(57)【要約】      （修正有）【課題】陽子線や炭素線などの高エネルギ粒子線治療と中性子線治療を同時に実現する粒子線治療システムを提供する。【解決手段】入射される粒子ビームを、加速空洞内の上記粒子ビームのビーム進行方向に沿って配置した円筒状の複数のドリフトチューブ電極１内部を通過させるとともに、複数のドリフトチューブ電極１間に生じる高周波電界により加速するドリフトチューブ線形加速器において、加速空洞の内面の少なくとも一部であって、複数のドリフトチューブ電極１が互いに対向する対向面１ａ以外の面が、高温超電導材４で形成され、加速空洞を高温超電導材４が超電導特性を発現する温度以下に冷却する冷却手段を備えるようにした。【選択図】図４
2014175279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子ビームを、加速空洞内の上記粒子ビームのビーム進行方向に沿って配置した円筒状の複数のドリフトチューブ電極内部に通過させるとともに、前記複数のドリフトチューブ電極間に生じる高周波電界により加速するドリフトチューブ線形加速器において、前記加速空洞の内面の少なくとも一部であって、前記複数のドリフトチューブ電極が互いに対向する対向面以外の面が、高温超電導材で形成されるとともに、前記加速空洞を前記高温超電導材が超電導特性を発現する温度以下に冷却する冷却手段を備えたことを特徴とするドリフトチューブ線形加速器。
【請求項２】
前記複数のドリフトチューブ電極が互いに対向する対向面は、銅よりも融点が高い金属で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のドリフトチューブ線形加速器。
【請求項３】
前記加速空洞を支持すると共に、前記加速空洞を密封状態に収納する断熱容器と、前記高温超電導材が超電導特性を発現する温度以下の温度に冷却する冷却装置と、この冷却装置と前記加速空洞とを熱的に接続する伝熱性部材とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のドリフトチューブ線形加速器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のドリフトチューブ線形加速器と、
このドリフトチューブ線形加速器から出射される粒子ビームを、さらに加速する円形加速器と、
前記円形加速器から出射される高エネルギ粒子ビームを患者の患部に照射するための照射装置を備えた高エネルギ粒子線治療室と、
前記高エネルギ粒子ビームを前記円形加速器から前記照射装置まで輸送する高エネルギビーム輸送路と、を備えたことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のドリフトチューブ線形加速器と、
このドリフトチューブ線形加速器から出射される粒子ビームを照射することにより中性子を生成するターゲットと、
このターゲットにより生成された中性子のエネルギを低減する減速材と、
この減速材によりエネルギが低減された中性子を患者に照射するための中性子線治療室と、を備えたことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のドリフトチューブ線形加速器と、
このドリフトチューブ線形加速器から出射される粒子ビームを、円形加速器と中性子を生成するターゲットとに分配するビーム分配装置と、
前記円形加速器から出射される高エネルギ粒子ビームを患者の患部に照射するための照射装置を備えた高エネルギ粒子線治療室と、前記高エネルギ粒子ビームを前記円形加速器から前記照射装置まで輸送する高エネルギビーム輸送路と、
前記中性子を生成するターゲットにより生成された中性子を、減速材によりエネルギが低減された中性子を患者に照射するための中性子線治療室と、
を備えたことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項７】
前記ビーム分配装置は、前記ドリフトチューブ線形加速器から出射される粒子ビームを前記円形加速器に１％以下の比率で分配することを特徴とする請求項６に記載の粒子線治療システム。
【請求項８】
前記ドリフトチューブ線形加速器に入射する粒子ビームが、エミッタンスが前記ドリフトチューブ線形加速器のアクセプタンス内である粒子ビームとなるよう選択するビーム選択装置を備えたことを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の粒子線治療システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ドリフトチューブ線形加速器により高エネルギ化された陽子線や炭素線、あるいは中性子線などの粒子線を患者に照射してがんを治療する粒子線治療システム、特に粒子線治療に用いる加速器システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の粒子線がん治療装置は、粒子を線形加速器により予備加速し、その後シンクロトロン円形加速器を用いて、たとえば陽子線の場合、百ＭｅＶ程度から数百ＭｅＶ程度の高エネルギまで用途に応じて到達エネルギを変更して加速し、患者に照射してがん治療を行っている（たとえば、特許文献１）。また、サイクロトロン円形加速器を用いて、たとえば陽子線の場合、数百ＭｅＶ程度の高エネルギまで一度加速し、用途に応じて陽子エネルギをエネルギ調整部により変更して、患者に照射してがん治療を行っている（たとえば、特許文献２）。
【０００３】
一方、中性子線がん治療装置は、サイクロトロンや線形加速器を用いて、陽子線を数ＭｅＶもしくは数十ＭｅＶ程度まで加速し、数ＭｅＶでも２、３ＭｅＶ程度の低いエネルギの場合はリチウムを、数ＭｅＶでも１０ＭｅＶに近いエネルギやそれ以上のエネルギの場合はベリリウムなどのターゲット材に対し加速された陽子線を照射し、２次的に中性子ビームを生成し、減速材等により熱外中性子（〜１０ｋｅＶ）程度までエネルギを落としてから患者に照射してがん治療を行っている（たとえば、特許文献３）。
【０００４】
また、粒子線がん治療装置を用途の違う目的に対しても使用する技術として、たとえば正負イオンを生成するための２台のイオン源を用いて、各々の正負イオンをシンクロトロンで加速後、がん治療のほかにＲＩ製造に使用する提案もある（たとえば、特許文献４）。
【０００５】
一方、特許文献５には、ドリフトチューブ線形加速器を超伝導体で構成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２３４８０５号公報
【特許文献２】特開２０１２−１００９１５号公報
【特許文献３】特開２００８−  ２２９２０号公報
【特許文献４】特開２００１−２１７１００号公報
【特許文献５】特開２００７−３０５４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような粒子線治療装置にあっては、シンクロトロンやサイクロトロンにより数百ＭｅＶ程度の高エネルギまで加速される陽子線を用いて中性子線治療を行う場合にあたっては、加速された陽子線をターゲットに照射して発生する中性子には最大エネルギが陽子線エネルギとほぼ同じ数百ＭｅＶの中性子が混入するため、それらを熱中性子や熱外中性子まで減速するための減速材等は非常に大規模なものとなる。
【０００８】
また、ターゲットとして厚いタングステンを用いると陽子線電流量はたとえばエネルギ１００ＭｅＶでおおよそ０．２ｍＡが必要となる。その場合、大強度の陽子加速器となると現状のところ、サイクロトロンや線形加速器しか解はなく、両者とも施設が非常に大規模なものとなるため、病院に施設して運用することは難しい。
【０００９】
さらに、ドリフトチューブ線形加速器を超伝導体で構成することの開示はあっても、超伝導体でドリフトチューブ線形加速器を構成した場合の問題点は明らかにされていない。
【００１０】
以上のように、従来の粒子線治療装置を用いて中性子線治療を行うことは現実的に難しくという問題点があった。本発明は、超電導材でドリフトチューブ線形加速器を構成した場合の問題点を明らかにし、その問題点を解消することにより、超電導材で構成したドリフトチューブ線形加速器を用いて、陽子線や炭素線などの高エネルギ粒子線治療と中性子線治療を同時に実現する粒子線治療システム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】
【００１１】
本発明は、入射される粒子ビームを、加速空洞内の上記粒子ビームのビーム進行方向に沿って配置した円筒状の複数のドリフトチューブ電極内部を通過させるとともに、複数のドリフトチューブ電極間に生じる高周波電界により加速するドリフトチューブ線形加速器において、加速空洞の内面の少なくとも一部であって、複数のドリフトチューブ電極が互いに対向する対向面以外の面が、高温超電導材で形成され、加速空洞を高温超電導材が超電導特性を発現する温度以下に冷却する冷却手段を備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、冷却装置が小型で、省電力・高電界が達成でき、医療用線形加速器システムが小型化になる。また、同一のシステムにて粒子線/中性子線治療が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の概略構成を示す断面側面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の概略構成を示す上面図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の概略構成を示す断面正面図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器のドリフトチューブ電極の一部を拡大して概念的に示す拡大斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態２によるドリフトチューブ線形加速器のドリフトチューブ電極の一部を拡大して概念的に示す拡大斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態３によるドリフトチューブ線形加速器の構成を示す断面正面図である。
【図７】この発明の実施の形態３によるドリフトチューブ線形加速器の構成を示す外観上面図である。
【図８】この発明の実施の形態４によるドリフトチューブ線形加速器システムの概略構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態４によるドリフトチューブ線形加速器システムのビーム選択装置の機能を説明するための、１粒子の特性を示す位相平面図である。
【図１０】この発明の実施の形態４によるドリフトチューブ線形加速器システムのビーム選択装置の機能を説明するための、１粒子の挙動を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態４によるドリフトチューブ線形加速器システムのビーム選択装置の機能を説明するための、ある粒子ビームの特性を示す位相平面図である。
【図１２】この発明の実施の形態４によるドリフトチューブ線形加速器システムのビーム選択装置の機能を説明するための、別の粒子ビームの特性を示す位相平面図である。
【図１３】この発明の実施の形態４によるドリフトチューブ線形加速器システムのビーム選択装置の機能を説明するための位相平面図である。
【図１４】この発明の実施の形態４によるドリフトチューブ線形加速器システムのビーム選択装置の構成を説明するための概念的な断面図である。
【図１５】この発明の実施の形態５による、ドリフトチューブ線形加速器を用いた粒子線治療システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１６】この発明の実施の形態５による粒子線治療システムのうちの高エネルギ粒子線治療システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１７】この発明の実施の形態５による粒子線治療システムのうちの中性子線治療システムの構成を示す概念図である。
【図１８】この発明の実施の形態５による粒子線治療システムのうちの別の高エネルギ粒子線治療システムの概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の概略構成を示す断面側面図である。図１のドリフトチューブ線形加速器１０は、ＡＰＦ−ＩＨ型線形加速器である。加速空洞６内のビーム軸２０上にドリフトチューブ電極１が複数個配列されている。このドリフトチューブ線形加速器１０はＡＰＦ収束法を適用しているため、ドリフトチューブ電極１の間隔は一様に広がらず、周期を持って広がることが特徴である。加速空洞６内にはリッジ２ａ、２ｂが加速空洞６の上下（もしくは左右）一対設けられる。ドリフトチューブ電極１はステム３により支持され加速空洞６に設置されたリッジ２ａ、２ｂ上に設置される。
【００１５】
本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の構成をさらに詳しく説明する。図２は、本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の外観の上面図である。図１は、図２のＢ−Ｂ位置での断面を示す断面図になっている。また、図３は図２のＡ−Ａ位置での断面を示す断面図である。加速空洞６は、加速ビーム軸方向に一対以上、すなわち２つ以上配列したドリフトチューブ電極１と、２つの半筒管５ａ、５ｂ及び中央板７と、電力供給ポート２５と、電力測定ポート２６と、真空排気ポート２７を備える。ドリフトチューブ電極１は、加速電界が空洞全体にわたり均等に発生させるための土台であるリッジ２ａ、２ｂ上に円柱形もしくは楕円形状のステム３を介して、ビーム軸２０を内包するように位置する。図１および図３において、上側にリッジ２ａと、下側にリッジ２ｂを備える例を示した。なお、リッジの符号は、総括的に２を用い、区別して説明する場合に２ａ、２ｂを用いる。また、半筒管の符号は、総括的に５を用い、区別して説明する場合に５ａ、５ｂを用いる。
【００１６】
ドリフトチューブ電極１のリッジ２に対する位置は、機差が生じないような製作を行う。実施の形態１では、リッジ２と、ステム３と、ドリフトチューブ電極１まですべて同じ材料のブロック銅材からの切り出しにて製作し、中央板７とする。一対の半筒管５ａ、５ｂにて中央板７をはさみ、加速空洞６を形成する。半筒管５は、中央板７に接合する２つの接合部３５ａ、３５ｂと、２つの接合部３５ａ、３５ｂの間を連結する胴部３６を有する。図２および図３に示すように、半筒管５ａ、５ｂと中央板７はねじによって結合されている。また半筒管５ａ、５ｂの接合面となる面にはＯリング溝１１が形成されており、Ｏリング溝１１内に設置されたＯリングにより、半筒管５ａ、５ｂと中央板７は真空封止構造となっている。
【００１７】
ここで、半筒管５ａ、５ｂは、中央板７を立てた状態で左右から挟んでも、中央板７を寝かして上下から挟む形状でも良い。実施の形態１では、ドリフトチューブ電極１の自重によりステム３が反り、ドリフトチューブ電極１の中心軸と加速空洞６の中心軸が異なることがないように、中央板７を立てて左右から一対の半筒管５ａ、５ｂを挟む構造とした。また、一対の半筒管５ａ、５ｂは対称構造が好ましいが、必ずしも対称である必要は無い。また、半筒管５ａ、５ｂは銅やアルミや鉄、ステンレスなどの金属ブロックから削りだしで製作することが好ましい。
【００１８】
図４は、図１のドリフトチューブ電極３個分の部分を拡大して、ドリフトチューブ電極１の部分を斜めから見た斜視図とした、概念的な部分拡大斜視図である。ドリフトチューブ電極１の側面、ステム３の表面、リッジ２の表面、およびその他の加速空洞６内面には、線状のいわゆる高温超電導材料をテープ状に形成した、高温超電導材４が貼り付けられている。高温超電導材料としては、現在のところ線状に形成されたものが実現されているが、将来線状ではない高温超電導材料が実現された場合、高温超電導材４としてその使用を排除するものではない。ドリフトチューブ電極１が互いに対向する対向面１ａには高温超電導材は貼り付けられておらず、対向面１ａは金属面であり、例えば銅で形成されている。高温超電導材とは、一般には−２００℃より高温で超電導特性を発現する材料のことを指し、例えばイットリウム系高温超電導材である。イットリウム系以外の高温超電導材を用いても良いのは言うまでもない。
【００１９】
加速空洞内面が超電導材で構成されたドリフトチューブ線形加速器は、高周波電界を放電限界まで上げることが可能であるが、反面、電界が高いドリフトチューブ電極間で放電が発生する恐れがある。実施の形態１のドリフトチューブ線形加速器は、ドリフトチューブ電極１が互いに対向する対向面１ａは銅で形成されているため、加速空洞６内に高周波電力が供給された際、仮にドリフトチューブ電極１間において放電が発生した場合でも、高温超電導材の結晶の配列が崩されることが無いため安定して加速電界を生成することができる。
【００２０】
加速空洞６内には、電力供給ポート２５から高周波電力が供給され、ドリフトチューブ電極１間に高周波電界が発生する。この高周波電界により、加速空洞６内に入射された荷電粒子が加速される。加速空洞６内に高周波電力が供給されると、加速空洞６の内面には、加速空洞６内に生じる高周波電磁界モードに対応した高周波電流が流れる。本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器では、この高周波電流が流れる部分に高温超電導材４が貼り付けられている。高温超電導材４は、その材料が超電導特性を発現する温度以下では、超電導状態となり、抵抗が限りなく０に近くなる。高温超電導材４の温度を、超電導特性を発現する温度以下に下げるため、加速空洞６を構成する部材に冷却路１５および冷却路１９を設け、この冷却路１５および冷却路１９に液体窒素や液体ヘリウムを流す構成にしている。加速空洞本体、リッジ２、ステム３、ドリフトチューブ電極１など、内面が共振器を構成する部材には銅を用いるのが好ましい。銅は熱伝導が良好な材料のため、冷却路１５および冷却路１９に液体窒素や液体ヘリウムを流すことにより、各部材の表面に貼り付けられた高温超電導材４を冷却することができる。
【００２１】
本実施の形態１における特徴の一つは、ドリフトチューブ線形加速器での消費電力は従来の銅材等により製作されたドリフトチューブ線形加速器に比べ３桁以上小さくなっておればよく、完全な超電導状態である必要は無いことである。その理由を下記に説明する。従来の銅材で製作された加速空洞で消費される電力は数百ｋＷである。そのため、従来は加速空洞にて発生する数百ｋＷの発熱を冷却するために大掛かりな水冷却装置が必要となる課題があった。例えば粒子線治療装置に使用する従来のドリフトチューブ線形加速器は、電力を供給する運転条件を連続運転ではなくパルス運転とし、たとえばduty（運転率）０．１％の繰り返し運転にすることで、実質的に加速空洞で消費される平均電力を数百ｋＷの０．１％である数百Ｗまで減少させている。その結果、従来の線形加速器からの出力瞬間電流量は数十ｍＡではあるものの、出力平均電流量は出力瞬間電流量の０．１％である数十μＡであった。しかし、本実施の形態１におけるドリフトチューブ線形加速器で消費される電力は、連続運転であっても数百Ｗの発熱に削減されるため、十分冷却路１５や冷却路１９に流す液体窒素や液体ヘリウムのみで、高温超電導材４の超電導状態を維持することが可能となる。また、連続運転が可能となることで線形加速器からの出力平均電流量も数十ｍＡが可能となる。
【００２２】
従来の金属系の低温超電導材（たとえばニオブ材）等で製作されたドリフトチューブ線形加速器を使用する場合は、４ケルビン程度以下まで冷却する必要がある。そのため、外部からの熱流入に対する許容量が小さく、直ぐに４ケルビン以上となりクエンチして安定した加速器の運転ができなくなる課題があった。これに対し、本発明の本実施の形態１による高温超電導材を用いた線形加速器では７０ケルビン程度の比較的高温で超電導特性を発現するため、従来の低温超電導材を用いた加速器に比べ、熱流入に対する許容量が大きく安定した運転が可能となる。
【００２３】
さらに、ドリフトチューブ線形加速器に供給する電源に対しても利点がある。従来の低温超電導材を用いた加速器の場合、加速空洞での消費電力は大きくても数百Ｗの微小電力で済むが、加速器内を通過する陽子線に消費する電力量（ビームローディングと呼ぶ）は、たとえば２ＭｅＶから７ＭｅＶまで１０ｍＡの陽子線を加速する場合、最大で５０ｋＷ程度を必要とする。したがって、ビームが通過していない状態では数百Ｗしか供給しないが、ビームが通過するときには５０ｋＷも新たに供給する必要がある。つまり、電源から見たドリフトチューブ線形加速器のインピーダンスがビーム有り無しの場合で大きく異なるためにインピーダンス整合が非常に難しいという課題があった。しかし、本発明では、高温超電導材として、たとえばテープ状に形成した高温超電導材を貼付することで、テープ上は超電導状態で消費電力はほぼゼロに近いが、テープ間には電力が消費されるために加速空洞全体での消費電力は数ｋＷになる可能性がある。したがって、低温超電導材を用いた加速器に比べ、ビーム有り無しでのインピーダンスの変化が小さく、インピーダンス整合器の構造が単純となり、電源容量も、ビームローディング量の１割増し程度の少しの電源容量の増加で済む。
【００２４】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２によるドリフトチューブ線形加速器のドリフトチューブ電極１の部分を斜め側方から見た、概念的な部分拡大斜視図であり、実施の形態１の図４に相当する図である。その他の構成は、図１〜図３と同じである。実施の形態２におけるドリフトチューブ線形加速器は、ドリフトチューブ電極１及び加速空洞６を、高温超電導材４が超電導特性を発現する温度まで冷却する構成に加え、ドリフトチューブ電極１同士の対向面以外に高温超電導材４を備え、かつ、ドリフトチューブ電極１が互いに対向する対向面１ｂは銅よりも融点の高い金属で形成されている。具体的には、実施の形態２におけるドリフトチューブ線形加速器は、中央板７のリッジ２とステム３とドリフトチューブ電極１の電極対向面以外のドリフトチューブ電極１および半筒管５の表面にテープ状の高温超電導材４を貼り付け、ドリフトチューブ電極１対向面１ｂはタングステンで形成したものである。タングステンのほかにチタンも好適な材料の一つである。
【００２５】
ドリフトチューブ線形加速器１０は、真空状態にされた後に、冷却路１５および冷却路１９に液体窒素や液体ヘリウムを流すことによりドリフトチューブ電極１及び半筒管５が、高温超電導材４が超電導特性を発現する極低温状態まで冷却される。その後、電力供給ポート２５から加速空洞６にビームを加速するための電力が供給され、ドリフトチューブ電極１間にビームを加速するための加速電界を発生させてビームを加速する。
【００２６】
実施の形態２のドリフトチューブ線形加速器１０は、ドリフトチューブ電極１と加速空洞６が、上記のように高温超電導材４が超電導特性を現す極低温状態に維持されるため、ドリフトチューブ線形加速器１０における中央板７のリッジ２とステム３とドリフトチューブ電極１電極対向面以外と半筒管５の表面にテープ状の高温超電導材４が超電導特性により表面抵抗が低下するため、消費電力量を低減することができる。
【００２７】
また、実施の形態２のドリフトチューブ線形加速器１０は、ドリフトチューブ電極対向面１ｂには銅よりも融点の高い金属にて構成されている。このため、電力供給ポート２５から加速空洞６にビームを加速するための電力が供給されたさい、仮にドリフトチューブ電極１間にて放電が発生した場合でも電極表面が荒れることは無く、銅よりも高い加速電界を生成することができる。その結果、ドリフトチューブ線形加速器自体をよりコンパクトにすることが可能となる。
【００２８】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３によるドリフトチューブ線形加速器１２の構成を示す断面正面図である。また、図７は、本発明の実施の形態３によるドリフトチューブ線形加速器１２の構成を示す外観上面図である。図６は、図７のＣ−Ｃで示す位置での断面図である。なお、図７では、内部が見えるように一部を切り欠いて示している。本実施の形態３は、加速空洞を構成する部材を冷却する冷却構造が実施の形態１とは別の冷却構造に関する実施の形態である。
【００２９】
本実施の形態３では、中央板７０を半筒管５０ａと半筒管５０ｂとで挟んで、ドリフトチューブ線形加速器本体１００としており、ドリフトチューブ線形加速器本体１００の基本構造は実施の形態１のドリフトチューブ線形加速器１０と同様である。ただし、実施の形態１とは異なり、中央板７０、半筒管５０ａ、半筒管５０ｂには、冷却路は形成されていない。代わりに、ドリフトチューブ線形加速器本体１００を密封状態に収納する断熱容器４０と、ドリフトチューブ線形加速器本体１００を極低温状態まで冷却する冷却装置４２と、冷却装置４２とドリフトチューブ線形加速器本体１００とを接続する伝熱性部材４３とを備えている。また、これらの冷却構造物およびドリフトチューブ線形加速器本体１００を断熱容器４０に支持すると共に、熱流を抑える構造の加速器本体支持部材４１を備えている。
【００３０】
断熱容器４０は、ドリフトチューブ線形加速器本体１００を密封状態に収納して、かつその重さと磁場により発生する力などに抗してドリフトチューブ線形加速器本体１００を支持する。断熱容器４０は、断熱容器胴部４６と、断熱容器胴部４６におけるＺ方向（ビーム軸２０の方向）の開口部を封止する封止板５１と、断熱容器胴部４６の外周に設けられた開口部を封止する封止板５２を有する。封止板５１はねじにより断熱容器胴部４６に固定され、封止板５２はボルト及びナットにより断熱容器胴部４６に固定される。冷却装置４２は、断熱容器胴部４６の外周に設けられた開口部に挿入され、ねじにより断熱容器胴部４６に固定される。断熱容器４０は、その支持部５６が設置台５５にねじにより固定される。なお、断熱容器４０は、図示しない真空封止用のＯリング等を介して封止板５１、５２等が固定され、内部を真空にすることができる。
【００３１】
加速空洞６内部の構成は、実施の形態１または実施の形態２で説明した構成になっている。すなわち、ドリフトチューブ電極１の側面、ステム３の表面、リッジ２の表面、およびその他の加速空洞６内面には、テープ状に形成された高温超電導材が貼り付けられている。ただし、ドリフトチューブ電極１が互いに対向する対向面には高温超電導材は貼り付けられていない。ドリフトチューブ電極１が互いに対向する対向面は、実施の形態１で説明した、ドリフトチューブ電極を構成する材料である銅、あるいは実施の形態２で説明した、タングステンやチタンといった銅よりも融点が高い金属の面となっている。
【００３２】
伝熱性部材４３は、伝熱性の高い材料で形成されており、ドリフトチューブ線形加速器本体１００の中央板７０と冷却装置４２とを接続し、熱を移動させる。伝熱性部材４３は、図６に示すように、中央板７０を挟むように屈曲された屈曲板としている。伝熱性部材４３はねじにより中央板７０に固定される。伝熱性部材４３には開口部４５が形成されており、この開口部４５において冷却装置４２と伝熱性部材４３とが接続される。ドリフトチューブ電極１及び加速空洞６を、高温超電導材が超電導特性を発現する温度以下の低温で冷却するための伝熱性部材４３の材料は、例えば銅である。
【００３３】
断熱容器４０の断熱容器胴部４６には、電力供給ポート２５ｂと電力測定ポート２６ｂと真空排気ポート２７ｂが設けられる。電力供給ポート２５ｂ、電力測定ポート２６ｂ、真空排気ポート２７ｂは、それぞれドリフトチューブ線形加速器本体１００における電力供給ポート、電力測定ポート、真空排気ポートに対応した位置、すなわち、電力供給ポート、電力測定ポート、真空排気ポートの位置がビーム軸２０から放射状に延長した外周領域に設けられる。ただし、真空排気ポート２７ｂは、必ずしも真空排気ポートに対応した位置に設ける必要は無い。
【００３４】
実施の形態３におけるドリフトチューブ線形加速器１２は、ドリフトチューブ電極１及び加速空洞６を、真空排気ポート２７ｂを介して断熱容器４０の内部が真空状態される。さらに、ドリフトチューブ線形加速器本体１００は、真空排気ポート２７ｂ、半筒管５０ａあるいは半筒管５０ｂの部分に設けられた真空排気ポートを介して、ドリフトチューブ線形加速器本体１００の内部及び加速器本体支持部材４１の内部が真空状態にされる。
【００３５】
ドリフトチューブ線形加速器１２は、真空状態にされた後に、冷却装置４２により伝熱性部材４３を経由して高温超電導材４が超電導特性を発現する極低温状態まで冷却される。その後、電力供給ポート２５ｂを経由して、ドリフトチューブ線形加速器本体１００に設けられた電力供給ポートから加速空洞６にビームを加速するための電力が供給され、ドリフトチューブ電極１間にビームを加速するための加速電界を発生させてビームを加速する。
【００３６】
実施の形態３のドリフトチューブ線形加速器１２は、ドリフトチューブ電極１と加速空洞６が、上記のように超超電導特性を発現する極低温状態に維持されるため、ドリフトチューブ線形加速器本体１００における中央板７０のリッジ２とステム３とドリフトチューブ電極１電極対向面以外のドリフトチューブ電極１と半筒管５０ａおよび半筒管５０ｂの表面にテープ状の高温超電導材４が超電導特性により表面抵抗が低下するため、消費電力量を低減することができる。
【００３７】
また、実施の形態３のドリフトチューブ線形加速器１２における、ドリフトチューブ電極対向面は銅あるいは銅よりも融点の高い金属で形成されているため、加速空洞６にビームを加速するための高周波電力が供給されたさい、仮にドリフトチューブ電極１間にて放電が発生した場合でも、イットリウム系高温超電導材の結晶の配列が崩されることが無いため安定して加速電界を生成することができる。高温超電導材の例としてイットリウム系高温超電導材を用いたが、その他の超電導材料を用いても良いのは言うまでもない。
【００３８】
なお、冷却装置４２の振動がドリフトチューブ電極１と加速空洞６に伝わりビーム軸が振動しないように、冷却装置４２と伝熱性部材４３との接合部に振動吸収材もしくは振動吸収構造を保有するのが望ましい。
【００３９】
また、伝熱性部材４３は、図６で示した加速空洞６の片側に配置された片側配置ではなく、加速空洞６の両側に配置された両側配置であるほうが良い。伝熱性部材４３が両側配置である場合の方が、片側配置よりも常温状態と極低温状態との温度差によるビーム軸のずれを緩和することができる。
【００４０】
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４によるドリフトチューブ線形加速器システムの構成を示すブロック図である。ドリフトチューブ線形加速器システムは、陽子線を生成するイオン源６１と、陽子線を数ＭｅＶまで加速するドリフトチューブ線形加速器１０と、ドリフトチューブ線形加速器１０に電力を供給する電源７１と、ドリフトチューブ線形加速器１０を極低温状態まで冷却する冷却システム７２と、イオン源６１からドリフトチューブ線形加速器１０まで陽子線を輸送する低エネルギビーム輸送路６３から構成される。ここでは、ドリフトチューブ線形加速器として実施の形態１や実施の形態２のドリフトチューブ線形加速器１０を用いたが、実施の形態３のドリフトチューブ線形加速器１２を用いても良いのは言うまでもない。
【００４１】
ドリフトチューブ線形加速器１０の入り口には、イオン源６１から引き出された粒子ビームの粒子の内、ドリフトチューブ線形加速器の内部を１００％通過することができる粒子のみを選択するビーム選択装置６９を有する。ドリフトチューブ線形加速器１０として、ＡＰＦ（Alternating Phase Focused）自己収束型ＩＨ（Interdigital-H）型線形加速器を使用することができる。ＡＰＦ自己収束型は磁場によるビーム収束要素を用いない特徴があり、高温超電導材の許容磁場以下の環境下で高温超電導材を使用できる利点がある。
【００４２】
イオン源６１としては、例えば電子サイクロトロン共鳴型（Electron Cyclotron Resonance；ECR）イオン源を使用することができる。低エネルギビーム輸送路６３には、イオン源６１から出力された陽子線をTransverse方向およびLongitudinal方向に収束するための機器から構成される。Transverse方向の収束機器として複数個のソレノイド電磁石、Longitudinal方向の収束機器として高周波四重極（Radio Frequency Quadrupole：RFQ）型
線形加速器が使用できる。
【００４３】
ここで、ビーム選択装置６９の機能を説明する。この説明のために、まず、ビーム特性を表現するエミッタンスについて説明する。図９はTransverse方向をｘ軸とｙ軸の２軸に分解したときの、ｘ軸におけるビーム特性を表現するための位相平面図である。位相平面図は横軸ｘ、縦軸ｘ’とする。ここで、横軸ｘは、１つの陽子の中心軸からの距離を表し、縦軸ｘ’は１つの陽子が進む方向の中心軸に対する角度を意味する。図１０は、図９にプロットした１粒子のｚ軸に対する挙動を模擬したものである。図１１は、あるビーム進行方向軸ｚにおける陽子線における各陽子の位置と進行方向の角度をすべて記載したものである。図１１では、中心軸から離れた位置にある陽子が、さらに中心軸から遠のく方向の角度を持っていることから、発散ビームであることを意味する。図１２は、収束ビームの代表的な位相平面図である。図１３は、図１２に示される収束ビームに対する加速器のアクセプタンスを楕円の外輪にて表したものである。アクセプタンスとは、入射ビームが加速器を１００％通過することができる入射ビーム分布を示している。したがって、ドリフトチューブ線形加速器１０に入射された陽子線が１００％通過するためには、イオン源６１から低エネルギビーム輸送路６３を通過してくる陽子線のうち、ドリフトチューブ線形加速器１０のアクセプタンス外のビームエミッタンスを有する陽子線を排除する必要がある。
【００４４】
図１４は、ビーム選択装置６９の模式図である。ビーム選択装置６９は、ビーム進行方向に配列した開口長を調整可能なスリットとして、第１のスリット８６と、第２のスリット８７から構成される。まず、スリット８６を用いて、開口長を図１３におけるaの位置まで広げる。ここで第１のスリットにて図１３におけるａより小さいビームのみ通過することができる。そして、第２のスリットは角度ｂで表される開口長まで広げることで、角度ｂより小さいビームのみ通過することができる。
【００４５】
ビーム選択装置６９により選択された陽子線はドリフトチューブ線形加速器１０に入射され数ＭｅＶまで加速される。後段のシンクロトロンによっては数ＭｅＶにとどめる必要はなく、シンクロトロンで加速できる電流量が用途に最適になるようにドリフトチューブ線形加速器１０にて加速されるエネルギは決定されればよい。
【００４６】
以上説明したように、実施の形態４によるドリフトチューブ線形加速器システムによれば、ドリフトチューブ線形加速器１０に入射する粒子ビームのエミッタンスのうち、ドリフトチューブ線形加速器１０のアクセプタンス外のビームを排除するビーム選択装置を配置したので、入射された粒子を１００％加速して出射できるドリフトチューブ線形加速器システムが得られる。
【００４７】
実施の形態５．
図１５は、本発明の実施の形態５による、実施の形態１から３で説明したいずれかのドリフトチューブ線形加速器、または実施の形態４で説明したドリフトチューブ線形加速器システムを用いた粒子線治療システムの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態５は、実施の形態１〜３で説明したいずれかのドリフトチューブ線形加速器または実施の形態４で説明したドリフトチューブ線形加速器システムを用いて、陽子線や炭素線などによる高エネルギ粒子線治療と、中性子線による中性子線治療を行う治療システムの実施の形態である。以下の説明では、実施の形態１で説明したドリフトチューブ線形加速器１０を用いたシステム、および粒子ビームとして陽子線を例として説明する。本実施の形態５による粒子線治療システムは、ドリフトチューブ線形加速器１０を用いたドリフトチューブ線形加速器システム６８と、高エネルギ粒子線治療を行うための高エネルギ粒子線治療システム６４と、中性子線治療を行うための中性子線治療システム６５と、ドリフトチューブ線形加速器１０から出力される陽子線を高エネルギ粒子線治療システム６４と中性子線治療システム６５へ分配するビーム分配装置６６と、ドリフトチューブ線形加速器１０からビーム分配装置６６を介して各々の治療システムまで陽子線を輸送する中エネルギビーム輸送路６７から構成される。
【００４８】
図１６は、本発明の実施の形態５による高エネルギ粒子線治療システムの概略構成を示すブロック図である。高エネルギ粒子線治療システム６４は、中エネルギビーム輸送路６７を輸送されてきた陽子線を数百ＭｅＶまで加速するシンクロトロンなどの円形加速器７６と、円形加速器７６により加速された陽子線を高エネルギ粒子線治療室７７まで輸送する高エネルギビーム輸送路７８と、患者に照射するために陽子線の形状を腫瘍形状に成形する照射機器７９を搭載した患者中心に最大３６０度回転する回転ガントリ８０、および高エネルギ粒子線治療室７７から構成される。なお、回転ガントリ８０は高エネルギ粒子線治療システム６４に必須ではなく、一方向から陽子線を照射するポートのみでも良い。
【００４９】
図１７は、本発明の実施の形態４による中性子線治療システム６５の構成を示す概念図である。中性子線治療システム６５は、ドリフトチューブ線形加速器１０からの陽子線を用いて中性子を生成するためのターゲット８１と、ターゲット８１により発生した中性子線ビームから中性子線治療に必要とする熱中性子もしくは熱外中性子までエネルギを落とす減速材８２、および遮蔽壁８３、そして中性子線治療室８４から構成される。
【００５０】
なお、イオン源６１にて生成される陽子線が通過する領域は真空容器に覆われた真空状態であり、高エネルギ粒子線治療システム６４においては、照射機器７９の一部から大気状態になる。また、中性子線治療システム６５においては、減速材８２以降は大気状態である。中エネルギビーム輸送路６７、および高エネルギビーム輸送路７８には、陽子線がTransverse方向に発散し真空容器壁面に衝突することを避けるために、複数個の四重極電磁石が配置される。
【００５１】
図１８は、本実施の形態４における高エネルギ粒子線治療システム６４の変形例による構成図である。シンクロトロンなどの円形加速器７６と各システムにおける高エネルギ粒子線治療室７７、中性子線治療室８４とのレイアウトの関係で、陽子線の進行方向を曲げるために偏向電磁石８５を使用する。図１６に示した高エネルギ粒子線治療システム６４では、治療室は１つであるが、図１８に示すように高エネルギビーム輸送路７８に偏向電磁石８５を配置して、高エネルギビーム輸送路７８を分岐させ、多数の治療室を設けることも可能である。図１５〜図１８における各ビーム輸送路には、ビーム位置等のビーム情報を測定するための測定機器や、ビーム軸を補正するための装置も配置されるが、本願発明には直接関係しないため、図示は省略している。
【００５２】
ドリフトチューブ線形加速器１０より出力された陽子線は、図１５に示すビーム分配装置６６により高エネルギ粒子線治療システム６４、もしくは中性子治療システムに分配される。ビーム分配装置６６として偏向電磁石を用いる。高エネルギ粒子線治療システム６４に陽子線を分配する場合は、磁場を発生させて陽子線を曲げる。中性子線治療システム６５に陽子線を分配する場合は磁場を発生させず偏向電磁石を通過させる。そうすると、たとえば、図１６や図１８に示した高エネルギ粒子線治療システム６４における高エネルギ粒子線治療室７７にて、照射機器７９を通じて患者に陽子線を照射している間に、図１７に示した中性子線治療システム６５における中性子線治療室８４では患者のセットアップが可能となる。また、その逆も可能である。
【００５３】
上記の説明では、ビーム分配装置６６の磁場のOn/OFF操作により、ドリフトチューブ線形加速器１０から出力された陽子線のすべてを各システムどちらかに分配したが、ビーム分配装置６６に発生させる磁場をｄｕｔｙ０．１％程度のパルス状、に発生させて、ドリフトチューブ線形加速器１０から出力した連続ビームの一部のみ高エネルギ粒子線治療システム６４へ分配させてもよい。その場合、高エネルギ粒子線治療システム６４と中性子線治療システム６５を同時に稼動することができる。同時に稼働させるためには、ビーム分配装置６６による高エネルギ粒子線治療システム６４への分配の比率は最大でも１％が好ましい。
【００５４】
従来、がん治療用加速器システムにおいては、粒子線治療装置は陽子線や炭素線といった高エネルギ粒子線による治療のみしか行うことができなかった。しかし、本発明による、加速空洞の内面を高温超電導材で構成したドリフトチューブ線形加速器１０を採用し、ドリフトチューブ線形加速器１０の入り口にビーム選択装置６９を取り入れたドリフトチューブ線形加速器システム６８により、従来は不可能であった、１台のドリフトチューブ線形加速器を用いて高エネルギ粒子線治療と中性子線治療が同時に行える装置が実現できる。
【００５５】
上記の説明では、高エネルギ粒子線治療室７７と中性子線治療室８４を別々に設けたが、ビーム分配装置６６により中性子線治療システム６５に分配した中エネルギビーム輸送路６７を回転ガントリ８０の入り口に接続し回転ガントリ８０に取り外し可能なターゲット８１と、上記ターゲット８１により発生した中性子線ビームから中性子線治療に必要とする熱中性子もしくは熱外中性子までエネルギを落とす減速材８２、および遮蔽壁８３を搭載する、もしくは高エネルギ粒子線治療室７７に接続し、回転ガントリ８０とは別にターゲット８１と、ターゲット８１により発生した中性子線ビームから中性子線治療に必要とする熱中性子もしくは熱外中性子までエネルギを落とす減速材８２、および遮蔽壁８３を設置することで、１つの治療室にて高エネルギ粒子線治療と中性子線治療が可能となる。また、ビーム分配装置６６を上述したパルス運転を行い、回転ガントリ８０とは別にターゲット８１と、ターゲット８１により発生した中性子線ビームから中性子線治療に必要とする熱中性子もしくは熱外中性子までエネルギを落とす減速材８２、および遮蔽壁８３を設置した高エネルギ粒子線治療室７７で使用すると、粒子線と中性子線の同時照射も可能となる。
【００５６】
また、上記では、高エネルギ粒子線治療と中性子線治療の両方を行えるがん治療用加速器システムを示したが、それぞれ単独で高温超電導材により製作されたドリフトチューブ線形加速器１０を採用し、ドリフトチューブ線形加速器１０の入り口にビーム選択装置６９を取り入れたドリフトチューブ線形加速器システム６８を使用してもよい。また、炭素線などの高エネルギ粒子線により治療を行うがん治療用加速器システムに適用しても、省電力でコンパクトなドリフトチューブ線形加速器およびドリフトチューブ線形加速器システムを有するがん治療用加速器システムを得ることができる。
【００５７】
なお、上記各実施の形態では、ドリフトチューブ線形加速器１０としてＩＨ型線形加速器を例にして説明したが、アルバレ型線形加速器であってもよい。
【００５８】
本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１：ドリフトチューブ電極、１ａ、１ｂ：ドリフトチューブ電極の対向面、２、２ａ、２ｂ：リッジ、３：ステム、４：高温超電導材、５、５ａ、５ｂ、５０ａ、５０ｂ：半筒管、６：加速空洞、７、７０：中央板、１０、１２：ドリフトチューブ線形加速器、１５、１９：冷却路、６１：イオン源、６４：高エネルギ粒子線治療システム、６５：中性子線治療システム、６６：ビーム分配装置、６８：ドリフトチューブ線形加速器システム、６９：ビーム選択装置、７６：円形加速器、７７：高エネルギ粒子線治療室、７８：高エネルギビーム輸送路、１００：ドリフトチューブ線形加速器本体
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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