(57)【要約】【課題】単体の加速器で大電流ビームを加速させることができる粒子加速器を提供する。【解決手段】本実施形態の粒子加速器は、真空容器２１内に、高周波電力でイオンビームを加速する複数の加速電極２２を複数組設置したものである。複数組の加速電極２２は、それぞれ羽状に形成されかつビーム軸に対して垂直方向の面上における方向に設置されている。複数組の加速電極２２は、ビーム軸に対して垂直方向の面上における上下又は左右方向に２組並んで設置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に、高周波電力でイオンビームを加速する複数の加速電極を複数組設置したことを特徴とする粒子加速器。
【請求項２】
前記複数組の加速電極は、それぞれ羽状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の粒子加速器。
【請求項３】
前記複数組の加速電極は、それぞれビーム軸に対して垂直方向の面上に設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子加速器。
【請求項４】
前記複数組の加速電極は、前記ビーム軸に対して垂直方向の面上に２組並んで設置されていることを特徴とする請求項３に記載の粒子加速器。
【請求項５】
前記複数組の加速電極は、それぞれ互いに対向する２対の加速電極により構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の粒子加速器。
【請求項６】
複数組のそれぞれの２対の加速電極は、それぞれビーム加速領域を構成していることを特徴とする請求項５に記載の粒子加速器。
【請求項７】
前記ビーム加速領域を複数に跨る共通電極が設置され、この共通電極が支持部を介して前記真空容器と一体に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の粒子加速器。
【請求項８】
前記２対の加速電極により構成されるビーム加速領域を複数に跨る共通電極が前記真空容器と一体で形成され、かつ前記ビーム軸に対して垂直方向の面上における上下にそれぞれ加速電極が設置された中央部材と、
前記中央部材の前記共通電極と前記加速電極との間に向かって突出する加速電極がそれぞれ一体に形成された２つの側方部材と、
を備えることを特徴とする請求項６に記載の粒子加速器。
【請求項９】
前記複数のビーム加速領域を隔離する隔離板がさらに設置されていることを特徴とする請求項６に記載の粒子加速器。
【請求項１０】
前記複数組の加速電極は、前記ビーム軸に対して垂直方向の面上における上下又は左右方向に並んで設置されていることを特徴とする請求項４に記載の粒子加速器。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の粒子加速器と、
前記粒子加速器の複数のビーム加速領域への各ビーム入射口にそれぞれの一端が接続されたビームダクトと、
前記ビームダクトの他端に接続され、複数のイオンビームを生成する粒子生成部と、
を備えることを特徴とする粒子加速システム。
【請求項１２】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の粒子加速器と、
前記粒子加速器の複数のビーム加速領域からの各ビーム出射口にそれぞれの一端が接続されたビームダクトと、
前記ビームダクトの他端に接続され、複数の方向から出射するイオンビームを１つに合流させるビーム合流部と、
を備えることを特徴とする粒子加速システム。
【請求項１３】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の粒子加速器と、
複数のビーム加速領域に対して、同一の高周波タイミングに対して、少なくとも１つのビーム加速領域へのビーム入射を遮断し、前記ビーム加速領域の数よりも少ないビーム加速領域でイオンビーム加速するように制御する制御部と、
を備えることを特徴とする粒子加速システム。
【請求項１４】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の粒子加速器と、
イオンを生成して引き出し前記粒子加速器に輸送するイオン源と、
前記粒子加速器のイオンビームが輸送され、このイオンビームを周回させて所定のエネルギーまで加速するシンクロトロンと、
前記シンクロトロンにより加速されたイオンビームを取り出す取出し機器と、
前記取出し機器により取り出されたイオンビームを照射対象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装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、粒子加速器、粒子加速システム、及び粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、イオン源で生成されたイオンビームを加速するには、収束、加速の双方の機能を有する高周波四重極線形加速器（Radio Frequency Quadrupole：以下、ＲＦＱと記す。）が広く用いられている。ＲＦＱは、互いに対向する２対、合計４個の四重極電極に高周波電力を供給することで、四重極電場を生成する装置である。この四重極電場は、イオンビームを収束させながら加速する。
【０００３】
ＲＦＱは、その構造によりいくつかの種類が存在する。その中でも消費電力性能に優れるＲＦＱがある。そのＲＦＱは、互いに対向する２対の四重極電極が真空容器に設置されている４べイン型ＲＦＱである。このＲＦＱは、運転モードがＴＥ２１０モードやＴＥ２１１モードの四重極電場によりイオンビームを収束させながら加速する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２６４１５６５号公報
【特許文献２】特許第５３１７０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した４べイン型のＲＦＱには、高周波電力が供給されることにより四重極電場が生成される。この四重極電場は、上述したようにイオンビームを収束させながら加速させる。イオンビームは、荷電粒子の集合体であり、荷電粒子同士の電気的な斥力により発散する効果、すなわち空間電荷効果が作用する。
【０００６】
ＲＦＱは、必要なビーム電流値を得るため、空間電荷効果による荷電粒子の発散を抑えながら、イオンビームを加速させる必要がある。そのため、ＲＦＱにより加速可能なビーム電流値には、一定の限界が存在する。
【０００７】
ＲＦＱは、材料照射等の用途によっては、大電流のイオンビームを加速させる必要があり、ＲＦＱの加速可能なビーム電流値を上回る場合も存在する。大電流のイオンビームを加速させる場合は、ＲＦＱを複数台並列に設置し、その下流側において複数台のＲＦＱでそれぞれ加速したイオンビームを合流させている。あるいは軸方向長さの短い加速器と、イオンビームを収束させる電磁石とを交互に並べる、等の対策が必要である。
【０００８】
しかしながら、これらのＲＦＱを含む加速器を複数台設置する方法では、それらの電源、冷却システム、及び制御システム等を全ての加速器の台数分用意する必要がある。そのため、加速システム全体として大型化を招き、結果としてフットプリント（占有面積）、製作コスト、調整コスト、及びメンテナンスコストの増大を引き起こすという課題が存在する。
【０００９】
本実施形態が解決しようとする課題は、単体の加速器で大電流ビームを加速させることができる粒子加速器、粒子加速システム、及び粒子線治療装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本実施形態に係る粒子加速器は、真空容器内に、高周波電力でイオンビームを加速する複数の加速電極を複数組設置したことを特徴とする。
【００１１】
本実施形態に係る粒子加速システムは、上記実施形態の粒子加速器と、前記粒子加速器の複数のビーム加速領域への各ビーム入射口にそれぞれの一端が接続されたビームダクトと、前記ビームダクトの他端に接続され、複数のイオンビームを生成する粒子生成部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本実施形態に係る粒子加速システムは、上記実施形態の粒子加速器と、前記粒子加速器の複数のビーム加速領域からの各ビーム出射口にそれぞれの一端が接続されたビームダクトと、前記ビームダクトの他端に接続され、複数の方向から出射するイオンビームを１つに合流させるビーム合流部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本実施形態に係る粒子加速システムは、上記実施形態の粒子加速器と、複数のビーム加速領域に対して、同一の高周波タイミングに対して、少なくとも１つのビーム加速領域へのビーム入射を遮断し、前記ビーム加速領域の数よりも少ないビーム加速領域でイオンビーム加速するように制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本実施形態に係る粒子線治療装置は、上記実施形態の粒子加速器と、イオンを生成して引き出し前記粒子加速器に輸送するイオン源と、前記粒子加速器のイオンビームが輸送され、このイオンビームを周回させて所定のエネルギーまで加速するシンクロトロンと、前記シンクロトロンにより加速されたイオンビームを取り出す取出し機器と、前記取出し機器により取り出されたイオンビームを照射対象に照射する照射装置と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本実施形態によれば、単体の加速器で大電流ビームを加速させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】粒子加速器の各実施形態を適用した粒子線治療装置の一例を示す構成図である。
【図２】第１実施形態の粒子加速器を示す縦断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。
【図４】第２実施形態の粒子加速器を示す縦断面図である。
【図５】第３実施形態の粒子加速器を示す縦断面図である。
【図６】第４実施形態の粒子加速器を示す縦断面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図である。
【図８】各実施形態を適用した粒子加速システムの第１実施形態を示すブロック図である。
【図９】各実施形態を適用した粒子加速システムの第２実施形態を示すブロック図である。
【図１０】各実施形態を適用した粒子加速システムの第３実施形態を示すブロック図である。
【図１１】図１０の制御部の作用を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本実施形態に係る粒子加速器及びその制御方法、粒子加速システム、粒子線治療装置について、図面を参照して説明する。
【００１８】
（粒子線治療装置）
図１は粒子加速器の各実施形態を適用した粒子線治療装置の一例を示す構成図である。
【００１９】
図１に示すように、粒子線治療装置は、概略的にイオン入射装置２０、中間エネルギービーム輸送系（Middle Energy Beam Transport、以下、ＭＥＢＴ系機器と記す）６、シンクロトロン７、取出し機器１３、照射装置１９を備えている。
【００２０】
イオン入射装置２０、ＭＥＢＴ系機器６、及びシンクロトロン７は、本実施形態のイオン加速装置を構成する。イオン入射装置２０は、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance: ＥＣＲ）イオン源（以下、ＥＣＲイオン源と記す）１、低エネルギービーム輸送系（Low Energy Beam Transport、以下、ＬＥＢＴ系機器と記す）２、粒子加速器としてのＲＦＱ３、ドリフトチューブ線形加速器（Drift Tube Linac、以下、ＤＴＬと記す）４、及び荷電変換装置５を備えている。
【００２１】
シンクロトロン７は、偏向電磁石８、四極電磁石９、六極電磁石１０、高周波加速空洞１１、及びバンプ電磁石１２を備えている。
【００２２】
（作  用）
次に、粒子線治療装置の作用を説明する。
【００２３】
ＥＣＲイオン源１は、ガスを電離してプラズマを生成し、電界によりイオンを引き出し、その引出電流は直流である。ＥＣＲイオン源１は、多価イオンを生成可能であるが、価数の高いイオンの電流量が小さい。そのため、ＥＣＲイオン源１は、がん治療に必要なイオン電流量を確保するため、カーボン４価イオン（Ｃ４＋）を生成する。なお、カーボン４価イオン以外にも、ＥＣＲで生成して治療に供することができるＨｅ等の陽イオンが考えられる。また、高周波の周波数を高くするか、もしくは超電導ＥＣＲ方式、レーザイオン源方式等で、カーボン５価イオン、カーボン６価イオンを生成することも考えられる。
【００２４】
ＥＣＲイオン源１で生成したイオンは、ＬＥＢＴ系機器２でビーム特性を調整しながら、その下流側に設置したＲＦＱ３、ＤＴＬ４に輸送される。ＲＦＱ３は、イオンビームを電気的に収束及び加速する。ＤＴＬ４は、イオンビームを電気的に加速する。
【００２５】
ＤＴＬ４を出射したイオンビームは、荷電変換装置５でカーボン４価イオン（Ｃ４＋）からカーボン６価イオン（Ｃ６＋）に変換され、ＭＥＢＴ系機器６を経てシンクロトロン７へ輸送される。
【００２６】
シンクロトロン７は、イオンビームを多数回、周回させてがん治療に必要なエネルギーまでさらに加速する。具体的には、偏向電磁石８は、周回軌道を作成する。四極電磁石９は、イオンビームの収束をコントロールする。六極電磁石１０は、クロマティシティ（色収差）を補正する。高周波加速空洞１１は、イオンビームを加速する。
【００２７】
シンクロトロン７により十分なエネルギーまで加速されたイオンビームは、出射用のバンプ電磁石１２、取出し機器１３を経て出射軌道１８から図示しない照射室に輸送される。この照射室内には、照射装置１９が設置されている。この照射装置１９は、照射対象である患者の患部にイオンビームを照射することで、がん治療が行われる。
【００２８】
なお、図１に示す粒子線治療装置では、重粒子線を用いた例について説明したが、これに限らず陽子線を用いた粒子線治療装置にも適用可能である。
【００２９】
（粒子加速器の第１実施形態）
（構  成）
図２は第１実施形態の粒子加速器を示す縦断面図である。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。
【００３０】
図２及び図３は、本実施形態の粒子加速器の一例としてＲＦＱ３を示している。図２及び図３に示すように、ＲＦＱ３は、単一の真空容器２１を備えている。この真空容器２１は、空洞の直方体に形成されて共振器となる。真空容器２１は、図示しないが長さ方向両端にイオンビームを通過させる開口部が形成されている。
【００３１】
真空容器２１には、内壁面において互いに対向する２対、合計４個の加速電極２２がイオンビームの進行方向に対して直交する方向の面上、すなわちビーム軸に対して垂直方向の面上における上下方向に２組並んで設置されている。なお、４個の加速電極２２は、実際には３個の加速電極２２と、１個の共通電極２４の上部又は下部とから構成される。以下では、説明を簡素化するため、１個の共通電極２４の上部又は下部を含めた加速電極を４個の加速電極２２として説明する。
【００３２】
各組の４個の加速電極２２は、それぞれ内部に向かって突出し、かつ三角柱の羽（ベイン）状に形成されている。各組の４個の加速電極２２には、高周波電力が供給されることで、ビーム加速領域２３を構成している。すなわち、各組の４個の加速電極２２に囲まれる空間には、イオンビームを加速、収束するための高周波電場、すなわち四重極電場が生成される。
【００３３】
各組の４個の加速電極２２は、それぞれビーム軸に対して垂直方向の面上に設置されている。各組の４個の加速電極２２は、上方及び下方に並んで設置されている。これにより、ビーム加速領域２３は、上方及び下方に並んで設置される。
【００３４】
ここで、本実施形態における上下方向とは、ビームラインの大部分を含む基準面に対して垂直な面に並ぶ方向をいう。また、本実施形態における左右方向とは、上記ビームラインの大部分を含む基準面に対して同一平面（通常は水平面）に並ぶ方向をいう。上記基準面とは、通常、建設及び調整の容易さから全て地面に対して水平な面であり、シンクロトロン７を構成する面と同一になる。その他の実施形態も同様とする。
【００３５】
さらに、シンクロトロン７を水平に設置し、本実施形態の粒子加速器だけを垂直に設置することも可能である。
【００３６】
上方に設置された４個の加速電極２２は、真空容器２１の上面内壁に設置された加速電極２２と、真空容器２１の上部両側壁にそれぞれ設置された加速電極２２と、共通電極２４の上部とで構成される。下方に設置された４個の加速電極２２は、真空容器２１の下面内壁に設置された加速電極２２と、真空容器２１の下部両側壁にそれぞれ設置された加速電極２２と、共通電極２４の下部とで構成される。
【００３７】
なお、各組の４個の加速電極２２は、上方及び下方に並んで設置されているが、これに限らず左右方向に並んで設置されていてもよい。
【００３８】
共通電極２４は、２対の加速電極２２により構成されるビーム加速領域２３を２つ跨るように設置されている。この共通電極２４は、上下対称の形状に形成され、上下方向に２つの加速電極２２を有する。共通電極２４は、例えば支持部２５を介して真空容器２１と一体加工により形成される。具体的には、共通電極２４及び支持部２５は、銅等の同一の金属から削り出すか、あるいは積層造形等で一体加工される。
【００３９】
支持部２５は、その両端が真空容器２１の長さ方向両端に一体加工により形成されている。支持部２５には、長さ方向中央に共通電極２４が一体加工により形成されている。なお、本実施形態の支持部２５は、断面四角形に形成したが、五角形以上の角形でもよく、あるいは円形、楕円形状に形成したものでもよい。
【００４０】
真空容器２１には、必要に応じて図示しないポートが設けられている。このポートには、例えばターボ分子ポンプ、イオンポンプ、ロータリーポンプ、ドライポンプ、スクロールポンプ等の真空ポンプが接続されている。本実施形態は、その真空ポンプを用いて真空容器２１内を直接真空排気している。なお、本実施形態は、真空容器２１に図示しない別の真空容器を接続し、外部から間接的に真空排気するように構成してもよい。上記真空ポンプと真空容器２１との間には、例えばゲートバルブやバタフライバルブ、ボールバルブ等の真空弁が設置される。これにより、上記真空ポンプと真空容器２１を隔離可能な系とすることができる。
【００４１】
ここで、加速電極２２及び共通電極２４の先端は、イオンビームを収束させるため、図示しないが長さ方向に沿って波形に形成されている。この場合、イオンビームの収束力を向上させるため、部分的に平坦部が形成されていてもよい。
【００４２】
真空容器２１、加速電極２２及び共通電極２４は、それぞれ無酸素銅やタフピッチ銅等の銅を削り出して一体に成形する。あるいは、真空容器２１及び加速電極２２は、鉄、アルミニウム等で所定の形状に加工した後に導電率を向上させるため、銅等の異種の金属をメッキする方法を用いてもよい。
【００４３】
真空容器２１、加速電極２２及び共通電極２４は、上記のように銅等の同一の金属から削り出すか、あるいは積層造形等で一体加工する他、それぞれを独立で加工した後にゴム製Ｏリングやインジウムリング、メタルガスケット等の封止部材を用いて真空封止するとともに、フィンガーコンタクト（可動側接触子）等を用いて電気的に接続するようにしてもよい。
【００４４】
これ以外に、真空容器２１、加速電極２２及び共通電極２４は、その間に内部にコイルスプリングを用いたヘリコフレックス構造や中空構造になっている中空メタルＯリング等のシール材を挿入した上、ボルト締結、溶接、ロウ付け等の固定手段で固定するように構成してもよい。
【００４５】
なお、真空容器２１、加速電極２２及び共通電極２４は、互いに接触するいずれか一方の接触面に凹部を追加形成し、上記封止部材を固定するようにしてもよい。また、真空容器２１には、ポートを設け、このポートにカプラーを接続する。このカプラーを、導波管を介して高周波電源と接続することで、加速電極２２間に四重極電場を生成する。真空容器２１内にカプラー用ポートとは、別のポートを設け、このポートにアンテナを接続する。このアンテナにネットワークアナライザ等の測定器を接続することで、真空容器２１内の電場分布や周波数を測定可能とする構成にすることができる。
【００４６】
さらに、真空容器２１、加速電極２２及び共通電極２４には、それぞれ冷却水路を設け、これらの冷却水路に冷却水を供給するようにしてもよい。上記冷却水路は、ガンドリル等で流路を加工し、必要に応じて端部をロウ付け等で封止する他、熱伝導率の高い銅等の金属製パイプや流路を掘り込んだ冷却用のユニットを外部から取り付けることも可能である。
【００４７】
（作  用）
上記のように構成された本実施形態では、例えば２つのＥＣＲイオン源１で生成した２つのイオンがＬＥＢＴ系機器２においてそれぞれビーム特性が調整されながら、その下流側に設置したＲＦＱ３に２本のイオンビームが輸送される。
【００４８】
一方、外部に設置された図示しない高周波電源から真空容器２１に高周波電力を供給する。すると、２組内の各組２対の加速電極２２により構成される２つのビーム加速領域２３にそれぞれ四重極電場が生成される。
【００４９】
ＲＦＱ３では、各組の加速電極２２間、すなわち各組のビーム加速領域２３をそれぞれ通過するイオンビームが収束及び加速するための力を受ける。
【００５０】
したがって、本実施形態では、ＲＦＱ３が真空容器２１の内側において、２対合計４個の加速電極２２を上下方向に２組備えているので、単体の加速器で２つのビーム加速領域２３を形成することができる。
【００５１】
また、本実施形態では、共通電極２４は、支持部２５を介して真空容器２１と一体加工で形成されているので、共通電極２４と真空容器２１との間に継目がなくなる。そのため、共通電極２４と真空容器２１との接触抵抗を低減させることができる。
【００５２】
（効  果）
このように本実施形態によれば、単一の加速器で２つのビーム加速領域２３を形成することができるため、単体の加速器で大電流のイオンビームを加速することができる。その結果、加速器をイオンビームの進行方向に複数設置する構成に比べ、加速システム全体として小型化を図り、加速システム全体のフットプリント、機器数、製作コストを低減させることができる。
【００５３】
また、本実施形態によれば、共通電極２４と真空容器２１との接触抵抗を低減させることができるため、電力損失を減らすことができ、延いては加速器全体の消費電力を削減することができる。その結果、加速器の運転に必要な電源容量を減らすことで、全体コストを低減させることができる。
【００５４】
さらに、本施形態によれば、各組の４個の加速電極２２は、それぞれ三角柱の羽（ベイン）状に形成されているので、棒状に形成した加速電極と比べて、消費電力が抑えられ、電源容量を低下させるとともに、低コスト化を図ることができる。
【００５５】
（粒子加速器の第２実施形態）
図４は第２実施形態の粒子加速器を示す縦断面図である。なお、前記第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略し、異なる構成及び作用を説明する。
【００５６】
前記第１実施形態では、ＲＦＱ３が真空容器２１の内側において２対、合計４個の加速電極２２を上下方向に２組備えていたが、本実施形態では、ＲＦＱ３が真空容器２１の内側において２対、合計４個の加速電極２２を４組備えている。すなわち、４組の加速電極２２は、イオンビームの進行方向に対して直交する方向であって、上下方向に２組、横方向に２組設置されている。
【００５７】
本実施形態では、真空容器２１の断面中央にイオンビームの進行方向に沿って隔離部２６が設置されている。この隔離部２６は、４つのビーム加速領域２３を隔離する。また、隔離部２６は、真空容器２１が前記第１実施形態と比べて大きくなるので、真空容器２１を補強する機能も有する。ここで、隔離部２６は、断面四角形に形成したが、五角形以上の角形でもよく、あるいは円形、楕円形状に形成したものでもよい。なお、４つのビーム加速領域２３の隔離効果を高めるには、断面角形に形成することが望ましい。
【００５８】
したがって、本実施形態では、真空容器２１の内側において２対、合計４個の加速電極２２を４組備えているので、前記第１実施形態と比べ、単体の加速器で一段と大きな電流のイオンビームを加速することができる。その結果、加速システム全体としてさらなる小型化を図ることができる。
【００５９】
また、本実施形態では、４つのビーム加速領域２３を隔離する隔離部２６を設置したことにより、４つのビーム加速領域２３が高周波的に分離され、高周波電場が理想的な四重極電場に近くなる。
【００６０】
なお、本実施形態では、２対、合計４個の加速電極２２を４組備えた例について説明したが、これに限らず合計４個の加速電極２２は、上下方向に３組以上、又は横方向に３組以上並んで設置するようにしてもよい。
【００６１】
（粒子加速器の第３実施形態）
（構  成）
図５は第３実施形態の粒子加速器を示す縦断面図である。なお、前記第１実施形態及び第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略し、異なる構成及び作用を説明する。
【００６２】
図５に示すように、本実施形態は、上下にそれぞれ設置された加速電極２２と共通電極２４を有する中央部材１４と、加速電極２２と共通電極２４との間に向かってそれぞれ突出する加速電極２２を有する２つの側方部材１５，１５とを組み合わせることで、真空容器２１が構成される。
【００６３】
すなわち、本実施形態は、２対の加速電極２２により構成されるビーム加速領域２３を複数に跨る共通電極２４が一体加工で形成された中央部材１４と、この中央部材１４の加速電極２２と共通電極２４との間に向かってそれぞれ突出して一体加工により形成された２つの側方部材１５，１５によって真空容器２１全体が構成される。
【００６４】
中央部材１４及び側方部材１５，１５は、それぞれ銅等の金属部材を削り出し加工する他、積層造形により形成される。中央部材１４及び側方部材１５，１５は、前記第１実施形態と同様に、ゴム製Ｏリングやインジウムリング、メタルガスケット等の封止部材を用いて真空封止するとともに、フィンガーコンタクト（可動側接触子）等を用いて電気的に接続するようにしてもよい。これ以外に、中央部材１４及び側方部材１５，１５は、その間に内部にコイルスプリングを用いたヘリコフレックス構造や中空構造になっている中空メタルＯリング等のシール材を挿入した上、ボルト締結、溶接、ロウ付け等の固定手段で固定するように構成してもよい。
【００６５】
中央部材１４及び側方部材１５，１５は、互いに接触するいずれか一方の接触面に凹部を追加形成し、上記封止部材を固定するようにしてもよい。
【００６６】
（作  用）
したがって、本実施形態では、中央部材１４及び側方部材１５，１５は、それぞれ一体加工で形成されているため、真空容器２１と加速電極２２との間に継目がなくなる。そのため、真空容器２１と加速電極２２との接触抵抗を一段と低減させることができる。
【００６７】
（効  果）
このように本実施形態によれば、真空容器２１と加速電極２２との接触抵抗が低減することで、電力損失を減らすことができ、延いては加速器全体の消費電力を削減できる。そのため、加速器の運転に必要な電源容量を減少させることができ、全体のコストを低減させることができる。
【００６８】
（粒子加速器の第４実施形態）
（構  成）
図６は第４実施形態の粒子加速器を示す縦断面図である。図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図である。なお、前記第１実施形態〜第３実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略し、異なる構成及び作用を説明する。
【００６９】
図６及び図７に示すように、本実施形態は、２対の加速電極２２により構成されるビーム加速領域２３を複数に跨る共通電極２４と真空容器２１を接続する支持部２５に隔離板２７が設置されている。この隔離板２７は、各ビーム加速領域２３を隔離する。
【００７０】
隔離板２７は、金属製である。隔離板２７の少なくとも表面は、銅等の金属で真空容器１及び支持部２５と一体加工されるか、独立に加工されたものをゴム製Ｏリングやインジウムリング、メタルガスケット等の封止部材を用いて真空封止するとともに、フィンガーコンタクト（可動側接触子）等を用いて電気的に接続するようにしてもよい。これ以外に、真空容器１、加速電極２２及び共通電極２４は、その間に内部にコイルスプリングを用いたヘリコフレックス構造や中空構造になっている中空メタルＯリング等のシール材を挿入した上、ボルト締結、溶接、ロウ付け等の固定手段で固定するように構成してもよい。
【００７１】
隔離板２７は、コンダクタンスを向上するために開口部を形成するようにしてもよい。この開口部は、高周波の漏れを防ぐため単一の開口部とする他、複数の開口部が形成されたパンチングメタル形状、又はメッシュ構造であってもよい。
【００７２】
（作  用）
したがって、本実施形態では、真空容器２１内にビーム加速領域２３を隔離する隔離板２７を設置したことにより、各ビーム加速領域２３が高周波的に分離され、かつ各ビーム加速領域２３の対称性が向上する。
【００７３】
また、本実施形態では、隔離板２７に開口部を形成することで、各ビーム加速領域２３が連通状態となる。そのため、真空容器２１内を１台の真空ポンプで真空排気することができる。
【００７４】
（効  果）
このように本実施形態によれば、ビーム加速領域２３を隔離する隔離板２７を設置したことで、各ビーム加速領域２３が高周波的に分離され、高周波電場が理想的な四重極電場に近くなり、イオンビームを高精度に収束及び加速させることが可能になる。
【００７５】
なお、本実施形態では、隔離板２７により上下方向に２つ並んで設けられたビーム加速領域２３を隔離する例について説明したが、これに限らず例えば上下方向に２つ以上、横方向に２つ以上並んで設けられたビーム加速領域２３をそれぞれ隔離する場合に適用してもよい。
【００７６】
（粒子加速システムの第１実施形態）
（構  成）
図８は各実施形態を適用した粒子加速システムの第１実施形態を示すブロック図である。なお、前記第１実施形態〜第５実施形態の粒子加速器と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略し、異なる構成及び作用を説明する。
【００７７】
図８に示すように、本実施形態の粒子加速システムは、ＲＦＱ３がビームダクト２８を介して粒子生成部２９に接続されている。具体的には、ＲＦＱ３のビーム加速領域２３への各ビーム入射口となる複数の開口部のそれぞれに複数のビームダクト２８の一端が接続される。
【００７８】
各ビームダクト２８は、真空容器２１の加速電極２２の先端部の波型形状の波高が小さい側の端部に接続される。各ビームダクト２８は、ステンレス鋼やアルミニウム等の金属製の真空容器である。各ビームダクト２８は、粒子生成部２９によって生成されたイオンビームをＲＦＱ３に輸送する。
【００７９】
なお、ビームダクト２８には、電圧を印加するため、途中にセラミックスやガラスエポキシ等の絶縁体を挿入してもよい。
【００８０】
ビームダクト２８のＲＦＱ３と対向する側、すなわちビームダクト２８の他端には、粒子生成部２９が接続される。この粒子生成部２９は、イオンビームを生成する真空容器である。粒子生成部２９は、図１に示すＥＣＲイオン源１の他、ＰＩＧ（Penning又はPhillips Ionization Gauge）イオン源、レーザイオン源等のイオン源や、電子銃等各種の電子生成源が用いられる。
【００８１】
ビームダクト２８には、イオンビームを輸送するため、双極磁石，四重極磁石，六重極磁石等の各種電磁石や永久磁石、アインツェルレンズ等の静電レンズ、ターボ分子ポンプ，イオンポンプ，ロータリーポンプ，ドライポンプ，スクロールポンプ等の真空ポンプ、ワイヤーモニタ，ドリフトチェンバ，パラレルプレートアバランチチェンバ，プラスチックシンチレータ，液体シンチレータ，ＮａＩシンチレータ，デマルケスト，ファラデーカップ，カレントトランス（ＣＴ）等の各種ビーム電流測定器、スリット等が接続されていてもよい。
【００８２】
粒子生成部２９は、複数（本実施形態では２つ）のビーム取出口を有し、各ビーム取出口が各ビームダクト２８と接続されている。粒子生成部２９は、各ビーム取出し口の電場等の安定性を向上させるため、各ビーム取出し口を隔てる隔離板を設置してもよい。この隔離板は、コンダクタンスを向上するために開口部を形成するようにしてもよい。この開口部は、高周波の漏れを防ぐため単一の開口部とする他、複数の開口部が形成されたパンチングメタル形状、又はメッシュ構造であってもよい。
【００８３】
（作  用）
したがって、本実施形態では、粒子生成部２９で生成された２本のイオンビームが２つのビームダクト２８を介してＲＦＱ３の真空容器２１に輸送される。この真空容器２１では、複数のビーム加速領域２３で２本のイオンビームがそれぞれ加速及び収束される。
【００８４】
（効  果）
このように本実施形態によれば、単一の粒子生成部２９で複数のイオンビームを生成し、これらのイオンビームを単一の真空容器２１で加速することができる。複数の粒子生成部２９と複数のＲＦＱ３を用意する場合に比べ、加速システム全体のフットプリント、機器数、製作コストを低減させることができる。
【００８５】
（粒子加速システムの第２実施形態）
（構  成）
図９は各実施形態を適用した粒子加速システムの第２実施形態を示すブロック図である。なお、前記第１実施形態〜第５実施形態の粒子加速器と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略し、異なる構成及び作用を説明する。
【００８６】
図９に示すように、本実施形態の粒子加速システムは、ＲＦＱ３がビームダクト３０を介してビーム合流部３１に接続されている。具体的には、ＲＦＱ３のビーム加速領域２３のビーム出射口となる複数の開口部のそれぞれに複数のビームダクト３０の一端が接続される。
【００８７】
各ビームダクト３０は、真空容器２１の加速電極２２の先端部の波型形状の波高が大きい側の端部に接続される。各ビームダクト３０は、ステンレス鋼やアルミニウム等の金属製の真空容器であり、イオンビームを輸送する。
【００８８】
なお、ビームダクト３０には、電圧を印加するため、途中にセラミックスやガラスエポキシ等の絶縁体を挿入してもよい。
【００８９】
ビームダクト３０には、イオンビームを輸送するため、双極磁石，四重極磁石，六重極磁石等の各種電磁石や永久磁石、アインツェルレンズ等の静電レンズ、ターボ分子ポンプ，イオンポンプ，ロータリーポンプ，ドライポンプ，スクロールポンプ等の真空ポンプ、ワイヤーモニタ，ドリフトチェンバ，パラレルプレートアバランチチェンバ，プラスチックシンチレータ，液体シンチレータ，ＮａＩシンチレータ，デマルケスト，ファラデーカップ，カレントトランス（ＣＴ）等の各種ビーム電流測定器、スリット等が接続されてもよい。
【００９０】
ビームダクト３０の真空容器２１と対向する側にビーム合流部３１が接続される。このビーム合流部３１は、双極磁石等の電磁石や永久磁石、静電デフレクター等の電磁力を利用してイオンビームの軌道を偏向させる装置が真空容器２１と共に用いられる。ビーム合流部３１には、出射ビームダクト３２が接続される。
【００９１】
出射ビームダクト３２は、イオンビームを輸送するステンレス鋼やアルミニウム等の金属製の真空容器である。なお、出射ビームダクト３２は、電圧を印加するため、途中にセラミックスやガラスエポキシ等の絶縁体を挿入してもよい。出射ビームダクト３２がさらにリチウムやベリリウム等の中性子生成標的と接続されることで、中性子源として利用することもできる。この場合には、例えばホウ素中性子捕捉療法等の粒子源として利用可能である。
【００９２】
また、出射ビームダクト３２には、図１に示すようにＤＴＬ４、シンクロトロン７又は図示しないサイクトロン等の後段加速器を接続し、陽子線治療や炭素線治療等の粒子線がん治療装置として利用することもできる。
【００９３】
さらに、出射ビームダクト３２には、重イオン慣性核融合のエネルギードライバーとして利用することもできる他、半導体製造の際のイオン注入等にも利用することができる。
【００９４】
（作  用）
したがって、本実施形態では、ＲＦＱ３の真空容器２１で加速された複数のイオンビームがビーム合流部３１によりその軌道が曲げられ、出射ビームダクト３２において一つのイオンビームとして取り出すことができる。
【００９５】
（効  果）
このように本実施形態によれば、比較的電流値の小さい複数のイオンビームを単一の大電流ビームとして取り出すことができる。そのため、ＲＦＱ３をイオンビームの進行方向に対して複数設置する構成に比べ、同一のビーム電流値を得るための加速システム全体の小型化が図れる。その結果、加速システム全体のフットプリント、機器数、製作コストを低減させることができる。
【００９６】
（粒子加速システムの第３実施形態）
（構  成）
図１０は各実施形態を適用した粒子加速システムの第３実施形態を示すブロック図である。図１１は図１０の制御部の作用を示すタイミングチャートである。
【００９７】
なお、前記第１実施形態〜第５実施形態の粒子加速器と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略し、異なる構成及び作用を説明する。また、本実施形態では、一例として２対の加速電極２２により構成されるビーム加速領域２３を合計３つ設けた場合の真空容器２１について説明する。さらに、以下の説明では、それぞれのビーム加速領域を第１領域、第２領域、第３領域と記す。
【００９８】
図１０及び図１１に示すように、パルス状の高周波信号（ＲＦ：Radio Frequency信号、以下、ＲＦ信号と記す）３４が高周波電力の投入（供給）タイミングを制御している。ＲＦ信号３４がＨＩＧＨの時、高周波電力がＲＦＱ３の真空容器２１に供給される。ＲＦ信号３４は、クロックジェネレータ、パルスファンクションジェネレータ等により生成され、必要に応じてゲートジェネレータやコンパレータ等の制御回路によって間引き等を行う。
【００９９】
本実施形態では、ＲＦ信号３４がＲＦＱ３の真空容器２１に入射するビームタイミングを図１０に示す制御部３３により制御している。この制御部３３は、３つのビーム加速領域２３に対して２つ以下のビーム加速領域２３にのみ、イオンビームが入射するシーケンスを構築している。このイオンビームは、粒子生成部２９により生成される。
【０１００】
具体的には、例えばＲＦ信号３４がＨＩＧＨの最初のタイミングにおいて、第１領域ビームタイミング３５及び第２領域ビームタイミング３６のみがＨＩＧＨであり、第３領域ビームタイミング３７はＬＯＷとなり、３つのビーム加速領域２３のうち、第１領域及び第２領域のみのイオンビームが加速される。
【０１０１】
同様に、ＲＦ信号３４が次のＨＩＧＨのタイミングにおいて、第１領域ビームタイミング３５及び第３領域ビームタイミング３７のみがＨＩＧＨであり、第２領域ビームタイミング３６はＬＯＷとなり、３つのビーム加速領域２３のうち、第１領域及び第３領域のみのイオンビームが加速される。
【０１０２】
制御部３３は、３個のビーム加速領域２３のうち、第１領域及び第２領域のみ、第１領域及び第３領域のみ、第２領域及び第３領域のみのイオンビームが加速される信号を生成する。この場合、ＲＦ信号３４に対して間引いた回数の全領域ビーム加速可能なタイミングを生成してもよい。
【０１０３】
これらの制御信号は、種々の制御部により生成されるが、これと同期したビーム入射の制御方法としては、制御信号と同期したゲートバルブ等の真空弁やビームライン上の遮蔽物の開閉動作や退避動作、キッカーや電磁石等の電気ないし磁気によるビームの偏向角の変更、イオン源の投入ＲＦタイミングとの同期、レーザイオン源であれば入射レーザのタイミングとの同期等の方法で実現可能である。
【０１０４】
（作  用）
したがって、本実施形態では、ＲＦ信号３４のタイミングにおいて、１つのビーム加速領域２３へのイオンビームの入射を遮断し、ビーム加速領域２３の数よりも少ないビーム加速領域２３でイオンビームを加速するようにしている。
【０１０５】
すなわち、本実施形態では、任意のタイミングにおいてイオンビームを加速するビーム加速領域２３の数を真空容器２１の構造上の加速領域数から変更するようにしている。
【０１０６】
（効  果）
このように本実施形態によれば、ビーム電流値に応じてビーム加速領域２３の数を変更することができる。そのため、大電流のイオンビームが同時に輸送され、ビームローディングによる消費電力の増大、及び発熱量の増大を回避することができる。その結果、ＲＦＱ３をイオンビームの進行方向に対して複数設置する構成に比べ、同一のビーム電流値を得るための加速システム全体のフットプリント、機器数、製作コストを低減させることができる。
【０１０７】
なお、本実施形態では、ビーム加速領域２３が合計３つの場合の真空容器２１の場合、ビーム加速領域２３に対して２つ以下の加速領域にのみイオンビームが入射するシーケンスを構築したが、ビーム加速領域２３が合計４つ以上で、入射するイオンビームが３つ以上でもよい。
【０１０８】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１０９】
１…ＥＣＲイオン源、２…ＬＥＢＴ系機器、３…ＲＦＱ（粒子加速器）、４…ＤＴＬ、５…荷電変換装置、６…ＭＥＢＴ系機器、７…シンクロトロン、８…偏向電磁石、９…四極電磁石、１０…六極電磁石、１１…高周波加速空洞、１２…バンプ電磁石、１３…取出し機器、１４…中央部材、１５…側方部材、１８…出射軌道、１９…照射装置、２０…イオン入射装置、２１…真空容器、２２…加速電極、２３…ビーム加速領域、２４…共通電極、２５…支持部、２６…隔離部、２７…隔離板、２８…ビームダクト、２９…粒子生成部、３０…ビームダクト、３１…ビーム合流部、３２…出射ビームダクト、３３…制御部、３４…ＲＦ信号、３５…第１領域ビームタイミング、３６…第２領域ビームタイミング、３７…第３領域ビームタイミング
【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】
2019096543.tif 000010
【図９】
2019096543.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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