特開 2023-9327 イオン発生装置、粒子線加速装置および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】P2023009327

(43)【公開日】2023-01-20

(54)【発明の名称】イオン発生装置、粒子線加速装置および粒子線治療システム

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/08 20060101AFI20230113BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20230113BHJP

   H05H 7/08 20060101ALI20230113BHJP

   G21K 5/04 20060101ALI20230113BHJP

   H01J 27/24 20060101ALI20230113BHJP

   H05H 1/24 20060101ALN20230113BHJP

【ＦＩ】

H01J37/08

A61N5/10 H

H05H7/08

G21K5/04 A

H01J27/24

H05H1/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021112477

(22)【出願日】2021-07-07

(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】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中島 裕人

(72)【発明者】

【氏名】関 孝義

【テーマコード（参考）】

2G084

2G085

4C082

5C101

【Ｆターム（参考）】

2G084AA12

2G084BB11

2G084CC27

2G084CC31

2G084DD39

2G085AA11

2G085AA13

2G085BA13

2G085CA01

2G085CA24

2G085EA07

4C082AA01

4C082AC05

4C082AE01

5C101AA39

5C101DD09

5C101DD19

5C101FF03

(57)【要約】

【課題】本発明の目的は、イオン発生装置が発生するイオンビームのパルス幅を大きくすることである。
【解決手段】イオン発生装置２０は、レーザ装置２ａおよび２ｂを備えている。また、イオン発生装置２０は、レーザ装置２ａおよび２ｂに対応して設けられたレーザ光路３ａおよび３ｂと、波長板５およびビームスプリッタ４を備えている。レーザ光路３ａおよび３ｂは、異なる光路長を有する。レーザ光路３ａおよび３ｂは、それぞれ、レーザ装置２ａおよび２ｂが発生したレーザ光をビームスプリッタ４に導く。ビームスプリッタ４は、レーザ光路３ａおよび３ｂに導かれた光を統合してターゲット１４に照射する。ターゲット１４は、ビームスプリッタ４から照射された光に応じたイオンを発生する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のレーザ源と、
複数の前記レーザ源に対応して設けられた複数の光路であって、対応する前記レーザ源が発生したレーザ光をそれぞれが導く複数の光路と、
複数の前記光路に導かれた光を統合して、ターゲットに照射する光統合器と、を備え、
前記ターゲットは、前記光統合器から照射された光に応じたイオンを発生し、
複数の前記光路は、異なる光路長を有することを特徴とするイオン発生装置。

【請求項2】

レーザ源と、
前記レーザ源が発生したレーザ光を分離する光分離器と、
前記光分離器によって得られた複数のレーザ光を導く複数の光路と、
複数の前記光路に導かれた光を統合して、ターゲットに照射する光統合器と、を備え、
前記ターゲットは、前記光統合器から照射された光に応じたイオンを発生し、
複数の前記光路は、異なる光路長を有することを特徴とするイオン発生装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載のイオン発生装置において、
複数の前記光路の少なくとも１つに設けられた光路長調整機構を備えることを特徴とするイオン発生装置。

【請求項4】

請求項３に記載のイオン発生装置において、
前記光路長調整機構は、
ミラーと、
前記ミラーを移動するミラー移動機構を備え、
前記ミラーへの光の入射および前記ミラーでの光の反射による光路を形成し、
前記ミラーの位置を調整することで光路長を調整することを特徴とするイオン発生装置。

【請求項5】

請求項１または請求項２に記載のイオン発生装置において、
複数の前記光路の少なくとも１つに設けられ、複数のミラーを備える遅延光学系を備え、
前記複数のミラーは、
前段のミラーに入射し、前段のミラーで反射した光が次段のミラーに入射するように、縦続配置されていることを特徴とするイオン発生装置。

【請求項6】

請求項１または請求項２に記載のイオン発生装置において、
複数の前記光路の少なくとも１つに設けられ、対向配置されたミラーの間に複数回に亘って光を往復させる遅延光学系を備えることを特徴とするイオン発生装置。

【請求項7】

請求項１に記載のイオン発生装置において、
２つの前記レーザ源および２つの前記光路を備え、
前記光統合器は、
２つの前記光路のうちの一方に設けられた波長板であって、２つの前記光路が導く光の偏光方向を異ならせる波長板と、
２つの前記光路に導かれた２つの光のうちの一方を反射し、その反射した光の方向に他方を透過するビームスプリッタと、を備えることを特徴とするイオン発生装置。

【請求項8】

請求項２に記載のイオン発生装置において、
前記光分離器は、
入射した光の偏光方向を変化させる波長板と、
偏光方向が異なる２つの光のうちの一方を反射し、その反射した光の方向とは異なる方向に他方を透過するビームスプリッタと、を備えることを特徴とするイオン発生装置。

【請求項9】

請求項１または請求項２に記載のイオン発生装置と、
前記イオン発生装置が発生したイオンを加速する加速器と、を備え、
前記加速器からイオンが取り出される周期と同一の周期で、前記レーザ源がレーザ光を繰り返し出力することを特徴とする粒子線加速装置。

【請求項10】

請求項９に記載の粒子線加速装置と、
前記粒子線加速装置から取り出されたイオンを輸送するイオンビーム輸送装置と、
前記イオンビーム輸送装置によって輸送された前記イオンを患者に照射する照射装置と、
を備えることを特徴とす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、イオン発生装置、粒子線加速装置および粒子線治療システムに関し、特に、光の照射に応じてイオンを発生するターゲットを用いた装置に関する。

【背景技術】

【0002】

粒子線を患部に照射する粒子線治療が広く行われている。一般に、粒子線治療では加速器を備える粒子線治療システムが用いられる。加速器には、炭素イオンやヘリウムイオン、陽子等のイオンが注入され、治療に必要なエネルギーを有するようになるまでイオンが加速される。加速器によって加速されたイオンによるビームは、患部に向けて照射される。粒子線治療システムでは、患部の位置や形状に合わせてイオンビームのエネルギーや空間的な広がりが調整される。

【0003】

加速器には、シンクロトロンやサイクロトロンがある。シンクロトロンでは、イオンの軌道を曲げる磁場と高周波電場の周波数を時間的に変化させることで、イオンが軌道半径を一定に保ちながら加速し、イオンのエネルギーが加速と共に大きくなる。シンクロトロンでは、イオンが通過する環状の経路が構築されている。設計上の最大エネルギーにイオンのエネルギーが到達する前に、イオンの通過経路に設けられた取り出し口からイオンが取り出され、イオンビームのエネルギーが制御可能である。しかし、シンクロトロンには、サイクロトロンと比較して設備が大型になってしまうという問題がある。

【0004】

サイクロトロンでは、磁場に注入されたイオンが高周波電場によって加速し、容器内を周回運動する。イオンは加速と共に軌道半径を大きくしながら周回する。イオンのエネルギーは軌道半径が大きくなるにつれて大きくなり、最大のエネルギーに到達したところでイオンが取り出される。サイクロトロンでは、最大のエネルギーに到達したところでイオンが取り出されるため、荷電粒子ビームのエネルギーを制御することは困難である。

【0005】

加速器には、以下の特非特許文献１に記載されているようなシンクロサイクロトロンもある。シンクロサイクロトロンでは、一定の周波数の高周波電場でイオンが加速されるサイクロトロンとは異なり、イオンの質量変化に起因する運動周期の変化に応じて高周波電場の周波数が変調される。この周波数変調によって、高周波電場が発生する領域をイオンが通過するときにイオンが加速する。シンクロサイクロトロンでは、サイクロトロンと同様の理由により、取り出される荷電粒子ビームのエネルギーを制御することは困難である。

【0006】

以下の特許文献１には、取り出されるイオンのエネルギーが制御可能な偏心軌道型加速器が記載されている。一般的なサイクロトロンでは、イオンを周回運動させる容器の上面の中心にイオン注入口が設けられ、容器の側面にイオン取り出し口が設けられている。

【0007】

これに対し偏心軌道型加速器では、容器上面の中心よりもビーム取り出し口側にずれた位置にイオン注入口が設けられている。これによって、異なるエネルギーのイオンが周回する複数のビーム周回軌道が、ビーム取り出し口側で密になる。そのため、ビーム取り出し口付近において、エネルギーの異なるイオンをビーム周回軌道から離脱させることが容易となり、エネルギーの異なる荷電粒子ビームが効率よく取得される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１９－９６４０４号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Ｗ． Ｋｌｅｅｖｅｎ， “Ｔｈｅ ＩＢＡ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｓｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｓ２Ｃ２”， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎｓ ２０１３

【非特許文献2】Ｂ. Ｓｈａｒｋｏｖ,“ＬａＳｅｒ Ｉｏｎ ＳｏｕｒｃｅＳ”，ＩＥＥＥ ＴｒａｎＳａｃｔｉｏｎＳ ｏｎ ＰｌａＳｍａ Ｓｃｉｅｎｃｅ ３３， ６ （２００５）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

サイクロトロン、シンクロトロン、および偏心軌道型加速器においてイオンビームを加速する場合、イオン源として内部イオン源または外部イオン源のいずれかを利用することが考えられる。内部イオン源には、ＰＩＧイオン源等があり、外部イオン源には、ＥＣＲイオン源や非特許文献２に記載のレーザイオン源がある。一般に、炭素イオンＣ^６＋等の重粒子を加速する場合には外部イオン源が利用される。

【0011】

レーザイオン源には、光の照射に応じてイオンを発生するターゲットが用いられる。レーザイオン源は、パルスレーザとターゲットを相互作用させることでイオンを発生する。発生するイオンビームの時間構造は、パルスレーザのパルス幅と相関を持つ。すなわち、パルスレーザのパルス幅が大きい程、発生するイオンビームのパルス幅が大きくなる傾向がある。そのため、パルスレーザのパルス幅が小さい場合には、加速器が必要とするイオンビームの入射時間に対してイオンビームのパルス幅が小さくなってしまうことがあり、ビームの時間平均電流量が低下してしまうことがある。

【0012】

本発明の目的は、イオン発生装置が発生するイオンビームのパルス幅を大きくすることである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明は、複数のレーザ源と、複数の前記レーザ源に対応して設けられた複数の光路であって、対応する前記レーザ源が発生したレーザ光をそれぞれが導く複数の光路と、複数の前記光路に導かれた光を統合して、ターゲットに照射する光統合器と、を備え、前記ターゲットは、前記光統合器から照射された光に応じたイオンを発生し、複数の前記光路は、異なる光路長を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、イオン発生装置が発生するイオンビームのパルス幅を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態に係るイオン発生装置の構成を示す図である。

【図2】イオン発生部の断面図である

【図3】ターゲットに照射されるレーザ光の時間構造の概念図である。

【図4】イオンビームの電荷量の時間構造の概念図である。

【図5】第２実施形態に係るイオン発生装置の構成を示す図である。

【図6】ミラーを用いた遅延光学系の構成を示す図である。

【図7】凹面鏡を用いた遅延光学系の構成を示す図である。

【図8】粒子線加速装置の構成を示す図である。

【図9】粒子線治療システムの構成を示す図である、

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の各実施形態が図面を用いて説明される。複数の図面に示された同一の構成要素については同一の符号を付してその説明が省略される。

【0017】

図１には、第１実施形態に係るイオン発生装置２０の構成が示されている。イオン発生装置２０は、イオン発生部１、レーザ装置２ａ、２ｂ、およびレーザ光学系８を備えている。レーザ光学系８は、ビームスプリッタ４、波長板５およびミラー６を備えている。レーザ装置２ａおよび２ｂには、例えば炭酸ガスレーザ、ヘリウムネオンレーザ、ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ等が用いられてよい。

【0018】

ビームスプリッタ４は入射光の直線偏光の向きに応じて、光を透過および反射する。直線偏光は、Ｐ偏光およびＳ偏光に分類される。波長板５は入射光に含まれる１方向の偏光成分に所定角度の位相変化を与えることで、直線偏光の向きを進行方向に垂直な面内で回転する。入射光に含まれる１方向の偏光成分に１８０°の位相変化を与えるように波長板５が構成されている場合、波長板５は、直線偏光の向きを進行方向に垂直な面内で９０°回転する。

【0019】

本実施形態では、レーザ装置２ａおよび２ｂからレーザ光学系８を通じてイオン発生部１にレーザ光が入射される。レーザ装置２ａからビームスプリッタ４に１つのレーザ光が入射され、レーザ装置２ｂからミラー６に別のレーザ光が入射される。ミラー６で反射したレーザ光は波長板５を介してビームスプリッタ４に入射し、ビームスプリッタ４で２つのレーザ光が統合される。

【0020】

ビームスプリッタ４はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するように構成されている。レーザ装置２ａから発せられ、レーザ光路３ａを通るレーザ光がＰ偏光である場合、そのレーザ光はビームスプリッタ４を透過する。

【0021】

さらに、レーザ装置２ｂから発せられるレーザ光もＰ偏光である場合、レーザ光路３ｂにおいて波長板５に入射したレーザ光は、波長板５で直線偏光の向きが変えられる。本実施形態では、９０°だけ偏光方向を回転させるように波長板５の回転角が決められているため、レーザ光路３ｂを通過したレーザ光はＳ偏光となる。したがって、レーザ光路３ｂを通過したレーザ光は、ビームスプリッタ４に入射した後に反射し、レーザ光路３ａを通過した光とレーザ光路３ｂを通過した光は同じレーザ光路３を通過し、イオン発生部１に入射する。

【0022】

このように、レーザ装置２ａとレーザ装置２ｂから発せられたレーザ光は異なるレーザ光路３ａおよび３ｂを経由し、ターゲット１４に照射される。本実施形態では、レーザ光路３ａおよび３ｂは光路長が異なる。そのため、レーザ装置２ａとレーザ装置２ｂから同時に発せられたレーザ光がターゲット１４に照射される時間に差異が生じる。これによって、照射されるタイミングがずれた２つのレーザ光がターゲット１４に照射され、ターゲット１４に照射されるレーザ光のパルス幅が大きくなる。さらには、後述する原理によって、イオン発生装置２０が発生するイオンビームのパルス幅が大きくなる。

【0023】

図２には、イオン発生部１の断面図が示されている。イオン発生部１は、光学窓１１、チェンバー１２、軸外し放物面鏡１３、ターゲット１４および引き出し電極１６を備えている。チェンバー１２は、軸外し放物面鏡１３、ターゲット１４および引き出し電極１６を収容する。光学窓１１は、レーザ光を透過する材料で形成されている。

【0024】

チェンバー１２内に光学窓１１を介して入射したレーザ光は、集光系である軸外し放物面鏡１３によって、ターゲット１４上に集光される。軸外し放物面鏡１３に代えて、放物面鏡や光学レンズが用いられてもよい。また、レーザ光の取り回しのため、ミラー等の光学機器が適宜設置されてもよい。集光されたレーザ光の強度がターゲット１４を構成する原子を電離させるのに十分な強度である場合、プラズマ１５が発生する。典型的な集光強度は、１０^８Ｗ／ｃｍ^２から１０^１４Ｗ／ｃｍ^２程度であり、必要なイオンの電荷量や価数に応じて変更することができる。

【0025】

ターゲット１４は、発生させるイオンの種類に応じて変更されてよく、固体、液体、気体のいずれであってもよい。ターゲット１４が液体および気体の場合は、その供給量を変更することで、イオンビーム１７の電荷量が変更され得る。また、ターゲット１４は複数備えられてもよく、レーザ光の照射対象及び照射タイミングを制御することで、発生するイオンの種類や価数が切り替えられる。

【0026】

ターゲット１４の後段にある引き出し電極１６には高周波電圧が印加されている。プラズマ１５が引き出し電極１６を通過することでプラズマ１５を構成する電子とイオンが分離され、分離されたイオンはイオンビーム１７として、より後段にある加速器へ入射される。

【0027】

図３には、ターゲット１４に照射されるレーザ光の時間構造の概念図が示されている。横軸は時間を示し縦軸は光子数を示す。レーザ装置２ａおよび２ｂがパルスレーザ装置であり、パルス状の時間波形を有するレーザ光を出力する場合、あるレーザパルス幅３２を持つレーザパルス３１がターゲット１４に照射される。レーザ装置２ａおよび２ｂに対応するレーザ光路３ａおよび３ｂの光路長が異なるため、レーザ遅延時間３３だけ時間差がある２つのレーザパルス３１がターゲット１４に照射される。レーザ遅延時間３３は、レーザ光路３ａおよび３ｂの光路長の差異に応じて定まる。

【0028】

ターゲット１４にレーザ光が照射される周期であるレーザ繰り返し周期３４が、レーザパルス幅３２およびレーザ遅延時間３３よりも十分に長い場合、レーザ繰り返し周期３４ごとに２つのレーザパルス３１がターゲット１４に照射される。

【0029】

図４には、イオンビームの電荷量の時間構造の概念図が示されている。横軸は時間を示し縦軸は電荷量を示す。レーザパルス３１がターゲット１４に照射され、ターゲット１４で生じたプラズマ１５が引き出し電極１６を通過することで、イオンビームパルス４１が発生する。イオンビームパルス４２は、パルス状の時間波形を有するイオンビームである。プラズマ１５は、レーザパルス３１のターゲット１４への照射時刻に応じた時刻に発生する。イオンビームパルス４１は、レーザパルス３１の照射時刻からある時間遅延した後に発生する。

【0030】

レーザパルス３１が図３に示された時間構造を持つ場合、イオンビームパルス４１は、あるイオンビームパルス幅４２を持つ。２つのレーザパルス３１がターゲット１４に照射されるため、２つのイオンビームパルス４１が、イオンビームパルス遅延時間４３の時間差のあるタイミングで発生する。２つのイオンビームパルス４１が発生している時間幅は、実効的なイオンビームパルス幅４４とみなされてよい。

【0031】

イオンビームパルス４１の発生が繰り返される周期４６（イオンビームパルス繰り返し周期４６）は、レーザ繰り返し周期３４によって決まる。イオンビームパルス４１の極大値（電荷量の極大値）およびイオンビームパルス幅４２は、照射するレーザの集光強度やレーザパルス幅３２によって調整され、これによって加速器へ入射するイオンの電荷量が調整され得る。

【0032】

実効的なイオンビームパルス幅４４は、レーザの集光強度やレーザパルス幅３２に加え、レーザ遅延時間３３を変更することで調節され得る。レーザ遅延時間３３は、レーザ装置２ａおよび２ｂからのレーザパルス３１の発生時刻の変更によって調整され得る。

【0033】

本実施形態では、２台のレーザ装置を備える構成が示されたが、レーザ装置の台数に応じた個数のレーザ光学系８を備えることで、実効的なイオンビームパルス幅４４の伸展が可能である。上記では、レーザ光学系８の構成要素が同一平面上にある例が示されたが、各構成要素は立体的に配置されてもよく、より小型なイオン発生装置２０が提供され得る。

【0034】

本実施形態に係るイオン発生装置２０の一般化された構成が以下に説明される。イオン発生装置２０は、２つのレーザ源としてのレーザ装置２ａおよび２ｂを備えている。また、イオン発生装置２０は、レーザ装置２ａおよび２ｂに対応して設けられた２つの光路として、レーザ光路３ａおよび３ｂを備え、さらに、光統合器としての波長板５、ビームスプリッタ４および軸外し放物面鏡１３を備えている。レーザ光路３ａおよび３ｂは異なる光路長を有する。

【0035】

光統合器を構成する波長板５は、２つのレーザ光路３ａおよび３ｂのうちの一方に設けられてよく、レーザ光路３ａおよび３ｂが導く光の偏光方向を異ならせる。ビームスプリッタ４は、レーザ光路３ａおよび３ｂに導かれた２つの光のうちの一方を反射し、その反射した光の方向に他方の光を透過する。

【0036】

レーザ光路３ａおよび３ｂは、それぞれに対応するレーザ装置２ａおよび２ｂが発生したレーザ光をビームスプリッタ４に導く。ビームスプリッタ４は、レーザ光路３ａおよび３ｂに導かれた光を統合してイオン発生部１に入射する。イオン発生部１におけるターゲット１４は、レーザ光学系８に入射した光に応じたイオンを発生する。

【0037】

なお、レーザ装置、ビームスプリッタおよびレーザ光路を追加することで、３台以上のレーザ装置が発生したレーザ光を、光路長が異なる３つ以上のレーザ光路に導かせて、統合する構成が用いられてもよい。複数の光路長のうちの少なくとも１つには、後述する光路長調整機構が設けられてもよい。

【0038】

図５には、第２実施形態に係るイオン発生装置２２の構成が示されている。イオン発生装置２２は、イオン発生部１、レーザ装置２、およびレーザ光学系９を備えている。レーザ光学系９は、波長板５、ビームスプリッタ４ａ、４ｂ、ミラー６ａ、６ｂ、６ｃおよびミラー移動機構７を備えている。

【0039】

イオン発生装置２２では、レーザ光路３ａおよび３ｂが形成されている。レーザ光路３ａは、レーザ装置２から波長板５およびビームスプリッタ４ａを経てビームスプリッタ４ｂに至る。レーザ光路３ｂは、レーザ装置２から波長板５、ビームスプリッタ４ａ、ミラー６ａおよび６ｂを経てビームスプリッタ４ｂに至る。

【0040】

すなわち、レーザ光路３ａおよび３ｂが形成されるように、レーザ装置２、波長板５、ビームスプリッタ４ａ、４ｂ、ミラー６ａおよび６ｂのそれぞれの位置および姿勢が定められている。また、レーザ光路３ａおよび３ｂを通過したレーザ光が、ビームスプリッタ４ｂにおいて統合され、ミラー６ａで反射してイオン発生部１に至るように、ミラー６ｃおよびイオン発生部１が配置されている。

【0041】

レーザ装置２は、Ｐ偏光またはＳ偏光のレーザ光を発生する。波長板５には、直線偏光の偏光方向を４５°だけ回転させるものが用いられる。これによって、波長板５を通過したレーザ光は、Ｐ偏光とＳ偏光が１：１の割合で重なり合った状態となる。

【0042】

ビームスプリッタ４ａに入射したＰ偏光の成分は、ビームスプリッタ４ａを透過してレーザ光路３ｂに進む。一方、ビームスプリッタ４ａに入射したＳ偏光の成分は、ビームスプリッタ４ａで反射してレーザ光路３ａに進む。したがって、ビームスプリッタ４ａに入射したレーザ光は、１：１の割合でレーザ光路３ａと３ｂに分離される。

【0043】

ビームスプリッタ４ａで反射してレーザ光路３ａに進んだレーザ光は、ビームスプリッタ４ｂに入射する。このレーザ光はＳ偏光であるため、ビームスプリッタ４ｂで反射してミラー６ｃに入射する。一方、ビームスプリッタ４ａを透過してレーザ光路３ｂに進んだレーザ光は、ミラー６ａおよび６ｂで反射して、ビームスプリッタ４ｂに入射する。このレーザ光はＰ偏光であるため、ビームスプリッタ４ｂを透過してミラー６ｃに入射する。

【0044】

レーザ光路３ｂ上のミラー６ａおよび６ｂは、ミラー移動機構７上に設置されている。ミラー移動機構７は、レーザ光路３ｂの光路長を調整する光路長調整機構である。ミラー移動機構７の直動方向の位置を制御することで、レーザ遅延時間３３が調整される。ここで、直動方向は、ミラー６ａにレーザ光が入射する方向およびミラー６ｂでレーザ光が反射する方向である。

【0045】

本実施形態に係るイオン発生装置２２の一般化された構成が以下に説明される。イオン発生装置２２は、レーザ源としてのレーザ装置２を備えている。また、イオン発生装置２２は、レーザ装置２が発生したレーザ光を分離する光分離器としての波長板５およびビームスプリッタ４ａと、ビームスプリッタ４ａによって得られた２つのレーザ光を導く２つのレーザ光路３ａおよび３ｂとを備えている。レーザ光路３ａおよび３ｂは異なる光路長を有する。

【0046】

上記の光分離器を構成する波長板５は、入射した光の偏光方向を変化させる。ビームスプリッタ４ａは、偏光方向が異なる２つの光のうちの一方を反射し、その反射した光の方向とは異なる方向に他方を透過する。

【0047】

イオン発生装置２２は、さらに、２つのレーザ光路３ａおよび３ｂに導かれた光を統合して、ターゲット１４に照射する光統合器としてのビームスプリッタ４ｂ、ミラー６ｃおよび軸外し放物面鏡１３を備える。ターゲット１４は、ビームスプリッタ４ｂから照射された光に応じたイオンを発生する。

【0048】

なお、ビームスプリッタおよびレーザ光路を追加することで、３つ以上に分離されたレーザ光を、光路長が異なる３つ以上のレーザ光路に導かせて、統合する構成が用いられてもよい。複数の光路長のうち少なくとも１つには、上記の光路長調整機構が設けられてよい。例えば、レーザ光路３ｂには、遅延光学系を追加的に配置してもよい。これによって、より大きなレーザ遅延時間３３が生じる。

【0049】

図６には、ミラーを用いた遅延光学系６０の構成が示されている。ミラーを用いた遅延光学系６０は、複数Ｎ個のミラー６－１～６－Ｎを備え、レーザ光路３が折り畳まれるようにレーザ光路３が形成される。すなわち、複数のミラー６－１～６－Ｎは、前段のミラー６－ｊに入射し、前段のミラー６－ｊで反射したレーザ光が次段６－（ｊ＋１）のミラーに入射するように縦続配置されている。ただし、ｊは１～Ｎ－１のいずれかの整数である。

【0050】

これによって、遅延光学系６０に入射したレーザ光は、初段のミラー６－１に入射してから遅れて遅延光学系６０から出射する。レーザ光路３ｂに遅延光学系６０が設けられることで、イオン発生装置２２の一定の配置スペース当たりのレーザ遅延時間３３が大きくなる。

【0051】

図７には、凹面鏡を用いた遅延光学系７０の構成が示されている。凹面鏡を用いた遅延光学系７０は、一対の凹面鏡７１ａおよび７１ｂを備えている。凹面鏡７１ａの上方には入射貫通孔７２ａが設けられており、凹面鏡７１ｂの下方には出射貫通孔７２ｂが設けられている。凹面鏡７１ａおよび７１ｂは、凹面側が対向するように配置されている。入射貫通孔７２ａから凹面鏡７１ａおよび凹面鏡７１ｂの間に入射したレーザ光は、凹面鏡７１ａと凹面鏡７１ｂとの間を複数回往復した後、出射貫通孔７２ｂを通して、凹面鏡７１ａと凹面鏡７１ｂとの間の領域の外側へ出射する。

【0052】

ミラーを用いた遅延光学系６０および凹面鏡を用いた７０では、立体的にレーザ光路３が構成されてもよい。また、本実施形態では、１台のレーザ装置２を備える構成が示されたが、レーザ装置２の台数に応じた個数のレーザ光学系９を備えてもよい。この場合、第１実施形態に係るレーザ光学系８によって、複数のレーザ光学系９から出射された各レーザ光が統合されてよい。

【0053】

例えば、複数のレーザ光学系９のうちの１つから出射されたレーザ光が、他の１つのレーザ光学系９から出射されたレーザ光と統合され、その統合されたレーザ光が、さらに他の１つのレーザ光学系９から出射されたレーザ光と統合される。これによって、複数のレーザ光学系９から出射されたレーザ光が１つに統合され、実効的なイオンビームパルス幅４４の伸展が可能である。上記では、レーザ光学系９の構成要素が同一平面上にある例が示されたが、各構成要素は立体的に配置されてもよく、より小型なイオン発生装置２２が提供され得る。

【0054】

ここでは、レーザ光路３ｂに遅延光学系６０または７０が設けられる例が示されたが、遅延時間が異なる遅延光学系６０または７０が、レーザ光路３ａおよび３ｂの両方に設けられてもよい。

【0055】

図８には、イオン発生装置２４および加速器８０を備える粒子線加速装置７８の構成が示されている。イオン発生装置２４には、第１実施形態に係るイオン発生装置２０または第２実施形態に係るイオン発生装置２２が用いられる。加速器８０はシンクロサイクロトロンである。加速器８０は上下方向に分割可能な主電磁石８１によってその外殻が形成され、主電磁石８１内部のビーム加速領域は真空に保たれている。

【0056】

主電磁石８１の上部には、イオン発生装置２４が設置されている。イオン発生装置２４から注入されたイオンビームは、低エネルギービーム輸送系８３、およびスパイラルインフレクタ等の偏向電極８４を通じて加速器８０内に入射される。加速器８０はイオンビームを加速する。加速器８０から取り出されたイオンビームは、イオンビーム輸送装置としての高エネルギービーム輸送系８６を通じて後段に輸送される。

【0057】

加速器８０へイオンビームを入射可能な時間幅４５（図４）は加速器８０の設計で決まる。実効的なイオンビームパルス幅４４を、加速器８０へ入射可能な時間幅４５に近付け、または一致させることで、必要十分な電荷量のイオンビームが加速器８０へ入射される。イオンビームパルス繰り返し周期４６は、レーザ繰り返し周期３４によって決まり、例えば加速器８０のビーム加速運転周期に一致させることで、レーザ繰り返し周期３４ごとに入射が実施される。

【0058】

加速器８０はシンクロトロン、サイクロトロン、特許文献１に記載の偏心軌道型加速器等であってもよい。実効的なイオンビームパルス幅４４を、加速器８０へ入射可能な時間幅４５に近付け、または一致させることで、十分な電荷量のイオンビームが加速器８０へ入射される。

【0059】

図９には、粒子線加速装置７８を備えた粒子線治療システム２６の構成が示されている。粒子線治療システム２６は、粒子線加速装置７８、回転ガントリ９０、照射装置９１、治療台１０１および治療制御装置１０２および加速器制御装置１０３を備えている。粒子線加速装置７８から出射されたイオンビームは、回転ガントリ９０によって照射装置９１まで輸送される。イオンビームは、治療台１０１に横たわる患者１００の患部に、照射装置９１から照射される。イオンビームが患者１００に照射される際には、イオンビームのエネルギーや形状が、患部の位置に合わせて調整される。

【0060】

照射装置９１は線量モニタを内包しており、照射された線量を患者１００への照射スポットごとに監視し、線量データを求める。この線量データを元に、治療制御装置１０２は各照射スポットへの要求線量を計算して、加速器制御装置１０３への入力データを求める。加速器制御装置１０３は、粒子線加速装置７８におけるイオンビームの、入射、加速、出射等の条件を制御する。照射装置９１が走査電磁石を備えることで、スキャニング走査が行われてもよい。粒子線加速装置７８が用いられることで、スキャニング照射法において適切なエネルギーおよびパルス幅を有するイオンビームが、走査電磁石に入射される。

【符号の説明】

【0061】

１ イオン発生部、２，２ａ，２ｂ レーザ装置、３，３ａ，３ｂ レーザ光路、４，４ａ，４ｂ ビームスプリッタ、５ 波長板、６，６ａ，６ｂ，６ｃ ミラー、７ ミラー移動機構、８，９ レーザ光学系、１１ 光学窓、１２ チェンバー、１３ 軸外し放物面鏡、１４ ターゲット、１５ プラズマ、１６ 引き出し電極、１７ イオンビーム、２０，２２，２４ イオン発生装置、２６ 粒子線治療システム、３１ レーザパルス、３２ レーザパルス幅、３３ レーザ遅延時間、３４ レーザ繰り返し周期、４１ イオンビームパルス、４２ イオンビームパルス幅、４３ イオンビームパルス遅延時間、４４ 実効的なイオンビームパルス幅、４５ 加速器へ入射可能な時間幅、４６ イオンビームパルス繰り返し周期、６０ ミラーを用いた遅延光学系、７０ 凹面鏡を用いた遅延光学系、７１ａ，７１ｂ 凹面鏡、７２ａ 入射貫通孔、７２ｂ 出射貫通孔、７８ 粒子線加速装置、８０ 加速器、８１ 主電磁石、８３ 低エネルギービーム輸送系、８４ 偏向電極、８６ 高エネルギービーム輸送系、９０ 回転ガントリ、９１ 照射装置、１００ 患者、１０１ 治療台、１０２ 治療制御装置、１０３ 加速器制御装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】