出し効率を向上でき、粒子線治療に用いた場合の照射時間を短縮できる。