(57)【要約】      （修正有）【課題】強い強度の“冷たいイオンビーム”である低エミッタンスビームを加速・貯蔵・取り出しすることで加速器のコンポーネントを軽量化し、コストの大幅な低減を可能とする低温荷電粒子線治療加速器の提供。【解決手段】低エミッタンスのＥＢＩＳ型イオン源または中空（ｈｏｌｌｏｗ）ビームによる電子ビーム冷却装置６で、ビームサイズを極端に小さくする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子の電離作用により物理的・生物学的特性を利用して主に人体のがん細胞の増加を抑制することで、がんの治療装置にてビームエミッタンスの小さい冷たいイオンビームを用いることで、加速器のコンポーネントの体積を大幅に小さくするイオンビーム供給の方法。
【請求項２】
請求項１において中空のホロー（ｈｏｌｌｏｗ）電子ビームを生成することで、大強度のイオンビームの加速・貯蔵・取り出しを可能にする方法。
【請求項３】
請求項１において入射器ライナックと主加速器シンクロトロンの間にブースターシンクロトロンを挿入することで、炭素イオン治療と陽子線治療を独立の治療室でほぼ同時に可能にする方法。
【請求項４】
請求項１、２、３においてその組み合わせによって、炭素イオンのビーム強度を従来の加速器の１０倍のビーム強度により、治療室の数も１０倍にすることを可能とし、治療装置のコストパーフォーマンスも大幅に向上させる方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】この出願の発明は荷電粒子の電離作用による物理的・生物学的特性を利用して主に人体のがん細胞の増加を抑制することで、がんの治療装置に関する分野である。
【背景技術】
【０００２】陽子や炭素イオンなどの荷電粒子線（以下イオンビームと呼ぶ）には一定以上のビーム断面積をもつ場合ブラッグピークと呼ばれる物理現象がある。これは水や人体などの物質にイオンビームを照射するとそのエネルギーに応じた深さで強いイオン化を起こす現象である。加速器物理学者のＲｏｂｅｒｔ  Ｗｉｌｓｏｎがこのブラッグピークを利用してイオンビームを深部がんに照射すれば外科手術の痛みや抗がん剤の副作用などのない理想的ながんの治療に使えると考えてこれを提案した。  これをうけカリフォルニア大学付属研究所のＬａｕｒｅｎｃｅ  Ｂｅｒｋｌｅｙ研究所の重イオンのシンクロトロン加速器で物理の研究のかたわら治療試験が行われたが、当初期待したほどの成果をだすまえにこの物理の実験装置はシャットダウンされてしまった。このあと日本の高エネルギー物理学研究所（現在の高エネルギー加速器研究機構）の陽子加速器の一部を物理実験のかたわら筑波大学が陽子線治療を行ってその効果が実証した。この陽子線治療とは独立に放射線医学総合研究所はがん治療専用の重粒子線治療装置（ＨＩＭＡＣと呼ばれる）を建設し２００５年はじめには２２００人をこえるがん患者を治療した。その効果は目覚ましいもので他の治療法では困難ながんが炭素イオンでは完治する多数の事例をうることができた。この成果を受けて兵庫県でもＨＩＭＡＣの縮小版を建設して治療が開始された。その後重粒子線はたんにブラッグピークの物理的特性のほかに生物細胞への効果も大きいことがはっきりと認識されてきて、ヨーロッパでもその導入をしようとする国が現れてきた。なかでもドイツがもっとも炭素イオンの効果を明確に理解し、ハイデルブルグ大学でその建設がスタートした。重粒子線の治療効果が優れていることは理論的にもあきらかで臨床においても実証されてきた。これをうけて普及させようという動きが強くなってきたが、装置の巨大さとその価格の高さが大きな障害となっている。このコストとサイズの問題を技術的にどう解決するかが、重粒子線治療の普及への大きな課題であるが国家的プロジェクトがなされているにもかわわらず、この問題を解決する技術案はだれも提案がなされていないのが現状である。本発明によりこの問題を解決する最初の案を開示する。
【文献１】
Ｍ．Ｋｕｍａｄａ  ａｎｄ  Ｖ．Ｖ．Ｐａｒｋｈｏｍｃｈｕｋ，２００５年米国Ｋｎｏｘｖｉｌｌｅでの加速器国際会議で発表予定。２００５年東京での粒子線ワークショプＰＴＣＯＧ４２で発表予定。本発明の科学的論理付けの国外および国内での最初の学術論文と発表。
【文献２】
Ｖ．Ｖ．Ｐａｒｋｈｏｍｃｈｕｋ．Ｎｅｗ  ｉｎｓｉｇｈｔｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃｏｏｌｉｎｇ．Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．，Ａ４４１（２０００）．
本発明で使用される電子冷却装置の学術論文。
【文献３】
Ｄ．Ａ．Ｓｗｅｎｓｏｎ，Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｉｎｊｅｃｔｏｒ  Ｌｉｎａｃｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｔｏｎ  Ｔｈｅｒａｐｙ  Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎｓ，
本発明で使用される入射器の詳細の論文。
【文献４】
Ｃ．Ｂｉｅｔｈ  ｅｔ  ａｌ．，Ｒｅｃｅｎｔ  ｒｅｓｕｌｔｓ  ｗｉｔｈ  ＳＵＰＥＲＮＡＮＯＧＡＮ  ＥＣＲ  ｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  Ｈａｄｒｏｎｔｈｅｒａｐｙ，ＰＡＮＴＥＣＨＮＩＣ，ＩＳＮ  Ｇｒｅｎｏｂｌｅ．
本発明で使用されるエミッタンスの小さいイオン源の販売元。
【文献５】
Ｄ．Ａ  Ｓｗｅｎｓｏｎ“ＢＮＣＴ  Ｎｅｕｔｒｏｎｓ  ｆｒｏｍ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｉｏｎ  Ｉｎｊｅｃｔｏｒ  Ｌｉｎａｃｓ”，ｔｏ  ｂｅｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＰＴＣＯＧ０４．
本発明でオプションで可能となるＢＮＣＴ治療法への入射器ライナックの応用についての学術論文。
【発明の開示】
【０００３】粒子線医療加速器は電子加速器と陽子・重粒子加速器の二種類に分けられる。このうち、本発明で提案しているブラッグピーク（Ｂｒａｇｇ  Ｐｅａｋ）を使ったものは、陽子・重粒子線形加速器（ライナック）と円形加速器に分けられる。ライナックだけで治療に必要なエネルギーにするにはコストが高すぎる。円形加速器はサイクロトロン、ＦＦＡＧ（Ｆｉｘｅｄ  Ｆｉｅｌｄ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ  ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）、シンクロトロンに大別される。このなかではサイクロトロンとＦＦＡＧは炭素イオンの加速をするには規模が大きくなりすぎて重粒子線治療には向いていない。重粒子線治療をより普及させるための解決すべき問題の一つはコスト削減である。コストを削減するには加速器を小型化するか、装置のコンポーネントの価格を下げる必要がある。前者の小型化を実現するためには円形加速器においては偏向電磁石の磁場強度を強くするしかない。ところが通常の電磁石では磁場強度が強くなると磁石材料の電磁石に磁気飽和の現象が起きて、加速器の性能が悪くなってしまいさらに電力の変換効率もおちてしまい不経済になる。現状ではこの具体的な解決案はどこにもない。ところが本発明ではその円形加速器の構成装置部品を大幅にさげることができる。
それは“冷たいイオンビーム”をもつ低温荷電粒子線治療加速器（ＣＢＳ）を実現することで達成される。
【発明が解決しようとした問題】
【０００４】重イオン加速器のコスト削減が解決したい課題であるので円形加速器としてシンクロトロンを想定する。コスト削減には主要構成部品である電磁石を小さくしたい。電磁石の大きさは磁場の強さとイオンビームを加速・蓄積する真空槽を納める磁極空隙（ギャップ）の長さと幅を短くすればよい。つまりイオンビームの大きさを小さくすればよい。イオンビームの大きさは加速器のビーム工学で決められるベータ関数（ツイスパラメター）、分散関数、そして、平衡軌道歪み（Ｃｌｏｓｅｄ  Ｏｒｂｉｔ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ＣＯＤ）等の要素とイオンビーム自身のもつ性質であるビームエミッタンス（ｂｅａｍ  ｅｍｉｔｔａｎｃｅ）とエネルギー広がりで決まってしまう。このｅｍｉｔｔａｎｃｅは通常は小さければ小さいほどよい。イオンシンクロトロンのようにイオン源、入射器、主シンクロトロン、高エネルギービーム輸送系、そしてビーム照射系などのように多段の複合装置の場合、このビームエミッタンスはこれをビームのエネルギーできまる規格化エミッタンスで考えた場合、最初のイオン源の出口できまった値を超えることはない。これは物理の基本法則で決められている。本発明での解決法の第一番目の方法は得られるイオン源のなかでもっともエミッタンスの小さいものを選ぶことである。得られるエミッタンスのもっとも小さいものはＥＢＩＳ型イオン源でこれによって本発明があきららにした装置の低コストかの問題は大幅に軽減される。第二番目の解決法はイオン源からでた後で、ビーム冷却法によって、ビームエミッタンスを減少させることである。これにはｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ  ｃｏｏｌｉｎｇ（統計的冷却法）、レーザー冷却、電子ビーム冷却法などがある。ビーム冷却法はさきのエミッタンス保存法則を人知による巧妙な方法で避けるものである。このうち最も良い方法はＰａｒｋｈｏｍｃｈｕｋの発明したホロービームを使った特殊な電子ビーム冷却法である。その理由は冷却時間が短いことそして大強度のイオンビームを冷却できることである。このホロービーム電子冷却法では縦方向・横方向の両方向のビームエミッタンスの冷却が可能となる。（縦方向は運動量の位相空間の面積で横方向は水平・垂直の位相空間の面積である。）
【発明の効果】
【０００５】本発明でいうところの冷たいイオンビームを発生するＣＢＳを用いることで、加速器の構成要素の大きさを極端に小さくすることが可能となりその結果、装置全体のコストを大幅にさげることができる。ビームエミッタンスの減少量は加速するビーム強度に依存する。たとえば、横方向ビームエミッタンスを１／２５まで冷却した場合は、イオンビームの大きさは水平・垂直方向でそれぞれ１／１０になる。この場合、磁石の空隙は１／５、磁石の横幅も１／５となる。その結果、同じ磁場強度をだすのに必要な電流量は１／５でよいことになる。この場合電磁石の断面積も１／１０程度まで減少できる。その結果、電磁石の重量は１／１０となり、これを励磁する大電力の電磁石の電源は１／５の電力ですむ。このおかげで受変電設備の規模も小さくすることが可能となり、初期コストの軽減に貢献する。典型的な普及型の重粒子シンクロトロンの偏向電磁石電源の電流電圧で４ｋＡ，１．２ｋＶでその電力は４．８ＭＶＡであり、四極電磁石等を含めると磁石関連だけでも５ＭＶＡを超える。シンクロトロンからとりだされたイオンビームはシンクロトロンと同程度かそれ以上の長さの磁石のストリングからなり電力消費量も同等のレベルである。本発明の重粒子イオン装置これらの電力が大幅に減少するので運転維持費で大きな比率を電力代の減少が可能となる。
ＣＢＳの冷たい大強度イオンビームはさらに以下のようなさまざまな利益をもたらす。
（１）イオンビームをとりだすときにビームサイズが小さいことから取り出し装置のギャップを小さくすることが可能となり、従来は困難であった高エネルギーでのビームの取り出しを容易にする。
（２）従来、装置の重量が重すぎて設計と製作が困難であった回転ガントリーの磁石の軽量化を可能にする。
【実施形態】
本出願による発明の低温ビーム粒子線治療加速器（ＣＢＳ）は図１のように実施される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１はビームラインの一部を含めた全体像を示す。全体を構成する各の装置は：  １．イオン源  ２．ＲＦＱ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ）  ３．ＲＦＩ（Ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｎｔｅｒ  ｄｉｇｉｔａｌ）  ４．電子冷却装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃｏｏｌｅｒ）  ５．ブースターシンクロトロン（Ｂｏｏｓｔｅｒ  Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ）  ６．主シンクロトロン  ７．重粒子線ビームライン  等から構成される。イオン源にはふたつのオプションがある。電子冷却なしでもいける場合は冷たい強いイオンビームが得られる完全電離の炭素イオンを発生するＥＢＩＳ型イオン源を使用する。この場合は主加速器に単一ビーム入射法（ｓｉｎｇｌｅ  ｔｕｒｎ  ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）を行う。すなわち主加速器の一サイクルあたりその入射器から一パルス分のイオンビームを打ち込む。電子冷却を使う場合は、ＰＡＮＴＥＣＮＩＣ社製のＳＵＰＥＲＮＡＮＯＧＵＮかあるいは同等品以上の四荷の炭素イオンビームを使用する。これは空間電荷効果を抑制してビーム強度を増加することが目的である。そして一パルスあたり０．１秒程度の時間で電子冷却をして、ビームを細くして、空いた隙間に次のパルスを入射してまた冷却し、このサイクルを繰り返して、約２．５ｘ１０１０／サイクルまでの炭素イオンを入射、加速、蓄積、取り出しを行う。この図１には他の重粒子線シンクロトロンとは異なる構成となっている。それは入射器ライナックと主シンクロトロンのあいだにブースターシンクロトロンがあることである。ブースターシンクロトロンをいれて最終エネルギーでのビーム強度をあげる方法は既知の知見でありこのような構成を採用することで主加速器の空間電荷制限を緩めて性能をあげることを可能としているが、本発明では、炭素イオンビームと陽子線ビームの二種類の加速を主シンクロトロンの一周期の中で行うことを可能にする。本装置では入射器としてライナックシステム社のＲＦＩを導入していることから、ＣＢＳの運転条件で大強度陽子と炭素イオンの加速が可能であり、オプションとして陽子線の治療とさらにもうひとつの有力な夢のがん治療法ＢＮＣＴ（中性子捕獲治療法）を少ない追加予算で可能とする。
【符号の説明】
【０００７】１．イオン源
２．ＲＦＱ
３．ＲＦＩ
４．ブースターシンクロトロン
５．陽子線ビームライン
６．電子冷却装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｏｏｌｅｒ）
７．重粒子線ビームライン
【図１】
2006294575.tif 000003