(57)【要約】【課題】ビーム取り出しの高速ＯＮ／ＯＦＦが可能な環状加速器、ならびにそれを用いた、柔軟な照射に対応可能な粒子線治療システムを提供する。【解決手段】上記課題を解決する本発明の特徴は、周回する荷電粒子ビームを加速・減速する環状加速器２００と、環状加速器を制御する加速器制御装置５０１とを備え、環状加速器２００は、荷電粒子ビームのビーム軌道上に、少なくとも１台の六極電磁場成分発生装置２６と、この六極電磁場成分発生装置２６の設置位置での荷電粒子ビームのビーム軌道を変位させる少なくとも１台の軌道偏向電磁石とを有し、加速器制御装置５００は、六極磁場成分発生装置２６を励磁して環状加速器２００から荷電粒子ビームを取り出している期間に、軌道偏向電磁石の励磁を開始するように制御することにある。【選択図】  図１
2011076819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周回する荷電粒子ビームを加速・減速する環状加速器と、
前記環状加速器を制御する加速器制御装置とを備え、
前記環状加速器は、
前記荷電粒子ビームのビーム軌道上に、少なくとも１台の六極電磁場成分発生装置と、
前記六極電磁場成分発生装置の設置位置での前記荷電粒子ビームのビーム軌道を変位させる少なくとも１台の軌道偏向電磁石とを有し、
前記加速器制御装置は、
前記六極磁場成分発生装置を励磁して前記環状加速器から前記荷電粒子ビームを取り出している期間に、前記軌道偏向電磁石の励磁を開始して前記荷電粒子ビームのビーム軌道を変位するように制御することを特徴とする環状加速器。
【請求項２】
前記六極電磁場成分発生装置が共鳴励起用六極電磁石であり、
前記軌道偏向磁石が入射用バンプ電磁石であり、
前記共鳴励起用六極電磁石は、前記入射用バンプ電磁石が形成したバンプ軌道内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の環状加速器。
【請求項３】
前記共鳴励起用六極電磁石は、第１の入射用バンプ電磁石及び第２の入射用バンプ電磁石の間であって、前記入射用バンプ電磁石が形成したバンプ軌道内に配置されることを特徴とする請求項２に記載の環状加速器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の環状加速器と、
前記環状加速器から出射された前記荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置と、
前記環状加速器と前記照射装置を接続し、加速された前記荷電粒子ビームを前記照射装置に輸送するビーム輸送系とを備えることを特徴とする粒子線治療システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速・減速するための環状加速器と前記環状加速器を用いた粒子線治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の高齢化社会を反映し、がん治療法の一つとして、低侵襲で体に負担が少なく、治療後の生活の質が高く維持できる放射線治療が注目されている。その中でも、環状加速器で加速した陽子や炭素などの荷電粒子ビームを用いた粒子線治療システムが、患部への優れた線量集中性のため特に有望視されている。粒子線治療システムは、イオン源で発生した荷電粒子ビームを光速近くまで加速するシンクロトロンなどの環状加速器と、環状加速器から取り出した荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、患部の位置や形状に合わせて荷電粒子ビームを患者に照射する照射装置を備える。
【０００３】
前記環状加速器において、荷電粒子ビームを構成する各々の粒子はベータトロン振動と呼ばれる中心軌道（設計軌道）のまわりを振動（蛇行）運動しながら周回し、前記高周波加速空胴２５により加速・減速される。１周あたりのこの振動数をチューンと呼び、このチューンの小数部が０（ゼロ），１／２，１／３，…，１／ｎ（ｎは整数）の粒子に対して、それぞれ付加的な二極電磁場，四極電磁場，六極電磁場，…，２ｎ極電磁場が存在した場合、共鳴と呼ばれる現象が発生し、各粒子のベータトロン振動振幅は急速に増大する。多くの場合、前述の付加的な電磁場は誤差電磁場等によるもので、それによるベータトロン振動振幅の増大はビームサイズの増大やビーム損失を引き起こす。一方でこの現象を巧みに利用し制御することにより前記環状加速器からビームを取り出す方法が遅い取り出し法もしくは共鳴取り出し法と呼ばれている取り出し方法である。遅い取り出し法を用いれば、荷電粒子ビームが環状加速器を１周する間にすべてのビームを取り出す速い取り出し法と異なり、複数周にわたってゆっくりと取り出すことができる。取り出したビームは粒子線治療や物理学実験で主に利用されている。
【０００４】
図２，図３を用いて遅い取り出しの原理について三次共鳴を利用した場合を例に説明する。図２は横軸にビームの水平方向チューン，縦軸に垂直方向チューンを示している。ビームのチューンは四極電磁場成分によって制御でき、図中の共鳴の強度・幅（ストップバンド）は前述の付加的な電磁場強度によって制御できる。図３に三次共鳴を利用した遅い取り出しについて、共鳴線とチューンの関係の違いによる位相空間分布を示す。図２中の（Ａ），（Ｃ）に示すチューンの場合、すなわち六極電磁場成分が小さい場合や、共鳴線から十分にチューンが離れている状況では図３（ａ）に示すように粒子は位相空間において１→２→３→４と安定な楕円運動を行う。一方で図２中の（Ｂ）に近い場合には、図３（ｂ）に示すように振幅の小さな粒子は安定に周回するが、振幅の大きな粒子は共鳴現象により周回ごとに急速に振幅が増大する。この安定領域と不安定領域の境界をセパラトリックスと呼び、セパラトリックスの大きさは既述の通りチューンと共鳴の強さの関係によって決定される。遅い取り出しとはこの振幅の増大を利用して、振幅の大きくなったものから順に前記環状加速器から取り出す方法である。
【０００５】
従来、遅い取り出し法において、取り出すビームのＯＮ／ＯＦＦを制御する手段には、前記環状加速器に設置した四極電磁場成分発生装置である四極電磁石を利用するものがある（例えば、特許文献１参照）。これは四極電磁場成分発生装置によってビームに四極磁場成分を作用させることによりチューンを共鳴線から遠ざけ、ビームを共鳴状態から安定周回状態へ、またその逆へ遷移させる方法である。また四極電磁場成分発生装置として、高周波空洞により四極電場を作用させる方法もある（例えば、特許文献２参照）。その他の方法として、高周波を用いた遅い取り出し法においては環状加速器内に設置した出射用高周波装置のＯＮ／ＯＦＦを利用してビームの取り出しをＯＮ／ＯＦＦするものがある。
これは出射用高周波装置で発生させる電場をＯＦＦすることによりビーム振動振幅の増大を停止し、ビーム取り出しを停止する方法である。この方法において、さらに高速にＯＮ／ＯＦＦする目的で、加速用高周波のＯＮ／ＯＦＦとの同期運転を行っているものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３３２７９４号公報
【特許文献２】特開２００５−３５３６１０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“Advanced RF-KO slow-extraction method for the reduction spill ripple”, Nuclear Instruments and Methods in physics Research A 492(2002) 253-263.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、粒子線治療分野において照射した線量の管理、またスポットスキャニングといった観点から、数１０マイクロ秒以下で照射ビームをＯＮ／ＯＦＦする手段が求められている。遅い取り出し法を利用した場合、取り出しビームのＯＮ／ＯＦＦを制御する手段として、特許文献１記載の四極電磁場成分発生装置として環状加速器内に設置した四極電磁石を利用したものがある。しかしながら、環状加速器を構成する一般的な四極電磁石を利用した場合、ビームＯＮ／ＯＦＦに数msの時間を必要とする。さらに高速にビームＯＮ／Ｏ
ＦＦを制御したい場合には特許文献１に記載の高速に動作する四極電磁場成分発生装置を用いる必要があり、加速器の大きさ・コストの抑制が課題であった。また特許文献２では四極電磁場成分発生装置として、電場を利用する方法が記載されているが、この場合であっても新たに空洞を設置する必要があった。その他の方法としては高周波を用いた遅い取り出し法において、環状加速器内に設置した出射用高周波装置を利用してビームＯＮ／ＯＦＦを制御することが可能である。この場合、数１００マイクロ秒でビーム出射を停止することが可能である。さらに高速化を実現する手段として非特許文献１記載の高周波加速空胴との同期運転法が考案されている。この方法では５０マイクロ秒程度での高速ビーム停止を実現している。しかしながら、高周波加速空胴の制御パラメータである電圧を変化させるため、環状加速器内の周回ビームに擾乱を与える。このためビームロス抑制，出射ビーム量制御・タイミング制御等に高度な調整が必要であった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の特徴は、周回する荷電粒子ビームを加速・減速する環状加速器と、環状加速器を制御する加速器制御装置とを備え、環状加速器が、荷電粒子ビームのビーム軌道上に、少なくとも１台の六極電磁場成分発生装置と、六極電磁場成分発生装置の設置位置での荷電粒子ビームのビーム軌道を変位させる少なくとも１台の軌道偏向電磁石とを有し、加速器制御装置が、六極磁場成分発生装置を励磁して環状加速器から荷電粒子ビームを取り出している期間に、軌道偏向電磁石の励磁を開始して荷電粒子ビームのビーム軌道を変位するように制御することにある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、環状加速器からの荷電粒子ビームの取り出しＯＮ／ＯＦＦ制御を高速にできるため、高精度に荷電粒子ビームを出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の好適な一実施例（実施例１）である粒子線治療システムの構成を示したシステム構成図である。
【図２】環状加速器における遅いビーム取り出し法の説明図である。
【図３】環状加速器における遅いビーム取り出し法の説明図である。
【図４】この発明の好適な一実施例（実施例１）である粒子線治療システムに備えられる環状加速器の運転パターンを示す図である。
【図５】この発明の他の実施例（実施例２）である粒子線治療システムに備えられる環状加速器の運転パターンを示す図である。
【図６】この発明の他の実施例（実施例３）である粒子線治療システムに備えられる環状加速器の運転パターンを示す図である。
【図７】スポットスキャニング照射法の説明図である。
【図８】この発明の他の実施例（実施例４）である粒子線治療システムに備えられる環状加速器の運転パターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
以下、図１，図４を用いて、本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムの構成及び動作について説明する。
【００１４】
まず、図１を用いて本実施形態による粒子線治療システム１の全体構成を説明する。粒子線治療システム１は、低エネルギービーム入射系１００，環状加速器２００（例えば、シンクロトロン），ビーム輸送系３００，全体制御装置４００及び加速器制御装置５００を備える。
【００１５】
低エネルギービーム入射系１００は、イオン源１１，前段加速器１２，必要に応じて配置されたビーム輸送系偏向電磁石１３，集束／発散用四極電磁石１４を備える。環状加速器２００は、前段加速器１２で予備加速した荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速した後、加速された荷電粒子ビームを出射する機能を有する。ビーム輸送系３００は、ビーム輸送系偏向電磁石３１及び集束／発散用四極電磁石３２を備え、環状加速器２００から出射された荷電粒子ビームを、患者４１の患部に照射する照射装置３３まで導く機能を有する。全体制御装置４００は、取り出しビームのＯＮ／ＯＦＦを制御する機能を有する。全体制御装置４００が加速器制御装置５００に接続される。
【００１６】
加速器制御装置５００は、入射用バンプ電磁石制御部５０１，共鳴励起用六極電磁石制御部５０２，出射用高周波装置制御部５０３を有し、環状加速器２００を制御する機能を備える。この入射用バンプ電磁石制御部５０１は、入射用バンプ電磁石２２１につながる入射用バンプ電磁石電源２２１Ａ及び入射用バンプ電磁石２２２につながる入射用バンプ電磁石電源２２２Ａに接続され、この入射用バンプ電磁石電源２２１，２２２を制御する。入射用バンプ電磁石制御部５０１が、入射用バンプ電磁石電源２２１Ａから入射用バンプ電磁石２２１に励磁する励磁電流を変更することによって、入射用バンプ電磁石２２１の励磁量を制御する。また、同様に、入射用バンプ電磁石制御部５０１が、入射用バンプ電磁石電源２２２Ａから入射用バンプ電磁石２２２に励磁する励磁電流を変更することによって、入射用バンプ電磁石２２２の励磁量を制御する。共鳴励起用六極電磁石制御部５０２は、共鳴励起用六極電磁石２６につながる共鳴励起用六極電磁石電源２６Ａに接続され、この共鳴励起用六極電磁石電源２６Ａを制御する。共鳴励起用六極電磁石制御部５０２が、共鳴励起用六極電磁石電源２６Ａから共鳴励起用六極電磁石２６に励磁する励磁電流を変更することによって、共鳴励起用六極電磁石２６の励磁量を制御する。出射用高周波装置制御部５０３は、出射用高周波装置２７につながる出射用高周波電源２７Ａに接続され、この出射用高周波電源２７Ａを制御する。出射用高周波装置制御部５０３が、出射用高周波電源２７Ａから出射用高周波装置２７に励磁する励磁電流を制御することによって、出射用高周波装置２７の励磁量を制御する。
【００１７】
環状加速器２００は、前段加速器１２で予備加速した荷電粒子ビームを入射する入射用偏向装置（入射セプタ）２１と、入射の際に、周回軌道をずらすための入射用バンプ電磁石２２１，２２２と、荷電粒子ビームを偏向し一定の軌道上を周回させる偏向電磁石２３と、荷電粒子ビームが広がらないように水平／垂直方向に収束力を与える収束／発散用四極電磁石２４と、高周波加速電圧で荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速するための高周波加速空胴２５と、周回する荷電粒子ビームの振動振幅に対してセパラトリックスを形成する共鳴励起用六極電磁石２６と、高周波電磁場で荷電粒子ビームの振動振幅を増大しセパラトリックスを超えさせて外部に取り出す出射用高周波装置２７と、荷電粒子ビームを出射するために偏向する出射用偏向装置２８を備える。入射用偏向装置２１、入射用バンプ電磁石２２１，２２２，偏向電磁石２３，四極電磁石２４，高周波加速空胴２５，六極電磁石２６，出射用高周波装置２７及び出射用偏向装置２８はビーム軌道に沿って配置される。入射用偏向装置２１が低エネルギービーム入射系１００に接続される。入射用バンプ電磁石２２１と入射用バンプ電磁石２２２は、入射用偏向装置２１を挟んで複数個（本実施例では２台の入射用バンプ電磁石２２１，２２２）が配置されている。共鳴励起用六極電磁石２６は、入射用バンプ電磁石２２１と入射用バンプ電磁石２２２の間に配置される。この共鳴励起用六極電磁石２６は、入射用バンプ電磁石２２１，２２２で生成されるバンプ軌道内であって、この軌道変位が大きい領域に設置されるのが更に良い。これは、共鳴励起用六極電磁石２６による磁場強度とバンプ軌道の軌道変位との積が、チューンを動かす力（図２に示す、ＡからＢに移動させる力）になるためである。本実施例では、図１に示すように、２台の入射用バンプ電磁石２２１，２２２をビーム軌道上に設置する例を示したが、３つ以上の入射用バンプ電磁石装置を設置してもよい。例えば、３つの入射用バンプ電磁石を設置する場合、本実施例の入射用バンプ電磁石２２１と共鳴励起用六極電磁石２６の間のビーム軌道上に配置する構成や、共鳴励起用六極電磁石２６と入射用バンプ電磁石２２２の間に配置する構成が考えられる。このように複数台の入射バンプ電磁石を配置する場合にも、共鳴励起用六極電磁石２６は、複数台の入射バンプ電磁石で生成されるバンプ軌道内であって、この軌道変位が大きい領域に設置されるのが更に良い。出射用偏向装置２８がビーム輸送系３００に接続される。
【００１８】
次に、図４に示す環状加速器２００の運転パターンの一例を用いて、実施例１における環状加速器２００の動作について説明する。
【００１９】
前段加速器１２が荷電粒子ビームを所定のエネルギー（環状加速器２００の入射に必要なエネルギー）まで加速すると、加速された荷電粒子ビームは入射用偏向装置２１を通って環状加速器２００に入射される。多くの荷電粒子ビームを効率良く入射するため、円形加速器２００は２台以上のバンプ電磁石を備える。本実施例では、２つのバンプ電磁石２２１，２２２がバンプ軌道（中心軌道からずれた軌道）を形成し、これを時間的に変化させながら荷電粒子ビームの入射を行う。加速器制御装置５０１が、入射用バンプ電磁石電源２２１Ａ及び入射用バンプ電磁石電源２２２Ａを制御することによって、入射用バンプ電磁石２２１及び入射用バンプ電磁石２２２の励磁量を制御する。入射された荷電粒子ビームは、偏向電磁石２３と四極電磁石２４で安定に周回しながら高周波加速空胴２５により加速される。この際、加速に伴い荷電粒子ビームは曲げにくくなるため、偏向電磁石２３，四極電磁石２４の磁場強度を調整し、周回軌道が一定となるように変化させる。共鳴を励起するための手段である六極電磁石２６は、図１に示すように、複数のバンプ電磁石に挟まれた領域であって入射バンプ電磁石が形成するバンプ軌道内に配置される。これによりバンプ電磁石２２１，２２２を励磁することで、周回ビームに四極磁場成分を作用させチューンの制御が可能となる。
【００２０】
次に、ビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦの手順を以下に示す。図４（ａ）に示すように、荷電粒子ビームが入射，加速，出射，減速を繰り返すように、環状加速器２００は制御されている。円形加速器２００に入射された荷電粒子ビームが所定のエネルギーまで加速された後、動作チューンを図２に示すＢ点付近に設定し、共鳴を励起するための手段である六極電磁石２６の励磁を開始し、図４（ｂ）に示すように励磁することでセパラトリックスが形成され、ビーム出射の準備が完了する。六極電磁石２６を励磁した状態で、全体制御装置４００が、図４（ｃ）に示すように、ビームの出射開始を示す出射開始信号（ＯＮ信号）を加速器制御装置５００に送信すると、加速器制御装置５００は、この出射開始信号に従って、図４（ｄ）に示すように、出射用高周波装置２７をＯＮする。出射用高周波装置２７による高周波印加により荷電粒子ビームの振幅が増大し、セパラトリックスの外側まで拡がった荷電粒子ビームが環状加速器２００から取り出される。全体制御装置４００が出射停止信号（ＯＦＦ信号）を加速器制御装置５００に出力すると、加速器制御装置５００は出射用高周波装置２７への高周波印加を停止（ＯＦＦ）する。それと同時、もしくは所定のタイミングで、加速器制御装置５００は、図４（ｅ）に示すように、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁する。従来、この入射バンプ電磁石は入射時にのみ使用されるもので、出射時に励磁されることはなかった。この入射用バンプ電磁石は、一般的な入射時間である数１００マイクロ秒の間に軌道を変化させるために使用されるもので、その目的から１００〜３００マイクロ秒程度で磁場が立ち上がる高速応答が可能な機器である。本実施例では、荷電粒子ビームを環状加速器２００から出射する時に入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁することにより、周回軌道を中心軌道から高速に変化させることが可能である。その軌道上に設置した共鳴励起用六極電磁石２６と入射用バンプ電磁石２２１，２２２との相互作用により、荷電粒子ビームに対して四極磁場成分を作用させることができる。これによってチューンが共鳴からはずれ、図４（ｆ）に示すようビームの取り出しが停止する。本実施例によれば、環状加速器２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する際、共鳴励起用六極電磁石２６を励磁している期間に、入射用バンプ電磁石２２１，２２２の励磁量を増加させることによって、環状加速器２００から出射される荷電粒子ビームが停止までの時間は上記立ち上り時間の数分の一程度、すなわち数十マイクロ秒まで短縮することができる。
【００２１】
このように軌道を高速制御する手段として、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を使用し、共鳴励起に用いる共鳴励起用六極電磁石２６をそのバンプ軌道内に配置することにより、新たに環状加速器２００に機器を追加することなく、簡便かつ安価にビームの高速出射・停止を実現することができる。これにより、非常時の高速ビーム停止や照射時の不要なビーム照射低減が可能となり、照射精度の向上ならびに計画的な治療が実現できる。
【００２２】
本実施例では、荷電粒子ビームを加速・減速する環状加速器２００が、バンプ軌道を形成する入射用バンプ電磁石（軌道偏向電磁石）と、そのバンプ軌道内に少なくともひとつの共鳴励磁用六極電磁石（六極電磁場成分発生装置）とを有し、励磁中の六極電磁場成分発生装置の位置での周回ビーム軌道を軌道偏向電磁石により変位させることにより、環状加速器のビーム軌道を周回する周回ビームに対して四極電磁場成分を作用させている。これによりビームのチューンを変化させ、不安定領域から安定領域に高速に状態を遷移させることができ、荷電粒子ビームの取り出しを高速にＯＮ／ＯＦＦ制御が可能となる。つまり、本実施例によれば、環状加速器２００からの取り出しビームのＯＮ／ＯＦＦ時間を高速化できる。これによりビームＯＮ／ＯＦＦ時に照射される不要な線量を低減できる環状加速器ならびに粒子線治療システムを提供可能となる。また、ビームＯＮ／ＯＦＦ時間の高速化により時間分解能が向上するため、その他の工業用加速器システム，物理実験用加速器システム等においても有用となる。
【００２３】
本実施例によれば、バンプ軌道を形成する軌道偏向電磁石とそのバンプ軌道内に少なくともひとつの六極電磁場成分発生装置を配置し、励磁中の六極電磁場成分発生装置の位置での周回ビーム軌道を軌道偏向電磁石により変位させることで荷電粒子ビームの取り出しをＯＮ／ＯＦＦ制御することが可能となる。この場合、ビーム取り出しのＯＮ／ＯＦＦを高速に行うには、軌道偏向電磁石を高速化すればよく、同等の応答時間を有する四極電磁場成分発生装置と比較して電極・磁極形状が単純であるため製作が容易であり、電磁場精度の確保も容易である。そのため比較的安価にかつ高精度に荷電粒子ビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦの高速化が実現できる。
【００２４】
本実施例では、図４に示すように、加速器制御装置５００は、共鳴励起用六極電磁石２６に励磁する極性を正（図４（ｂ））、入射用バンプ電磁石２２１，２２２に励磁する極性を正（図４（ｅ））に制御している。つまり、環状加速器２００から出射する荷電粒子ビームを停止する際（図４（ｃ）に示すビームＯＦＦ信号が出力されると）、加速器制御装置５００は、共鳴励起用六極電磁石２６には正の磁場を励磁した状態で、入射用バンプ電磁石２２１，２２２に対しては共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が正になるように磁場を励磁する。本実施例では入射用バンプ電磁石２２１，２２２を正に励磁した場合に共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が正となる場合を示している。このように、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を正に励磁することによって、チューンを共鳴から遠ざけ、環状加速器２００から荷電粒子ビームの出射を停止する。また入射用バンプ電磁石２２１，２２２の励磁を停止することで、チューンは共鳴状態にもどり、環状加速器２００から荷電粒子ビームの出射を開始する。しかし、加速器制御装置５００は、本実施例（図４）と同様のタイミングで、共鳴励起用六極電磁石２６を負の極性に励磁し、及び入射用バンプ電磁石２２１，２２２を共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が負になるように励磁（本実施例とは逆の極性をもつ磁場を励磁）しても良い。このような場合も、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００２５】
実施例１では、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁した場合に取り出しビームがＯＦＦされる（環状加速器２００から出射する荷電粒子ビームを停止する）場合を示したが、本実施例では、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁したときに取り出しビームをＯＮし（環状加速器２００から荷電粒子ビームを出射し）、入射用バンプ電磁石２２１，２２２の励磁を停止したときに取り出しビームをＯＦＦする（環状加速器２００から出射する荷電粒子ビームを停止する）例を示す。
【００２６】
本実施例の環状加速器２００の運転パターンを図５に示す。この場合、共鳴を励起するための手段である六極電磁石２６を励磁するとともに、動作チューンを図２に示すＡ点に設定する。六極電磁石２６を励磁した状態で、全体制御装置４００が、図５（ｃ）に示すように、ビーム出射開始を示す出射開始信号（ＯＮ信号）を加速器制御装置５００に出力すると、加速器制御装置５００は、この出射開始信号に従って、図５（ｄ）に示すように、所定のタイミングで出射用高周波装置２７を制御するとともに、図５（ｅ）に示すように、所定のタイミングで入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁してバンプ軌道を形成し、チューンを図２Ｂ点に近づける。これにより荷電粒子ビームは共鳴状態となり、ベータトロン振動の大きくなったものから順次、環状加速器２００から取り出される。荷電粒子ビームの取り出しを停止する際には、加速器制御装置５００が出射用高周波装置２７を制御して出射用高周波を停止（ＯＦＦ）するとともに、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を制御してバンプ軌道をさげることで、チューンを共鳴から遠ざける。
【００２７】
本実施例によれば、バンプ軌道を形成する軌道偏向電磁石とそのバンプ軌道内に少なくともひとつの六極電磁場成分発生装置を配置し、励磁中の六極電磁場成分発生装置の位置での周回ビーム軌道を軌道偏向電磁石により変位させることで荷電粒子ビームの取り出しをＯＮ／ＯＦＦ制御することが可能となる。ビーム取り出しのＯＮ／ＯＦＦを高速に行うには、軌道偏向電磁石を高速化すればよく、同等の応答時間を有する四極電磁場成分発生装置と比較して電極・磁極形状が単純であるため製作が容易であり、電磁場精度の確保も容易となる。そのため比較的安価にかつ高精度に荷電粒子ビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦの高速化が実現できる。
【００２８】
本実施例によれば、環状加速器２００からの取り出しビームのＯＮ／ＯＦＦ時間を高速化できる。これによりビームＯＮ／ＯＦＦ時に照射される不要な線量を低減できる環状加速器ならびに粒子線治療システムを提供可能となる。また、ビームＯＮ／ＯＦＦ時間の高速化により時間分解能が向上するため、その他の工業用加速器システム、物理実験用加速器システム等においても有用となる。
【００２９】
本実施例によれば、バンプ軌道形成により荷電粒子ビームを共鳴状態に持っていくことで入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁している場合に荷電粒子ビームを取り出し、入射用バンプ電磁石２２１，２２２が非励磁の場合に環状加速器２００から出射する荷電粒子ビーム（出射ビーム）をＯＦＦすることが可能となる。この場合、入射用バンプ電磁石２２１，２２２が励磁中のときのみ環状加速器２００から荷電粒子ビームを出射して患者に照射するため、さらに照射精度が向上する。
【００３０】
本実施例では、図５に示すように、加速器制御装置５００は、共鳴励起用六極電磁石２６に励磁する極性を正（図５（ｂ））、入射用バンプ電磁石２２１，２２２に励磁する極性を負（図５（ｅ））に制御している。つまり、環状加速器２００からの荷電粒子ビームの出射を開始する際（図５（ｃ）に示すビームＯＮ信号が出力されると）、加速器制御装置５００は、共鳴励起用六極電磁石２６には正の磁場を励磁した状態で、入射用バンプ電磁石２２１，２２２に対しては共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が負なるように励磁する。この状態で環状加速器２００から荷電粒子ビームが出射される。また、環状加速器２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する際（図５（ｃ）に示すビームＯＦＦ信号が出力されると）、共鳴励起用六極電磁石２６には正の磁場を励磁した状態で、入射用バンプ電磁石２２１，２２２への励磁を停止することでチューンを共鳴から遠ざける。このように、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が負になるように励磁することによって、チューンを共鳴に近付けることで環状加速器２００からの荷電粒子ビームの出射を開始し、入射用バンプ電磁石２２１，２２２の励磁を停止することで、チューンを共鳴から遠ざけて環状加速器２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する。しかし、加速器制御装置５００は、本実施例（図５）と同様のタイミングで、共鳴励起用六極電磁石２６を負の極性に励磁し、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が正になるように励磁（本実施例とは逆の極性をもつ磁場を励磁）しても良い。このような場合も、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００３１】
実施例１，２では、複数の入射用バンプ電磁石２２１，２２２の間に、共鳴を励起するための手段である六極電磁石２６を設置する例を示したが、本実施例では、この六極電磁石２６に替えてクロマティシティ補正用の六極電磁石等の六極電磁場成分を有する機器（補正用六極電磁石）２６Ａを設置する例を示す。
【００３２】
本実施例の環状加速器２００の運転パターンを図６に示す。補正用六極電磁石２６Ａの典型的な運転パターンは図６（ｇ）に示すように入射から加速終了、取り出しの全期間に渡って励磁される。出射時に、励磁状態の補正用六極電磁石２６Ａと、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を制御してバンプ軌道の変位を制御することで実施例１，２と同様にチューンを変えることができ、荷電粒子ビームを高速にＯＮ／ＯＦＦすることが可能となる。
【００３３】
本実施例によれば、環状加速器２００からの取り出しビームのＯＮ／ＯＦＦ時間を高速化できる。これによりビームＯＮ／ＯＦＦ時に照射される不要な線量を低減できる環状加速器ならびに粒子線治療システムを提供可能となる。また、ビームＯＮ／ＯＦＦ時間の高速化により時間分解能が向上するため、その他の工業用加速器システム、物理実験用加速器システム等においても有用となる。
【００３４】
本実施例によれば、バンプ軌道を形成する軌道偏向電磁石とそのバンプ軌道内に少なくともひとつの補正用六極電磁石２６Ａを配置し、励磁中の補正用六極電磁石２６Ａの位置での周回ビーム軌道を軌道偏向電磁石により変位させることで荷電粒子ビームの取り出しをＯＮ／ＯＦＦ制御することが可能となる。この場合、ビーム取り出しのＯＮ／ＯＦＦを高速に行うには、軌道偏向電磁石を高速化すればよく、同等の応答時間を有する四極電磁場成分発生装置と比較して電極・磁極形状が単純であるため製作が容易であり、電磁場精度の確保も容易である。そのため比較的安価にかつ高精度に荷電粒子ビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦの高速化が実現できる。
【実施例４】
【００３５】
実施例１〜３において、ビーム取り出し時の入射用バンプ電磁石２２１，２２２の励磁回数が１回の場合を示したが、本実施例では、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を複数回ＯＮ／ＯＦＦするように制御する例を示す。本実施例によれば、１回の出射期間で複数のスポットを照射するディスクリートスポットスキャニングと呼ばれる照射法に適用可能となる。
【００３６】
図７を用いてスポットスキャニング照射法について簡単に説明する。図７（ａ）に示すようにビーム照射装置にはビーム輸送系３００で導かれた荷電粒子ビームを患部４２の断面形状に合わせて２次元的に走査させるための手段である水平及び垂直走査電磁石３３ａ，３３ｂ、また必要に応じてビーム電流，形状，位置などを測定する計測器（例えば、ビームモニタ３３ｃ）が備えられている。患部４２は図７（ａ）に示すように、深さ方向に複数層に分割し、図７（ｂ）に示すように、さらに各層を２次元的に分割する。深さ方向には環状加速器（シンクロトロン）２００の取り出しビームのエネルギー変更などで照射ビームのエネルギーを変更して各層を選択的に照射する。各層内では、前記走査電磁石３３ａ，３３ｂで照射ビームを２次元的に走査して各照射スポットＳＰに所定の線量を与える。
【００３７】
次に、本実施例の環状加速器２００の運転パターンを図８に示す。ビーム取り出し開始までは実施例１と同様であるため、ここでは省略する。１つの照射スポットＳＰの線量が満了すると、全体制御装置４００が照射終了信号（ｃ）を加速器制御装置５００に出力し、加速器制御装置５００が出射用高周波装置２７への出射用高周波（ｄ）をＯＦＦ（停止）する。照射終了信号（ｃ）を受信した加速器制御装置５００は、それと同時もしくは所定のタイミングで、（ｅ）入射用バンプ電磁石を励磁する。これにより取り出しビーム（ｆ）がＯＦＦ（停止）できる。取り出しビームをＯＦＦした状態で次の照射スポットに前記走査電磁石３３ａ，３３ｂの設定値を変化させることで移動する。移動後、入射用バンプ電磁石２２１，２２２をＯＦＦすることにより次のスポットＳＰの照射が開始される。
同様にこれらの照射，停止を複数回行うことにより同一層内の複数スポットＳＰの照射を行う。
【００３８】
本実施例によれば、バンプ軌道を形成する軌道偏向電磁石とそのバンプ軌道内に少なくともひとつの六極電磁場成分発生装置を配置し、励磁中の六極電磁場成分発生装置の位置での周回ビーム軌道を軌道偏向電磁石により変位させることで荷電粒子ビームの取り出しをＯＮ／ＯＦＦ制御することが可能となる。この場合、ビーム取り出しのＯＮ／ＯＦＦを高速に行うには、軌道偏向電磁石を高速化すればよく、同等の応答時間を有する四極電磁場成分発生装置と比較して電極・磁極形状が単純であるため製作が容易であり、電磁場精度の確保も容易である。そのため比較的安価にかつ高精度に荷電粒子ビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦの高速化が実現できる。
【００３９】
本実施例によれば、取り出しビームのＯＮ／ＯＦＦ時間を高速化できる。これによりビームＯＮ／ＯＦＦ時に照射される不要な線量を低減できる環状加速器ならびに粒子線治療システムを提供可能となる。さらにビームＯＮ／ＯＦＦを複数回行うことによりスポットスキャニング照射法に適した時間構造をもった取り出しビームを供給できる環状加速器ならびに粒子線治療システムが提供可能となる。またビームＯＮ／ＯＦＦ時間の高速化により時間分解能が向上するため、その他の工業用加速器システム，物理実験用加速器システム等においても有用となる。
【００４０】
本実施例を用いた場合、前述の通り安価かつ簡便に上記のビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦが可能なスポットスキャニング照射を実現できる。この方法では事前に散乱体等を使ってビームを広げ、患部形状に合わせて切り取り照射する方法と比較して、患者の患部を精細に照射することが可能となるため、正常組織への不要な照射を低減でき、高い治療効果を見込むことができる。さらにはビームの利用効率を高めることができるため治療時間を短縮でき、患者の負担を軽減することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  粒子線治療システム
１１  イオン源
１２  前段加速器
１３，３１  ビーム輸送系偏向電磁石
１４，３２  ビーム輸送系収束／発散用四極電磁石
２１  入射用偏向装置（入射セプタ）
２３  偏向電磁石
２４  収束／発散用四極電磁石
２５  高周波加速空胴
２６  共鳴励起用六極電磁石
２６Ａ  共鳴励起用六極電磁石電源
２７  出射用高周波装置
２７Ａ  出射用高周波電源
２８  出射用偏向装置
３３  照射装置
３３ａ  走査電磁石１
３３ｂ  走査電磁石２
３３ｃ  ビームモニタ
４１  患者
４２  患部
５１  制御装置
１００  低エネルギービーム入射系
２００  環状加速器（円形加速器）
２２１，２２２  入射用バンプ電磁石
２２１Ａ，２２２Ａ  入射用バンプ電磁石電源
３００  ビーム輸送系
４００  全体制御装置
５００  加速器制御装置
【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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