特開 2023-127939 加速器及び粒子線治療装置

(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】P2023127939

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】加速器及び粒子線治療装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 13/02 20060101AFI20230907BHJP

   H05H 7/04 20060101ALI20230907BHJP

   A61N 5/10 20060101ALN20230907BHJP

【ＦＩ】

H05H13/02

H05H7/04

A61N5/10 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022031933

(22)【出願日】2022-03-02

(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】堀 知新

(72)【発明者】

【氏名】▲えび▼名 風太郎

(72)【発明者】

【氏名】西田 賢人

【テーマコード（参考）】

2G085

4C082

【Ｆターム（参考）】

2G085AA11

2G085BA13

2G085BA14

2G085BC06

2G085BC18

2G085EA07

4C082AA01

4C082AC05

4C082AE03

(57)【要約】

【課題】イオンビーム取り出し効率を向上させることが可能な加速器を提供する。
【解決手段】加速器の主磁場領域３０の外周部に設けられた擾乱磁場領域は、磁場の強さが外側に向かうにつれて減少するピーラ領域３１と、磁場の強さが外側に向かうにつれて増加するリジェネレータ領域３２と、磁場の強さがピーラ領域３１の磁場の強度よりも大きく、かつ、リジェネレータ領域３２の磁場の強度よりも小さい略平坦領域３３と、を有する。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

主磁場及び加速用高周波電場によって、イオンビームを周回させながら加速する加速器であって、
互いに対向して配置される複数の磁極を有し、各磁極に挟まれた空間に前記主磁場を励起させる主磁場発生装置と、
前記イオンビームを取り出す出射チャネルと、
前記主磁場が励起されている主磁場領域を周回するイオンビームを前記主磁場領域の外側に変位させる変位部と、
前記主磁場領域の外周部に設けられ、前記外側に変位されたイオンビームに擾乱を与えて前記出射チャネルに導く磁場を励起させる擾乱磁場領域と、を有し、
前記擾乱磁場領域は、
磁場の強さが外側に向かうにつれて減少する第１の領域と、
磁場の強さが外側に向かうにつれて増加する第２の領域と、
磁場の強さが前記第１の領域の磁場の強度よりも大きく、かつ、前記第２の領域の磁場の強度よりも小さい第３の領域と、を有する、加速器。

【請求項2】

前記第３の領域では、磁場の強さが外側に向かうにつれて前記第１の領域よりも緩やかに減少する、請求項１に記載の加速器。

【請求項3】

前記主磁場領域における前記磁極の中心よりも前記出射チャネル側の所定の位置に前記イオンビームを形成するイオンを導入するイオン導入装置をさらに有し、
前記第１の領域及び前記第２の領域は、前記所定の位置よりも前記出射チャネル側に設けられる、請求項１に記載の加速器。

【請求項4】

前記第３の領域は、前記第１の領域及び前記第２の領域を合わせた領域よりも大きい、請求項１に記載の加速器。

【請求項5】

前記出射チャネルにおける前記イオンビームが入射される入口が前記第１の領域に設けられている、請求項１に記載の加速器。

【請求項6】

前記磁極における前記第１の領域を挟む第１の部分の間隔は、前記磁極における前記第２の領域を挟む第２の部分の間隔よりも広く、
前記磁極における前記第３の領域を挟む第３の部分の間隔は、前記第１の部分の間隔よりも狭く、かつ、前記第２の部分の間隔よりも広い、請求項１に記載の加速器。

【請求項7】

前記主磁場発生装置は、前記イオンビームが周回する周回軌道が偏心しながら加速するように前記主磁場を発生させる、請求項１に記載の加速器。

【請求項8】

請求項１に記載の加速器と、
前記加速器から取り出されたイオンビームを照射する照射装置と、を有する粒子線治療装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、加速器及び粒子線治療装置に関する。

【背景技術】

【0002】

粒子線治療は、放射線治療の一種であり、腫瘍に陽子線又は炭素線のようなイオンビームを腫瘍に照射して腫瘍内の細胞を破壊する治療方法である。粒子線治療を施すための粒子線治療システムは、イオンを生成するイオン源、イオン源にて生成されたイオンを加速してイオンビームを形成する加速器、加速器にて形成されたイオンビームを加速器から治療室へと輸送するビーム輸送系、ビーム輸送系にて輸送されたイオンビームの腫瘍に対する照射方向を変える回転ガントリ、回転ガントリから腫瘍にイオンビームを照射する照射系、及び、これらの構成要素を制御する制御系を備えている。

【0003】

粒子線治療システムには、加速器として、シンクロトロン、サイクロトロン又はシンクロサイクロトロンなどの円形加速器が用いられる。近年、粒子線治療システムの小型化を図るために、円形加速器の小型化が進展している。円形加速器の小型化の有力な手段は、円形加速器内でイオンビームを周回させる主磁場の強度を大きくすることであり、主磁場の強度を大きくする有力な手段は、主磁場を生成する主電磁石に超電導磁石を適用することである。超電導磁石の適用という観点からは、主磁場の大きさを動的に調整するシンクロトロンと比較して、静的な主磁場を用いるサイクロトロン及びシンクロサイクロトロンが有力である。非特許文献１には、主電磁石として超電導磁石を用いたシンクロサイクロトロンが開示されている。

【0004】

サイクロトロン及びシンクロサイクロトロンのような主磁場が静的な円形加速器では、一般的に、外部に取り出されるイオンビームのエネルギーは固定されており、腫瘍に照射するイオンビームのエネルギーは、円形加速器の外部でディグレーダと呼ばれる散乱体によってイオンビームを減衰させることで調整されている。

【0005】

これに対して、特許文献１には、静的な主磁場を使用しつつ、外に取り出すイオンビームのエネルギーを可変とすることで、外部でイオンビームを減衰させる必要のない円形加速器が開示されている。

【0006】

特許文献１に記載の円形加速器は、円形加速器内を周回するイオンビームを所望のエネルギーまで加速した後に、イオンビームの進行方向及び主磁場の磁極ギャップ方向（以下、鉛直方向とする）に対して略垂直な方向（以下、水平方向とする）の高周波電場をイオンビームに印加する。高周波電場を印加されたイオンビームは、中心軌道を中心とした振動であるベータトロン振動の水平方向の振幅が徐々に増大し、ピーラ磁場及びリジェネレータ磁場と呼ばれる、中心軌道の周囲に形成されたベータトロン振動の共鳴を発生させるための磁場領域を通過する。ピーラ磁場及びリジェネレータ磁場を通過するイオンビームは、水平方向のベータトロン振動の振幅が急激に増大し、取り出し用のセプタム磁場へ入射して、加速器の外部へ取り出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１９－１３３７４５号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】XiaoYu Wu, “Conceptual Design and Orbit Dynamics in a 250 MeV Superconducting Synchrocyclotron”, Ph. D. Thesis, submitted to Michigan State University

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ピーラ磁場及びリジェネレータ磁場を通過するイオンビームは、共鳴によって水平方向の振幅が急激に増加すると共に、垂直方向の振幅も増大する。イオンビームの垂直方向の振幅が増大すると、イオンビームの取り出し効率が低下するため、特許文献１に記載の技術では、イオンビームの取り出し効率について改善の余地がある。

【0010】

本開示の目的は、イオンビーム取り出し効率を向上させることが可能な加速器及び粒子線治療装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本開示の一態様に従う加速器は、主磁場及び加速用高周波電場によって、イオンビームを周回させながら加速する加速器であって、互いに対向して配置される複数の磁極を有し、各磁極に挟まれた空間に前記主磁場を励起させる主磁場発生装置と、前記イオンビームを取り出す出射チャネルと、前記主磁場が励起されている主磁場領域を周回するイオンビームを前記主磁場領域の外側に変位させる変位部と、前記主磁場領域の外周部に設けられ、前記外側に変位されたイオンビームに擾乱を与えて前記出射チャネルに導く磁場を励起させる擾乱磁場領域と、を有し、前記擾乱磁場領域は、磁場の強さが外側に向かうにつれて減少する第１の領域と、磁場の強さが外側に向かうにつれて増加する第２の領域と、磁場の強さが前記第１の領域の磁場の強度よりも大きく、かつ、前記第２の領域の磁場の強度よりも小さい第３の領域と、を有する。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、イオンビーム取り出し効率を向上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示の実施例における粒子線治療システムの構成図である。

【図2】主磁場を生成する主磁場磁石の斜視図である。

【図3】主磁場磁石の垂直平面に沿った縦断面図である。

【図4】主磁場磁石の中間平面に沿った横断面図である。

【図5】主磁場の中心線上の磁場分布を示す図である。

【図6】イオンビームの周回軌道を説明するための図である。

【図7】主磁場の中間平面上の磁場分布を模式的に示す模式図である。

【図8】磁極周縁部における中間平面上の磁場の径方向分布を示す図である。

【図9】比較例を説明するための図である。

【図10】主磁場磁石の別の垂直平面による断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本開示の実施例について図面を参照して説明する。

【実施例0015】

図１は、本開示に実施例に係る粒子線治療システムの全体構成を示す図である。図１に示す粒子線治療システム１００１は、後述する加速器１００４にてイオンを加速して形成したイオンビームを被検者に対して照射するシステムである。本実施例では、加速器１００４は、イオンビームとして、イオンとして水素イオン、つまり陽子を用いたイオンビームを所定の範囲内の任意のエネルギーまで加速して出射する。所定の範囲は、本実施例では、７０ＭｅＶから２３５ＭｅＶまでの範囲である。ただし、イオンビームは、ヘリウム及び炭素などを用いた重粒子イオンビームでもよく、出射するイオンビームのエネルギーである出射エネルギーは７０ＭｅＶから２３５Ｍｅｖまでの範囲に限らない。

【0016】

図１に示す粒子線治療システム１００１は、建屋（不図示）の床面に設置される。また、粒子線治療システム１００１は、イオンビーム発生装置１００２、ビーム輸送系１００５、回転ガントリ１００６、照射装置１００７、治療計画装置１００８及び制御システム１００９を有する。また、イオンビーム発生装置１００２は、イオン源１００３と、加速器１００４とを有する。

【0017】

イオン源１００３は、イオンを加速器１００４に供給するイオン導入装置である。加速器１００４は、イオン源１００３から供給されたイオンを加速してイオンビームを形成し、そのイオンビームを出射する。加速器１００４には、加速器１００４を駆動するための電源である高周波電源１０３６、コイル励磁用電源１０５７及び出射チャネル用電源１０８２が接続される。また、加速器１００４には、イオンビームの電流を測定するイオンビーム電流測定装置１０９８が接続される。イオンビーム電流測定装置１０９８は、移動装置１０１７及び位置検出器１０３９を含む。なお、加速器１００４のより詳細な説明は後述する。

【0018】

ビーム輸送系１００５は、加速器１００４から出射されたイオンビームを照射装置１００７まで輸送する輸送系であり、イオンビームが通過するイオンビーム経路１０４８を有する。イオンビーム経路１０４８は、加速器１００４におけるイオンビームを出射するための出射チャネル１０１９と照射装置１００７とに接続される。また、イオンビーム経路１０４８には、加速器１００４から照射装置１００７に向かって、イオンビームを輸送するための電磁石が、複数の四極電磁石１０４６、偏向電磁石１０４１、複数の四極電磁石１０４７、偏向電磁石１０４２、四極電磁石１０４９、四極電磁石１０５０、偏向電磁石１０４３及び偏向電磁石１０４４の順に配置されている。

【0019】

回転ガントリ１００６は、回転軸１０４５を中心に回転可能に構成されており、照射装置１００７を回転軸１０４５の周りで旋回させる回転装置である。イオンビーム経路１０４８の一部は、回転ガントリ１００６に設置されている。また、イオンビームを輸送するための電磁石のうち、偏向電磁石１０４２、四極電磁石１０４９、１０５０、偏向電磁石１０４３及び１０４４は、回転ガントリ１００６に設置されている。

【0020】

照射装置１００７は、回転ガントリ１００６に取り付けられており、偏向電磁石１０４４の下流側でイオンビーム経路１０４８と接続される。

【0021】

照射装置１００７は、走査電磁石１０５１及び１０５２と、ビーム位置モニタ１０５３と、線量モニタ１０５４とを有する。走査電磁石１０５１、１０５２、ビーム位置モニタ１０５３及び線量モニタ１０５４は、照射装置１００７のケーシング（不図示）内に配置されている。また、走査電磁石１０５１、１０５２、ビーム位置モニタ１０５３及び線量モニタ１０５４は、照射装置１００７の中心軸、つまりイオンビームのビーム軸に沿って配置される。

【0022】

走査電磁石１０５１及び走査電磁石１０５２は、それぞれイオンビームを偏向し、イオンビームを照射装置１００７の中心軸に略垂直な平面内において互いに略直交する方向に走査する走査系を構成する。ビーム位置モニタ１０５３及び線量モニタ１０５４は、走査電磁石１０５１、１０５２の下流に配置される。ビーム位置モニタ１０５３は、イオンビームの通過位置を計測する。線量モニタ１０５４は、イオンビームの線量を計測する。

【0023】

照射装置１００７の下流側には、被検者である患者２００１が横たわる治療台１０５５が照射装置１００７に対向するように配置される。

【0024】

治療計画装置１００８は、患者２００１に対するイオンビームの照射内容を治療計画として生成して制御システム１００９に通知する。照射内容は、例えば、イオンビームの照射領域、照射エネルギー、照射角度及び照射回数などを含む。

【0025】

制御システム１００９は、治療計画装置１００８から通知された治療計画に従って、イオンビーム発生装置１００２、ビーム輸送系１００５、回転ガントリ１００６及び照射装置１００７を制御して、イオンビームを患者２００１に照射する制御部である。

【0026】

制御システム１００９は、中央制御装置１０６６、加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０、回転制御装置１０７１及びデータベース１０７２を有する。

【0027】

中央制御装置１０６６は、治療計画装置１００８から通知された治療計画に従って、加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０及び回転制御装置１０７１を介して、イオンビーム発生装置１００２、ビーム輸送系１００５、回転ガントリ１００６及び照射装置１００７を制御して、イオンビームを患者２００１に照射する

【0028】

加速器・輸送系制御装置１０６９は、イオンビーム発生装置１００２及びビーム輸送系１００５を制御する。走査制御装置１０７０は、照射装置１００７を制御する。具体的には、走査制御装置１０７０は、ビーム位置モニタ１０５３及び線量モニタ１０５４の計測結果に基づいて、走査電磁石１０５１及び走査電磁石１０５２を制御して、イオンビームを走査する。回転制御装置１０７１は、回転ガントリ１００６を制御する。データベース１０７２は、治療計画装置１００８から通知された治療計画を保存する。また、データベース１０７２は、中央制御装置１０６６にて使用される種々の情報を保存してもよい。

【0029】

また、中央制御装置１０６６は、中央演算装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）１０６７と、ＣＰＵ１０６７に接続されたメモリ１０６８とを有する。なお、データベース１０７２、加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０及び回転制御装置１０７１は、中央制御装置１０６６内のＣＰＵ１０６７と接続されている。

【0030】

ＣＰＵ１０６７は、データベース１０７２に保存されている治療計画に応じて、粒子線治療システム１００１を構成する各機器の制御を行うプログラムを読み取り、その読み取ったプログラムを実行して、粒子線治療システム１００１内の各機器を制御する制御処理を実行する。具体的には、ＣＰＵ１０６７は、加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０及び回転制御装置１０７１を介して各機器に指令を出力することで、各機器を制御し、治療計画に従って患者２００１のイオンビームを照射する。メモリ１０６８は、プログラムのワークエリアとして使用されると共に、ＣＰＵ１０６７の処理にて使用及び生成される種々のデータを記憶する。

【0031】

なお、ＣＰＵ１０６７にて実行されるプログラムは、１つのプログラムでもよいし、複数のプログラムに分かれていてもよい。プログラムによる処理の一部又は全てが専用のハードウェアで実現されてもよい。また、プログラムは、データベース１０７２から中央制御装置１０６６にインストールされてもよいし、不図示のプログラム配布サーバ又は外部記憶メディアになどから中央制御装置１０６６にインストールされてよい。また、制御システム１００９内の各装置は、２つ以上の装置が有線又は無線にて接続された形態で構成されてもよい。

【0032】

＜加速器１００４＞
次に、図１～図４を用いて、イオンビーム発生装置１００２の加速器１００４についてより詳細に説明する。図２は、加速器１００４の斜視図、図３は、加速器１００４の垂直平面３に沿った縦断面図、図４は、加速器１００４の中間平面２に沿った横断面図である。

【0033】

（主磁場磁石１）
加速器１００４は、図２～図４に示すように、主磁場磁石１を有する。主磁場磁石１は、イオンビームを周回させるための主磁場を発生させる主磁場発生装置であり、図２に示すように、主磁場磁石１は、鉛直方向から見て略円盤状の形状を有する上リターンヨーク４及び下リターンヨーク５を有する。

【0034】

上リターンヨーク４及び下リターンヨーク５は、中間平面２に対して互いに略上下対称な形状を有する。中間平面２は、概ね主磁場磁石１の鉛直方向の中心を通り、加速器１００４内で加速するイオンビームが描く軌道面に略一致する。

【0035】

また、上リターンヨーク４及び下リターンヨーク５は、中間平面２に略垂直であり、かつ、概ね中間平面２における主磁場磁石１の中心を通過する平面である垂直平面３に対して、略面対称な形状を有する。なお、図２では、中間平面２の主磁場磁石１に対する交差部分が一点鎖線、垂直平面３の主磁場磁石１に対する交差部分が破線で示されている。

【0036】

上リターンヨーク４及び下リターンヨーク５に囲まれた空間内には、図３に示すように、２つのコイル６が中間平面２に対して略面対称に配置されている。コイル６は、超電導コイルであり、例えば、ニオブチタンなどの超電導体を用いた超電導線材で構成されている。コイル６は、コイル６を冷却するための冷却機構であるクライオスタット（不図示）の内部に設置され、そのクライオスタットよって一定温度（コイル６が完全反磁性を示す温度）以下に冷却される。また、コイル６は、図１に示したコイル引出配線１０２２によって主磁場磁石１の外部に引き出されてコイル励磁用電源１０５７に接続される。コイル励磁用電源１０５７は、コイル６に電力を供給する電源であり、加速器・輸送系制御装置１０６９にて制御される。

【0037】

また、上リターンヨーク４及び下リターンヨーク５に囲まれた空間におけるコイル６よりも内側には、真空容器７が設けられる。真空容器７は、内部を真空状態に保つための容器であり、例えば、ステンレスなどによって構成される。真空容器７の内部には、上部磁極８及び下部磁極９が中間平面２を挟んで面対称に配置されており、それぞれ上リターンヨーク４と下リターンヨーク５とに結合されている。上リターンヨーク４、下リターンヨーク５、上部磁極８及び下部磁極９は、例えば、不純物濃度を低減させた純鉄又は低炭素鋼などにて形成される。

【0038】

上記構成を有する主磁場磁石１は、中間平面２を中心とする内部の加速空間２０に対して、上下方向の磁場を印加する主磁場を形成する。主磁場は、中間平面２内において概ね一様であるが、わずかに非一様な強度分布を有する。

【0039】

主磁場の強さは、イオン源１００３から供給されたイオンが弱収束の原理によってイオンビームとして加速空間２０内を安定的に周回するように設計される。弱収束の原理は、主磁場が外周に向かって近づくにつれて単調減少し、その勾配が所定の上限値から下限値の間に含まれる場合、イオンがイオンビームとして安定的に周回することを示す原理である。

【0040】

図５は、主磁場の中心線上の強度分布を示す図である。中心線は、中間平面２と垂直平面３との交線であり、本実施例では、その交線に沿った方向をＹ軸方向、中間平面２上におけるＹ軸方向に垂直な方向をＸ軸方向としている。

【0041】

図５に示すように、主磁場の強度は、中間平面２方向における上部磁極８及び下部磁極９の中心である磁極中心Ｏ２からＹ軸方向にずれた所定の位置Ｏ１において、最も大きく、上部磁極８と下部磁極９の外周に近づくにつれて徐々に低下する。なお、以下では、位置Ｏ１を主磁場分布の中心と呼ぶこともある。

【0042】

（イオン源１００３）
イオン源１００３は、図２の例では、主磁場磁石１の上に設置されている。上リターンヨーク４及び上部磁極８には、イオン源１００３からのイオンを加速空間２０の位置Ｏ１に導くための貫通孔１７が設けられている。貫通孔２４の中心軸（イオン入射軸）１２は、中間平面２に略垂直であり、位置Ｏ１まで通っている。イオン源１００３は、貫通孔１７の上部に配置され、貫通孔１７を介してイオンを加速空間２０の位置Ｏ１に導入する。なお、イオン源１００３は、主磁場磁石１の内部に設置されてもよい。この場合は、貫通孔１７は、不要である。

【0043】

（出射チャネル１０１９）
また、加速器１００４は、図２～図４に示すように、イオンビームを取り出してビーム輸送系１００５に出射する出射チャネル１０１９を有する。出射チャネル１０１９は、本実施例では、電磁石（不図示）を有する構成であり、加速空間２０の外側、より具体的には、上部磁極８及び下部磁極９のＹ軸上における主磁場分布の中心Ｏ１に近い方の外周部に配置される。出射チャネル１０１９は、Ｙ軸近傍に開口１０１９ａを有し、開口１０１９ａから所望のエネルギーのイオンビームを取り込んで、上リターンヨーク４及び下リターンヨーク５に設けられた貫通孔１８を介して、加速器１００４の外部に取り出す。貫通孔１８は、ビーム輸送系１００５の先端が設置されており、取り出されたイオンビームはビーム輸送系１００５を介して照射装置１００７に導かれる。

【0044】

出射チャネル１０１９の電磁石に電力を供給する給電線は、上リターンヨーク４及び下リターンヨーク５に設けられた貫通孔１５から、加速器１００４の外部に引き出され、図１に示した出射チャネル用電源１０８２と接続される。出射チャネル用電源１０８２は、出力チャネルに電力を供給すうる電源であり、加速器・輸送系制御装置１０６９にて制御される。なお、出射チャネル１０１９は、電磁石を備えずに、磁性体のみで構成されてもよい。この場合、出射チャネル１０１９用の電源は不要である。

【0045】

（高周波加速空胴１０３７）
また、加速器１００４は、加速空間２０に入射されたイオンを加速してイオンビームを形成するための部材である高周波加速空胴１０３７を有する。高周波加速空胴１０３７は、中間平面２を挟んで配置された一対のディー電極１０３７ａを含む。ディー電極１０３７ａは、鉛直方向から見て扇形形状を有する。ディー電極１０３７ａは、扇形の頂点（中心）が主磁場分布の中心Ｏ１の近傍にあり、磁極中心Ｏ２を含むイオンビームの軌道の一部を覆うように配置される。

【0046】

ディー電極１０３７ａの半径方向の端面に対向するように、接地電極（不図示）が配置され、ディー電極１０３７ａの半径方向の端面と接地電極との間に、イオンビームを加速する加速用高周波電場である加速電場が形成される。

【0047】

ディー電極１０３７ａが位置Ｏ１を頂点とする扇形に形成されていることにより、周回するイオンビームの進行方向が加速電場と平行になるように、つまり、イオンビームが周回する各周回軌道の中心を通ってＸ軸に平行な軸が各周回軌道と交差する位置に加速電場を印加することができる。

【0048】

高周波加速空胴１０３７は、上リターンヨーク４及び下リターンヨーク５の間に、Ｙ軸方向に沿って設けられた貫通孔１６を通って主磁場磁石１の外部に引き出され、その外部にて導波管１０１０と接続されている。導波管１０１０には、高周波電源１０３６が接続されている。高周波電源１０３６は、導波管１０１０を通して、高周波加速空胴１０３７に電力を供給する電源であり、加速器・輸送系制御装置１０６９にて制御される。高周波電源１０３６から供給される電力により、ディー電極１０３７ａと接地電極との間に加速電場として高周波電場が励起される。

【0049】

加速空間２０内を周回するイオンビームの軌道である周回軌道の軌道半径は、後述するようにイオンビームの加速に伴って徐々に増大する。イオンビームを適切に加速させるためには、加速電場は、イオンビームと同調させる必要があり、そのためには、高周波加速空胴１０３７の共振周波数をイオンビームのエネルギーに応じて変調する必要がある。共振周波数の変調は、例えば、高周波加速空胴１０３７のインダクタンス又は静電容量を調整することにより行われる。高周波加速空胴１０３７のインダクタンス又は静電容量を調整する調整方法として、公知の方法を用いることができる。例えば、静電容量を調整する場合、高周波加速空胴１０３７に接続させた可変容量キャパシタの容量が制御されることで、共振周波数が変調される。

【0050】

（周回軌道の疎密）
図６は、加速空間２０を周回するイオンビームの周回軌道を説明するための図であり、エネルギーの異なるイオンビームの各周回軌道１２５を示す。

【0051】

イオン源１００３から加速空間２０に導入されたイオンは、加速電場である高周波電場によりイオンビームとして形成されて加速空間２０内を周回する。加速空間２０における主磁場は、図５で示したように、磁極中心Ｏ２からずれた位置Ｏ１で最大であり、上部磁極８及び下部磁極９の外周に近づくにつれて徐々に低減する。この場合、エネルギーの小さいイオンビームは、位置Ｏ１を中心とする軌道に沿って周回する。イオンビームは、高周波電場によって加速されるにつれ、軌道半径が大きくなるとともに、軌道の中心が上部磁極８及び下部磁極９の中心軸１３の位置Ｏ２に徐々に近づく。図４に示す最大エネルギーを有するイオンビームの周回軌道１２７は、上部磁極８及び下部磁極９の外周に略沿った形状となり、その中心は位置Ｏ２と概ねに一致する。

【0052】

したがって、イオンビームの周回軌道１２５は、図６に示すように、位置Ｏ１とＹ軸方向の加速空間２０の端部の位置Ｙ１との間で密となり、位置Ｏ１と上部磁極８及び下部磁極９の中心の位置Ｏ２を挟んで逆側のＹ軸方向の端部の位置Ｙ２との間で疎となる。

【0053】

例えば、図４のように、周回軌道１２５のうち、取り出し可能なイオンビームのうちの最大エネルギー（２３５Ｍｅｖ）に相当する最大エネルギービームの周回軌道１２７の中心は、磁極中心Ｏ２と概ね一致する。また、取り出し可能なイオンビームのうち最低エネルギーに相当する最低エネルギービームの周回軌道１２６の中心Ｏ３は、磁極中心Ｏ２と主磁場分布の中心Ｏ１とを結ぶ線分上にある。

【0054】

（イオンビームの取り出し）
加速器１００４は、加速空間２０内を周回しているイオンビームを出射チャネル１０１９に導くための機構として、高周波キッカ４０、ピーラ領域３１、リジェネレータ領域３２及び略平坦領域３３とを有し、周回軌道１２５の粗密を利用して、所定の範囲のエネルギーを有するイオンビームを取り出す。

【0055】

高周波キッカ４０は、加速空間２０における主磁場が励起された主磁場領域を周回するイオンビームを外側に変位させる変位部である。高周波キッカ４０は、例えば、イオンビームに対して、水平方向の高周波電場を印加することにより、イオンビームのベータトロン振動の振幅が増大させる。これにより、イオンビームは、ピーラ領域３１、リジェネレータ領域３２及び略平坦領域３３を通過するように変位する。ピーラ領域３１、リジェネレータ領域３２及び略平坦領域３３は、高周波キッカ４０にて変位されたイオンビームに擾乱を与えて出射チャネル１０１９に導く磁場を励起させる擾乱磁場領域を構成する。

【0056】

図７は、ピーラ領域３１、リジェネレータ領域３２及び略平坦領域３３の配置を説明するための図であり、イオンビームが周回する中間平面２上の磁場分布を示している。

【0057】

図７に示す主磁場領域３０には、図５に示した磁場分布が形成されている。主磁場領域３０の外側の磁極周縁部には、ピーラ領域３１、リジェネレータ領域３２及び略平坦領域３３が形成されている。ピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２は、主磁場領域３０におけるイオンビームの周回軌道１２５が密になっている密領域の外側にある。

【0058】

図８は、ピーラ領域３１、リジェネレータ領域３２及び略平坦領域３３における磁場の径方向分布を示す図である。ピーラ領域３１の磁場分布は、図７のＡＡ’線に沿った磁場分布に対応し、リジェネレータ領域３２の磁場分布は、図７のＢＢ’線に沿った磁場分布に対応し、略平坦領域３３の磁場分布は、図７のＣＣ’線に沿った磁場分布に対応する。

【0059】

ピーラ領域３１、リジェネレータ領域３２及び略平坦領域３３の最も内側の位置（位置Ａ、Ｂ、Ｃ）における磁場は、ほぼ一致している。ピーラ領域３１は、外側に向かう（ＡからＡ’に向かう）につれて、磁場の強さが比較的大きく減少する第１の領域である。リジェネレータ領域３２は、外側に向かう（ＢからＢ’に向かう）につれて、磁場の強さが比較的大きく増加する第２の領域である。略平坦領域３３は、磁場が略一定の第３の領域である。略平坦領域３３の磁場は、本実施例では、外側に向かう（ＣからＣ’に向かう）につれて、ピーラ領域３１の磁場よるも緩やかに僅かに減少する。このため、各領域の外周部では、ピーラ領域３１の磁場が最も小さく、リジェネレータ領域３２の磁場が最も大きく、平坦領域３３の磁場は、ピーラ領域３１とリジェネレータ領域３２の磁場の間の大きさとなる。

【0060】

以下、加速器１００４から所望のエネルギーを有するイオンビームを取り出す際の動作について説明する。

【0061】

加速器・輸送系制御装置１０６９は、中央制御装置１０６６からの指令に応じて、イオン源１００３にイオンを生成させ、そのイオンを、貫通孔１７を通して主磁場磁石１内の加速空間２０における位置Ｏ１に導入する。加速器・輸送系制御装置１０６９は、高周波加速空胴１０３７を用いて、加速空間２０に加速電場を発生させ、イオンを加速してイオンビームを形成する。形成されたイオンビームは、周回運動しながらエネルギーを増加させていく。

【0062】

イオンビームが所望のエネルギーに到達すると、加速器・輸送系制御装置１０６９は、高周波加速空胴１０３７に供給する電力をオフにし、さらに高周波キッカ４０をオンにする。これにより、イオンビームには、主磁場に重畳して高周波電場が印加される。その結果、イオンビームの周回軌道１２５が径方向（位置Ｙ１へ近づく方向）に変位する。例えば、図７に示すように、イオンビームが最低エネルギービームの場合、周回軌道１２６が周回軌道１２６′のように径方向に変位し、イオンビームが最大エネルギービームの場合、周回軌道１２７が周回軌道１２７′のように径方向に変位する。

【0063】

その結果、イオンビームは、ピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２を通過する。これにより、２／２共鳴と呼ばれる水平方向ベータトロン振動の共鳴が発生し、イオンビームが径方向に発散して出射チャネル１０１９の開口１０１９ａに到達する。イオンビームは、出射チャネル１０１９によって周回軌道から完全に離脱し、貫通孔１８を通って加速器１００４の外部に取り出される。

【0064】

図９は、比較例として、非特許文献１に記載のイオンビームの取り出し方法である従来方法を説明するための図である。

【0065】

従来方法では、最大エネルギーを有するイオンビームのみが取り出しの対象である。このため、主磁場領域３０Ａを周回するイオンビームの周回軌道１２８が同心円状に形成され、イオンビームが加速されることで周回軌道が拡大し、それにより、イオンビームがピーラ領域３１Ａ及びリジェネレータ領域３２Ａを通過する。このとき、最大エネルギーを有するイオンビームだけを取り出せばよいので、ピーラ領域３１Ａは、リジェネレータ領域３２Ａを除く磁極周縁部の全周にわたって形成されている。つまり、ピーラ領域３１Ａの磁場勾配とリジェネレータ領域３２Ａの磁場勾配は、最大エネルギーを有するイオンビームだけを考慮して設計されていた。

【0066】

これに対して、本実施例では、取り出すイオンビームのエネルギーが可変である。そのため、最大エネルギービームだけでなく、最低エネルギービームが通過する領域にピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２を形成する必要がある。

【0067】

ベータトロン振動による共鳴を適切に引き起こすためには、磁場勾配の大きさと磁場勾配を有する領域を通過する長さの積が重要である。図７に示されているように、イオンビームがピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２を通過する長さは、イオンビームのエネルギーが小さいほど短くなる。このため、低エネルギーのイオンビームに共鳴を引き起こすためには、ピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２を通過する通過長の短さを補うように磁場勾配を大きくすることが好ましい。

【0068】

最低エネルギービームよりも大きいエネルギーを有するイオンビームは、最低エネルギービームと同じピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２を通過する。このため、略平坦領域３３の代わりに、比較例のピーラ領域３１Ａのような勾配磁場が分布する領域が形成されていると、磁場勾配の大きさと磁場勾配を有する領域を通過する長さの積が大きくなりすぎてしまい、イオンビームが水平方向及び垂直方向に対して不安定化してしまう。

【0069】

このため、本実施例では、ピーラ領域３１が狭い範囲に制限され、ピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２を除いた磁極周縁部が図８に示したような略一定の磁場を有する略平坦領域３３となっている。なお、磁極周縁部では磁場が減少することが自然であること、及び、弱収束の原理によりイオンビームが安定することから、本実施例では、略平坦領域３３における磁場は、僅かな減少勾配を有している。

【0070】

また、本実施例では、ピーラ領域３１の磁場勾配を比較例よりも大きくするために、図３に示したように、ピーラ領域３１を挟む位置４１における上部磁極８及び下部磁極９のギャップ間隔Ｌは、リジェネレータ領域３２を挟む位置及び略平坦領域３３を挟む位置におけるギャップ間隔よりも大幅に広い。なお、図１０は、リジェネレータ領域３２を通る垂直平面に沿った加速器１００４の縦断面図であり、リジェネレータ領域３２を挟む位置４２におけるギャップ間隔Ｍと、略平坦領域３３を挟む位置４３おけるギャップ間隔Ｎが示されている。図１０に示されているように、ギャップ間隔Ｎはギャップ間隔Ｍよりも広い。

【0071】

また、本実施例では、ピーラ領域３１を挟む位置４１におけるギャップ間隔Ｌが大きいことを利用して、ピーラ領域３１の位置に出射チャネル１０１９の入り口である開口１０１９ａが設置されている。ただし、開口１０１９ａは、ピーラ領域３１の位置に設置されていなくてもよい。

【0072】

以上説明したように本実施例によれば、加速器１００４の主磁場領域３０の外周部に設けられた擾乱磁場領域は、磁場の強さが外側に向かうにつれて減少するピーラ領域３１と、磁場の強さが外側に向かうにつれて増加するリジェネレータ領域３２と、磁場の強さがピーラ領域３１の磁場の強度よりも大きく、かつ、リジェネレータ領域３２の磁場の強度よりも小さい略平坦領域３３と、を有する。このため、イオンビームのベータトロン振動の共鳴が発生する領域であるピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２をイオンビームが通過する距離を短くすることが可能となるため、イオンビームの垂直方向の振幅が増大することを抑制することが可能となり、イオンビーム取り出し効率を向上させることが可能となる。

【0073】

また、本実施例では、略平坦領域３３は、磁場の強さが外側に向かうにつれてピーラ領域３１よりも緩やかに減少する。この場合、弱収束の原理により、イオンビームを安定的にピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２を通過させることが可能となる。

【0074】

また、本実施例では、イオン源１００３は、主磁場領域３０における磁極中心Ｏ２よりも出射チャネル側の所定の位置Ｏ１にイオンを導入する。ピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２は、イオン源１００３によるイオンを導入する位置Ｏ１よりも出射チャネル１０１９側に設けられる。この場合、出射チャネル１０１９側で密となる周回軌道を形成することが可能となるため、ビームの取り出しに必要なキック量を小さくすることが可能となり、所望のエネルギーを有するビームを容易に取り出すことが可能となる。

【0075】

また、本実施例では、略平坦領域３３は、ピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２を合わせた領域よりも大きいため、ピーラ領域３１及びリジェネレータ領域３２をイオンビームが通過する距離をより短くすることが可能となる。

【0076】

また、本実施例では、出射チャネル１０１９の入口である開口１０１９ａがピーラ領域３１に設けられている。この場合、出射チャネル１０１９の開口１０１９ａをピーラ領域３１の外側に設置する場合と比較して、取り出されるイオンビームが開口１０１９ａに到達するまでの周回数を１又は２回ほど少なくすることが可能になる。これによって、イオンビームの垂直方向及び水平方向の広がりを抑制することができるので、取り出されるイオンビームの質を向上させることができる。

【0077】

また、本実施例では、主磁場磁石１は、イオンビームが周回する周回軌道が偏心しながら加速するように主磁場を発生させる。このため、ビームの取り出しに必要なキック量を小さくすることが可能となり、所望のエネルギーを有するビームを容易に取り出すことが可能となる。

【0078】

上述した本開示の実施例は、本開示の説明のための例示であり、本開示の範囲をそれらの実施例にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本開示の範囲を逸脱することなしに、他の様々な態様で本開示を実施することができる。

【符号の説明】

【0079】

１：主磁場磁石 ４：上リターンヨーク ５：下リターンヨーク ６：コイル ７：真空容器 ８：上部磁極 ９：下部磁極 ２０：加速空間 ３０：主磁場領域 ３１：ピーラ領域 ３２：リジェネレータ領域 ３３：略平坦領域 ４０：高周波キッカ １００１：粒子線治療システム １００２：イオンビーム発生装置 １００３：イオン源 １００４：加速器 １００５：ビーム輸送系 １００６：回転ガントリ １００７：照射装置 １００８：治療計画装置 １００９：制御システム １０１９：出射チャネル １０１９ａ：開口 １０３７：高周波加速空胴

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】