(57)【要約】【課題】イオンの引出量を速やかに調整することができるイオン源装置、及び荷電粒子線治療装置を提供する。【解決手段】引出部６３は、本体部６０との間で高周波の電場を形成することで、本体部６０の内部空間Ｓで発生したイオンを内部空間Ｓから引き出す。ここで、バイアス電源６７は、本体部６０にバイアス電圧を印加する。本体部６０と引出部６３との間の電場は、バイアス電圧によって速やかに変調される。これにより、引出部６３は、変調された電場に応じた引出量でイオンを引き出すことができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器の内部に設けられるイオン源装置であって、
内部空間を有する導電性の本体部と、
前記本体部の前記内部空間に配置された陰極と、
前記本体部との間で高周波の電場を形成することで、前記本体部の前記内部空間で発生した前記イオンを前記内部空間から引き出す引出部と、
前記本体部にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、を備える、イオン源装置。
【請求項２】
前記バイアス電源は、前記イオンを前記加速器で加速することによって出射された荷電粒子線の線量を検出する検出部の検出結果に基づいて、前記バイアス電圧を前記本体部に印加する、請求項１に記載のイオン源装置。
【請求項３】
イオンを加速して荷電粒子線を出射する加速器と、
前記加速器の内部に設けられ、前記イオンを供給するイオン源装置と、
被照射体に前記荷電粒子線を照射する照射部と、を備える荷電粒子線治療装置であって、
前記イオン源装置は、
内部空間を有する導電性の本体部と、
前記本体部の前記内部空間に配置された陰極と、
前記本体部との間で高周波の電場を形成することで、前記本体部の前記内部空間で発生した前記イオンを前記内部空間から引き出す引出部と、
前記本体部にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、を備える、荷電粒子線治療装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン源装置、及び荷電粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加速器の内部に設けられるイオン源装置（いわゆる内部イオン源）として、例えば、特許文献１に記載された装置が知られている。特許文献１に記載のイオン源装置は、内部空間を有する導電性の本体部と、本体部の内部空間に配置されたフィラメントと、本体部の内部空間で発生したイオンを内部空間から引き出す引出部と、を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０４９４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のようなイオン源装置で生じたイオンは、加速器で加速されて荷電粒子線として出射される。このような荷電粒子線は、ビーム電流を調整することが求められる場合がある。このため、イオン源装置のイオンの引出量を調整することが求められる場合がある。ここで、イオンの引出量を調整する方法として、本体部内のプラズマ密度の調整を行う方法が挙げられる。しかしながら、プラズマという熱現象を介した制御は、応答性が低く、イオンの引出量の調整に時間がかかるという問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、イオンの引出量を速やかに調整することができるイオン源装置、及び荷電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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係るイオン源装置は、加速器の内部に設けられるイオン源装置であって、内部空間を有する導電性の本体部と、本体部の内部空間に配置された陰極と、本体部の内部空間で発生したイオンを内部空間から引き出す引出部と、本体部にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、を備える。
【０００７】
本発明に係るイオン源装置は、内部空間を有する導電性の本体部と、本体部の内部空間に配置された陰極と、を備えている。従って、本体部は、内部空間にて陰極で電子を発生させ、当該電子からイオンを発生させる。引出部は、本体部との間で高周波の電場を形成することで、本体部の内部空間で発生したイオンを内部空間から引き出す。ここで、バイアス電源は、本体部にバイアス電圧を印加する。本体部と引出部との間の電場は、バイアス電圧によって速やかに変調される。これにより、引出部は、変調された電場に応じた引出量でイオンを引き出すことができる。以上により、イオン源装置は、イオンの引出量を速やかに調整することができる。
【０００８】
イオン源装置において、バイアス電源は、イオンを加速器で加速することによって出射された荷電粒子線の線量を検出する検出部の検出結果に基づいて、バイアス電圧を本体部に印加してよい。これにより、バイアス電源は、荷電粒子線の線量を検出する検出部の検出結果を、印加するバイアス電圧にフィードバックすることができる。これにより、荷電粒子線のビーム電流を速やかに制御することが可能となる。
【０００９】
本発明に係る荷電粒子線治療装置は、イオンを加速して荷電粒子線を出射する加速器と、加速器の内部に設けられ、イオンを供給するイオン源装置と、被照射体に荷電粒子線を照射する照射部と、を備える荷電粒子線治療装置であって、イオン源装置は、内部空間を有する導電性の本体部と、本体部の内部空間に配置された陰極と、本体部との間で高周波の電場を形成することで、本体部の内部空間で発生したイオンを内部空間から引き出す引出部と、本体部にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、を備える。
【００１０】
この荷電粒子線治療装置によれば、上述のイオン源装置と同様な作用・効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、イオンの引出量を速やかに調整することができるイオン源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るイオン源装置が採用される荷電粒子線治療装置を示す概略構成図である。
【図２】図１の荷電粒子線治療装置の照射部付近の概略構成図である。
【図３】腫瘍に対して設定された層を示す図である。
【図４】加速器の概略断面図である。
【図５】イオン源装置の概略構成図である。
【図６】（ａ）は、イオン源における電子の発生を説明するための図であり、（ｂ）は、イオン源における電子の運動を説明するための図である。
【図７】（ａ）は、イオン源における電子の衝突を説明するための図であり、（ｂ）は、イオン源における水素イオンの発生を説明するための図である。
【図８】（ａ）は、バイアス電圧を印加せず、引出電圧のみが印加されたときの電場を示すグラフであり、（ｂ）は、プラスのバイアス電圧が印加されたときの電場を示すグラフであり、（ｃ）は、マイナスのバイアス電圧が印加されたときの電場を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態に係るイオン源装置について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係るイオン源装置５０が採用される荷電粒子線治療装置１を示す概略構成図である。荷電粒子線治療装置１は、放射線療法によるがん治療等に利用される装置である。荷電粒子線治療装置１は、イオンを生成するイオン源装置５０と、イオン源装置５０で生成した荷電粒子を加速して荷電粒子線として出射する加速器３と、荷電粒子線を被照射体へ照射する照射部２と、加速器３から出射された荷電粒子線を照射部２へ輸送するビーム輸送ライン２１と、を備えている。照射部２は、治療台４を取り囲むように設けられた回転ガントリ５に取り付けられている。照射部２は、回転ガントリ５によって治療台４の周りに回転可能とされている。
【００１５】
図２は、図１の荷電粒子線治療装置の照射部付近の概略構成図である。なお、以下の説明においては、「Ｘ軸方向」、「Ｙ軸方向」、「Ｚ軸方向」という語を用いて説明する。「Ｚ軸方向」とは、荷電粒子線Ｂの基軸ＡＸが延びる方向であり、荷電粒子線Ｂの照射の深さ方向である。なお、「基軸ＡＸ」とは、後述の走査電磁石６で偏向しなかった場合の荷電粒子線Ｂの照射軸とする。図２では、基軸ＡＸに沿って荷電粒子線Ｂが照射されている様子を示している。「Ｘ軸方向」とは、Ｚ軸方向と直交する平面内における一の方向である。「Ｙ軸方向」とは、Ｚ軸方向と直交する平面内においてＸ軸方向と直交する方向である。Ｚ軸方向が請求項における照射軸方向に対応し、Ｘ軸方向が請求項における第１方向に該当し、Ｙ軸方向が請求項における第２方向に該当するものとする。
【００１６】
まず、図２を参照して、本実施形態に係る荷電粒子線治療装置１の概略構成について説明する。荷電粒子線治療装置１はスキャニング法に係る照射装置である。なお、スキャニング方式は特に限定されず、ラインスキャニング、ラスタースキャニング、スポットスキャニング等を採用してよい。図２に示されるように、荷電粒子線治療装置１は、加速器３と、照射部２と、ビーム輸送ライン２１と、制御部７と、を備えている。
【００１７】
加速器３は、荷電粒子を加速して予め設定されたエネルギーの荷電粒子線Ｂを出射する装置である。加速器３として、例えば、サイクロトロン、シンクロサイクロトロン、ライナック等が挙げられる。なお、加速器３として予め定めたエネルギーの荷電粒子線Ｂを出射するサイクロトロンを採用する場合、エネルギー調整部２０を採用することで、照射部２へ送られる荷電粒子線のエネルギーを調整（低下）させることが可能となる。この加速器３は、制御部７に接続されており、供給される電流が制御される。加速器３で発生した荷電粒子線Ｂは、ビーム輸送ライン２１によって照射部２へ輸送される。ビーム輸送ライン２１は、加速器３と、エネルギー調整部２０と、照射部２と、を接続し、加速器３から出射された荷電粒子線を照射部２へ輸送する。
【００１８】
照射部２は、患者１５の体内の腫瘍（被照射体）１４に対し、荷電粒子線Ｂを照射するものである。荷電粒子線Ｂとは、電荷をもった粒子を高速に加速したものであり、例えば陽子線、重粒子（重イオン）線、電子線等が挙げられる。具体的に、照射部２は、イオン源（不図示）で生成した荷電粒子を加速する加速器３から出射されてビーム輸送ライン２１で輸送された荷電粒子線Ｂを腫瘍１４へ照射する装置である。照射部２は、走査電磁石６、四極電磁石８、プロファイルモニタ１１、ドーズモニタ１２、ポジションモニタ１３ａ，１３ｂ、コリメータ４０、及びディグレーダ３０を備えている。走査電磁石６、各モニタ１１，１２，１３ａ，１３ｂ、四極電磁石８、及びディグレーダ３０は、収容体としての照射ノズル９に収容されている。このように、照射ノズル９に各主構成要素を収容することによって照射部２が構成されている。なお、四極電磁石８、プロファイルモニタ１１、ドーズモニタ１２、ポジションモニタ１３ａ，１３ｂ、及びディグレーダ３０は省略してもよい。
【００１９】
走査電磁石（スキャニング部）６は、Ｘ軸方向走査電磁石６ａ及びＹ軸方向走査電磁石６ｂを含む。Ｘ軸方向走査電磁石６ａ及びＹ軸方向走査電磁石６ｂは、それぞれ一対の電磁石から構成され、制御部７から供給される電流に応じて一対の電磁石間の磁場を変化させ、当該電磁石間を通過する荷電粒子線Ｂを走査する。走査電磁石６によってＸ軸方向走査電磁石６ａは、Ｘ軸方向に荷電粒子線Ｂを走査し、Ｙ軸方向走査電磁石６ｂは、Ｙ軸方向に荷電粒子線Ｂを走査する。これらの走査電磁石６は、基軸ＡＸ上であって、加速器３よりも荷電粒子線Ｂの下流側にこの順で配置されている。なお、走査電磁石６は、治療計画装置１００で予め計画された走査経路で荷電粒子線Ｂが照射されるように、荷電粒子線Ｂを走査する。
【００２０】
四極電磁石８は、Ｘ軸方向四極電磁石８ａ及びＹ軸方向四極電磁石８ｂを含む。Ｘ軸方向四極電磁石８ａ及びＹ軸方向四極電磁石８ｂは、制御部７から供給される電流に応じて荷電粒子線Ｂを絞って収束させる。Ｘ軸方向四極電磁石８ａは、Ｘ軸方向において荷電粒子線Ｂを収束させ、Ｙ軸方向四極電磁石８ｂは、Ｙ軸方向において荷電粒子線Ｂを収束させる。四極電磁石８に供給する電流を変化させて絞り量（収束量）を変化させることにより、荷電粒子線Ｂのビームサイズを変化させることができる。四極電磁石８は、基軸ＡＸ上であって加速器３と走査電磁石６との間にこの順で配置されている。なお、ビームサイズとは、ＸＹ平面における荷電粒子線Ｂの大きさである。また、ビーム形状とは、ＸＹ平面における荷電粒子線Ｂの形状である。
【００２１】
プロファイルモニタ１１は、初期設定の際の位置合わせのために、荷電粒子線Ｂのビーム形状及び位置を検出する。プロファイルモニタ１１は、基軸ＡＸ上であって四極電磁石８と走査電磁石６との間に配置されている。ドーズモニタ１２は、荷電粒子線Ｂの線量を検出する。ドーズモニタ１２は、基軸ＡＸ上であって走査電磁石６に対して下流側に配置されている。ポジションモニタ１３ａ，１３ｂは、荷電粒子線Ｂのビーム形状及び位置を検出監視する。ポジションモニタ１３ａ，１３ｂは、基軸ＡＸ上であって、ドーズモニタ１２よりも荷電粒子線Ｂの下流側に配置されている。各モニタ１１，１２，１３ａ，１３ｂは、検出した検出結果を制御部７に出力する。
【００２２】
ディグレーダ３０は、通過する荷電粒子線Ｂのエネルギーを低下させて当該荷電粒子線Ｂのエネルギーの微調整を行う。本実施形態では、ディグレーダ３０は、照射ノズル９の先端部９ａに設けられている。なお、照射ノズル９の先端部９ａとは、荷電粒子線Ｂの下流側の端部である。
【００２３】
コリメータ４０は、少なくとも走査電磁石６よりも荷電粒子線Ｂの下流側に設けられ、荷電粒子線Ｂの一部を遮蔽し、一部を通過させる部材である。ここでは、コリメータ４０は、ポジションモニタ１３ａ，１３ｂの下流側に設けられている。コリメータ４０は、当該コリメータ４０を移動させるコリメータ駆動部４１と接続されている。
【００２４】
制御部７は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等により構成されている。この制御部７は、各モニタ１１，１２，１３ａ，１３ｂから出力された検出結果に基づいて、加速器３、走査電磁石６、四極電磁石８、及びコリメータ駆動部５１を制御する。
【００２５】
また、荷電粒子線治療装置１の制御部７は、荷電粒子線治療の治療計画を行う治療計画装置１００と接続されている。治療計画装置１００は、治療前に患者１５の腫瘍１４をＣＴ等で測定し、腫瘍１４の各位置における線量分布（照射すべき荷電粒子線の線量分布）を計画する。具体的には、治療計画装置１００は、腫瘍１４に対して治療計画マップを作成する。治療計画装置１００は、作成した治療計画マップを制御部７へ送信する。治療計画装置１００が作成した治療計画マップでは、荷電粒子線Ｂがどのような走査経路を描くかが計画されている。
【００２６】
スキャニング法による荷電粒子線の照射を行う場合、腫瘍１４をＺ軸方向に複数の層に仮想的に分割し、一の層において荷電粒子線を治療計画において定めた走査経路に従うように走査して照射する。そして、当該一の層における荷電粒子線の照射が完了した後に、隣接する次の層における荷電粒子線Ｂの照射を行う。
【００２７】
図２に示す荷電粒子線治療装置１により、スキャニング法によって荷電粒子線Ｂの照射を行う場合、通過する荷電粒子線Ｂが収束するように四極電磁石８を作動状態（ＯＮ）とする。
【００２８】
続いて、加速器３から荷電粒子線Ｂを出射する。出射された荷電粒子線Ｂは、走査電磁石６の制御によって治療計画において定めた走査経路に従うように走査される。これにより、荷電粒子線Ｂは、腫瘍１４に対してＺ軸方向に設定された一の層における照射範囲内を走査されつつ照射されることとなる。一の層に対する照射が完了したら、次の層へ荷電粒子線Ｂを照射する。
【００２９】
制御部７の制御に応じた走査電磁石６の荷電粒子線照射イメージについて、図３（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）は、深さ方向において複数の層に仮想的にスライスされた被照射体を、図３（ｂ）は、深さ方向から見た一の層における荷電粒子線の走査イメージを、それぞれ示している。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、被照射体は照射の深さ方向において複数の層に仮想的にスライスされており、本例では、深い（荷電粒子線Ｂの飛程が長い）層から順に、層Ｌ１、層Ｌ２、…層Ｌｎ−１、層Ｌｎ、層Ｌｎ＋１、…層ＬＮ−１、層ＬＮとＮ層に仮想的にスライスされている。また、図３（ｂ）に示すように、荷電粒子線Ｂは、走査経路ＴＬに沿ったビーム軌道を描きながら、連続照射（ラインスキャニング又はラスタースキャニング）の場合は層Ｌｎの走査経路ＴＬに沿って連続的に照射され、スポットスキャニングの場合は層Ｌｎの複数の照射スポットに対して照射される。すなわち、制御部７に制御された照射部２から出射した荷電粒子線Ｂは、走査経路ＴＬ上を移動する。
【００３１】
次に、図４〜図７を参照して、イオン源装置５０について詳細に説明する。図４は、加速器３の概略断面図である。加速器３としてサイクロトロンが例示されている。図４に示すように、イオン源装置５０は、円盤形状の加速器３の中心に位置しており、加速器３の中心軸Ｃに沿って延在する柱状の支持体５３によって支持されている。
【００３２】
加速器３は、中心軸Ｃを中心として配置された円環状のコイル５４と、コイル５４の空芯部位に配置されたＲＦキャビティ５５と、中空のヨーク５７と、制御部７と、を備えている。ヨーク５７は、磁性体の金属からなる中空の円盤型ブロックであり、内部にコイル５４及びＲＦキャビティ５５が配置されている。
【００３３】
加速器３は、コイル５４に電流を供給して強力な磁場（矢印Ｂ）を生じさせることにより、イオン源装置５０から供給されるイオンをＲＦキャビティ５５の内部の空間Ｇで加速させ、荷電粒子線を出力する。強力な磁場とは、例えば１Ｔ［テスラ］以上の磁場である。加速器３の内部では、例えば１Ｔ〜１０Ｔ程度の磁場が形成される。
【００３４】
図５は、イオン源装置５０の概略構成図である。図５に示すように、イオン源装置５０は、本体部６０と、フィラメント６１と、引出部６３と、フィラメント電源６４と、アーク電源６６と、バイアス電源６７と、引出電源６８と、制御部７と、を備える。なお、フィラメント電源６４、アーク電源６６、バイアス電源６７、引出電源６８、及び制御部７は、ヨーク５７の外部に設けられる。なお、本実施形態では、熱陰極方式のイオン源装置を例示している。ただし、電界方式によるイオン源装置を採用してもよく、その場合は陰極として冷陰極が用いられる。
【００３５】
本体部６０は、内部空間Ｓを有する導電性の部材である。本体部６０は、内部空間Ｓにてイオンを発生させる部材である。本体部６０のより詳細な構成については、図６及び図７を参照してより詳細に説明する。
【００３６】
フィラメント６１は、本体部６０の内部空間Ｓに配置された部材である。フィラメント６１は、電流を流して発熱させることにより、本体部６０の内部空間Ｓに電子（熱電子）ｅを放出するための部材である。フィラメント６１は、例えばＴａ（タンタル）製の金属板から構成され、金属板を湾曲させて形成されている。具体的には、フィラメント６１は、一枚の金属板を下向きに開口するように湾曲させて形成されている。
【００３７】
引出部６３は、本体部６０の内部空間Ｓで発生したイオンを内部空間Ｓから引き出す電極である。引出部６３は、本体部６０から外部へ離間して配置される。引出部６３は、本体部６０のスリット６０ａ（後述）と対向するように離間して配置される。
【００３８】
フィラメント電源６４は、フィラメント６１に電流を供給する電源である。アーク電源６６は、本体部６０とフィラメント６１との間にアーク電圧を印加する電源である。バイアス電源６７は、本体部６０にバイアス電圧を印加する電源である。フィラメント電源６４は交流の電源であり、アーク電源６６及びバイアス電源６７は、直流の電源である。
【００３９】
フィラメント電源６４は、配線Ｌ１を介してフィラメント６１の一方の端部に接続され、配線Ｌ２を介してフィラメント６１の他方の端部に接続される。アーク電源６６に接続される配線Ｌ３は、配線Ｌ２に接続される。従って、アーク電源６６は、配線Ｌ３及び配線Ｌ２を介してフィラメントの端部に接続される。バイアス電源６７に接続される配線Ｌ５は、配線Ｌ４に接続される。従って、バイアス電源６７は、配線Ｌ５及び配線Ｌ４を介して本体部６０に接続され、配線Ｌ６を介してグランドに接地される。
【００４０】
引出電源６８は、引出部６３に引出電圧を印加する電源である。引出電源６８は、高周波の電源である。従って、引出電源６８は、引出部６３と本体部６０との間に高周波電場を形成する。引出電源６８は、配線Ｌ７を介して引出部６３に接続される。
【００４１】
制御部７は、フィラメント電源６４、アーク電源６６、バイアス電源６７及び引出電源６８を制御する。制御部７は、各電源の起動のタイミングを制御することができる。また、制御部７は、荷電粒子線の線量を検出するドーズモニタ１２（図２参照）に接続されている。制御部７は、ドーズモニタ１２の検出量が一定となるように、バイアス電圧に対してフィードバックすることができる。従って、バイアス電源６７は、荷電粒子線の線量を検出するドーズモニタ（検出部）１２の検出結果に基づいて、バイアス電圧を本体部６０に印加することができる。
【００４２】
図６及び図７は、イオン源装置５０の本体部６０周辺の構成及び動作を説明するための概略図である。まず、図６（ａ）を参照して本体部６０の構成についてより詳細に説明する。なお、以下の説明においては、イオンとして水素イオンを発生する場合の例について説明する。
【００４３】
図６（ａ）に示されるように、本体部６０は、上端が閉じられた導電性の円筒部材である。本体部６０内の上端側には、アンチカソード６２が配置されている。本体部６０の下端側は開口しており、下端側から挿入されてフィラメント６１が配置されている。
【００４４】
本体部６０の側面には、水素イオン（プロトン）Ｈ＋を引き出すためのスリット１０ａが形成されている。スリット１０ａから引き出された水素イオンＨ＋は、本体部６０の周りを回転する軌道を進みながら加速する。本体部６０は、水素イオンＨ＋の回転軌道に応じて、スリット１０ａの位置する中腹部分がくびれた形状に形成されている。なお、本体部６０の形状は上述したものに限られない。
【００４５】
アンチカソード６２は、本体部６０内に電子ｅを維持するための電極である。アンチカソード６２は、本体部６０内において磁場方向でフィラメント６１と対向するように配置され、図示しない環状の絶縁体を介して本体部６０に固定されている。アンチカソード６２は、フィラメント６１との間で電子ｅを磁場方向に往復運動させることで、本体部６０内に電子ｅを維持する。
【００４６】
また、イオン源装置５０の外部には、本体部６０内に水素ガスを導入するための水素タンク６５が設けられている（図７（ｂ）参照）。水素タンク６５はヨーク５７の外部に配置されており、支持体５３の内部を通じて本体部６０内に水素ガスが導入される。
【００４７】
次に、イオン源装置５０におけるイオンの発生について説明する。図６（ａ）は、イオン源装置５０における電子ｅの発生を説明するための図である。図６（ａ）に示されるように、まず、イオン源装置５０では、制御部７がフィラメント電源６４を制御してフィラメント６１に電流を供給する。フィラメント６１は、電流の供給により発熱し、先端の湾曲部６１ａ等から電子（熱電子）ｅを放出する。
【００４８】
図６（ｂ）は、イオン源装置５０における電子ｅの運動を説明するための図である。制御部７は、アーク電源６６を制御して本体部６０とフィラメント６１との間に電圧（アーク電圧）を印加する。これにより、フィラメント６１から放出された電子ｅは本体部６０に引き寄せられるが、イオン源装置５０の内外にはコイル５４によって生成された強力な磁場が存在するので、電子ｅは磁場に捕らわれて磁場方向（矢印Ｂの方向）に加速しながら運動する。
【００４９】
図７（ａ）は、イオン源装置５０における電子ｅの衝突を説明するための図である。図７（ａ）に示されるように、イオン源装置５０では、矢印Ｂの方向に運動する電子ｅがアンチカソード６２に衝突することで、アンチカソード６２から新たな電子ｅが発生する。アンチカソード６２から発生した電子ｅは、磁場方向に沿って矢印Ｂと反対の向きに加速しながら運動する。このようにして電子ｅは、フィラメント６１とアンチカソード６２との間を往復運動する。
【００５０】
図７（ｂ）は、イオン源における水素イオンの発生を説明するための図である。図７（ｂ）に示されるように、イオン源装置５０では、本体部６０の内部空間Ｓにて電子ｅが往復運動している状態で、水素ガスを水素タンク６５から本体部６０の内部空間Ｓに導入する。制御部７は、水素ガスの導入も制御する。これにより、本体部６０内では、電子ｅと水素分子Ｈ２との衝突により、水素イオンＨ＋が生成され、水素イオンＨ＋と電子ｅとが混在するプラズマＰが発生する。
【００５１】
制御部７は、引出電源６８を制御して引出部６３に引出電圧を印加する。本体部６０と引出部６３との間に高周波電場が形成される。
【００５２】
引出部６３は、引出電圧が印加されることで本体部６０内のプラズマＰの中から水素イオンＨ＋を引き出す。水素イオンＨ＋はスリット１０ａを通じて引き出され、本体部６０の周囲を回転しながら加速される。加速器３は、引出部６３によって本体部６０内から連続的に引き出された水素イオンＨ＋を、磁場及び電場によって加速することで荷電粒子線を形成する。
【００５３】
ここで、本体部６０、フィラメント電源６４、アーク電源６６などの構成要素は、電気的に浮いた状態となっている。「浮いた状態」とは、詳細には、接地されずに電位を印加されている状態であることを意味する。本体部６０などの構成要素は周辺の構造物に対して絶縁された状態で配置されており、且つ、構成要素とグランドとの間にバイアス電源６７が設けられていることで、構成要素が電気的に浮いた状態となっている。このような構成要素に対し、制御部７は、バイアス電源６７を制御してバイアス電圧を付与する。バイアス電圧は約０〜±５ｋＶの範囲で調整可能である。このように、電気的に浮いた状態の構成要素にバイアス電圧が印加されることで、本体部６０と引出部６３との間の電場を変調させることができる。
【００５４】
例えば、図８に本体部６０と引出部６３との間の電場と時間の関係を示すグラフである。図８（ａ）は、バイアス電圧を印加せず、引出電圧のみが印加されたときの電場を示す。図８（ｂ）は、プラスのバイアス電圧が印加されたときの電場を示す。図８（ｃ）は、マイナスのバイアス電圧が印加されたときの電場を示す。各図において、本体部６０からイオンが引き出される引出タイミングは「Ｔ」で示されている。図８（ｂ）に示すように、本体部６０にプラスのバイアス電圧が印加されると、引出タイミングＴにおける電場が高くなる。図８（ｃ）に示すように、本体部６０にマイナスのバイアス電圧が印加されると、引出タイミングＴにおける電場が低くなる。
【００５５】
図８（ｂ）に示す状態では、図８（ａ）の状態よりも電場強度が上昇し、引出タイミングＴが延長される。これにより、イオンの引出量を増加させることができる。その結果、荷電粒子線のビーム電流を増大させることができる。図８（ｃ）に示す状態では、図８（ａ）の状態よりも電場強度が低下し、引出タイミングＴが短くなる。これにより、イオンの引出量を低下させることができる。その結果、荷電粒子線のビーム電流を低下させることができる。
【００５６】
制御部７は、ドーズモニタ１２によって荷電粒子線の線量の低下を検出した場合、プラスのバイアス電圧を印加することで、荷電粒子線のビーム電流を増大させ、ドーズモニタ１２の検出量が一定となるように制御できる。制御部７は、ドーズモニタ１２によって荷電粒子線の線量の増加を検出した場合、マイナスのバイアス電圧を印加することで、荷電粒子線のビーム電流を低下させ、ドーズモニタ１２の検出量が一定となるように制御できる。制御部７は、ドーズモニタ１２の検出量に応じて、バイアス電圧の印加をＯＦＦとするタイミングも、適宜制御する。
【００５７】
次に、本実施形態に係るイオン源装置５０の作用・効果について説明する。
【００５８】
本実施形態に係るイオン源装置５０は、内部空間Ｓを有する導電性の本体部６０と、本体部６０の内部空間Ｓに配置されたフィラメント６１と、を備えている。従って、本体部６０は、内部空間Ｓにてフィラメント６１で電子を発生させ、当該電子からイオンを発生させる。引出部６３は、本体部６０との間で高周波の電場を形成することで、本体部６０の内部空間Ｓで発生したイオンを内部空間Ｓから引き出す。ここで、バイアス電源６７は、本体部６０にバイアス電圧を印加する。本体部６０と引出部６３との間の電場は、バイアス電圧によって速やかに変調される。これにより、引出部６３は、変調された電場に応じた引出量でイオンを引き出すことができる。以上により、イオン源装置５０は、イオンの引出量を速やかに調整することができる。
【００５９】
引出電源６８による高周波の引出電圧は固定されるため、引出電源６８のパラメータの制御によって、イオンの引出量を調整することができない。一方、イオンの引出量を調整するために本体部６０内のプラズマ密度の調整を行う場合、プラズマという熱現象を介した制御であるため応答性が低く、イオンの引出量の調整に時間がかかり、調整の安定性も低いという問題が生じる。これに対し、本実施形態に係るイオン源装置５０によれば、本体部６０の内部空間Ｓのプラズマの状態を大きく変えることなく、イオンの引出量を安定的に速やかに変えることができる。従って、荷電粒子線のビーム電流を高い安定性にて、高速で調整することができる。特に、ラインスキャニングで治療が行われる場合、高速且つ安定的なビーム電流の変調が要求されるため、本実施形態のイオン源装置５０が特に有効である。
【００６０】
イオン源装置５０において、バイアス電源６７は、イオンを加速器３で加速することによって出射された荷電粒子線の線量を検出するドーズモニタ１２の検出結果に基づいて、バイアス電圧を本体部６０に印加する。これにより、バイアス電源６７は、荷電粒子線の線量を検出するドーズモニタ１２の検出結果を、印加するバイアス電圧にフィードバックすることができる。これにより、荷電粒子線のビーム電流を速やかに制御することが可能となる。
【００６１】
本実施形態に係る荷電粒子線治療装置１は、イオンを加速して荷電粒子線を出射する加速器３と、加速器３の内部に設けられ、イオンを供給するイオン源装置５０と、被照射体に荷電粒子線を照射する照射部２と、を備える荷電粒子線治療装置１であって、イオン源装置５０は、内部空間を有する導電性の本体部６０と、本体部６０の内部空間に配置されたフィラメント６１と、本体部６０との間で高周波の電場を形成することで、本体部６０の内部空間で発生したイオンを内部空間から引き出す引出部６３と、本体部６０にバイアス電圧を印加するバイアス電源６７と、を備える。
【００６２】
この荷電粒子線治療装置１によれば、上述のイオン源装置５０と同様な作用・効果を得ることができる。
【００６３】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００６４】
例えば、上述のイオン源装置の各構成要素の形状や配置は一例に過ぎず、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１…荷電粒子線治療装置、３…加速器、１２…ドーズモニタ（検出部）、５０…イオン源装置、６０…本体部、６１…フィラメント（陰極）、６３…引出部、６７…バイアス電源。
【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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