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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-17
(45)【発行日】2024-05-27
(54)【発明の名称】粒子加速器および粒子線治療装置
(51)【国際特許分類】
H05H 13/04 20060101AFI20240520BHJP
A61N 5/10 20060101ALI20240520BHJP
【ＦＩ】
H05H13/04 Q
H05H13/04 G
H05H13/04 E
A61N5/10 H
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2022532265
(86)(22)【出願日】2021-01-29
(86)【国際出願番号】 JP2021003180
(87)【国際公開番号】W WO2021260988
(87)【国際公開日】2021-12-30
【審査請求日】2023-09-27
(31)【優先権主張番号】P 2020108088
(32)【優先日】2020-06-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】301032942
【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100175824
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100152272
【弁理士】
【氏名又は名称】川越 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100181722
【弁理士】
【氏名又は名称】春田 洋孝
(72)【発明者】
【氏名】水島 康太
(72)【発明者】
【氏名】白井 敏之
【審査官】鳥居 祐樹
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１２－０２２７７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０５３１９４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｈ １３／０４
Ａ６１Ｎ ５／１０
Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈｏｌａｒ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
荷電粒子ビームを周回ビームとして周回させながら加速し、前記周回ビームの一部を出射ビームとして出射する粒子加速器であって、偏向電磁石を有する複数の偏向部と、
前記偏向電磁石を有さない複数の直線部と、
制御部と、
を備え、
前記複数の直線部には、
前段の出射用偏向器を有する第一の直線部と、
前記第一の直線部よりも前記周回ビームの進行方向の下流側に配置され、四極電磁石を有する第二の直線部と、
前記第二の直線部よりも前記周回ビームの進行方向の下流側に配置され、後段の出射用偏向器を有する第三の直線部とが含まれ、
前記複数の偏向部には、
前記第一の直線部と前記第二の直線部とを接続する第一の偏向部と、
前記第二の直線部と前記第三の直線部とを接続する第二の偏向部とが含まれ、
前記前段の出射用偏向器は、前記周回ビームの周回軌道の内側および外側の一方に向けて前記周回ビームの一部を偏向して前記出射ビームに分離し、
前記後段の出射用偏向器は、前記前段の出射用偏向器によって前記周回ビームから分離された前記出射ビームを、前記周回ビームの周回軌道の内側および外側の他方に向けて偏向し、
前記制御部は、
前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、
少なくとも前記四極電磁石を制御する、
粒子加速器。
【請求項2】
前記制御部は、前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、少なくとも前記四極電磁石を制御し、
前記出射ビームが、前記第一の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域を通過するか、あるいは、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第三の直線部における前記周回ビームの通過領域から離れた位置を通過するように、前記前段の出射用偏向器を制御する、
請求項１に記載の粒子加速器。
【請求項3】
前記第一の直線部と前記第三の直線部とは、前記周回ビームの周回軌道上における互いに対向する位置に配置されている、請求項１または請求項２に記載の粒子加速器。
【請求項4】
前記第一の直線部と前記第三の直線部とは、互いに平行に延びている、請求項３に記載の粒子加速器。
【請求項5】
前記複数の偏向部のそれぞれは、前記偏向電磁石と偏向部用四極電磁石とを有するか、または、前記偏向電磁石と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構とを有し、前記複数の直線部のそれぞれは、前記四極電磁石を有し、
前記制御部は、
前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、
前記複数の偏向部のそれぞれの前記偏向部用四極電磁石の励磁量または前記偏向部用四極磁場生成機構の励磁量と、前記複数の直線部のそれぞれの前記四極電磁石の励磁量とを調整する、
請求項１に記載の粒子加速器。
【請求項6】
前記制御部は、前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、前記複数の偏向部のそれぞれの前記偏向部用四極電磁石の励磁量または前記偏向部用四極磁場生成機構の励磁量と、前記複数の直線部のそれぞれの前記四極電磁石の励磁量とを調整し、
前記出射ビームが、前記第一の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域を通過するか、あるいは、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第三の直線部における前記周回ビームの通過領域から離れた位置を通過するように、前記前段の出射用偏向器の電場強度を調整する、
請求項５に記載の粒子加速器。
【請求項7】
前記複数の直線部のそれぞれは、前記四極電磁石を有し、前記制御部は、
前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、
前記複数の直線部のそれぞれの前記四極電磁石を調整する、
請求項１に記載の粒子加速器。
【請求項8】
前記制御部は、前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、前記複数の直線部のそれぞれの前記四極電磁石を調整し、
前記出射ビームが、前記第一の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域を通過するか、あるいは、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第三の直線部における前記周回ビームの通過領域から離れた位置を通過するように、前記前段の出射用偏向器の電場強度を調整する、
請求項７に記載の粒子加速器。
【請求項9】
前記第一の偏向部による前記荷電粒子ビームの偏向角が６０度以上である、請求項１に記載の粒子加速器。
【請求項10】
前記第一の偏向部と前記第二の偏向部とによる前記荷電粒子ビームの合計の偏向角が１８０度である、請求項１または請求項９に記載の粒子加速器。
【請求項11】
前記第一の直線部および前記第三の直線部のそれぞれは、前記四極電磁石を有し、前記前段の出射用偏向器は、前記第一の直線部の前記四極電磁石よりも前記周回ビームの進行方向の下流側に配置され、
前記後段の出射用偏向器は、前記第三の直線部の前記四極電磁石よりも前記周回ビームの進行方向の下流側に配置されている、
請求項１に記載の粒子加速器。
【請求項12】
前記第一の直線部の前記四極電磁石は、前記周回ビームの進行方向における前記第一の直線部の略中央に配置され、前記第三の直線部の前記四極電磁石は、前記周回ビームの進行方向における前記第三の直線部の略中央に配置されている、
請求項１に記載の粒子加速器。
【請求項13】
請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の粒子加速器と、前記粒子加速器から前記出射ビームとして取り出された前記荷電粒子ビームを輸送し、照射対象に照射する照射装置とを備える粒子線治療装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、粒子加速器および粒子線治療装置に関する。
本願は、２０２０年６月２３日に、日本に出願された特願２０２０－１０８０８８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０２０年６月２３日に、日本に出願された特願２０２０－１０８０８８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【0002】
粒子加速器は、高エネルギーの荷電粒子を生成するための装置として、科学、産業、医療などの様々な分野において広く使われている。粒子線治療の分野では、限られたスペースで高いエネルギーまで荷電粒子を加速できることから、円形加速器が現在採用されている。また、粒子線治療施設の導入コストを低減する目的で、超伝導技術を用いて粒子線治療装置を小型化する例が増えてきている。高磁場の超伝導電磁石を用いれば、高エネルギーの荷電粒子も短い曲率半径で偏向することができるため、円形加速器の小型化が可能となる。粒子線治療装置の中で円形加速器が占める設置面積は大きく、粒子線治療装置の小型化のために超伝導電磁石を円形加速器に用いることは非常に効果的である。
円形加速器の１つであるシンクロトロンは、電磁石が発生する磁場で荷電粒子ビームを偏向して周回させながら高周波加速空洞で加速エネルギーを与え、荷電粒子ビームのエネルギー変化に合わせて電磁石の発生磁場を高めることで、荷電粒子ビームの安定な周回軌道を維持しつつ様々なエネルギーに荷電粒子ビームを加速し、出射用偏向器でシンクロトロンの外に取り出す（出射する）ことができる。シンクロトロンを周回する荷電粒子ビームは加速されてエネルギーが変化しても同じ軌道を通るため、電磁石等の１つ１つの構成機器は比較的小型であり、高いエネルギーの荷電粒子の生成には効率が良く、適している。
円形加速器の１つであるシンクロトロンは、電磁石が発生する磁場で荷電粒子ビームを偏向して周回させながら高周波加速空洞で加速エネルギーを与え、荷電粒子ビームのエネルギー変化に合わせて電磁石の発生磁場を高めることで、荷電粒子ビームの安定な周回軌道を維持しつつ様々なエネルギーに荷電粒子ビームを加速し、出射用偏向器でシンクロトロンの外に取り出す（出射する）ことができる。シンクロトロンを周回する荷電粒子ビームは加速されてエネルギーが変化しても同じ軌道を通るため、電磁石等の１つ１つの構成機器は比較的小型であり、高いエネルギーの荷電粒子の生成には効率が良く、適している。
【0003】
従来から、シンクロトロンの小型化を図るために、短い直線部と曲率の大きい曲線部とからなる全体がほぼ正方形のシンクロトロンが提案されている。このようなシンクロトロンでは、各直線部が短いため曲線部の上流側の直線部には、周回ビームから出射ビームを分離する前段の出射用偏向器が設けられ、その曲線部の下流側の直線部には、周回ビームから分離された出射ビームを外部に取り出す後段の出射用偏向器が設けられている。一方、曲率の大きな曲線部では、冷却手段を必要とする超伝導電磁石等の偏向電磁石が設けられる。
【0004】
図９はこのような従来の粒子加速器およびこのような従来の粒子加速器が適用された粒子線治療装置を示す図である。図１０は図９に示す従来例における周回ビーム１３１の通過領域（図１０のハッチング部分）と出射ビーム１３２の軌道との関係を示す図である。図１０において、Ｓ軸方向は周回ビーム１３１の進行方向を示している。Ｓ軸に直交する平面に含まれるＸ軸は、偏向電磁石１０２の偏向方向に対応している。Ｓ軸に直交する平面に含まれるＹ軸は、Ｘ軸に直交している。
シンクロトロン（粒子加速器）１００の小型化に際しては、加速された高エネルギービームを損失なく取り出す（出射する）ことが大きな課題となる。効果的な小型化を行うためには、偏向電磁石１０２を高磁場化して偏向部１２１を短くするだけではなく、直線部１１１、１１２も合わせて短くしなければいけない。しかし、出射ビーム１３２を損失なくシンクロトロン（粒子加速器）１００の外に取り出すためには、前段の出射用偏向器１０８で出射ビーム１３２と周回ビーム１３１を分離し、後段の出射用偏向器１０９でシンクロトロン（粒子加速器）１００の外まで出射ビーム１３２を大きく曲げる必要があるが、これらを行うには、前段の出射用偏向器１０８および後段の出射用偏向器１０９のそれぞれを配置するための長いスペースが必要であるため、直線部１１１、１１２を短くすることと相反してしまう。
そのため、小型化を目指した図９に示す従来のシンクロトロン（粒子加速器）１００では、前段の出射用偏向器１０８および後段の出射用偏向器１０９を２つの直線部（第一の直線部１１１および第二の直線部１１２）に分けて配置する構成が採用されていた。具体的には、前段の出射用偏向器１０８が第一の直線部１１１に配置され、第一の偏向部１２１が第一の直線部１１１の下流に接続され、第一の偏向部１２１は、１台の偏向電磁石１０２によって、ないしは、２台以上の偏向電磁石１０２と短直線部との組み合わせによって構成される。また、第一の偏向部１２１の下流の第二の直線部１１２には、後段の出射用偏向器１０９が配置される。
しかし、この方法では、図１０に示すように、ビーム損失を避けるために後段の出射用偏向器１０９の位置で周回ビーム１３１と出射ビーム１３２が大きく分離されていることが条件であるため、出射ビーム１３２を前段の出射用偏向器１０８で大きく偏向することが求められ、そうした場合、第一の偏向部１２１での出射ビーム１３２の軌道は、周回ビーム１３１の通過領域（図１０のハッチング部分）から大きく逸れたものとなってしまう。第一の偏向部１２１の偏向電磁石１０２は、この中心軌道から大きく離れた出射ビーム１３２も輸送しなければならず、必然的に第一の偏向部１２１の偏向電磁石１０２の磁場生成領域を大幅に広げることになる。その結果、第一の偏向部１２１の偏向電磁石１０２の大型化・高コスト化が避けられず、特に、第一の偏向部１２１の偏向電磁石１０２として超伝導電磁石を用いる場合には、磁場生成領域の拡幅は製作難度やコスト、冷却を含めた運転コストを各段に高めるため、大きな課題となっていた。
シンクロトロン（粒子加速器）１００の小型化に際しては、加速された高エネルギービームを損失なく取り出す（出射する）ことが大きな課題となる。効果的な小型化を行うためには、偏向電磁石１０２を高磁場化して偏向部１２１を短くするだけではなく、直線部１１１、１１２も合わせて短くしなければいけない。しかし、出射ビーム１３２を損失なくシンクロトロン（粒子加速器）１００の外に取り出すためには、前段の出射用偏向器１０８で出射ビーム１３２と周回ビーム１３１を分離し、後段の出射用偏向器１０９でシンクロトロン（粒子加速器）１００の外まで出射ビーム１３２を大きく曲げる必要があるが、これらを行うには、前段の出射用偏向器１０８および後段の出射用偏向器１０９のそれぞれを配置するための長いスペースが必要であるため、直線部１１１、１１２を短くすることと相反してしまう。
そのため、小型化を目指した図９に示す従来のシンクロトロン（粒子加速器）１００では、前段の出射用偏向器１０８および後段の出射用偏向器１０９を２つの直線部（第一の直線部１１１および第二の直線部１１２）に分けて配置する構成が採用されていた。具体的には、前段の出射用偏向器１０８が第一の直線部１１１に配置され、第一の偏向部１２１が第一の直線部１１１の下流に接続され、第一の偏向部１２１は、１台の偏向電磁石１０２によって、ないしは、２台以上の偏向電磁石１０２と短直線部との組み合わせによって構成される。また、第一の偏向部１２１の下流の第二の直線部１１２には、後段の出射用偏向器１０９が配置される。
しかし、この方法では、図１０に示すように、ビーム損失を避けるために後段の出射用偏向器１０９の位置で周回ビーム１３１と出射ビーム１３２が大きく分離されていることが条件であるため、出射ビーム１３２を前段の出射用偏向器１０８で大きく偏向することが求められ、そうした場合、第一の偏向部１２１での出射ビーム１３２の軌道は、周回ビーム１３１の通過領域（図１０のハッチング部分）から大きく逸れたものとなってしまう。第一の偏向部１２１の偏向電磁石１０２は、この中心軌道から大きく離れた出射ビーム１３２も輸送しなければならず、必然的に第一の偏向部１２１の偏向電磁石１０２の磁場生成領域を大幅に広げることになる。その結果、第一の偏向部１２１の偏向電磁石１０２の大型化・高コスト化が避けられず、特に、第一の偏向部１２１の偏向電磁石１０２として超伝導電磁石を用いる場合には、磁場生成領域の拡幅は製作難度やコスト、冷却を含めた運転コストを各段に高めるため、大きな課題となっていた。
【0005】
詳細には、この方法では、湾曲した形状の第一の偏向部１２１の偏向電磁石１０２によって、周回ビーム１３１から大きく外れた出射ビーム１３２を第一の偏向部１２１の湾曲した形状に沿って偏向しなければならないため、第一の偏向部１２１に設けられる超伝導電磁石等の偏向電磁石１０２の磁場生成領域を大幅に広げる必要があり、コストがかかる上に大型化してしまう。
【0006】
特に、図９に示すような小型のシンクロトロン（粒子加速器）１００では、機器数を減らしてスペース効率を上げるため、第一の直線部１１１および第二の直線部１１２のような直線部と、第一の偏向部１２１のような偏向部との組を少なくすることが重要であり、直線部と偏向部との組は６組以内、理想的には４組以内にすることが望ましい。そうした場合、１つの偏向部あたりの荷電粒子ビームの偏向角も大きくなり、偏向電磁石１０２による荷電粒子ビームの収束作用が強まってしまうため、前段の出射用偏向器１０８は出射ビーム１３２を周回ビーム１３１の中心軌道（図１０のハッチング部分）からより大きく逸らすことが求められ、偏向電磁石１０２の磁場生成領域をさらに広げる結果となってしまう。
また、出射ビーム１３２が周回ビーム１３１の中心軌道から大きく逸れた軌道を通ることによって生じる別の問題として、偏向電磁石１０２が生成する非線形磁場成分の影響を強く受けることにより、出射ビーム１３２の粒子分布形状が歪んでしまうことがある。広範囲で生成磁場の均一性を保つことは非常に難しいため、一般的には、電磁石の中心から離れるほど理想的な磁場分布との誤差が大きくなり、非線形な磁場成分が加わる。荷電粒子ビームが電磁石の中心からそれほど離れていない位置を通過する場合には非線形磁場成分によるビーム分布への影響は小さいが、荷電粒子ビームが電磁石の中心から大きく離れた軌道を通る場合には非線形磁場成分が荷電粒子ビームに与える影響は大きく、照射ビーム３０２の分布形状が歪むことになる（図１１（Ｂ）参照）。
また、出射ビーム１３２が周回ビーム１３１の中心軌道から大きく逸れた軌道を通ることによって生じる別の問題として、偏向電磁石１０２が生成する非線形磁場成分の影響を強く受けることにより、出射ビーム１３２の粒子分布形状が歪んでしまうことがある。広範囲で生成磁場の均一性を保つことは非常に難しいため、一般的には、電磁石の中心から離れるほど理想的な磁場分布との誤差が大きくなり、非線形な磁場成分が加わる。荷電粒子ビームが電磁石の中心からそれほど離れていない位置を通過する場合には非線形磁場成分によるビーム分布への影響は小さいが、荷電粒子ビームが電磁石の中心から大きく離れた軌道を通る場合には非線形磁場成分が荷電粒子ビームに与える影響は大きく、照射ビーム３０２の分布形状が歪むことになる（図１１（Ｂ）参照）。
【0007】
図１１は照射ビーム３０２の理想的な二次元断面分布などを説明するための図である。詳細には、図１１（Ａ）は荷電粒子ビームが電磁石の中心を通過し、照射ビーム３０２の二次元断面分布３０２ａの形状が歪んでいない例を示している。図１１（Ｂ）は荷電粒子ビームが電磁石の中心から大きく離れた軌道を通過し、照射ビーム３０２の二次元断面分布３０２ａ’の形状が歪んでいる例を示している。図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）のＸ軸は図１０のＸ軸に対応し、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）のＹ軸は図１０のＹ軸に対応している。
図１１（Ａ）に示す照射ビーム３０２の二次元断面分布３０２ａの形状が歪んでいない例では、照射ビーム３０２の二次元断面分布３０２ａの形状が円形であり、照射ビーム３０２の水平方向射影プロファイル３０２ｂの形状と垂直方向射影プロファイル３０２ｃの形状とがほぼ同一である。
図１１（Ｂ）に示す照射ビーム３０２の二次元断面分布３０２ａ’の形状が歪んでいる例では、照射ビーム３０２の二次元断面分布３０２ａ’の形状が非円形であり、照射ビーム３０２の水平方向射影プロファイル３０２ｂ’の形状と垂直方向射影プロファイル３０２ｃ’の形状とが異なる。
図１１（Ｂ）に示す例のように、強い非線形磁場成分の影響を受けた二次元断面分布３０２ａ’を有する照射ビーム３０２が粒子線治療に用いられる場合、線量誤差が大きくなり、正常組織の損傷を増やす原因になるおそれがある。
上述した課題を解決するために、本発明者等は、特許文献１に記載された手法を提案した。
図１１（Ａ）に示す照射ビーム３０２の二次元断面分布３０２ａの形状が歪んでいない例では、照射ビーム３０２の二次元断面分布３０２ａの形状が円形であり、照射ビーム３０２の水平方向射影プロファイル３０２ｂの形状と垂直方向射影プロファイル３０２ｃの形状とがほぼ同一である。
図１１（Ｂ）に示す照射ビーム３０２の二次元断面分布３０２ａ’の形状が歪んでいる例では、照射ビーム３０２の二次元断面分布３０２ａ’の形状が非円形であり、照射ビーム３０２の水平方向射影プロファイル３０２ｂ’の形状と垂直方向射影プロファイル３０２ｃ’の形状とが異なる。
図１１（Ｂ）に示す例のように、強い非線形磁場成分の影響を受けた二次元断面分布３０２ａ’を有する照射ビーム３０２が粒子線治療に用いられる場合、線量誤差が大きくなり、正常組織の損傷を増やす原因になるおそれがある。
上述した課題を解決するために、本発明者等は、特許文献１に記載された手法を提案した。
【0008】
特許文献１に記載された技術では、特許文献１において符号６で示される偏向電磁石の直前に、符号８ｃで示される第２の出射デフレクタが設けられ、符号８ａで示される第１の出射デフレクタ（前段の出射用偏向器）により、符号１０で示される周回ビームから分離された、符号１１で示される出射ビームを、符号８ｃで示される第２の出射デフレクタにより、周回ビームの中心軌道に向けて蹴り入れることで、符号６で示される偏向電磁石において出射ビームが周回ビームの中心軌道を斜めに横切った後、符号７で示される収束電磁石により、再度、周回ビームの中心軌道に向けて曲げられ、符号８ｂで示される最終の出射デフレクタ（後段の出射用偏向器）により、出射ビームがシンクロトロンの外部に取り出される。これにより、特許文献１に記載された技術では、符号６で示される偏向電磁石において、冷却手段を必要とする超伝導電磁石等の偏向電磁石の磁場生成領域を小型化することができる。
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、符号６で示される偏向電磁石の上流側の直線部に、出射ビームを周回ビームの中心軌道に向けて蹴り入れるための第２の出射デフレクタを設ける必要があるため、符号６で示される偏向電磁石の上流側の直線部と、これに対向する直線部とが長くなり、シンクロトロン全体が大型化してしまう。
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、符号６で示される偏向電磁石の上流側の直線部に、出射ビームを周回ビームの中心軌道に向けて蹴り入れるための第２の出射デフレクタを設ける必要があるため、符号６で示される偏向電磁石の上流側の直線部と、これに対向する直線部とが長くなり、シンクロトロン全体が大型化してしまう。
【0009】
また、特許文献２および特許文献３には、シンクロトロンおよびシンクロトロンを用いた粒子線治療システムについて記載されている。
詳細には、特許文献３の段落０００７には、第１出射用偏向器と第２出射用偏向器の位相差を９０度近傍になるように設計する旨が記載されている。また、特許文献３の段落００１０には、第１出射用偏向器と第２出射用偏向器までの位相進みを９０度＋１８０度×ｎ近傍とする必要がある旨が記載されている。更に、特許文献３の段落００２５には、第１出射用偏向器と第３出射用偏向器の位相差を１８０°近傍に取る旨が記載されている。
一方、特許文献１～特許文献３に記載された技術によっては、出射ビームの粒子分布形状を適切にしつつ、コスト等を抑制してシンクロトロンを小型化することができない。
詳細には、特許文献３の段落０００７には、第１出射用偏向器と第２出射用偏向器の位相差を９０度近傍になるように設計する旨が記載されている。また、特許文献３の段落００１０には、第１出射用偏向器と第２出射用偏向器までの位相進みを９０度＋１８０度×ｎ近傍とする必要がある旨が記載されている。更に、特許文献３の段落００２５には、第１出射用偏向器と第３出射用偏向器の位相差を１８０°近傍に取る旨が記載されている。
一方、特許文献１～特許文献３に記載された技術によっては、出射ビームの粒子分布形状を適切にしつつ、コスト等を抑制してシンクロトロンを小型化することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【文献】特開２０１６－０８１７２９号公報
【文献】特開２０１２－２３４８０５号公報
【文献】特開２０１２－０２２７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
上述した点に鑑み、本発明は、小型化を達成することができる粒子加速器および粒子線治療装置を提供することを目的とする。
詳細には、本発明は、偏向部の偏向電磁石に求められる磁場生成領域を縮小し、偏向電磁石にかかわるコスト全般を低減しつつ粒子加速器の小型化を達成することができる粒子加速器および粒子線治療装置を提供することを目的とする。
詳細には、本発明は、偏向部の偏向電磁石に求められる磁場生成領域を縮小し、偏向電磁石にかかわるコスト全般を低減しつつ粒子加速器の小型化を達成することができる粒子加速器および粒子線治療装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の一態様に係る粒子加速器は、荷電粒子ビームを周回ビームとして周回させながら加速し、前記周回ビームの一部を出射ビームとして出射する粒子加速器であって、偏向電磁石を有する複数の偏向部と、前記偏向電磁石を有さない複数の直線部と、制御部と、を備え、前記複数の直線部には、前段の出射用偏向器を有する第一の直線部と、前記第一の直線部よりも前記周回ビームの進行方向の下流側に配置され、四極電磁石を有する第二の直線部と、前記第二の直線部よりも前記周回ビームの進行方向の下流側に配置され、後段の出射用偏向器を有する第三の直線部とが含まれ、前記複数の偏向部には、前記第一の直線部と前記第二の直線部とを接続する第一の偏向部と、前記第二の直線部と前記第三の直線部とを接続する第二の偏向部とが含まれ、前記前段の出射用偏向器は、前記周回ビームの周回軌道の内側および外側の一方に向けて前記周回ビームの一部を偏向して前記出射ビームに分離し、前記後段の出射用偏向器は、前記前段の出射用偏向器によって前記周回ビームから分離された前記出射ビームを、前記周回ビームの周回軌道の内側および外側の他方に向けて偏向し、前記制御部は、前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、少なくとも前記四極電磁石を制御する。
【0013】
本発明の一態様に係る粒子加速器では、前記制御部は、前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、少なくとも前記四極電磁石を制御し、前記出射ビームが、前記第一の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域を通過するか、あるいは、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第三の直線部における前記周回ビームの通過領域から離れた位置を通過するように、前記前段の出射用偏向器を制御してもよい。
【0014】
本発明の一態様に係る粒子加速器では、前記第一の直線部と前記第三の直線部とは、前記周回ビームの周回軌道上における互いに対向する位置に配置されていてもよい。
【0015】
本発明の一態様に係る粒子加速器では、前記第一の直線部と前記第三の直線部とは、互いに平行に延びていてもよい。
【0016】
本発明の一態様に係る粒子加速器では、前記複数の偏向部のそれぞれは、前記偏向電磁石と偏向部用四極電磁石とを有するか、または、前記偏向電磁石と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構を有し、前記複数の直線部のそれぞれは、前記四極電磁石を有し、前記制御部は、前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、前記複数の偏向部のそれぞれの前記偏向部用四極電磁石の励磁量または前記偏向部用四極磁場生成機構の励磁量と、前記複数の直線部のそれぞれの前記四極電磁石の励磁量とを調整してもよい。これにより、制御部により制御する調整要素（パラメータ）が増えるため、より精度の高い制御が可能である。
【0017】
本発明の一態様に係る粒子加速器では、前記制御部は、前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、前記複数の偏向部のそれぞれの前記偏向部用四極電磁石の励磁量励磁量または前記偏向部用四極磁場生成機構の励磁量と、前記複数の直線部のそれぞれの前記四極電磁石の励磁量とを調整し、前記出射ビームが、前記第一の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域を通過するか、あるいは、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第三の直線部における前記周回ビームの通過領域から離れた位置を通過するように、前記前段の出射用偏向器の電場強度を調整してもよい。
【0018】
本発明の一態様に係る粒子加速器では、前記複数の直線部のそれぞれは、前記四極電磁石を有し、前記制御部は、前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、前記複数の直線部のそれぞれの前記四極電磁石を調整してもよい。
【0019】
本発明の一態様に係る粒子加速器では、前記制御部は、前記出射ビームのベータトロン振動の位相進度が、前記前段の出射用偏向器から前記後段の出射用偏向器までの区間で２７０±４５度となるように、前記複数の直線部のそれぞれの前記四極電磁石を調整し、前記出射ビームが、前記第一の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域を通過するか、あるいは、前記第二の偏向部における前記周回ビームの通過領域の近傍を通過するように、かつ、前記出射ビームが、前記第三の直線部における前記周回ビームの通過領域から離れた位置を通過するように、前記前段の出射用偏向器の電場強度を調整してもよい。
【0020】
本発明の一態様に係る粒子加速器では、前記第一の偏向部による前記荷電粒子ビームの偏向角が６０度以上であってもよい。
【0021】
本発明の一態様に係る粒子加速器では、前記第一の偏向部と前記第二の偏向部とによる前記荷電粒子ビームの合計の偏向角が１８０度であってもよい。
【0022】
本発明の一態様に係る粒子加速器では、前記第一の直線部および前記第三の直線部のそれぞれは、前記四極電磁石を有し、前記前段の出射用偏向器は、前記第一の直線部の前記四極電磁石よりも前記周回ビームの進行方向の下流側に配置され、前記後段の出射用偏向器は、前記第三の直線部の前記四極電磁石よりも前記周回ビームの進行方向の下流側に配置されていてもよい。
【0023】
本発明の一態様に係る粒子加速器では、前記第一の直線部の前記四極電磁石は、前記周回ビームの進行方向における前記第一の直線部の略中央に配置され、前記第三の直線部の前記四極電磁石は、前記周回ビームの進行方向における前記第三の直線部の略中央に配置されていてもよい。
【0024】
本発明の一態様に係る粒子線治療装置は、前記粒子加速器と、前記粒子加速器から前記出射ビームとして取り出された前記荷電粒子ビームを輸送し、照射対象に照射する照射装置とを備える。
【発明の効果】
【0025】
本発明によれば、小型化を達成することができる粒子加速器および粒子線治療装置を提供することができる。
詳細には、本発明によれば、偏向部の偏向電磁石に求められる磁場生成領域を縮小し、偏向電磁石にかかわるコスト全般を低減しつつ粒子加速器の小型化を達成することができる粒子加速器および粒子線治療装置を提供することができる。
詳細には、本発明によれば、偏向部の偏向電磁石に求められる磁場生成領域を縮小し、偏向電磁石にかかわるコスト全般を低減しつつ粒子加速器の小型化を達成することができる粒子加速器および粒子線治療装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】第１実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）およびそのシンクロトロンが適用された粒子線治療装置の一例を示す図である。
【図2】第１実施形態のシンクロトロンの構成の一部を示すブロック図などである。
【図3】第１実施形態のシンクロトロンにおける周回ビームの通過領域と出射ビームの軌道との関係を示す図である。
【図4】第１実施形態のシンクロトロンにおいて設定されている出射ビームのベータトロン振動の位相進度の一例を示す図である。
【図5】第２実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）の一例を示す図である。
【図6】第３実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）の一例を示す図である。
【図7】第４実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）の一例を示す図である。
【図8】第５実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）の一例を示す図である。
【図9】従来の粒子加速器およびその粒子加速器が適用された粒子線治療装置を示す図である。
【図11】照射ビームの理想的な二次元断面分布などを説明するための図である。
【図12】第６実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）の一例を示す図である。
【図13】第７実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）の一例を示す図である。
【図14】第２実施形態のシンクロトロンにおける周回ビームの通過領域と出射ビームの軌道との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、添付図面を参照し、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の実施形態について説明する。
【0028】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００およびそのシンクロトロン１００が適用された粒子線治療装置の一例を示す図である。図２は第１実施形態のシンクロトロン１００の構成の一部を示すブロック図などである。詳細には、図２の左側部分は、第１実施形態のシンクロトロン１００の構成の一部をブロック図で示しており、図２の右側の最も上側の部分は、偏向電磁石１０２に流れる電流Ｉと時間ｔとの関係を示しており、図２の右側の上から２番目の部分は、収束用四極電磁石１０４に流れる電流Ｉと時間ｔとの関係を示しており、図２の右側の下から２番目の部分は、発散用四極電磁石１０３に流れる電流Ｉと時間ｔとの関係を示しており、図２の右側の最も下側の部分は、前段の出射用偏向器１０８の電極間の電圧Ｖと時間ｔとの関係を示している。
図１に示す例では、第１実施形態のシンクロトロン１００が適用された粒子線治療装置が、シンクロトロン１００と、入射器２０１と、照射装置３０１とを備えている。
入射器２０１は、荷電粒子を生成して所定のエネルギーに加速した荷電粒子をシンクロトロン１００に供給する。入射器２０１は、例えばイオン源（図示せず）と線形加速器（図示せず）とを備えている。イオン源は、中性ガスに高速の電子を衝突させるなどしてイオンを生成し、線形加速器にてシンクロトロン１００で加速可能な状態に加速する。イオン化される原子、粒子としては、例えば、水素、ヘリウム、炭素、窒素、酸素、ネオン、シリコン、アルゴンなどがある。線形加速器は、イオン源から供給される荷電粒子を所定のエネルギーまで加速してシンクロトロン１００に供給する。線形加速器としては、例えば、高周波の四極電場によって荷電粒子の加速と集束を行うＲＦＱ（Radio Frequency Quadrupole）ライナックやドリフトチューブライナックが用いられる。線形加速器によって、荷電粒子は、例えば、核子あたり数ＭｅＶ程度のエネルギーに加速される。
照射装置３０１は、シンクロトロン１００から出射ビーム１３２（図３参照）として取り出された荷電粒子ビームを輸送し、照射ビーム３０２としての荷電粒子ビームを照射対象に照射する。
図１に示す例では、照射野形成装置が照射装置３０１に含まれているが、他の例では、照射野形成装置と照射装置３０１とが別個に粒子線治療装置に備えられていてもよい。
図１は第１実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００およびそのシンクロトロン１００が適用された粒子線治療装置の一例を示す図である。図２は第１実施形態のシンクロトロン１００の構成の一部を示すブロック図などである。詳細には、図２の左側部分は、第１実施形態のシンクロトロン１００の構成の一部をブロック図で示しており、図２の右側の最も上側の部分は、偏向電磁石１０２に流れる電流Ｉと時間ｔとの関係を示しており、図２の右側の上から２番目の部分は、収束用四極電磁石１０４に流れる電流Ｉと時間ｔとの関係を示しており、図２の右側の下から２番目の部分は、発散用四極電磁石１０３に流れる電流Ｉと時間ｔとの関係を示しており、図２の右側の最も下側の部分は、前段の出射用偏向器１０８の電極間の電圧Ｖと時間ｔとの関係を示している。
図１に示す例では、第１実施形態のシンクロトロン１００が適用された粒子線治療装置が、シンクロトロン１００と、入射器２０１と、照射装置３０１とを備えている。
入射器２０１は、荷電粒子を生成して所定のエネルギーに加速した荷電粒子をシンクロトロン１００に供給する。入射器２０１は、例えばイオン源（図示せず）と線形加速器（図示せず）とを備えている。イオン源は、中性ガスに高速の電子を衝突させるなどしてイオンを生成し、線形加速器にてシンクロトロン１００で加速可能な状態に加速する。イオン化される原子、粒子としては、例えば、水素、ヘリウム、炭素、窒素、酸素、ネオン、シリコン、アルゴンなどがある。線形加速器は、イオン源から供給される荷電粒子を所定のエネルギーまで加速してシンクロトロン１００に供給する。線形加速器としては、例えば、高周波の四極電場によって荷電粒子の加速と集束を行うＲＦＱ（Radio Frequency Quadrupole）ライナックやドリフトチューブライナックが用いられる。線形加速器によって、荷電粒子は、例えば、核子あたり数ＭｅＶ程度のエネルギーに加速される。
照射装置３０１は、シンクロトロン１００から出射ビーム１３２（図３参照）として取り出された荷電粒子ビームを輸送し、照射ビーム３０２としての荷電粒子ビームを照射対象に照射する。
図１に示す例では、照射野形成装置が照射装置３０１に含まれているが、他の例では、照射野形成装置と照射装置３０１とが別個に粒子線治療装置に備えられていてもよい。
【0029】
図１および図２に示す例では、シンクロトロン１００が、入射器２０１の線形加速器から供給される荷電粒子ビームを周回ビーム１３１として周回させながら加速し、周回ビーム１３１の一部を出射ビーム１３２として出射する。シンクロトロン１００は、例えば、入射用偏向器１０１と、８つの偏向電磁石１０２と、４つの発散用四極電磁石１０３と、４つの収束用四極電磁石１０４と、２つの共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６と、高周波キッカー装置１０７と、前段の出射用偏向器１０８と、後段の出射用偏向器１０９と、制御部１４０と、複数の電源１５０とを備えている。
入射用偏向器１０１は、入射器２０１によって入射された荷電粒子ビームを偏向し、周回ビーム１３１にする。入射用偏向器１０１は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１を偏向する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の発散用四極電磁石１０３に接続されている。
図１および図２に示す例では、偏向電磁石１０２が、四極磁場成分が付加された機能結合型電磁石ではないが、他の例では、偏向電磁石１０２が、四極磁場成分などが付加された機能結合型電磁石であってもよい。
また、図１および図２に示す例では、偏向電磁石１０２の端部にエッジ角が無いが、他の例では、偏向電磁石１０２の端部にエッジ角があってもよい。
入射用偏向器１０１は、入射器２０１によって入射された荷電粒子ビームを偏向し、周回ビーム１３１にする。入射用偏向器１０１は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１を偏向する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の発散用四極電磁石１０３に接続されている。
図１および図２に示す例では、偏向電磁石１０２が、四極磁場成分が付加された機能結合型電磁石ではないが、他の例では、偏向電磁石１０２が、四極磁場成分などが付加された機能結合型電磁石であってもよい。
また、図１および図２に示す例では、偏向電磁石１０２の端部にエッジ角が無いが、他の例では、偏向電磁石１０２の端部にエッジ角があってもよい。
【0030】
図１および図２に示す例では、発散用四極電磁石１０３が、周回ビーム１３１を水平方向（図３のＸ軸方向）に発散、垂直方向（図３のＹ軸方向）に収束させる。１つ目の発散用四極電磁石１０３は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。２つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１を水平方向に収束、垂直方向に発散させる。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１を水平方向に収束、垂直方向に発散させる。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
【0031】
前段の出射用偏向器１０８は、セプタム電極１０８ａ（図３参照）を備えている。セプタム電極１０８ａは、周回ビーム１３１の周回軌道（図３のハッチング部分）の内側（周回ビーム１３１の周回軌道よりも図３のＸ軸の負側）に向けて周回ビーム１３１の一部を偏向して出射ビーム１３２に分離する。
図１および図２に示す例では、出射ビーム１３２は、ビーム損失を極力減らすように薄いセプタム電極１０８ａで構成された静電型装置である前段の出射用偏向器１０８によって、周回ビーム１３１と分離するように曲げられる。
図１に示すように、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
図１に示す例では、１つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されているため、第一の偏向部１２１における周回ビーム１３１と出射ビーム１３２とを合わせたビーム通過領域を縮小することができ、第一の偏向部１２１の偏向電磁石１０２に必要な磁場生成領域を最小化することができる。
他の例では、１つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されていなくてもよい。更に他の例では、１つ目の収束用四極電磁石１０４が第一の直線部１１１に設けられていなくてもよい。
図１および図２に示す例では、出射ビーム１３２は、ビーム損失を極力減らすように薄いセプタム電極１０８ａで構成された静電型装置である前段の出射用偏向器１０８によって、周回ビーム１３１と分離するように曲げられる。
図１に示すように、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
図１に示す例では、１つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されているため、第一の偏向部１２１における周回ビーム１３１と出射ビーム１３２とを合わせたビーム通過領域を縮小することができ、第一の偏向部１２１の偏向電磁石１０２に必要な磁場生成領域を最小化することができる。
他の例では、１つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されていなくてもよい。更に他の例では、１つ目の収束用四極電磁石１０４が第一の直線部１１１に設けられていなくてもよい。
【0032】
図３は第１実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係を示す図である。図３において、Ｓ軸方向は周回ビーム１３１の進行方向を示している。Ｓ軸に直交する平面に含まれるＸ軸は、偏向電磁石１０２の偏向方向、前段の出射用偏向器１０８の偏向方向および後段の出射用偏向器１０９の偏向方向に対応している。図１５は図１と図３とを関連付けた図である。
偏向電磁石１０２、前段の出射用偏向器１０８および後段の出射用偏向器１０９のそれぞれの偏向方向は、全てＸＹＳ座標系での同一軸方向であり、偏向方向の正負は異なる。Ｘ軸は、偏向電磁石１０２の偏向方向、前段の出射用偏向器１０８の偏向方向および後段の出射用偏向器１０９の偏向方向にそれぞれ平行である。Ｓ軸に直交する平面に含まれるＹ軸は、Ｘ軸に直交している。
ここで、図３において、各Ｘ軸、Ｙ軸、Ｓ軸の交点をＯとして示す。特に、限定する必要はないが、シンクロトロン１００における周回ビーム１３１の周回軌道の外側をＸ軸の正（＋）とし、周回ビーム１３１の周回軌道の内側をＸ軸の負（－）として表記している。
図３に示すように、１つ目の収束用四極電磁石１０４によって、周回ビーム１３１が収束させられ、次いで、前段の出射用偏向器１０８のセプタム電極１０８ａによって、周回ビーム１３１の一部が、周回ビーム１３１の周回軌道（図３のハッチング部分）の内側（周回ビーム１３１の周回軌道よりも図３の下側）に向けて偏向され、出射ビーム１３２に分離される。
偏向電磁石１０２、前段の出射用偏向器１０８および後段の出射用偏向器１０９のそれぞれの偏向方向は、全てＸＹＳ座標系での同一軸方向であり、偏向方向の正負は異なる。Ｘ軸は、偏向電磁石１０２の偏向方向、前段の出射用偏向器１０８の偏向方向および後段の出射用偏向器１０９の偏向方向にそれぞれ平行である。Ｓ軸に直交する平面に含まれるＹ軸は、Ｘ軸に直交している。
ここで、図３において、各Ｘ軸、Ｙ軸、Ｓ軸の交点をＯとして示す。特に、限定する必要はないが、シンクロトロン１００における周回ビーム１３１の周回軌道の外側をＸ軸の正（＋）とし、周回ビーム１３１の周回軌道の内側をＸ軸の負（－）として表記している。
図３に示すように、１つ目の収束用四極電磁石１０４によって、周回ビーム１３１が収束させられ、次いで、前段の出射用偏向器１０８のセプタム電極１０８ａによって、周回ビーム１３１の一部が、周回ビーム１３１の周回軌道（図３のハッチング部分）の内側（周回ビーム１３１の周回軌道よりも図３の下側）に向けて偏向され、出射ビーム１３２に分離される。
【0033】
図１～図３に示す例では、前段の出射用偏向器１０８が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。３つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の発散用四極電磁石１０３に接続されている。２つ目の発散用四極電磁石１０３は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
図１および図３に示すように、３つ目の偏向電磁石１０２と、２つ目の発散用四極電磁石１０３と、４つ目の偏向電磁石１０２とは、第一の偏向部１２１に備えられている。
図１～図３に示す例では、２つの偏向電磁石１０２が第一の偏向部１２１に備えられているが、他の例では、３つ以上の偏向電磁石１０２が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
図１～図３に示す例では、短い直線部を構成する１つの発散用四極電磁石１０３が第一の偏向部１２１に備えられているが、他の例では、２つ以上の四極電磁石（発散用でなくてもよい）が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
更に他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
図１および図３に示すように、３つ目の偏向電磁石１０２と、２つ目の発散用四極電磁石１０３と、４つ目の偏向電磁石１０２とは、第一の偏向部１２１に備えられている。
図１～図３に示す例では、２つの偏向電磁石１０２が第一の偏向部１２１に備えられているが、他の例では、３つ以上の偏向電磁石１０２が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
図１～図３に示す例では、短い直線部を構成する１つの発散用四極電磁石１０３が第一の偏向部１２１に備えられているが、他の例では、２つ以上の四極電磁石（発散用でなくてもよい）が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
更に他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
【0034】
図１～図３に示す例では、４つ目の偏向電磁石１０２が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。２つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された高周波加速空洞１０６に接続されている。
図１および図３に示すように、２つ目の収束用四極電磁石１０４と、１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６とは、第二の直線部１１２に備えられている。第二の直線部１１２は、偏向電磁石１０２を有さない。
図１～図３に示す例では、２つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向における第二の直線部１１２の略中央に配置されているため、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１と出射ビーム１３２とを合わせたビーム通過領域を縮小することができ、第二の偏向部１２２の偏向電磁石１０２に必要な磁場生成領域を最小化することができる。
他の例では、２つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向における第二の直線部１１２の略中央に配置されていなくてもよい。更に他の例では、２つ目の収束用四極電磁石１０４が第二の直線部１１２に設けられていなくてもよい。
図１および図３に示すように、２つ目の収束用四極電磁石１０４と、１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６とは、第二の直線部１１２に備えられている。第二の直線部１１２は、偏向電磁石１０２を有さない。
図１～図３に示す例では、２つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向における第二の直線部１１２の略中央に配置されているため、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１と出射ビーム１３２とを合わせたビーム通過領域を縮小することができ、第二の偏向部１２２の偏向電磁石１０２に必要な磁場生成領域を最小化することができる。
他の例では、２つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向における第二の直線部１１２の略中央に配置されていなくてもよい。更に他の例では、２つ目の収束用四極電磁石１０４が第二の直線部１１２に設けられていなくてもよい。
【0035】
図１～図３に示す例では、高周波加速空洞１０６が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された５つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。５つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の発散用四極電磁石１０３に接続されている。３つ目の発散用四極電磁石１０３は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された６つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
図１および図３に示すように、５つ目の偏向電磁石１０２と、３つ目の発散用四極電磁石１０３と、６つ目の偏向電磁石１０２とは、第二の偏向部１２２に備えられている。
図１～図３に示す例では、２つの偏向電磁石１０２が第二の偏向部１２２に備えられているが、他の例では、３つ以上の偏向電磁石１０２が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
図１～図３に示す例では、短い直線部を構成する１つの発散用四極電磁石１０３が第二の偏向部１２２に備えられているが、他の例では、２つ以上の四極電磁石（発散用でなくてもよい）が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
更に他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
図１および図３に示すように、５つ目の偏向電磁石１０２と、３つ目の発散用四極電磁石１０３と、６つ目の偏向電磁石１０２とは、第二の偏向部１２２に備えられている。
図１～図３に示す例では、２つの偏向電磁石１０２が第二の偏向部１２２に備えられているが、他の例では、３つ以上の偏向電磁石１０２が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
図１～図３に示す例では、短い直線部を構成する１つの発散用四極電磁石１０３が第二の偏向部１２２に備えられているが、他の例では、２つ以上の四極電磁石（発散用でなくてもよい）が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
更に他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
【0036】
図１～図３に示す例では、６つ目の偏向電磁石１０２が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された後段の出射用偏向器１０９に接続されている。
後段の出射用偏向器１０９は、前段の出射用偏向器１０８によって周回ビーム１３１から分離された出射ビーム１３２を、周回ビーム１３１の周回軌道の外側（図３のＸ軸の正側）に向けて偏向する。
図３に示すように、後段の出射用偏向器１０９によって、出射ビーム１３２は、周回ビーム１３１の周回軌道（図３のハッチング部分）の外側（図３の上側）に向けて偏向される。
図１および図３に示すように、３つ目の収束用四極電磁石１０４と、後段の出射用偏向器１０９とは、第三の直線部１１３に備えられている。３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第三の直線部１１３の略中央に配置されている。第三の直線部１１３は、偏向電磁石１０２を有さない。
図１～図３に示す例では、出射ビーム１３２をＸ軸方向に偏向するセプタム電磁石が後段の出射用偏向器１０９において用いられているが、他の例では、後段の出射用偏向器１０９において、出射ビーム１３２をＹ軸方向に偏向するランバートソン型電磁石が用いられてもよい。
後段の出射用偏向器１０９は、前段の出射用偏向器１０８によって周回ビーム１３１から分離された出射ビーム１３２を、周回ビーム１３１の周回軌道の外側（図３のＸ軸の正側）に向けて偏向する。
図３に示すように、後段の出射用偏向器１０９によって、出射ビーム１３２は、周回ビーム１３１の周回軌道（図３のハッチング部分）の外側（図３の上側）に向けて偏向される。
図１および図３に示すように、３つ目の収束用四極電磁石１０４と、後段の出射用偏向器１０９とは、第三の直線部１１３に備えられている。３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第三の直線部１１３の略中央に配置されている。第三の直線部１１３は、偏向電磁石１０２を有さない。
図１～図３に示す例では、出射ビーム１３２をＸ軸方向に偏向するセプタム電磁石が後段の出射用偏向器１０９において用いられているが、他の例では、後段の出射用偏向器１０９において、出射ビーム１３２をＹ軸方向に偏向するランバートソン型電磁石が用いられてもよい。
【0037】
図１～図３に示す例では、３つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された７つ目の偏向電磁石１０２にも接続されている。７つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の発散用四極電磁石１０３に接続されている。４つ目の発散用四極電磁石１０３は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された８つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
８つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された高周波キッカー装置１０７に接続されている。高周波キッカー装置１０７は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。４つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された入射用偏向器１０１に接続されている。
８つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された高周波キッカー装置１０７に接続されている。高周波キッカー装置１０７は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。４つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された入射用偏向器１０１に接続されている。
【0038】
図１～図３に示す例では、シンクロトロン１００が、第一の直線部１１１と、第一の偏向部１２１と、第二の直線部１１２と、第二の偏向部１２２と、第三の直線部１１３とを備えている。第二の直線部１１２は、第一の直線部１１１よりも周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置され、第三の直線部１１３は、第二の直線部１１２よりも周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置されている。第一の偏向部１２１は、第一の直線部１１１と第二の直線部１１２とを接続し、第二の偏向部１２２は、第二の直線部１１２と第三の直線部１１３とを接続している。
図１に示すように、第一の直線部１１１と第三の直線部１１３とは、周回ビーム１３１の周回軌道上における互いに対向する位置に配置されている。これにより、第一の直線部１１１と第三の直線部１１３とを延長する場合に対称性を保つことができる。
また、第一の直線部１１１と第三の直線部１１３とは、互いに平行に延びている。これにより、最低限の対称性を保つことができる。
８つの偏向電磁石１０２のそれぞれは、電源１５０を介して制御部１４０によって制御される。４つの収束用四極電磁石１０４のそれぞれは、電源１５０を介して制御部１４０によって制御される。４つの発散用四極電磁石１０３のそれぞれは、電源１５０を介して制御部１４０によって制御される。前段の出射用偏向器１０８は、電源１５０を介して制御部１４０によって制御される。図２には示していないが、後段の出射用偏向器１０９も電源１５０を介して制御部１４０によって制御される。
図１に示すように、第一の直線部１１１と第三の直線部１１３とは、周回ビーム１３１の周回軌道上における互いに対向する位置に配置されている。これにより、第一の直線部１１１と第三の直線部１１３とを延長する場合に対称性を保つことができる。
また、第一の直線部１１１と第三の直線部１１３とは、互いに平行に延びている。これにより、最低限の対称性を保つことができる。
８つの偏向電磁石１０２のそれぞれは、電源１５０を介して制御部１４０によって制御される。４つの収束用四極電磁石１０４のそれぞれは、電源１５０を介して制御部１４０によって制御される。４つの発散用四極電磁石１０３のそれぞれは、電源１５０を介して制御部１４０によって制御される。前段の出射用偏向器１０８は、電源１５０を介して制御部１４０によって制御される。図２には示していないが、後段の出射用偏向器１０９も電源１５０を介して制御部１４０によって制御される。
【0039】
周回ビーム１３１の水平方向の広がり（つまり、図３のＸ軸とＳ軸とを含む平面内の広がり）σＸ（ｓ）は、下記式（１）によって表される。式（１）において、βはベータトロン振幅関数であり、εはビームエミッタンスであり、Ｄは運動量分散関数であり、△ｐ／ｐはビームの運動量拡がりを示している。
【0040】
【数1】
【0041】
ベータトロン振動の位相進度△μＸ［ｒａｄ］は、下記式（２）によって表される。式（２）において、Ｓ１は周回ビーム１３１の進行方向（Ｓ軸方向）における前段の出射用偏向器１０８の入口の位置を示しており、Ｓ２は周回ビーム１３１の進行方向（Ｓ軸方向）における後段の出射用偏向器１０９の入口の位置を示している。
【0042】
【数2】
【0043】
図４は第１実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００において設定されている出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度の一例を示す図である。図４において、縦軸はベータトロン振動の位相進度△μＸ［ｒａｄ］を示しており、横軸は周回ビーム１３１の進行方向（Ｓ軸方向）の位置Ｓを示している。
図４に示すように、第１実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００では、出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度（詳細には、前段の出射用偏向器１０８の偏向方向（図３のＸ軸方向）に等しい運動軸方向における出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度）が、前段の出射用偏向器１０８から後段の出射用偏向器１０９までの区間で２７０±４５度となるように設定されている。
具体的には、制御部１４０は、出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度が、前段の出射用偏向器１０８から後段の出射用偏向器１０９までの区間で２７０±４５度となるように、発散用四極電磁石１０３と収束用四極電磁石１０４とを制御する。次いで（あるいは同時に）、制御部１４０は、図３に示すように、出射ビーム１３２が、第一の偏向部１２１における周回ビーム１３１の通過領域（図３のハッチング部分）の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域を通過するか、あるいは、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第三の直線部１１３における周回ビーム１３１の通過領域から離れた位置を通過するように、前段の出射用偏向器１０８を制御する。
図４に示すように、第１実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００では、出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度（詳細には、前段の出射用偏向器１０８の偏向方向（図３のＸ軸方向）に等しい運動軸方向における出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度）が、前段の出射用偏向器１０８から後段の出射用偏向器１０９までの区間で２７０±４５度となるように設定されている。
具体的には、制御部１４０は、出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度が、前段の出射用偏向器１０８から後段の出射用偏向器１０９までの区間で２７０±４５度となるように、発散用四極電磁石１０３と収束用四極電磁石１０４とを制御する。次いで（あるいは同時に）、制御部１４０は、図３に示すように、出射ビーム１３２が、第一の偏向部１２１における周回ビーム１３１の通過領域（図３のハッチング部分）の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域を通過するか、あるいは、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第三の直線部１１３における周回ビーム１３１の通過領域から離れた位置を通過するように、前段の出射用偏向器１０８を制御する。
【0044】
詳細には、制御部１４０は、出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度が、前段の出射用偏向器１０８から後段の出射用偏向器１０９までの区間で２７０±４５度となるように、発散用四極電磁石１０３の励磁量と収束用四極電磁石１０４の励磁量とを電源１５０を介して調整する。
それと並行して、制御部１４０は、図３に示すように、出射ビーム１３２が、第一の偏向部１２１における周回ビーム１３１の通過領域（図３のハッチング部分）の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域を通過するか、あるいは、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第三の直線部１１３における周回ビーム１３１の通過領域から離れた位置を通過するように、前段の出射用偏向器１０８の電場強度を電源１５０を介して調整する。
それと並行して、制御部１４０は、図３に示すように、出射ビーム１３２が、第一の偏向部１２１における周回ビーム１３１の通過領域（図３のハッチング部分）の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域を通過するか、あるいは、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第三の直線部１１３における周回ビーム１３１の通過領域から離れた位置を通過するように、前段の出射用偏向器１０８の電場強度を電源１５０を介して調整する。
【0045】
また、第１実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００では、第一の偏向部１２１による荷電粒子ビームの偏向角が６０度以上である。好ましくは、第一の偏向部１２１による荷電粒子ビームの偏向角が９０度以上である。そのため、強い収束要素として偏向電磁石１０２を働かせることができる。更に、第１実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００では、第一の偏向部１２１と第二の偏向部１２２とによる荷電粒子ビームの合計の偏向角が１８０度である。
図１～図４に示す例では、前段の出射用偏向器１０８において、周回ビーム１３１の一部が、周回ビーム１３１の周回軌道（図３のハッチング部分）の内側（周回ビーム１３１の周回軌道よりも図３のＸ軸の負側）に向けて偏向され、出射ビーム１３２に分離される。
他の例では、前段の出射用偏向器１０８において、周回ビーム１３１の一部が、周回ビーム１３１の周回軌道（図３のハッチング部分）の外側（周回ビーム１３１の周回軌道よりも図３のＸ軸の正側）に向けて偏向され、出射ビーム１３２に分離されてもよい。この例では、後段の出射用偏向器１０９において、前段の出射用偏向器１０８によって周回ビーム１３１から分離された出射ビーム１３２が、周回ビーム１３１の周回軌道の内側（図３のＸ軸の負側）に向けて偏向される。
図１～図４に示す例では、前段の出射用偏向器１０８において、周回ビーム１３１の一部が、周回ビーム１３１の周回軌道（図３のハッチング部分）の内側（周回ビーム１３１の周回軌道よりも図３のＸ軸の負側）に向けて偏向され、出射ビーム１３２に分離される。
他の例では、前段の出射用偏向器１０８において、周回ビーム１３１の一部が、周回ビーム１３１の周回軌道（図３のハッチング部分）の外側（周回ビーム１３１の周回軌道よりも図３のＸ軸の正側）に向けて偏向され、出射ビーム１３２に分離されてもよい。この例では、後段の出射用偏向器１０９において、前段の出射用偏向器１０８によって周回ビーム１３１から分離された出射ビーム１３２が、周回ビーム１３１の周回軌道の内側（図３のＸ軸の負側）に向けて偏向される。
【0046】
第１実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００では、図１に示すように、後段の出射用偏向器１０９が第三の直線部１１３に配置されているため、偏向部１２１、１２２の偏向電磁石１０２の磁場生成領域の大きな拡幅を必要とすることなく、図３に示す出射ビーム１３２の軌道を実現すると共に、偏向電磁石１０２を小型化することができる。
また、第１実施形態のシンクロトロン１００では、出射ビーム１３２は、ビーム損失を極力減らすように薄いセプタム電極１０８ａで構成された静電型装置である前段の出射用偏向器１０８によって、周回ビーム１３１と分離するように曲げられ、第一の偏向部１２１に入る。第一の偏向部１２１において、出射ビーム１３２の軌道は、図１０に示す従来例のように周回ビーム１３１の通過領域（図３および図１０のハッチング部分）から大きく逸脱することなく、周回ビーム１３１の通過領域の輪郭に沿うような軌道となる。そのため、出射ビーム１３２のために広げる偏向電磁石１０２の生成磁場領域も最小限の範囲に抑制することができる。
第二の直線部１１２を抜けた後の第二の偏向部１２２における出射ビーム１３２の軌道も同様であり、周回ビーム１３１の通過領域の輪郭に沿うような軌道となる。
また、第１実施形態のシンクロトロン１００では、出射ビーム１３２は、ビーム損失を極力減らすように薄いセプタム電極１０８ａで構成された静電型装置である前段の出射用偏向器１０８によって、周回ビーム１３１と分離するように曲げられ、第一の偏向部１２１に入る。第一の偏向部１２１において、出射ビーム１３２の軌道は、図１０に示す従来例のように周回ビーム１３１の通過領域（図３および図１０のハッチング部分）から大きく逸脱することなく、周回ビーム１３１の通過領域の輪郭に沿うような軌道となる。そのため、出射ビーム１３２のために広げる偏向電磁石１０２の生成磁場領域も最小限の範囲に抑制することができる。
第二の直線部１１２を抜けた後の第二の偏向部１２２における出射ビーム１３２の軌道も同様であり、周回ビーム１３１の通過領域の輪郭に沿うような軌道となる。
【0047】
第１実施形態のシンクロトロン１００の各例では、前段の出射用偏向器１０８から後段の出射用偏向器１０９までの出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度が２７０±４５度となるように、発散用四極電磁石１０３ないしは収束用四極電磁石１０４またはそれらの両方の励磁量が調整されている。そのため、第１実施形態のシンクロトロン１００の各例では、第三の直線部１１３において出射ビーム１３２が、周回ビーム１３１から大きく分離され、セプタム電磁石である後段の出射用偏向器１０９によって損失なくシンクロトロン１００の外に取り出される。
第１実施形態のシンクロトロン１００では、偏向部１２１、１２２を通過する出射ビーム１３２が、偏向電磁石１０２の中心から離れた位置をさほど長くは通過しないため、図１１（Ｂ）に示す従来例のように偏向電磁石１０２の非線形磁場成分による影響を強く受けることもない。そのため、第１実施形態のシンクロトロン１００から取り出され、照射野形成装置を含む照射装置３０１から照射対象に照射される照射ビーム３０２は、図１１（Ａ）に示す例のように理想的な二次元断面分布３０２ａに近い形状になり、高い線量精度を維持することができる。
第１実施形態のシンクロトロン１００では、偏向部１２１、１２２を通過する出射ビーム１３２が、偏向電磁石１０２の中心から離れた位置をさほど長くは通過しないため、図１１（Ｂ）に示す従来例のように偏向電磁石１０２の非線形磁場成分による影響を強く受けることもない。そのため、第１実施形態のシンクロトロン１００から取り出され、照射野形成装置を含む照射装置３０１から照射対象に照射される照射ビーム３０２は、図１１（Ａ）に示す例のように理想的な二次元断面分布３０２ａに近い形状になり、高い線量精度を維持することができる。
【0048】
上述したように、第１実施形態のシンクロトロン１００では、出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相と出射機器配置が最適化されるため、周回ビーム１３１の通過領域と同程度の磁場生成領域で損失なく輸送できる出射ビーム１３２の軌道を実現することができ、偏向電磁石１０２に求められる磁場生成領域を大幅に縮小することができ、偏向電磁石１０２にかかわるコスト全般を低減することができる。
また、第１実施形態のシンクロトロン１００では、図３に示すように、出射ビーム１３２が、第一の偏向部１２１において周回ビーム１３１の通過領域（図３のハッチング部分）から大きく逸れない軌道をとり、第二の直線部１１２において周回ビーム１３１の中心軌道（図３のハッチング部分）を斜めに横断するような軌道をとり、第二の偏向部１２２において周回ビーム１３１の通過領域（図３のハッチング部分）から大きく逸れない軌道をとる。また、後段の出射用偏向器１０９が配置された第三の直線部１１３において、周回ビーム１３１と出射ビーム１３２とが大きく分離される。そのため、第１実施形態のシンクロトロン１００では、偏向部１２１、１２２の偏向電磁石１０２の磁場生成領域を大きく広げることなく、損失なく出射ビーム１３２をシンクロトロン１００から取り出すことができる。
また、第１実施形態のシンクロトロン１００では、図３に示すように、出射ビーム１３２が、第一の偏向部１２１において周回ビーム１３１の通過領域（図３のハッチング部分）から大きく逸れない軌道をとり、第二の直線部１１２において周回ビーム１３１の中心軌道（図３のハッチング部分）を斜めに横断するような軌道をとり、第二の偏向部１２２において周回ビーム１３１の通過領域（図３のハッチング部分）から大きく逸れない軌道をとる。また、後段の出射用偏向器１０９が配置された第三の直線部１１３において、周回ビーム１３１と出射ビーム１３２とが大きく分離される。そのため、第１実施形態のシンクロトロン１００では、偏向部１２１、１２２の偏向電磁石１０２の磁場生成領域を大きく広げることなく、損失なく出射ビーム１３２をシンクロトロン１００から取り出すことができる。
【0049】
換言すれば、第１実施形態のシンクロトロン１００では、偏向部１２１、１２２の偏向電磁石１０２の磁場生成領域を大きく拡幅することなく、シンクロトロン１００の小型化を実現することができる。特に、超伝導電磁石を偏向電磁石１０２に用いる場合における偏向電磁石１０２の製作難度、製作コスト、運転コストを抑制することができる。
【0050】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第２実施形態について説明する。
第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第２実施形態について説明する。
第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
【0051】
図５は第２実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００の一例を示す図である。
図５に示す例では、シンクロトロン１００が、入射器２０１（図１参照）の線形加速器から供給される荷電粒子ビームを周回ビーム１３１として周回させながら加速し、周回ビーム１３１の一部を出射ビーム１３２として出射する。シンクロトロン１００は、例えば、入射用偏向器１０１と、８つの偏向電磁石１０２と、４つの発散用四極電磁石１０３と、４つの収束用四極電磁石１０４と、２つの共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６と、高周波キッカー装置１０７と、２つの前段の出射用偏向器１０８と、２つの後段の出射用偏向器１０９と、制御部１４０（図２参照）と、複数の電源１５０（図２参照）とを備えている。
図５に示す例では、シンクロトロン１００が、入射器２０１（図１参照）の線形加速器から供給される荷電粒子ビームを周回ビーム１３１として周回させながら加速し、周回ビーム１３１の一部を出射ビーム１３２として出射する。シンクロトロン１００は、例えば、入射用偏向器１０１と、８つの偏向電磁石１０２と、４つの発散用四極電磁石１０３と、４つの収束用四極電磁石１０４と、２つの共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６と、高周波キッカー装置１０７と、２つの前段の出射用偏向器１０８と、２つの後段の出射用偏向器１０９と、制御部１４０（図２参照）と、複数の電源１５０（図２参照）とを備えている。
【0052】
つまり、図５に示す例では、図１に示す例と比較して、前段の出射用偏向器１０８および後段の出射用偏向器１０９が１台ずつ増やされている。
高エネルギーに加速された荷電粒子ビームを曲げるためには高強度の電磁場が必要となるが、真空の放電限界や鉄心の磁束飽和などがあるため、それらを超えて強度を上げることは現実的に難しい。そうした場合には出射用偏向器の機器長を延ばすことで実効的な偏向角を大きくすることが一般的ではあるが、前後に他の機器が近接していると、そのままでは機器長をそれ以上延ばすことができない。直線部１１１、１１３自体を延長し、機器長を延ばすためのスペースを作ることも考えられるが、シンクロトロン１００の小型化を目指す上では望ましくない。そういった条件においても、図５に示す例では、前段の出射用偏向器１０８および後段の出射用偏向器１０９のそれぞれを他の機器（収束用四極電磁石１０４）をまたいだ２台の構成とすることで、直線部１１１、１１３を延長することなく、出射ビーム１３２に対する偏向角を大きくすることができる。
高エネルギーに加速された荷電粒子ビームを曲げるためには高強度の電磁場が必要となるが、真空の放電限界や鉄心の磁束飽和などがあるため、それらを超えて強度を上げることは現実的に難しい。そうした場合には出射用偏向器の機器長を延ばすことで実効的な偏向角を大きくすることが一般的ではあるが、前後に他の機器が近接していると、そのままでは機器長をそれ以上延ばすことができない。直線部１１１、１１３自体を延長し、機器長を延ばすためのスペースを作ることも考えられるが、シンクロトロン１００の小型化を目指す上では望ましくない。そういった条件においても、図５に示す例では、前段の出射用偏向器１０８および後段の出射用偏向器１０９のそれぞれを他の機器（収束用四極電磁石１０４）をまたいだ２台の構成とすることで、直線部１１１、１１３を延長することなく、出射ビーム１３２に対する偏向角を大きくすることができる。
【0053】
図５に示す例では、入射用偏向器１０１が、図１に示す入射用偏向器１０１と同様の機能を有する。入射用偏向器１０１は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
偏向電磁石１０２は、図１に示す偏向電磁石１０２と同様の機能を有する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の発散用四極電磁石１０３に接続されている。
発散用四極電磁石１０３は、図１に示す発散用四極電磁石１０３と同様の機能を有する。１つ目の発散用四極電磁石１０３は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。２つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
２つの前段の出射用偏向器１０８のそれぞれは、図１に示す前段の出射用偏向器１０８と同様の機能を有する。１つ目の前段の出射用偏向器１０８は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、図１に示す収束用四極電磁石１０４と同様の機能を有する。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
図５に示すように、１つ目の前段の出射用偏向器１０８と、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の前段の出射用偏向器１０８が、第一の直線部１１１に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の前段の出射用偏向器１０８および２つ目の前段の出射用偏向器１０８のいずれか一方が、第一の直線部１１１に備えられていなくてもよい。
偏向電磁石１０２は、図１に示す偏向電磁石１０２と同様の機能を有する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の発散用四極電磁石１０３に接続されている。
発散用四極電磁石１０３は、図１に示す発散用四極電磁石１０３と同様の機能を有する。１つ目の発散用四極電磁石１０３は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。２つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
２つの前段の出射用偏向器１０８のそれぞれは、図１に示す前段の出射用偏向器１０８と同様の機能を有する。１つ目の前段の出射用偏向器１０８は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、図１に示す収束用四極電磁石１０４と同様の機能を有する。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
図５に示すように、１つ目の前段の出射用偏向器１０８と、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の前段の出射用偏向器１０８が、第一の直線部１１１に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の前段の出射用偏向器１０８および２つ目の前段の出射用偏向器１０８のいずれか一方が、第一の直線部１１１に備えられていなくてもよい。
【0054】
図５に示す例では、２つ目の前段の出射用偏向器１０８が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。３つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の発散用四極電磁石１０３に接続されている。２つ目の発散用四極電磁石１０３は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
図５に示すように、３つ目の偏向電磁石１０２と、２つ目の発散用四極電磁石１０３と、４つ目の偏向電磁石１０２とは、第一の偏向部１２１に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
図５に示すように、３つ目の偏向電磁石１０２と、２つ目の発散用四極電磁石１０３と、４つ目の偏向電磁石１０２とは、第一の偏向部１２１に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
【0055】
図５に示す例では、４つ目の偏向電磁石１０２が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。２つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された高周波加速空洞１０６に接続されている。
図５に示すように、２つ目の収束用四極電磁石１０４と、１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６とは、第二の直線部１１２に備えられている。第二の直線部１１２は、偏向電磁石１０２を有さない。
図５に示すように、２つ目の収束用四極電磁石１０４と、１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６とは、第二の直線部１１２に備えられている。第二の直線部１１２は、偏向電磁石１０２を有さない。
【0056】
図５に示す例では、高周波加速空洞１０６が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された５つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。５つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の発散用四極電磁石１０３に接続されている。３つ目の発散用四極電磁石１０３は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された６つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
図５に示すように、５つ目の偏向電磁石１０２と、３つ目の発散用四極電磁石１０３と、６つ目の偏向電磁石１０２とは、第二の偏向部１２２に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
図５に示すように、５つ目の偏向電磁石１０２と、３つ目の発散用四極電磁石１０３と、６つ目の偏向電磁石１０２とは、第二の偏向部１２２に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
【0057】
図５に示す例では、６つ目の偏向電磁石１０２が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の後段の出射用偏向器１０９に接続されている。
２つの後段の出射用偏向器１０９のそれぞれは、図１に示す後段の出射用偏向器１０９と同様の機能を有する。１つ目の後段の出射用偏向器１０９は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の後段の出射用偏向器１０９に接続されている。
図５に示すように、１つ目の後段の出射用偏向器１０９と、３つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の後段の出射用偏向器１０９とは、第三の直線部１１３に備えられている。３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第三の直線部１１３の略中央に配置されている。第三の直線部１１３は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の後段の出射用偏向器１０９が、第三の直線部１１３に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の後段の出射用偏向器１０９および２つ目の後段の出射用偏向器１０９のいずれか一方が、第三の直線部１１３に備えられていなくてもよい。
２つの後段の出射用偏向器１０９のそれぞれは、図１に示す後段の出射用偏向器１０９と同様の機能を有する。１つ目の後段の出射用偏向器１０９は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の後段の出射用偏向器１０９に接続されている。
図５に示すように、１つ目の後段の出射用偏向器１０９と、３つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の後段の出射用偏向器１０９とは、第三の直線部１１３に備えられている。３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第三の直線部１１３の略中央に配置されている。第三の直線部１１３は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の後段の出射用偏向器１０９が、第三の直線部１１３に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の後段の出射用偏向器１０９および２つ目の後段の出射用偏向器１０９のいずれか一方が、第三の直線部１１３に備えられていなくてもよい。
【0058】
図５に示す例では、３つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された７つ目の偏向電磁石１０２にも接続されている。７つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の発散用四極電磁石１０３に接続されている。４つ目の発散用四極電磁石１０３は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された８つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
８つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された高周波キッカー装置１０７に接続されている。高周波キッカー装置１０７は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。４つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された入射用偏向器１０１に接続されている。
８つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された高周波キッカー装置１０７に接続されている。高周波キッカー装置１０７は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。４つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された入射用偏向器１０１に接続されている。
【0059】
図１４は第２実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係を示す図である。図１４において、Ｓ軸方向は周回ビーム１３１の進行方向を示している。Ｓ軸に直交する平面に含まれるＸ軸は、偏向電磁石１０２の偏向方向、前段の出射用偏向器１０８の偏向方向および後段の出射用偏向器１０９の偏向方向に対応している。
第２実施形態のシンクロトロン１００では、図１４に示すように、１つ目の収束用四極電磁石１０４によって周回ビーム１３１が収束させられる前に、１つ目の前段の出射用偏向器１０８のセプタム電極１０８ａによって、周回ビーム１３１の一部が、周回ビーム１３１の周回軌道（図１４のハッチング部分）の内側（周回ビーム１３１の周回軌道よりも図１４の下側）に向けて偏向され、出射ビーム１３２に分離される。
第２実施形態のシンクロトロン１００では、図１４に示すように、１つ目の収束用四極電磁石１０４によって周回ビーム１３１が収束させられる前に、１つ目の前段の出射用偏向器１０８のセプタム電極１０８ａによって、周回ビーム１３１の一部が、周回ビーム１３１の周回軌道（図１４のハッチング部分）の内側（周回ビーム１３１の周回軌道よりも図１４の下側）に向けて偏向され、出射ビーム１３２に分離される。
【0060】
＜第３実施形態＞
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第３実施形態について説明する。
第３実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第３実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第３実施形態について説明する。
第３実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第３実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
【0061】
図６は第３実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００の一例を示す図である。
上述した図１および図５に示す例では、第一の直線部１１１の長さと、第二の直線部１１２の長さと、第三の直線部１１３の長さとが等しい。
前段の出射用偏向器１０８および後段の出射用偏向器１０９の偏向角を図１および図５に示す例より増やす必要がある場合には、図６に示す例のようにシンクロトロン１００が構成される。
具体的には、図６に示す例では、第一の直線部１１１の長さと第三の直線部１１３の長さとが等しく、第一の直線部１１１および第三の直線部１１３は、第二の直線部１１２よりも長い。図６に示す例のように、第二の直線部１１２が延長されることなく、前段の出射用偏向器１０８が配置される第一の直線部１１１と、後段の出射用偏向器１０９が配置される第三の直線部１１３とが延長されることによって、シンクロトロン１００に必要な最低限の機器配置対称性を保ちつつ、できる限りシンクロトロン１００の周長を短くすることができる。
第３実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係は、図１４に示す関係と同様の関係になる。
上述した図１および図５に示す例では、第一の直線部１１１の長さと、第二の直線部１１２の長さと、第三の直線部１１３の長さとが等しい。
前段の出射用偏向器１０８および後段の出射用偏向器１０９の偏向角を図１および図５に示す例より増やす必要がある場合には、図６に示す例のようにシンクロトロン１００が構成される。
具体的には、図６に示す例では、第一の直線部１１１の長さと第三の直線部１１３の長さとが等しく、第一の直線部１１１および第三の直線部１１３は、第二の直線部１１２よりも長い。図６に示す例のように、第二の直線部１１２が延長されることなく、前段の出射用偏向器１０８が配置される第一の直線部１１１と、後段の出射用偏向器１０９が配置される第三の直線部１１３とが延長されることによって、シンクロトロン１００に必要な最低限の機器配置対称性を保ちつつ、できる限りシンクロトロン１００の周長を短くすることができる。
第３実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係は、図１４に示す関係と同様の関係になる。
【0062】
＜第４実施形態＞
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第４実施形態について説明する。
第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第４実施形態について説明する。
第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第２実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
【0063】
図７は第４実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００の一例を示す図である。
図７に示す例では、シンクロトロン１００が、入射器２０１（図１参照）の線形加速器から供給される荷電粒子ビームを周回ビーム１３１として周回させながら加速し、周回ビーム１３１の一部を出射ビーム１３２として出射する。シンクロトロン１００は、例えば、入射用偏向器１０１と、８つの偏向電磁石１０２と、４つの収束用四極電磁石１０４と、２つの共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６と、高周波キッカー装置１０７と、２つの前段の出射用偏向器１０８と、２つの後段の出射用偏向器１０９と、制御部１４０（図２参照）と、複数の電源１５０（図２参照）とを備えている。
図７に示す例では、シンクロトロン１００が、入射器２０１（図１参照）の線形加速器から供給される荷電粒子ビームを周回ビーム１３１として周回させながら加速し、周回ビーム１３１の一部を出射ビーム１３２として出射する。シンクロトロン１００は、例えば、入射用偏向器１０１と、８つの偏向電磁石１０２と、４つの収束用四極電磁石１０４と、２つの共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６と、高周波キッカー装置１０７と、２つの前段の出射用偏向器１０８と、２つの後段の出射用偏向器１０９と、制御部１４０（図２参照）と、複数の電源１５０（図２参照）とを備えている。
【0064】
【0065】
図７に示す例では、入射用偏向器１０１が、図１に示す入射用偏向器１０１と同様の機能を有する。入射用偏向器１０１は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
偏向電磁石１０２は、図１に示す偏向電磁石１０２と同様の機能を有する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。２つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
２つの前段の出射用偏向器１０８のそれぞれは、図１に示す前段の出射用偏向器１０８と同様の機能を有する。１つ目の前段の出射用偏向器１０８は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、図１に示す収束用四極電磁石１０４と同様の機能を有する。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
図７に示すように、１つ目の前段の出射用偏向器１０８と、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の前段の出射用偏向器１０８が、第一の直線部１１１に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の前段の出射用偏向器１０８および２つ目の前段の出射用偏向器１０８のいずれか一方が、第一の直線部１１１に備えられていなくてもよい。
偏向電磁石１０２は、図１に示す偏向電磁石１０２と同様の機能を有する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。２つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
２つの前段の出射用偏向器１０８のそれぞれは、図１に示す前段の出射用偏向器１０８と同様の機能を有する。１つ目の前段の出射用偏向器１０８は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、図１に示す収束用四極電磁石１０４と同様の機能を有する。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
図７に示すように、１つ目の前段の出射用偏向器１０８と、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の前段の出射用偏向器１０８が、第一の直線部１１１に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の前段の出射用偏向器１０８および２つ目の前段の出射用偏向器１０８のいずれか一方が、第一の直線部１１１に備えられていなくてもよい。
【0066】
図７に示す例では、２つ目の前段の出射用偏向器１０８が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。３つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
図７に示すように、３つ目の偏向電磁石１０２と、４つ目の偏向電磁石１０２とは、第一の偏向部１２１に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
図７に示すように、３つ目の偏向電磁石１０２と、４つ目の偏向電磁石１０２とは、第一の偏向部１２１に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
【0067】
図７に示す例では、４つ目の偏向電磁石１０２が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。２つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された高周波加速空洞１０６に接続されている。
図７に示すように、２つ目の収束用四極電磁石１０４と、１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６とは、第二の直線部１１２に備えられている。第二の直線部１１２は、偏向電磁石１０２を有さない。
図７に示すように、２つ目の収束用四極電磁石１０４と、１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６とは、第二の直線部１１２に備えられている。第二の直線部１１２は、偏向電磁石１０２を有さない。
【0068】
図７に示す例では、高周波加速空洞１０６が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された５つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。５つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された６つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
図７に示すように、５つ目の偏向電磁石１０２と、６つ目の偏向電磁石１０２とは、第二の偏向部１２２に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
図７に示すように、５つ目の偏向電磁石１０２と、６つ目の偏向電磁石１０２とは、第二の偏向部１２２に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
【0069】
図７に示す例では、６つ目の偏向電磁石１０２が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の後段の出射用偏向器１０９に接続されている。
２つの後段の出射用偏向器１０９のそれぞれは、図１に示す後段の出射用偏向器１０９と同様の機能を有する。１つ目の後段の出射用偏向器１０９は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の後段の出射用偏向器１０９に接続されている。
図７に示すように、１つ目の後段の出射用偏向器１０９と、３つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の後段の出射用偏向器１０９とは、第三の直線部１１３に備えられている。３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第三の直線部１１３の略中央に配置されている。第三の直線部１１３は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の後段の出射用偏向器１０９が、第三の直線部１１３に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の後段の出射用偏向器１０９および２つ目の後段の出射用偏向器１０９のいずれか一方が、第三の直線部１１３に備えられていなくてもよい。
２つの後段の出射用偏向器１０９のそれぞれは、図１に示す後段の出射用偏向器１０９と同様の機能を有する。１つ目の後段の出射用偏向器１０９は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の後段の出射用偏向器１０９に接続されている。
図７に示すように、１つ目の後段の出射用偏向器１０９と、３つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の後段の出射用偏向器１０９とは、第三の直線部１１３に備えられている。３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第三の直線部１１３の略中央に配置されている。第三の直線部１１３は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の後段の出射用偏向器１０９が、第三の直線部１１３に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の後段の出射用偏向器１０９および２つ目の後段の出射用偏向器１０９のいずれか一方が、第三の直線部１１３に備えられていなくてもよい。
【0070】
図７に示す例では、３つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された７つ目の偏向電磁石１０２にも接続されている。７つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された８つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
８つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された高周波キッカー装置１０７に接続されている。高周波キッカー装置１０７は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。４つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された入射用偏向器１０１に接続されている。
８つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された高周波キッカー装置１０７に接続されている。高周波キッカー装置１０７は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。４つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された入射用偏向器１０１に接続されている。
【0071】
図７に示す例では、制御部１４０は、出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度が、前段の出射用偏向器１０８から後段の出射用偏向器１０９までの区間で２７０±４５度となるように、第一の直線部１１１の四極電磁石１０４と、第二の直線部１１２の四極電磁石１０４と、第三の直線部１１３の四極電磁石１０４とを調整する。
詳細には、制御部１４０は、出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度が、前段の出射用偏向器１０８から後段の出射用偏向器１０９までの区間で２７０±４５度となるように、第一の直線部１１１の四極電磁石１０４と、第二の直線部１１２の四極電磁石１０４と、第三の直線部１１３の四極電磁石１０４とを調整する。
それと並行して、制御部１４０は、出射ビーム１３２が、第一の偏向部１２１における周回ビーム１３１の通過領域の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域を通過するか、あるいは、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第三の直線部１１３における周回ビーム１３１の通過領域から離れた位置を通過するように、前段の出射用偏向器１０８の電場強度を調整する。
第４実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係は、図１４に示す関係と同様の関係になる。
詳細には、制御部１４０は、出射ビーム１３２のベータトロン振動の位相進度が、前段の出射用偏向器１０８から後段の出射用偏向器１０９までの区間で２７０±４５度となるように、第一の直線部１１１の四極電磁石１０４と、第二の直線部１１２の四極電磁石１０４と、第三の直線部１１３の四極電磁石１０４とを調整する。
それと並行して、制御部１４０は、出射ビーム１３２が、第一の偏向部１２１における周回ビーム１３１の通過領域の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域を通過するか、あるいは、第二の偏向部１２２における周回ビーム１３１の通過領域の近傍を通過するように、かつ、出射ビーム１３２が、第三の直線部１１３における周回ビーム１３１の通過領域から離れた位置を通過するように、前段の出射用偏向器１０８の電場強度を調整する。
第４実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係は、図１４に示す関係と同様の関係になる。
【0072】
＜第５実施形態＞
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第５実施形態について説明する。
第５実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第５実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第５実施形態について説明する。
第５実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第５実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
【0073】
図８は第５実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００の一例を示す図である。
図８に示す例では、シンクロトロン１００が、入射器２０１（図１参照）の線形加速器から供給される荷電粒子ビームを周回ビーム１３１として周回させながら加速し、周回ビーム１３１の一部を出射ビーム１３２として出射する。シンクロトロン１００は、例えば、入射用偏向器１０１と、４つの偏向電磁石１０２と、４つの収束用四極電磁石１０４と、２つの共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６と、高周波キッカー装置１０７と、２つの前段の出射用偏向器１０８と、２つの後段の出射用偏向器１０９と、制御部１４０（図２参照）と、複数の電源１５０（図２参照）とを備えている。
図８に示す例では、シンクロトロン１００が、入射器２０１（図１参照）の線形加速器から供給される荷電粒子ビームを周回ビーム１３１として周回させながら加速し、周回ビーム１３１の一部を出射ビーム１３２として出射する。シンクロトロン１００は、例えば、入射用偏向器１０１と、４つの偏向電磁石１０２と、４つの収束用四極電磁石１０４と、２つの共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６と、高周波キッカー装置１０７と、２つの前段の出射用偏向器１０８と、２つの後段の出射用偏向器１０９と、制御部１４０（図２参照）と、複数の電源１５０（図２参照）とを備えている。
【0074】
つまり、図８に示す例では、図７に示す例における１つ目の偏向電磁石１０２と２つ目の偏向電磁石１０２とがまとめられて、１つ目の偏向電磁石１０２が構成されている。また、図８に示す例では、図７に示す例における３つ目の偏向電磁石１０２と４つ目の偏向電磁石１０２とがまとめられて２つ目の偏向電磁石１０２が構成され、図７に示す例における５つ目の偏向電磁石１０２と６つ目の偏向電磁石１０２とがまとめられて３つ目の偏向電磁石１０２が構成され、図７に示す例における７つ目の偏向電磁石１０２と８つ目の偏向電磁石１０２とがまとめられて４つ目の偏向電磁石１０２が構成されている。
【0075】
図８に示す例では、入射用偏向器１０１が、図１に示す入射用偏向器１０１と同様の機能を有する。入射用偏向器１０１は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
偏向電磁石１０２は、図１に示す偏向電磁石１０２と同様の機能を有する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
２つの前段の出射用偏向器１０８のそれぞれは、図１に示す前段の出射用偏向器１０８と同様の機能を有する。１つ目の前段の出射用偏向器１０８は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、図１に示す収束用四極電磁石１０４と同様の機能を有する。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
図８に示すように、１つ目の前段の出射用偏向器１０８と、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の前段の出射用偏向器１０８が、第一の直線部１１１に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の前段の出射用偏向器１０８および２つ目の前段の出射用偏向器１０８のいずれか一方が、第一の直線部１１１に備えられていなくてもよい。
偏向電磁石１０２は、図１に示す偏向電磁石１０２と同様の機能を有する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
２つの前段の出射用偏向器１０８のそれぞれは、図１に示す前段の出射用偏向器１０８と同様の機能を有する。１つ目の前段の出射用偏向器１０８は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、図１に示す収束用四極電磁石１０４と同様の機能を有する。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
図８に示すように、１つ目の前段の出射用偏向器１０８と、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の前段の出射用偏向器１０８が、第一の直線部１１１に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の前段の出射用偏向器１０８および２つ目の前段の出射用偏向器１０８のいずれか一方が、第一の直線部１１１に備えられていなくてもよい。
【0076】
図８に示す例では、２つ目の前段の出射用偏向器１０８が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。２つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
図８に示すように、２つ目の偏向電磁石１０２は、第一の偏向部１２１に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
図８に示すように、２つ目の偏向電磁石１０２は、第一の偏向部１２１に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第一の偏向部１２１に備えられていてもよい。
【0077】
図８に示す例では、２つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された高周波加速空洞１０６に接続されている。
図８に示すように、２つ目の収束用四極電磁石１０４と、１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６とは、第二の直線部１１２に備えられている。第二の直線部１１２は、偏向電磁石１０２を有さない。
図８に示すように、２つ目の収束用四極電磁石１０４と、１つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６とは、第二の直線部１１２に備えられている。第二の直線部１１２は、偏向電磁石１０２を有さない。
【0078】
図８に示す例では、高周波加速空洞１０６が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。３つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の後段の出射用偏向器１０９に接続されている。
図８に示すように、３つ目の偏向電磁石１０２は、第二の偏向部１２２に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
図８に示すように、３つ目の偏向電磁石１０２は、第二の偏向部１２２に備えられている。
他の例では、偏向電磁石１０２と四極磁場用コイルとを一体化したものである偏向部用四極磁場生成機構が第二の偏向部１２２に備えられていてもよい。
【0079】
図８に示す例では、２つの後段の出射用偏向器１０９のそれぞれが、図１に示す後段の出射用偏向器１０９と同様の機能を有する。１つ目の後段の出射用偏向器１０９は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の後段の出射用偏向器１０９に接続されている。
図８に示すように、１つ目の後段の出射用偏向器１０９と、３つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の後段の出射用偏向器１０９とは、第三の直線部１１３に備えられている。３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第三の直線部１１３の略中央に配置されている。第三の直線部１１３は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の後段の出射用偏向器１０９が、第三の直線部１１３に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の後段の出射用偏向器１０９および２つ目の後段の出射用偏向器１０９のいずれか一方が、第三の直線部１１３に備えられていなくてもよい。
３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の後段の出射用偏向器１０９に接続されている。
図８に示すように、１つ目の後段の出射用偏向器１０９と、３つ目の収束用四極電磁石１０４と、２つ目の後段の出射用偏向器１０９とは、第三の直線部１１３に備えられている。３つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第三の直線部１１３の略中央に配置されている。第三の直線部１１３は、偏向電磁石１０２を有さない。
他の例では、３つ以上の後段の出射用偏向器１０９が、第三の直線部１１３に備えられていてもよい。更に他の例では、１つ目の後段の出射用偏向器１０９および２つ目の後段の出射用偏向器１０９のいずれか一方が、第三の直線部１１３に備えられていなくてもよい。
【0080】
図８に示す例では、３つ目の収束用四極電磁石１０４が、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の偏向電磁石１０２にも接続されている。４つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された高周波キッカー装置１０７に接続されている。
高周波キッカー装置１０７は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。４つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された入射用偏向器１０１に接続されている。
第５実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係は、図１４に示す関係と同様の関係になる。
高周波キッカー装置１０７は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された４つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。４つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５に接続されている。２つ目の共鳴励起用多極電磁石１０５は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された入射用偏向器１０１に接続されている。
第５実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係は、図１４に示す関係と同様の関係になる。
【0081】
＜第６実施形態＞
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第６実施形態について説明する。
第６実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第６実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第６実施形態について説明する。
第６実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第６実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第４実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
【0082】
図１２は第６実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００の一例を示す図である。
図１２に示す例では、シンクロトロン１００が、入射器２０１（図１参照）の線形加速器から供給される荷電粒子ビームを周回ビーム１３１として周回させながら加速し、周回ビーム１３１の一部を出射ビーム１３２として出射する。シンクロトロン１００は、例えば、入射用偏向器１０１と、８つの偏向電磁石１０２と、４つの収束用四極電磁石１０４と、２つの共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６と、高周波キッカー装置１０７と、１つの前段の出射用偏向器１０８と、２つの後段の出射用偏向器１０９と、制御部１４０（図２参照）と、複数の電源１５０（図２参照）とを備えている。
図１２に示す例では、シンクロトロン１００が、入射器２０１（図１参照）の線形加速器から供給される荷電粒子ビームを周回ビーム１３１として周回させながら加速し、周回ビーム１３１の一部を出射ビーム１３２として出射する。シンクロトロン１００は、例えば、入射用偏向器１０１と、８つの偏向電磁石１０２と、４つの収束用四極電磁石１０４と、２つの共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６と、高周波キッカー装置１０７と、１つの前段の出射用偏向器１０８と、２つの後段の出射用偏向器１０９と、制御部１４０（図２参照）と、複数の電源１５０（図２参照）とを備えている。
【0083】
【0084】
図１２に示す例では、入射用偏向器１０１が、図１に示す入射用偏向器１０１と同様の機能を有する。入射用偏向器１０１は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
偏向電磁石１０２は、図１に示す偏向電磁石１０２と同様の機能を有する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。２つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、図１に示す収束用四極電磁石１０４と同様の機能を有する。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
前段の出射用偏向器１０８は、図１に示す前段の出射用偏向器１０８と同様の機能を有する。前段の出射用偏向器１０８は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
図１２に示すように、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
第６実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係は、図３に示す関係と同様の関係になる。
偏向電磁石１０２は、図１に示す偏向電磁石１０２と同様の機能を有する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。２つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、図１に示す収束用四極電磁石１０４と同様の機能を有する。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
前段の出射用偏向器１０８は、図１に示す前段の出射用偏向器１０８と同様の機能を有する。前段の出射用偏向器１０８は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された３つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
図１２に示すように、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
第６実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係は、図３に示す関係と同様の関係になる。
【0085】
＜第７実施形態＞
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第７実施形態について説明する。
第７実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第５実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第７実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第５実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
以下、本発明の粒子加速器および粒子線治療装置の第７実施形態について説明する。
第７実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）は、後述する点を除き、上述した第５実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様に構成されている。従って、第７実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）によれば、後述する点を除き、上述した第５実施形態の粒子加速器（シンクロトロン１００）と同様の効果を奏することができる。
【0086】
図１３は第７実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００の一例を示す図である。
図１３に示す例では、シンクロトロン１００が、入射器２０１（図１参照）の線形加速器から供給される荷電粒子ビームを周回ビーム１３１として周回させながら加速し、周回ビーム１３１の一部を出射ビーム１３２として出射する。シンクロトロン１００は、例えば、入射用偏向器１０１と、４つの偏向電磁石１０２と、４つの収束用四極電磁石１０４と、２つの共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６と、高周波キッカー装置１０７と、１つの前段の出射用偏向器１０８と、２つの後段の出射用偏向器１０９と、制御部１４０（図２参照）と、複数の電源１５０（図２参照）とを備えている。
図１３に示す例では、シンクロトロン１００が、入射器２０１（図１参照）の線形加速器から供給される荷電粒子ビームを周回ビーム１３１として周回させながら加速し、周回ビーム１３１の一部を出射ビーム１３２として出射する。シンクロトロン１００は、例えば、入射用偏向器１０１と、４つの偏向電磁石１０２と、４つの収束用四極電磁石１０４と、２つの共鳴励起用多極電磁石１０５と、高周波加速空洞１０６と、高周波キッカー装置１０７と、１つの前段の出射用偏向器１０８と、２つの後段の出射用偏向器１０９と、制御部１４０（図２参照）と、複数の電源１５０（図２参照）とを備えている。
【0087】
【0088】
図１３に示す例では、入射用偏向器１０１が、図１に示す入射用偏向器１０１と同様の機能を有する。入射用偏向器１０１は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
偏向電磁石１０２は、図１に示す偏向電磁石１０２と同様の機能を有する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、図１に示す収束用四極電磁石１０４と同様の機能を有する。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
前段の出射用偏向器１０８は、図１に示す前段の出射用偏向器１０８と同様の機能を有する。前段の出射用偏向器１０８は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
図１３に示すように、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
第７実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係は、図３に示す関係と同様の関係になる。
偏向電磁石１０２は、図１に示す偏向電磁石１０２と同様の機能を有する。１つ目の偏向電磁石１０２は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された１つ目の収束用四極電磁石１０４に接続されている。
収束用四極電磁石１０４は、図１に示す収束用四極電磁石１０４と同様の機能を有する。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された前段の出射用偏向器１０８に接続されている。
前段の出射用偏向器１０８は、図１に示す前段の出射用偏向器１０８と同様の機能を有する。前段の出射用偏向器１０８は、周回ビーム１３１の進行方向の下流側に配置された２つ目の偏向電磁石１０２に接続されている。
図１３に示すように、１つ目の収束用四極電磁石１０４と、前段の出射用偏向器１０８とは、第一の直線部１１１に備えられている。１つ目の収束用四極電磁石１０４は、周回ビーム１３１の進行方向における第一の直線部１１１の略中央に配置されている。第一の直線部１１１は、偏向電磁石１０２を有さない。
第７実施形態のシンクロトロン（粒子加速器）１００における周回ビーム１３１の通過領域と出射ビーム１３２の軌道との関係は、図３に示す関係と同様の関係になる。
【0089】
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。上述した各実施形態および各例に記載の構成を組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【0090】
１００…シンクロトロン（粒子加速器）、１０１…入射用偏向器、１０２…偏向電磁石、１０３…（発散用）四極電磁石、１０４…（収束用）四極電磁石、１０５…共鳴励起用多極電磁石、１０６…高周波加速空洞、１０７…高周波キッカー装置、１０８…前段の出射用偏向器、１０８ａ…セプタム電極、１０９…後段の出射用偏向器、１１１…（第一の）直線部、１１２…（第二の）直線部、１１３…（第三の）直線部、１２１…（第一の）偏向部、１２２…（第二の）偏向部、１３１…周回ビーム、１３２…出射ビーム、１４０…制御部、１５０…電源、２０１…入射器、３０１…照射装置、３０２…照射ビーム、３０２ａ…二次元断面分布、３０２ｂ…水平方向射影プロファイル、３０２ｃ…垂直方向射影プロファイル、３０２ａ’…二次元断面分布、３０２ｂ’…水平方向射影プロファイル、３０２ｃ’…垂直方向射影プロファイル
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】