(57)【要約】【課題】本発明の目的は、加速器から取り出されるイオンビームのエネルギーおよび量を制御可能とすることである。【解決手段】高周波発生装置４２は、イオンが可変エネルギー加速器１に注入されると共に、高周波加速空胴２１に高周波電場を発生させる。高周波発生装置４２は、イオンの運動エネルギーが目標エネルギーに達する前に高周波電場の大きさを低下させ、イオンの運動エネルギーが目標エネルギーとなるタイミングで高周波電場の発生を停止する。高調波モード発生装置４４は、イオンを可変エネルギー加速器１から取り出す際に、高周波加速空胴２１に高調波モードの電磁場を発生させ、擾乱発生装置４８は、イオンを可変エネルギー加速器１から取り出す際に、擾乱用電極３１３に擾乱用電場を発生させる。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを加速する加速器において、
高周波電場を発生し、磁場中を周回運動するイオンを加速する加速電極と、
前記加速電極に高調波モードの電磁場を発生させて、前記イオンが形成するビームの広がりを増加させる高調波モード発生装置と、
前記イオンを前記加速器から取り出す際に擾乱用電場を発生し、前記イオンの軌道を変化させる擾乱用電極と、を備えることを特徴とする加速器。
【請求項２】
請求項１に記載の加速器において、
前記擾乱用電極を通過する前記ビームについての複数の周回軌道の間隔が、前記加速電極を通過する前記ビームについての複数の周回軌道の間隔よりも、密であることを特徴とする加速器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の加速器において、
前記高調波モード発生装置は、
前記イオンを前記加速器から取り出す際に、前記加速電極に前記高調波モードの電磁場を発生させることを特徴とする加速器。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の加速器において、
前記高調波モードの周波数は前記高周波電場の周波数よりも高いことを特徴とする加速器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の加速器において、
前記高調波モード発生装置は、前記高調波モードの電磁場を前記加速電極に発生させる高周波信号を前記加速電極に出力し、
前記高調波モード発生装置が出力する高周波信号の周波数は前記高調波モードの共振周波数であることを特徴とする加速器。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の加速器において、
高周波信号を前記加速電極に出力し、前記加速電極に前記高周波電場を発生させる高周波発生装置を備え、
前記高調波モード発生装置は、
前記高周波発生装置が出力する高周波信号の大きさを、前記高周波発生装置が小さくしたときに、前記高調波モードの電磁場の発生を開始し、
前記高周波電場の振幅が０になったときに、前記高調波モードの電磁場の発生を停止することを特徴とする加速器。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の加速器において、
前記高周波電場を前記加速電極に発生させる高周波発生装置と、
前記擾乱用電場を前記擾乱用電極に発生させる擾乱発生装置と、を備え、
前記高周波発生装置は、前記イオンが前記加速器から取り出される前に、前記高周波電場の発生を停止し、
前記擾乱発生装置は、前記高周波電場の発生が停止される停止タイミングに基づくタイミングで、前記擾乱用電場の発生を開始することを特徴とする加速器。
【請求項８】
請求項７に記載の加速器において、
前記擾乱発生装置は、
前記停止タイミング以降における取り出し時間帯に、前記擾乱用電場を発生させることを特徴とする加速器。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の加速器において、
前記高周波発生装置は、
前記イオンが前記加速器に注入されると共に前記高周波電場の発生を開始し、
前記イオンの運動エネルギーが目標エネルギーに達する前に前記高周波電場の大きさを低下させることを特徴とする加速器。  
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の加速器において、
前記高周波発生装置は、
前記加速器から取り出される前記イオンに対する目標エネルギーに応じて、前記高周波電場の大きさ、または、前記高周波電場を発生する時間長を制御することを特徴とする加速器。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の加速器において、
前記擾乱発生装置は、
前記加速器から取り出される前記ビームの量の目標値に応じて、前記擾乱電場の大きさ、または、前記擾乱用電場を発生する時間長を制御することを特徴とする加速器。
【請求項１２】
請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の加速器において、
前記高周波発生装置は、高周波信号を前記加速電極に出力し、前記加速電極に前記高周波電場を発生させ
前記高調波モード発生装置は、
前記高周波発生装置が出力する高周波信号の大きさを、前記高周波発生装置が小さくしたときに、前記高調波モードの電磁場の発生を開始し、
前記高周波電場の振幅が０になったときに、前記高調波モードの電磁場の発生を停止することを特徴とする加速器。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の加速器と、
前記加速器に前記イオンを注入するイオン源と、
前記加速器から取り出された前記イオンを輸送するビーム輸送装置と、
前記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。
【請求項１４】
加速電極に高周波電場を発生させて、磁場中を周回運動するイオンを加速し、
前記加速電極に高調波モードの電磁場を発生させて、前記イオンが形成するビームの広がりを増加させ、
擾乱用電極に擾乱用電場を発生させて、前記イオンの軌道を変化させて、前記イオンを取り出すことを特徴とするイオン取り出し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速器、粒子線治療システムおよびイオン取り出し方法に関し、特に、磁場中を周回運動するイオンを加速し、取り出す技術に関する。
【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装置が用いられる。加速器には、炭素イオンやヘリウムイオン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粒子線は、粒子線治療装置から患部に向けて照射される。
【０００３】
加速器には、磁場に注入されたイオンを高周波電場によって加速し、円柱容器内を周回運動させるサイクロトロン、シンクロトロン等がある。サイクロトロンでは、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、イオンビームのエネルギーを制御することは困難である。
【０００４】
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。
【０００５】
加速器には、以下の特許文献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は加速する。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、取り出されるイオン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２には、取り出されるイオンのエネルギーが制御可能な可変エネルギー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円柱容器の上面の中心にイオン注入口が設けられ、円柱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、特許文献２に記載の可変エネルギー加速器では、円柱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イオンビームが、ビーム取り出し口から効率良く取得される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２０１３−５４１１７０号公報
【特許文献２】国際公開第２０１６／０９２６２１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
粒子線治療では、治療計画等で予め定められた放射線量の許容範囲を超過することなく患部にビームを照射することが求められる。そのため、加速器から取り出されるイオンビームのエネルギーおよび量（イオンの粒子数）が制御可能であることが望まれる。
【００１０】
しかし、上記のように、サイクロトロンやシンクロサイクロトロンでは、取り出されるイオンビームのエネルギーの制御は困難である。また、シンクロトロンでは、取り出されるイオンビームのエネルギーは可変であるものの、設備が大型になってしまうという問題がある。
【００１１】
また、特許文献２に示されたような可変エネルギー加速器については、様々な構造および高周波電場の制御方法が考え出されている。しかし、加速器の構造や高周波電場の制御方法によっては、加速器内に疎らにイオンが存在してしまう場合があり、任意のエネルギーのイオンビームを必要な量だけ取り出すことが困難な場合がある。
【００１２】
本発明の目的は、加速器から取り出されるイオンビームのエネルギーおよび量を制御可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、イオンを加速する加速器において、高周波電場を発生し、磁場中を周回運動するイオンを加速する加速電極と、前記加速電極に高調波モードの電磁場を発生させて、前記イオンが形成するビームの広がりを増加させる高調波モード発生装置と、前記イオンを前記加速器から取り出す際に擾乱用電場を発生し、前記イオンの軌道を変化させる擾乱用電極と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、加速器から取り出されるイオンビームのエネルギーおよび量を制御可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】可変エネルギー加速器を模式的に示した斜視図である。
【図２】容器を上下に分割した面を上から見たときの様子を示す図である。
【図３】図２に示されたＡＡ線における断面を示す図である。
【図４】高周波加速空胴および接地電極の構造を示す図である。
【図５】擾乱用電極の構造を示す図である。
【図６】イオンビームの運動エネルギーと周回周波数との関係を示す図である。
【図７】各運動エネルギーに対応するイオンビームの軌道を示す図である。
【図８】各運動エネルギーを有するイオンビームに対する磁場の値を示す図である。
【図９】基本モードの電磁場分布と表面電流分布を示す図である。
【図１０】高調波モードの電磁場分布と表面電流分布を示す図である。
【図１１】制御システムの構成を示す図である。
【図１２】制御システムが備える各機器の動作のタイミングチャートである。
【図１３】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】
本発明の各実施形態に係る周波数変調型の可変エネルギー加速器が、各図面を参照しながら以下に説明される。複数の図面に示された同一の事項については同一の符号が付されており、説明の重複が避けられている。
【００１７】
本発明の第１実施形態に係る可変エネルギー加速器１が図１から図１２を参照しながら以下に説明される。可変エネルギー加速器１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。
【００１８】
図１には可変エネルギー加速器１の外観を模式的に示した斜視図が示されている。可変エネルギー加速器１は、略円柱形状の容器１０を有している。容器１０内は、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。容器１０は上下に分割可能となっており、容器１０の上側部分および下側部分のそれぞれに電磁石１１が形成されている。電磁石１１は、加速および周回中のイオンビームを通過させる容器１０内のビーム通過領域に磁場を励起する。
【００１９】
容器１０の上側部分の中心からずれた位置には、水素イオンを容器１０内に供給するイオン源１２が設置されており、ビーム入射用貫通口１１５および入射部１３０を通してイオンが容器１０の内部に入射される。入射部１３０に設けられた引き出し電極には、ビーム入射用貫通口１１５を通じて外部からビーム通過領域へイオンを取り込むために必要な電力が供給されている。
【００２０】
容器１０には、外部とビーム通過領域とを接続する複数の貫通口が、上下の分割接続面上に設けられている。本実施形態では、ビーム取り出し貫通口１１１、コイル導体用貫通口１１２、および高周波電力入力用貫通口１１４が設けられている。ビーム取り出し貫通口１１１は、加速されたイオンビームが取り出される貫通口である。コイル導体用貫通口１１２は、容器１０内に配置されたコイル導体を外部に引き出すための貫通口である。
【００２１】
図２には容器１０を上下に分割した面を上から見たときの様子が示されている。容器１０には、高周波電力入力用貫通口１１４を通じて、加速電極としての高周波加速空胴２１が設置されている。高周波加速空胴２１は、イオンを加速してイオンビームとするための高周波電場を発生する。後述するように、高周波加速空胴２１は、加速用のディー電極２２１と高周波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（図１）とを備えている。
【００２２】
図３には、図２に示されたＡＡ線における断面が示されている。可変エネルギー加速器１の内部構造が、図２および図３を参照して以下に説明される。容器１０の上側部分および下側部分のそれぞれは、円筒状のリターンヨーク１２１および天板１２２を有している。上下の天板１２２の内面には、円板状あるいは円柱状の磁極１２３が設けられている。磁極１２３の厚みは一様でなくてよい。容器１０内において上下に対向した磁極１２３によって挟まれる略円柱状の空間内に、上述のビーム通過領域２０がある。上下の磁極１２３における互いに対向している面は磁極面と定義される。また、上下の磁極面に挟まれ、上下の磁極面から等距離にあり、上下の磁極面に対向する仮想的な面は軌道面と定義される。
【００２３】
磁極１２３の外周面とリターンヨーク１２１の内面と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に対向する磁極１２３が磁化し、所定の分布でビーム通過領域２０に磁場が励起される。
【００２４】
図４には、高周波加速空胴２１および接地電極２２２の構造が模式的に示されている。高周波加速空胴２１は、略扇形の空胴上壁２２Ａおよび空胴下壁２２Ｂを対向させ、空胴上壁２２Ａの外周と空胴下壁２２Ｂの外周との間が空胴側壁２２Ｃによって接続された構造を有している。ただし、空胴側壁２２Ｃの中央部には開口が設けられており、この開口に、空胴上壁２２Ａおよび空胴下壁２２Ｂから離れる方向に伸びる筒状の導波路２２Ｄが形成されている。
【００２５】
空胴上壁２２Ａ、空胴下壁２２Ｂおよび空胴側壁２２Ｃは、ディー電極２２１を構成する。接地電極２２２は、空胴上壁２２Ａ、空胴下壁２２Ｂおよび空胴側壁２２Ｃによって形成されるディー電極開口２２Ｅと対向する領域を囲む環状の導体によって形成されている。空胴上壁２２Ａ、空胴下壁２２Ｂおよび空胴側壁２２Ｃと、接地電極２２２との間には、加速ギャップ２２３が形成されている。ビーム入射用貫通口１１５の下端は、接地電極２２２の折れ曲がった部位とディー電極２２１との間の上方に位置し、ビーム入射用貫通口１１５の下端からビーム通過領域にイオンが取り込まれる。
【００２６】
このように、高周波加速空胴２１は、ビーム入射用貫通口１１５が設けられた位置から異なる２方向に向けて、容器１０の側壁の内面に向かって広がるディー電極開口２２Ｅを有している。また、高周波加速空胴２１は、ディー電極開口２２Ｅの上辺および下辺から、ビーム取り出し貫通口１１１がある側とは反対側に、容器１０の側壁の内面に向かって広がり対向する空胴上壁２２Ａおよび空胴下壁２２Ｂを有している。さらに、高周波加速空胴２１は、空胴上壁２２Ａの外周と当該空胴下壁２２Ｂの外周との間を繋ぐ空胴側壁２２Ｃを有している。
【００２７】
入射部１３０から接地電極２２２とディー電極２２１との間に入射したイオンは、空胴上壁２２Ａと空胴下壁２２Ｂとの間に挟まれた空間を弧を描いて通過し、左側の加速ギャップ２２３を通って、接地電極２２２の左側をくぐり抜ける。イオンは、さらに、接地電極２２２よりも手前側を弧を描いて通過し、接地電極２２２の右側をくぐり抜け、右側の加速ギャップ２２３を通って空胴上壁２２Ａと空胴下壁２２Ｂとの間に挟まれた空間に戻る。イオンは、このような軌道を軌道半径を大きくしながら周回し、後述する電場および磁場の作用によって外側に反れて、ビーム取り出し貫通口１１１から可変エネルギー加速器１の外側に至る。
【００２８】
再び図２および図３が参照される。高周波加速空胴２１は、４分の１波長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高周波電場を励起する。高周波加速空胴２１の導波路２２Ｄは高周波電力入力用貫通口１１４を通じて、容器１０の外側に至っている。
【００２９】
イオンは、加速ギャップ２２３に励起される高周波電場によって加速される。イオン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イオンビームの周回周波数の整数倍となる。本実施形態では、高周波電場の周波数はビームの周回周波数の１倍とされている。
【００３０】
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はコイル導体用貫通口１１２を通じて外部の電源装置に接続されている。各系統個別に励磁電流を調整することで、磁場の分布が後述の磁場分布に近付けられ、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。
【００３１】
イオン源１２で生成されたイオンは入射部１３０における引き出し電極に印加された電圧によって低エネルギー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。
【００３２】
また、四極磁場や六極以上の多極磁場を励磁する２か所のキック磁場発生用シム３１１、および高周波電圧が印加される擾乱用電極３１３が、上下の磁極１２３から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１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。キック磁場発生用シム３１１、擾乱用電極３１３および取り出し用セプタム電磁石３１２は、イオンビームを可変エネルギー加速器１外に取り出すために用いられる。
【００３３】
擾乱用電極３１３は、入射部１３０と容器１０の側壁との間の距離が最も小さい位置に配置されている。キック磁場発生用シム３１１は、上側の磁極１２３の外周部と、下側の磁極１２３の外周部との間に位置し、上下の磁極１２３の外周に沿った線状の磁性体によって形成されている。２つのキック磁場発生用シム３１１は、接地電極２２２から見て高周波加速空胴２１から離れる側の領域における、擾乱用電極３１３を挟む位置に配置されている。取り出し用セプタム電磁石３１２は、擾乱用電極３１３の近傍に配置されている。
【００３４】
図５には、擾乱用電極３１３の構造が模式的に示されている。擾乱用電極３１３は内側電極片７０Ａおよび外側電極片７０Ｂから構成される電極対７０と、内側電極片７２Ａおよび外側電極片７２Ｂから構成される電極対７２とを備えている。電極対７０における内側電極片７０Ａおよび外側電極片７０Ｂは、所定の距離を隔てて、容器１０の側壁の内面に沿って方向を揃えて配置されている。内側電極片７０Ａは外側電極片７０Ｂよりも容器１０における内側に位置する。
【００３５】
電極対７２における内側電極片７２Ａおよび外側電極片７２Ｂは、それぞれ、内側電極片７０Ａおよび外側電極片７０Ｂの下方に位置している。すなわち、内側電極片７２Ａおよび外側電極片７２Ｂは、所定の距離を隔てて、容器１０の側壁の内面に沿って方向を揃えて配置されている。内側電極片７２Ａは外側電極片７２Ｂよりも容器１０における内側に位置する。
【００３６】
内側電極片７０Ａと外側電極片７０Ｂとの間に高周波電圧が印加されることで、内側電極片７０Ａから外側電極片７０Ｂに向かう方向、あるいは、外側電極片７０Ｂから内側電極片７０Ａに向かう方向の電場が発生する。同様に、内側電極片７２Ａと外側電極片７２Ｂとの間に高周波電圧が印加されることで、内側電極片７２Ａから外側電極片７２Ｂに向かう方向、あるいは、外側電極片７２Ｂから内側電極片７２Ａに向かう方向の電場が発生する。
【００３７】
再び図２および図３が参照される。擾乱用電極３１３に高周波電圧が印加されることで、擾乱用電極３１３からは擾乱用電場が発せられる。擾乱用電場は、周回中のイオンを軌道面に沿う方向にキックし、設計軌道からイオンを外れさせる。その軌道が設計軌道から外れたイオンはキック磁場発生用シム３１１の近くを通過する。キック磁場発生用シム３１１による磁場は、ビーム通過領域２０中を周回するイオンに対して安定領域を制限し、安定領域外に出たイオンを取り出し用セプタム電磁石３１２に導入する。
【００３８】
各キック磁場発生用シム３１１は、磁極１２３が形成する磁場に対して逆極性の磁場を重畳励磁する。擾乱用電極３１３に適切な周波数の高周波電圧を印加することで発生した擾乱用電場がイオンビームに擾乱を与える。後に述べる原理により、擾乱用電極３１３に印加される高周波電圧のオンオフに同期して取り出されるイオンビームのオンオフの制御が行われる。
【００３９】
上下の磁極１２３、コイル１３、トリムコイル３３、キック磁場発生用シム３１１、取り出し用セプタム電磁石３１２、擾乱用電極３１３等の形状または配置は、軌道面において磁場の面内成分が抑制され、あるいは０となるように設計されている。
【００４０】
上下の磁極１２３、コイル１３、トリムコイル３３、キック磁場発生用シム３１１、取り出し用セプタム電磁石３１２、および擾乱用電極３１３の形状と配置は軌道面に対して面対称であってよい。また、磁極１２３、ディー電極２２１、コイル１３、トリムコイル３３、および擾乱用電極３１３の形状は、図２に示されているように、可変エネルギー加速器１を上面側から見たときに、高周波電力入力用貫通口１１４の中心部とコイル導体用貫通口１１２の中心部を結ぶ線分に対して左右対称の形状であってよい。
【００４１】
可変エネルギー加速器１中を周回するイオンビームの軌道および運動についての説明が以下に示される。イオン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。本実施形態に係る可変エネルギー加速器１における取り出し可能なイオンビームの運動エネルギーは、最小７０ＭｅＶ、最大２３５ＭｅＶである。運動エネルギーが大きいほどイオンビームの周回周波数は小さくなる。
【００４２】
入射直後の運動エネルギーを有するイオンビームは７６ＭＨｚでビーム通過領域２０中を周回し、２３５ＭｅＶに達したイオンビームは５９ＭＨｚでビーム通過領域２０中を周回する。図６には、これらの運動エネルギーと周回周波数との関係が示されている。横軸は運動エネルギーＥｍ［ＭｅＶ／ｕ］を示し、縦軸は周回周波数Ｆ［ＭＨｚ］を示す。
【００４３】
図７には、各運動エネルギーに対応するイオンビームの軌道が示されている。Ｘ軸は、図２における横方向の座標値を示し、Ｙ軸は、図２における縦方向の位置を示す。図７中、最も外側に最大エネルギー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、０ＭｅＶまで磁気剛性率で５１分割した都合５１本の円軌道が図示されている。点線は各軌道の同一の周回位相を結んだ線であり、等周回位相線と称される。
【００４４】
図７に示されているように、本実施形態に係る可変エネルギー加速器１では、イオンビームの加速に従ってイオンビームの軌道中心（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ーの軌道が互いに近接している領域（すなわち、設計軌道が集約する領域）と互いに遠隔している領域（すなわち、設計軌道が離散する領域）が存在する。このように、可変エネルギー加速器１では、イオンビームの設計軌道が偏心している。
【００４５】
各設計軌道における、最も設計軌道同士が近接している点を結ぶ線は、各設計軌道に直交する線分となる。また、最も設計軌道同士が遠隔している設計軌道の点を結ぶ線は、各設計軌道に直交する線分となる。これら２本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。
【００４６】
図７に示される等周回位相線は、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、集約点から見て位相換算で±９０度周回した等周回位相線に沿って設置されている。図７から明らかなように、加速ギャップ２２３よりもＹ軸負方向側では、Ｙ軸正方向側よりも複数の設計軌道の間隔が密である。さらに、イオンビームの軌道中心よりもＹ軸負方向側の領域では、複数の設計軌道の間隔が他の領域に比べて密である。
【００４７】
また、加速ギャップ２２３よりもＹ軸負方向側には、加速電極としての高周波加速空胴２１が配置され、イオンビームの軌道中心よりもＹ軸負方向側の領域には、擾乱用電極３１３が配置されている。したがって、擾乱用電極３１３を通過するイオンビームについての複数の周回軌道の間隔は、高周波加速空胴２１を通過するイオンビームについての複数の周回軌道の間隔よりも密となる。
【００４８】
本実施形態に係る可変エネルギー加速器１内の磁場の分布では、設計軌道の偏向半径方向外側に行くにつれ磁場の大きさが小さくなる。また、設計軌道に沿って磁場は一定である。これによって、設計軌道は円形となり、イオンビームの運動エネルギーが高まるにつれてその軌道半径および周回時間が増加する。
【００４９】
このような体系では、設計軌道から半径方向に微小にずれたイオンは、設計軌道に戻る方向に復元力を受ける。さらに、軌道面に対して鉛直な方向にずれたイオンも軌道面に戻る方向に磁場から復元力を受ける。すなわち、イオンビームの運動エネルギーに対して適切に磁場が小さくなることで、設計軌道からずれたイオンには設計軌道に戻る方向に適切な復元力が働き、イオンは設計軌道の近傍を振動する。これにより、安定にイオンが周回および加速する。この設計軌道を中心とする振動はベータトロン振動と称される。このように、本実施形態に係る可変エネルギー加速器１内の磁場の分布によって、上記のような周回軌道が実現され、周回軌道周辺でのイオンの振動が安定となる。
【００５０】
図８には、各運動エネルギーを有するイオンビームに対する磁場の値が示されている。横軸は運動エネルギーＥｍ［ＭｅＶ／ｕ］を示し、縦軸は磁場Ｂ［Ｔ］を示す。形成される磁場Ｂはイオンビームの軌道に沿って一様、かつ運動エネルギーＥｍが高くなるにつれ磁場Ｂが低下していくように分布する。つまり、径方向外側の磁場が低下するような磁場が形成される。このような磁場下においては、イオンビームの軌道面内の動径方向と軌道面に対して垂直な方向のそれぞれに対して、イオンは安定にベータトロン振動する。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。
【００５１】
上述の磁場は、コイル１３とそれを補助するトリムコイル３３に所定の励磁電流を流すことによって磁極１２３が磁化されることで励起される。イオンの入射部１３０から外周に向かって磁場が小さくなる分布によって、磁極１２３が対向する距離（ギャップ）は、入射部１３０から外周に向かって大きくなる。このギャップは、入射部１３０において最も小さくてよい。さらに、本実施形態では、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、理想的には軌道面上においては軌道面に垂直な方向の磁場成分のみを持つ。さらに、磁場分布の微調整が、磁極面に設置されたトリムコイル３３に流れる電流を調整することで行われ、所定の分布を有する磁場が励起されてよい。
【００５２】
上述のように、高周波加速空胴２１は加速ギャップ２２３に高周波電場を励起する。後述の高周波発生装置から入力カプラ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との間の加速ギャップ２２３に高周波電場が励起される。一般に、ディー電極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は固有モードと称される。固有モードには複数の種類があり、イオンの加速のために励起するモードは基本モードと称される。
【００５３】
図９には、基本モードの電磁場分布と表面電流分布が示されている。図９には、高周波加速空胴２１が形成する共振器の外形と共に、太矢印（Ｅ）で電場の分布、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）の概形が太線で示されている。基本モードでは同時刻にディー電極２２１から接地電極２２２に対して同じ向きの電場が生じる。
【００５４】
一方で、より周波数の高いモードも存在し、例えば、図１０に示されるような加速ギャップ２２３に励起される電場の向きが場所によって異なるモードも存在する。このようなモードは基本モードよりも周波数が高く高調波モードと称される。高調波モードの電磁場は周回中のイオンの運動に擾乱を与える。
【００５５】
本実施形態に係る可変エネルギー加速器１では、イオンビームの周回に同期させて高周波電場を励起するため、周回中のイオンビームの運動エネルギーに対応して高周波電場の周波数が変調される。これに応じて高周波加速空胴２１の共振周波数が変更され、高周波電場の周波数に高周波加速空胴２１が同調する。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行われる。
【００５６】
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ものである。イオンビームの加速に伴い回転軸２１３を回転することで、回転式可変容量キャパシタ２１２の静電容量が周期的に変化する。
【００５７】
次いで、本実施形態に係る可変エネルギー加速器１のビーム入射から取り出しまでのビームの挙動が図１および図２を参照して述べられる。まず、イオン源１２から低エネルギー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にイオンビームが導かれる。
【００５８】
ビーム通過領域２０に入射されたイオンビームは高周波電場によって加速し、その運動エネルギーが増加する。これと共に、イオンビームの回転半径が増加する。その後、イオン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。
【００５９】
すなわち、高周波電場が最大となる時刻にイオンが加速ギャップ２２３を通過するのではなく、高周波電場が減少している時間帯にイオンが加速ギャップ２２３を通過する。これによって、高周波電場の周波数とイオンビームの周回周波数が整数倍の比で同期する。そのため、所定の高周波電場の位相で加速されたイオンは、前後の周回で、ほぼ同じ位相で加速を受ける。
【００６０】
一方、加速位相より早い位相で加速されたイオンは、加速位相で加速されたイオンよりもその加速量が大きい。したがって、次の周回では、イオンは、先の周回よりも遅れた位相で加速を受ける。また、逆にある時に加速位相より遅い位相で加速されたイオンは加速位相で加速されたイオンよりもその加速量が小さい。そのため、次の周回では、イオンは、先の周回よりも進んだ位相で加速を受ける。
【００６１】
このように、所定の加速位相からずれたタイミングで周回するイオンは加速位相に戻る方向に動く。この作用によって、運動量および位相が直交する２軸で表された位相平面（進行方向）内において、イオンは安定に振動する。この振動はシンクロトロン振動と称される。すなわち、加速中のイオンはシンクロトロン振動をしながら、徐々に加速され、イオンの運動エネルギーは、取り出される所定の目標エネルギーに達する。
【００６２】
イオンビームを目標エネルギーで取り出すために、高周波加速空胴２１に励起される高周波電場は次のように制御される。すなわち、高周波加速空胴２１に励起される高周波電場は徐々に小さくされ、イオンビームの運動エネルギーが目標エネルギーに達したところで高周波電場は０とされる。これにより、イオンビームは目標エネルギーにて安定に周回する。
【００６３】
そして、擾乱用電極３１３に高周波電圧が印加され、擾乱用電極３１３から擾乱用電場が発せられる。擾乱用電場の周波数はイオンビームのベータトロン振動の周波数に一致させており、イオンビームは進行方向の位置、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。特定のイオン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が一致しているため、両者は共鳴し、あるイオンのベータトロン振動振幅が増大する。
【００６４】
ベータトロン振動振幅が増大し続けると、イオンは設計軌道の外側に設置されたキック磁場発生用シム３１１が励起するキック磁場の作用を受ける。これによってベータトロン振動が発散し、設計軌道から見て外側にイオンビームが変位する。その結果、取り出し用セプタム電磁石３１２にイオンビームが導入される。この安定領域と不安定領域の境界はセパラトリクスと称される。
【００６５】
上記目標エネルギーに達してから取り出されるまでの間、イオンビームを構成する個々のイオンは、キック磁場発生用シム３１１由来の四極磁場および六極以上の多極磁場によって、次のように周回する。すなわち、個々のイオンは、イオン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。
【００６６】
可変エネルギー加速器１では、セパラトリクスの内側に存在するイオンは安定にベータトロン振動を続ける。一方、セパラトリクスの外に存在するイオンは、キック磁場発生用シム３１１によるキック作用を周回ごとに受け、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イオンは、後述される擾乱用電極３１３による擾乱用電場と、取り出し軌道３２２上の取り出し用セプタム電磁石３１２による磁場とによって取り出し軌道３２２上を通り、可変エネルギー加速器１外に取り出される。
【００６７】
また、擾乱用電極３１３に印加される高周波電圧が遮断されると、イオンビームのベータトロン振動振幅の増大が停止する。これによって、安定領域内でイオンビームが周回し、ビームの取り出しが停止される。
【００６８】
セパラトリクス内側（安定領域）の面積は、イオンビームの運動エネルギーと、キック磁場発生用シム３１１が作る磁場と設計軌道の距離によって定まる。およそ７０ＭｅＶのビーム対し、安定領域の面積は５００πｍｍ・ｍｒａｄである。
【００６９】
上述のような原理によってイオンビームを加速し、可変エネルギー加速器１外にイオンビームを取り出すための制御システムの構成が図１１に示されている。制御システム４は、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、回転式可変容量キャパシタ２１２の回転軸２１３に接続されるサーボモータ２１４、およびサーボモータ２１４を制御するモータ制御装置４１を備えている。
【００７０】
制御システム４は、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と、高周波電力を生成し高周波加速空胴２１に供給する高周波発生装置４２およびアンプ４３を備えている。制御システム４は、さらに、高調波モードの電磁場を発生するための構成要素として、高調波モード発生装置４４およびアンプ４５を備えている。制御システム４は、さらに、制御システム４の全体的な制御を行う全体制御装置４０、治療計画を示す治療計画情報が記憶された治療計画データベース６０を備えている。
【００７１】
全体制御装置４０は、治療計画データベース６０に記憶された治療計画情報に従って、モータ制御装置４１を制御する。モータ制御装置４１は、全体制御装置４０による制御に従って、サーボモータ２１４を制御する。回転式可変容量キャパシタ２１２では、モータ制御装置４１の制御に従ってサーボモータ２１４が回転することで回転軸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が時間的に変調され、基本モードの共振周波数が変化する。
【００７２】
高周波発生装置４２は、全体制御装置４０による制御に従って、高周波信号を発生する。高周波発生装置４２が発生した高周波信号は、アンプ４３によって増幅され、高周波加速空胴２１に入力される。高周波発生装置４２が発生す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である。高周波発生装置４２が発生す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。
【００７３】
高調波モード発生装置４４は、全体制御装置４０による制御に従って、高周波信号を発生する。高調波モード発生装置４４が発生した高周波信号は、アンプ４５によって増幅され、高周波加速空胴２１に入力される。高調波モード発生装置４４が発生する高周波信号の周波数は高調波モードの共振周波数である。高調波モード発生装置４４が発生す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。
【００７４】
制御システム４は、イオンビームを可変エネルギー加速器１外に取り出すための擾乱発生装置４８として、擾乱用電極３１３に高周波電圧を印加する擾乱用電源４６と、この擾乱用電源４６を制御する擾乱制御装置４７を備えている。
【００７５】
擾乱制御装置４７は、全体制御装置４０による制御に従って擾乱用電源４６を制御する。擾乱用電源４６は、擾乱制御装置４７の制御に従って、擾乱用電極３１３に高周波電圧を出力する。擾乱用電源４６から擾乱用電極３１３に出力される高周波電圧は擾乱制御装置４７によって制御される。高周波電圧の指定値は、取り出しビームエネルギーと取り出しビームの出力電流（単位時間当たりの粒子数）から定まる値として治療計画データベース６０によって定められ、全体制御装置４０から擾乱制御装置４７に指示される。
【００７６】
図１２（ａ）〜図１２（ｉ）には、制御システム４が備える各機器の動作のタイミングチャートが示されている。各タイミングチャートの横軸は時間ｔを示す。
【００７７】
図１２（ａ）には、回転式可変容量キャパシタ２１２の回転軸２１３の回転角が示されている。回転角は一定の時間変化率で時間経過と共に増加する。回転式可変容量キャパシタ２１２では、回転軸２１３の回転角の増加に対し、周期的にその静電容量が変化する。
【００７８】
図１２（ｂ）には、高周波加速空胴２１の共振周波数が示されている。回転式可変容量キャパシタ２１２の静電容量の変化に伴って、高周波加速空胴２１の共振周波数が変化する。すなわち、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、回転式可変容量キャパシタ２１２の静電容量が周期的に変化し、高周波加速空胴２１の共振周波数も周期的に変化する。
【００７９】
図１２（ｃ）には、高周波発生装置４２が出力する高周波信号の周波数が示されている。高周波発生装置４２は、高周波加速空胴２１にアンプ４３を介して出力する高周波信号の周波数を、高周波加速空胴２１の共振周波数に同期するように変化させる。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は、運転周期と定義される。
【００８０】
図１２（ｄ）には、加速ギャップ２２３における高周波電場の振幅が示されている。また、図１２（ｅ）には、イオン源１２が出力するイオンビームの電流波形（単位時間当たりに流れる電荷量）が示されている。運転周期の開始時に、イオン源１２はイオンビームを可変エネルギー加速器１に入射する。イオンビームが可変エネルギー加速器１に入射すると共に、高周波発生装置４２はアンプ４３を介して高周波加速空胴２１に高周波信号を出力する。これによって、加速ギャップ２２３には高周波電場が発生する。
【００８１】
安定なシンクロトロン振動が可能な領域に入射されたイオンビームは高周波電場によって加速する。これに対し、シンクロトロン振動が安定しないイオンビームは、加速できずに可変エネルギー加速器１内部の構造物に衝突し、失われる。高周波加速空胴２１の共振周波数が低下するにつれてイオンビームは加速し、イオンビームの運動エネルギーは、所定の目標エネルギーに達する。
【００８２】
高周波発生装置４２が高周波信号を出力してから所定時間τが経過するまでの間は、高周波発生装置４２は高周波信号の大きさを一定とする。高周波発生装置４２は、高周波信号を出力してから所定時間τが経過後に、高周波信号の大きさを時間経過と共に小さくする。図１２（ｄ）に示されているように、加速ギャップ２２３における高周波電場の振幅は、イオンビーム入射時（ｔ＝ｔ１）から所定時間τが経過するまでの間は一定である。イオンビーム入射時から所定時間τが経過した後は、高周波電場の振幅は時間経過と共に小さくなり、最終的に０となる（ｔ＝ｔ３）。
【００８３】
高周波発生装置４２が高周波信号の大きさの低下を開始するタイミングは、イオンビームの運動エネルギーが目標エネルギーに達する前の所定のタイミングである。例えば、加速ギャップ２２３に生じる高周波電場が低下し０になったときに、運動エネルギーが目標エネルギーに到達すると見込まれるタイミングで、高周波発生装置４２は、自らが出力する高周波信号の大きさを低下させ始める。
【００８４】
図１２（ｆ）には、高調波モードの電磁場の振幅が示されている。高周波発生装置４２が高周波信号の大きさを低下させると共に、高調波モード発生装置４４は、アンプ４５を介して高周波加速空胴２１に高周波信号を出力する。これによって、加速ギャップ２２３に高調波モードの電磁場が生じ、イオンビームの水平方向のエミッタンスが増加する。
【００８５】
ここで、イオンビームのエミッタンスは、例えば、次のように定義される。イオンビームの進行方向を正とする軸をｓ軸、ｓ軸に対して垂直な軸をｒ軸、イオンの運動量の方向がｓ軸に対してなす角度をθとしたときに、イオンの存在確率が所定の基準値となるθ−ｒ位相空間での範囲（面積等）をいう。この基準値は、例えば、正規分布の確率変数が−σ以上、＋σ以下である範囲（９５％）の確率である。ただし、σは標準偏差である。一般にエミッタンスは、イオンビームのθ−ｒ位相空間での範囲の他、実空間でのイオンビームの広がりを表す。
【００８６】
エミッタンスは、θ−ｒ位相空間の他、イオンの位置ベクトルおよび運動量ベクトルによって定まる一般的な位相空間で定義されてもよい。この場合、エミッタンスは、イオンの存在確率が所定の基準値となる位相空間での範囲として定義される。
【００８７】
図１２（ｆ）には、高周波電場の振幅の低下が開始した時刻ｔ＝ｔ２に、高調波モード発生装置４４が高周波信号の出力を開始し、高周波電場の振幅が０となった時刻ｔ＝ｔ３に、高調波モード発生装置４４が高周波信号の出力を停止する例が示されている。高調波モード発生装置４４は、高周波電場の振幅が０となった時刻ｔ＝ｔ３より後に高周波信号の出力を停止してもよい。また、高調波モード発生装置４４は、高周波電場の振幅が０となった時刻ｔ＝ｔ３以降に高周波信号の出力を開始し、次に高周波電場が発生するまでの間に高周波信号の出力を停止してもよい。
【００８８】
図１２（ｇ）には、擾乱用電源４６が出力する高周波電圧（擾乱用高周波電圧）が示されている。高周波発生装置４２が高周波信号の大きさを低下させると共に、擾乱制御装置４７は擾乱用電源４６をオンにし、擾乱用電源４６に高周波電圧を出力させる。擾乱用電源４６は、擾乱用電極３１３に高周波電圧を出力する。これによって、擾乱用電極３１３からは擾乱用電場が発せられる。イオンビームは擾乱用電場によって擾乱を受け、イオンビームの水平方向のエミッタンスが増加し、イオンビームの軌道が変化する。
【００８９】
図１２（ｇ）には、高周波電場の振幅の低下が開始した時刻ｔ＝ｔ２に、擾乱用電源４６が高周波電圧の出力を開始し、高周波電場の振幅が０となった時刻ｔ＝ｔ３以降は、次に高周波電場が発生するまでの間における取り出し時間帯（ｔ＝ｔ３からｔ＝ｔ４まで、ｔ＝ｔ５からｔ＝ｔ６まで）に、擾乱用電源４６が高周波電圧を出力する例が示されている。
【００９０】
高周波電場の振幅が十分小さくなったときには、イオンビームの運動エネルギーは所定の目標エネルギーに達している。さらに、イオンビームの水平方向のエミッタンスは、高調波モードの電磁場からの作用によって増加する。イオンビームは、キック磁場発生用シム３１１の作用等によって定まるセパラトリクス内を周回する。
【００９１】
次いで、高周波電場の振幅が０になった後におけるビーム取り出し時間帯（ｔ＝ｔ３からｔ＝ｔ４まで、ｔ＝ｔ５からｔ＝ｔ６まで）において、擾乱制御装置４７は擾乱用電源４６をオンにして、擾乱用電源４６に高周波電圧を出力させる。擾乱用電源４６は、擾乱制御装置４７の制御に従って擾乱用電極３１３に高周波電圧を出力する。これによって、ビーム取り出し時間帯では、擾乱用電極３１３から擾乱用電場が発せられる。イオンビームの軌道は擾乱用電場によって変化し、イオンビームはセパラトリクス外に至り、イオンビームが可変エネルギー加速器１から取り出される。
【００９２】
ビーム取り出し時間帯はユーザの操作に応じた時間帯であってよい。ユーザの操作に応じて、周回中のイオンが総て取り出されるか、所定の照射線量が照射されるまでイオンビームが取り出される。
【００９３】
ビーム取り出し時間帯では、高周波加速空胴２１に付随のサーボモータ２１４は回転を続けてよい。この場合、高周波加速空胴２１の共振周波数は変動を続けるが、高周波加速空胴２１には高周波電場が励起されていないため、イオンビームに対する影響は小さいかほとんど生じない。したがって、イオンビームは一定のエネルギーで周回しながら、擾乱用電極３１３から発せられる擾乱用電場によって順次取り出される。擾乱用電場の強度によっては、運転周期よりも長い期間に亘ってイオンビームを取り出すことも可能である。
【００９４】
図１２（ｈ）には、イオンビームの水平方向のエミッタンスが示されている。加速ギャップ２２３に高調波モードの電磁場が生じているとき、および擾乱用電極３１３から擾乱用電場が発せられているときは、イオンビームの水平方向のエミッタンスが増加する。
【００９５】
このような制御によって、イオンビームのエネルギーが目標エネルギーに達した後は、擾乱用電源４６のオンオフ、すなわち、擾乱用電極３１３に印加される高周波電圧のオンオフによって、イオンビームの取り出し（オン）および取り出し停止（オフ）の切り換えが可能である。図１２（ｉ）には、可変エネルギー加速器１から取り出されたイオンビームの出力電流が示されている。この図では、ビーム取り出し時間帯ｔａ（ｔ＝ｔ３からｔ＝ｔ４まで）、ビーム取り出し時間帯ｔｂ（ｔ＝ｔ５からｔ＝ｔ６まで）、およびビーム取り出し時間帯ｔｃ（ｔ＝ｔ７からｔ＝ｔ８まで）において、イオンビームが取り出されることが示されている。
【００９６】
可変エネルギー加速器１から取り出されるイオンビームの運動エネルギーは、加速ギャップ２２３に高周波電場が発生する時間、あるいは、加速ギャップ２２３に発生する高周波電場の大きさを変化させることで調整され得る。可変エネルギー加速器１から取り出されるイオンの粒子数は、擾乱用電場の大きさ、あるいは、ビーム取り出し時間帯の長さを変化させることで調整され得る。
【００９７】
このように、高周波発生装置４２は、イオンが可変エネルギー加速器１に注入されると共に高周波電場の発生を開始する。高周波発生装置４２は、イオンの運動エネルギーが目標エネルギーに達する前に高周波電場の大きさを低下させ、イオンの運動エネルギーが目標エネルギーとなるタイミングで高周波電場の発生を停止する。
【００９８】
高調波モード発生装置４４は、イオンを可変エネルギー加速器１から取り出す際に、加速電極としての高周波加速空胴２１に高調波モードの電磁場を発生させ、擾乱発生装置４８は、イオンを可変エネルギー加速器１から取り出す際に、擾乱用電極３１３に擾乱用電場を発生させる。
【００９９】
擾乱発生装置４８は、高周波電場の発生が停止される停止タイミングに基づくタイミングで、擾乱用電場の発生を開始する。具体的には、擾乱発生装置４８は、停止タイミング以降における取り出し時間帯に擾乱用電場を発生させてよい。高調波モード発生装置４４は、高周波発生装置４２が高周波電場の発生を開始してから停止タイミングに至るまでの間に、高調波モードの電磁場の発生を開始してよい。その後、高調波モード発生装置４４は、停止タイミングで、または、停止タイミングより後に、高調波モードの電磁場の発生を停止してよい。あるいは、高調波モード発生装置４４は、停止タイミング以降に高調波モードの電磁場を発生させてよい。
【０１００】
高周波発生装置４２は、可変エネルギー加速器１から取り出されるイオンに対する目標エネルギーに応じて、高周波電場の大きさ（振幅）、または、高周波電場を発生する時間長を制御してよい。擾乱発生装置４８は、可変エネルギー加速器１から取り出されるイオンに対する粒子数目標値に応じて、擾乱用電場の大きさ（振幅）、または、擾乱用電場を発生する時間長を制御してよい。目標エネルギーおよび粒子数目標値は、例えば、治療計画によって定められる。
【０１０１】
本実施形態による効果が以下に説明される。本発明の第１実施形態に係る可変エネルギー加速器１では、高周波電場の振幅を調整し、あるいは高周波電場を発生させる時間を調整することで任意の運動エネルギーのイオンビームが取り出される。また、可変エネルギー加速器１では、異なる運動エネルギーについての複数の設計軌道がビーム取り出し貫通口１１１側に偏心しており、複数の設計軌道が密となっている。
【０１０２】
すなわち、擾乱用電極３１３を通過するイオンビームについての複数の周回軌道の間隔は、高周波加速空胴２１を通過するイオンビームについての複数の周回軌道の間隔よりも密となっている。その上で、キック磁場発生用シム３１１によるキック作用がイオンビームに及ぼされ、加速ギャップ２２３における高周波電場が低下し始めた後に発生する擾乱用電場および高調波モードの電磁場によって、ビームの水平エミッタンスが増加する。
【０１０３】
これによって、セパラトリクスいっぱいにイオンビームが拡散され、異なる運動エネルギーについての複数の設計軌道に一様にイオンビームが存在する状態が実現される。したがって、擾乱用電場の発生および遮断によって、イオンビームを所定の量だけ可変エネルギー加速器１から取り出すことが容易になる。すなわち、高周波電場の振幅を調整し、あるいは高周波電場を発生させる時間を調整すると共に、擾乱用電場の大きさや、取り出し時間帯の長さを調整することで、所望の運動エネルギーのイオンビームが所望の量だけ取り出される。
【０１０４】
また、可変エネルギー加速器１では、イオンビームのエネルギーが目標エネルギーに達する前の所定のタイミングから高周波電場が低下するように、高周波発生装置４２が制御される。そのため、必要以上にイオンビームが加速することが抑制され、より短時間でイオンビームの運動エネルギーが所定のエネルギーに達する。これによって、放射線治療における照射時間が従来の加速器を用いた場合に比べて短くなると共に、高周波電場を発生させるための電力の低減が図られる。
【０１０５】
さらに、高周波電場が遮断された後に擾乱用電場をイオンに対して作用させるように擾乱制御装置４７が制御される。これによって、イオンビームが所定の目標エネルギーに達している状態でイオンビームの取り出しが開始されることから、運動エネルギーが安定したイオンビームが取り出される。
【０１０６】
また、シンクロトロンのように、軌道半径を一定に保ちながらイオンを周回させる環状の設備が必要でないため、可変エネルギー加速器１は、シンクロトロンよりも小型である。
【０１０７】
なお、上記では、ビームの水平エミッタンスを増加させる手段として擾乱用電場や高調波モードの電磁場が示されたが、これらの手段に限らずエミッタンスを増加させる効果を持つならば、その他のモードの高周波の磁場、エネルギー分散を増加させる進行方向電場、エネルギー吸収体等が用いられてよい。
【０１０８】
本発明の第２実施形態に係る可変エネルギー加速器、およびその運転方法が以下に説明される。第１実施形態に係る可変エネルギー加速器１では、加速核種が水素イオンであるのに対し、第２実施形態に係る可変エネルギー加速器では、加速核種が炭素イオンである。本実施形態に係る可変エネルギー加速器では、核子当りの運動エネルギーが１４０ＭｅＶ〜４３０ＭｅＶである範囲で、炭素イオンが取り出される。第２実施形態に係る可変エネルギー加速器の構造および動作原理は第１実施形態に係る可変エネルギー加速器１と同様である。
【０１０９】
第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、軌道半径の大きさと磁場とエネルギーとの関係、および、周回周波数と運動エネルギーとの関係である。これらの関係は、第１実施形態に係る可変エネルギー加速器１に基づいて、イオンビームの磁気剛性率の比に、軌道半径と磁場の積が比例するという関係の下で決定される。本発明の第２実施形態に係る可変エネルギー加速器においても、第１実施形態に係る可変エネルギー加速器１と同様の効果が得られる。
【０１１０】
本発明の応用実施形態に係る粒子線治療システムが、図１３を参照して説明される。粒子線治療システム１０００は、第１実施形態または第２実施形態に係る可変エネルギー加速器７が用いられたシステムである。
【０１１１】
図１３に示されているように、粒子線治療システム１０００は、陽子線、炭素線等のイオンビームの運動エネルギーを、患部の体表からの深さに応じて適切な値にして患者６に照射する装置である。粒子線治療システム１０００は、可変エネルギー加速器７、ビーム輸送装置２、照射装置３、全体制御装置４０、照射制御装置５０、治療計画装置８０、および治療計画データベース６０を備えている。
【０１１２】
可変エネルギー加速器７は、イオンビームを加速する。ビーム輸送装置２は、可変エネルギー加速器７で加速されたイオンビームを照射装置３に輸送する。照射装置３は、ビーム輸送装置２によって輸送されたイオンビームを治療台５に固定された患者６内の患部に照射する。全体制御装置４０および照射制御装置５０は、可変エネルギー加速器７、ビーム輸送装置２および照射装置３を制御する。治療計画装置８０は、患部に対するイオンビームの照射計画を作成する。治療計画データベース６０は、治療計画装置８０によって作成された治療計画を記憶する。
【０１１３】
放射線治療に際しては、治療計画装置８０によって治療計画が作成され、データベース６０に記憶される。粒子線治療システム１０００では、照射する粒子線のエネルギーと照射量が、治療計画データベース６０に記憶された治療計画によって定められる。治療計画によって定められた粒子線のエネルギーと照射量は、全体制御装置４０から照射制御装置５０に入力される。全体制御装置４０による制御によって、適切な照射量が照射された時点で、エネルギーが変更され、再度粒子線を照射する手順によって粒子線治療システム１０００が動作する。
【０１１４】
本実施形態に係る粒子線治療システム１０００によれば、上記の第１実施形態または第２実施形態に係る可変エネルギー加速器７の効果によって、照射時間の短いシステムが提供される。
【０１１５】
なお、粒子線治療システム１０００のビーム輸送装置２は、図１３に示すような固定されたものに限られない。ビーム輸送装置２は、回転ガントリと呼ばれる照射装置３ごと患者６の周りを回転可能とした輸送系であってもよい。また、照射装置３は１つに限られず、複数設けられてもよい。さらには、粒子線治療システム１０００の形態は、ビーム輸送装置２が設けられず、可変エネルギー加速器７から直接照射装置３に対してイオンビームを輸送する形態であってもよい。
【０１１６】
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明には様々な変形例が含まれる。上記の各実施形態は、本発明を分かりやすく説明するための便宜上のものであり、本発明は、各実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１１７】
１，７  可変エネルギー加速器、２  ビーム輸送装置、３  照射装置、４  制御システム、５  治療台、６  患者、１０  容器、１１  電磁石、１２  イオン源、１３  コイル、２０  ビーム通過領域、２１  高周波加速空胴、２２Ａ  空胴上壁、２２Ｂ  空胴下壁、２２Ｃ  空胴側壁、２２Ｄ  導波路、２２Ｅ  ディー電極開口、３３  トリムコイル、４０  全体制御装置、４１  モータ制御装置、４２  高周波発生装置、４３，４５  アンプ、４４  高調波モード発生装置、４６  擾乱用電源、４７  擾乱制御装置、４８  擾乱発生装置、５０  照射制御装置、６０  治療計画データベース、７０，７２  電極対、７０Ａ，７２Ａ  内側電極片、７０Ｂ，７２Ｂ  外側電極片、８０  治療計画装置、１１１  ビーム取り出し貫通口、１１２  コイル導体用貫通口、１１４  高周波電力入力用貫通口、１１５  ビーム入射用貫通口、１２１  リターンヨーク、１２２  天板、１２３  磁極、１３０  入射部、２１１  入力カプラ、２１２  回転式可変容量キャパシタ、２１３  回転軸、２１４  サーボモータ、２２１  ディー電極、２２２  接地電極、２２３  加速ギャップ、３１１  キック磁場発生用シム、３１２  取り出し用セプタム電磁石、３１３  擾乱用電極、３２２  取り出し軌道、１０００  粒子線治療システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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