(57)【要約】      （修正有）【課題】可変エネルギーかつ小型な加速器を提供する。【解決手段】イオンを加速させてイオンビームを生成する円形加速器において、前記イオンが加速される軌道面２０を内包した電磁石、前記イオンを加速させるための電場を形成する高周波空胴２１、加速後の前記イオンを取り出すための出射経路、を有し、前記電磁石は、前記軌道面の重心および前記出射経路の基端部との間において磁束密度が最大となり、前記磁束密度が最大となる点から前記軌道面の外縁に向けて磁束密度が漸減する磁場分布を前記軌道面上に形成し、前記高周波空胴は、前記電場を形成するための第１電極２２１および前記第１電極に印加する電力の周波数を変調する周波数変調器を備えることを特徴とする。【選択図】図２
2019091553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを加速させてイオンビームを生成する円形加速器において、
前記イオンが加速される軌道面を内包した電磁石、
前記イオンを加速させるための電場を形成する高周波空胴、
加速後の前記イオンを取り出すための出射経路、を有し、
前記電磁石は、前記軌道面の重心および前記出射経路の基端部との間において磁束密度が最大となり、前記磁束密度が最大となる点から前記軌道面の外縁に向けて磁束密度が漸減する磁場分布を前記軌道面上に形成し、
前記高周波空胴は、前記電場を形成するための第１電極および前記第１電極に印加する電力の周波数を変調する周波数変調器を備える
ことを特徴とする円形加速器。
【請求項２】
請求項１に記載の円形加速器であって、
前記電磁石は、
前記軌道面に対して突出する磁極部を有し、
前記磁極部は、
前記磁極部の前記軌道面に相対する表面に複数の径が異なるコイルが、大きな径のコイル内径側により小さな径のコイルが置かれるように設けられる、または前記磁極部の前記軌道面に相対する表面が前記軌道面に向かって突出する凸形状を有する
ことを特徴とする円形加速器。
【請求項３】
請求項２に記載の円形加速器であって、
前記第１電極は、前記第１電極を前記軌道面に投影した際に、中心角が鋭角かつ前記出射経路の基端部の反対側へ広がる略扇形となるように形成され、
前記扇形の円弧に相当する部分に前記周波数変調器との接続部が形成される
ことを特徴とする円形加速器。
【請求項４】
請求項３に記載の円形加速器であって、
略扇形の前記第１電極において半径に相当するそれぞれの辺に対してギャップを置いて対向するように設けられた第２電極を有し、
前記第２電極は、前記イオンの加速期間において略等電位に保たれる
ことを特徴とする。
【請求項５】
請求項４に記載の円形加速器であって、
前記第１電極および前記第２電極は、前記出射経路の基端部と前記軌道面の重心とを結ぶ直線に対して前記ギャップの配置が略線対称となるように設置される
ことを特徴とする円形加速器
【請求項６】
請求項４に記載の円形加速器であって、
前記第１電極および前記第２電極は、前記出射経路の基端部と前記軌道面の重心とを結ぶ直線に対して前記ギャップの大きさが非対称となるように設置される
ことを特徴とする円形加速器。
【請求項７】
請求項４に記載の円形加速器であって、
前記第１電極および前記第２電極は、前記軌道面において加速されるイオンが前記ギャップを通過する際に受ける擾乱について前記出射経路の基端部と前記軌道面の重心とを結ぶ直線に対して対称性を有するように設置される
ことを特徴とする円形加速器。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の円形加速器であって、
前記周波数変調器は回転式可変容量コンデンサを有する
ことを特徴とする円形加速器。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の円形加速器、
前記円形加速器にて生成されたイオンビームを輸送する輸送経路、
前記輸送経路を介して輸送されたイオンビームを偏向して所望の照射野を形成する照射野形成装置、
を備える粒子線治療装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は陽子または炭素イオン等の重イオンを加速する加速器に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の背景技術として、特許文献１に「エネルギーが異なるイオンビームを効率良く出射できる加速器を提供する。」として、「加速器は、円形のリターンヨークを含む円形の真空容器を有する。入射用電極が、真空容器の中心軸よりも、リターンヨーク内のビーム出射経路の入口側に配置される。磁極が、リターンヨーク内で入射用電極の周囲において入射用電極ら放射状に配置される。凹部が、リターンヨークの周方向で磁極と交互に配置される。真空容器内において、入射用電極を中心とする複数のビーム周回軌道が存在する軌道同心領域、及びこの領域の周囲に、入射用電極から偏心した複数のビーム周回軌道が存在する軌道偏心領域が形成される。軌道偏心領域では、入射用電極とビーム出射経路の入口の間でビーム周回軌道が密になり、入射用電極を基点にしてビーム出射経路の入口の１８０°反対側でビーム周回軌道相互間の間隔が広くなる」という発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開2016/092621
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の可変エネルギー加速器は主磁場中を周回するビームを高周波電場で加速する類型の加速器である。このような加速器は放射線医療分野における利用を期待されているが、医療施設における設置スペースを効率的に使う上では、小型であることが望ましい。そこで本発明は、小型化を図りやすい可変エネルギー加速器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した目的を達成するにあたり代表的な本発明の円形加速器の一つは、イオンを加速させてイオンビームを生成する円形加速器において、前記イオンが加速される軌道面を内包した電磁石、前記イオンを加速させるための電場を形成する高周波空胴、加速後の前記イオンを取り出すための出射経路、を有し、前記電磁石は、前記軌道面の重心および前記出射経路の基端部との間において磁束密度が最大となり、前記磁束密度が最大となる点から前記軌道面の外縁に向けて磁束密度が漸減する磁場分布を前記軌道面上に形成し、前記高周波空胴は、前記電場を形成するための第１電極および前記第１電極に印加する電力の周波数を変調する周波数変調器を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、小型化を図りやすい可変エネルギー加速器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例１の加速器１の全体概形である。
【図２】加速器１の内部機器配置図である。
【図３】加速器１の周回周波数のエネルギー依存性を示すグラフである。
【図４】加速器１の設計軌道形状である。
【図５】加速器１の主磁場のエネルギー依存性を示すグラフである。
【図６】加速器１の周回ビームの規格化位相空間上の動きを示す図である。
【図７】加速器１を用いた粒子線治療システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の好適な一実施例である実施例１の加速器を図１〜図６を用いて以下に説明する。
【実施例１】
【０００９】
本実施例の加速器１は周波数変調型可変エネルギー加速器である。この加速器１は時間的に一定な磁場を主磁場として持ち、主磁場中を周回する陽子を高周波電場によって加速する円形加速器である。図1はその外観を示す。加速器１は上下に分割可能な電磁石１１を有し、これら電磁石１１によって、加速中のビームが通過する真空領域（以下、軌道面と呼ぶ）に主磁場を励起する。
【００１０】
図１に基づき加速器１の大まかな外観を説明する。まず電磁石１１の表面には、加速器１の内部と外部と連通させるための軌道面貫通口が複数設けられている。これらの貫通口は主に、加速器１の内部に設置される機器に対する電流供給線や、それらの機器に接続された信号線を外部空間へ引き出すために設けられるものと、加速されたビームを取り出す用途のために設けられているものがある。図１はその例を示しており、加速されたビームを取り出す取り出しビーム用貫通口１１１、電磁石１１のコイル１３に接続される導体を外部に引き出すための貫通口１１２、１１３、高周波電力入力用貫通口１１４が設けられている。
【００１１】
図１において貫通口１１４に接続されている機器は、周波数変調機能を有する高周波電源である。この高周波電源は貫通口１１４を介して、電磁石１１の内空部に設置されるディー電極（第１電極）２２１に接続される。高周波電源は、電磁石１１の内空部で周回するイオンを加速するために適切な周波数で電力を出力する機能を有しており、図１に示す例では回転式可変容量キャパシタ２１２を備えている。容量はサーボモータ２１４によって制御されるものを例示しているが、これに限られるものではない。なお回転式可変容量キャパシタ２１２に対して電力を供給するための供給線などは、図面上、省略している。
【００１２】
また電磁石１１の上面部に設けられた貫通口１１５はイオンの導入経路であり、この貫通口１１５を介して加速すべきイオンが、電磁石１１の内空部、より正確には、電磁石１１の内空部に存在する加速の軌道によって定義される概ね円盤状の空間（軌道面２０）へと供給される。イオンを導入する貫通口１１５の位置は、一般的な円形加速器と異なっており、後段にて詳細に説明する。
【００１３】
また図１には加速器１の外観を説明するにあたり最低限の構成のみを示している。実際には、加速器１の内部を真空に維持するための真空ポンプや、温度条件を管理するために温調手段が設けられているが、これらは省略している。
【００１４】
次に、加速器１の内部構造について図２を用いて説明する。図２は、図１に示す加速器１の電磁石１１を上下に分割し、下側となる電磁石１１を上から見た図である。貫通口１１５の有無など一部は違いがあるものの、基本的には、図２の上側の電磁石１１を下から見ると同様の構造を有する。また、以降の説明では、電磁石１１について上側、下側等の区別は省略し、単に電磁石１１と呼ぶ。
【００１５】
電磁石１１は、主な構成として、リターンヨーク部１２１、天板部１２２、円柱状の磁極部１２３、コイル１３を有する。
【００１６】
リターンヨーク部１２１は肉厚の円筒状の部材であり、上下の電磁石１１を連結する際に、それぞれの一端が接触部となる。またこの接触部に対して反対側の端部は天板部１２２と連結されている。天板部１２２は、リターンヨーク部１２１の外径と実質的に一致する直径を有する円盤状の部材である。したがって、リターンヨーク部１２１と天板部１２２を締結した構造の外観は、片方の端部が閉じられた円筒状の構造体となる。
【００１７】
このような構造体において内筒に相当する空間に磁極部１２３が形成される。磁極部１２３は天板部１２２を基部とし、リターンヨーク部１２１の内筒側の空間に張り出す柱状の部材である。ただしリターンヨーク部１２１とは異なり、上下に対向配置された電磁石１１を連結する際には、対向する磁極部１２３は互いに接触せず間隙を形成する程度に天板部１２２から張り出している。
【００１８】
これらリターンヨーク部１２１、天板部１２２、磁極部１２３は純鉄のインゴットから削り出し加工によって形成するが、それぞれの部位に対応する部材は、個別に削り出した後に連結してもよいし、加工装置や用意できるインゴットの大きさに応じて一体的に削り出してもよい。また当然ながら、大型の部材は、より小さいパーツを組み合わせて形成してもよい。
【００１９】
リターンヨーク部１２１と磁極部１２３との間にはコイル１３が設置され、図２に示すようにコイル１３の内径は磁極部１２３の外径におおむね一致している。コイル１３とリターンヨーク部１２１との間、コイル１３と磁極部１２３との間はそれぞれ絶縁されている。貫通口１１２、１１３からコイル１３に接続された導体が引き出され、加速器１の外部に設けられた電源と接続され、コイル１３に電流を流すことによって磁極部１２３が磁化し、軌道面２０に後述する所定の分布で磁場を励起する。
【００２０】
また上下一対に配置された磁極部１２３の互いの対向面に相当する表面（磁極面１２４）には、コイル１３および磁極部１２３によって生じる磁場を微調整するためのコイルとして、トリムコイル６０が設けられる。本実施例におけるトリムコイル６０の態様は、図２に示すように複数の径が異なるコイル群であって、大きな径のコイル内径側により小さな径のコイルが配置されたものである。またそれぞれのコイルは、図２に示すように一方向に中心が偏る配置をとる。トリムコイル６０と磁極面１２４との間には図示しない絶縁部材によって絶縁され、磁極面１２４に対して非磁性の部材や接着剤を用いて固定されている。トリムコイル６０を構成するそれぞれのコイルに通電される電流の大きさは個別調整可能であり、コイル１３と同様に貫通口１１２、１１３を介して外部電源に接続される。各系統個別に励磁電流を調整することで、後述の主磁場分布に近づけ、安定なベータトロン振動を実現するように運転前にトリムコイル電流が調整されている。
【００２１】
このような機械的構造を有する加速器１により、イオン源１２から供給されたイオンを加速しイオンビームは生成され、加速中のイオンの軌道によって軌道面２０が定義される。軌道面２０の位置は、先に述べたリターンヨーク部１２１を上下に連結した際に形成される空間内にあり、上下の磁極面１２４に対して等距離の関係にある。なお軌道面２０は、厳密には平面ではなく厚みを有する円盤状の空間だが、説明の便宜上、リターンヨーク部１２１の内径よりも小さい直径の円状の領域として取り扱う。
【００２２】
軌道面２０には、所望の加速のために必要となる磁場分布が形成される。円柱状の磁極部１２３を設けることで、軌道面２０において必要な磁場強度の大部分、すなわち図５に示す例であれば軌道面２０の全体にわたって４.９Ｔの磁場を発生させることができる。なお、軌道面２０において発生させるべき磁場分布は、イオン源１２から供給されるイオンが軌道面２０の上に乗る際の位置（入射点）を最大として、その位置から軌道面２０の外縁（すなわちコイル１３の内径面）に向かうにつれて漸減するものであり、このような磁場強度の分布は後述するトリムコイル６０によって実現される。
【００２３】
すなわちトリムコイル６０を複数の径が異なるコイルによって構成し、各コイルにより生じる磁場を重畳させることで軌道面２０における磁場に不均一性を生じさせる。本実施例のように入射点における磁場を最大としたい場合、入射点を中心軸が通過するように、トリムコイル６０のうち最小径のコイルを配置することで、入射点の位置にトリムコイル６０を構成する全コイル由来の磁場を重畳させ最大化することができる。ただしこの態様に限ることなく、磁極部１２３の形状を必要な磁場分布に応じたものとしてもよい。すなわち磁極面１２４が入射点に向かって突出するような円錐状または凸形状となるように加工してもよい。この場合、トリムコイル６０を省略、またはコイルの配置数を少なくできるため工数等を低減できる。
【００２４】
一方、本実施例のように円柱状の磁極部１２３とその表面に設けられたトリムコイル６０の組み合わせは、リターンヨーク部１２１を上下で結合した際に、円柱状の磁極部１２３の対向面およびリターンヨーク部１２１の内径面から定められる空間を、磁極部１２３の形状を円錐状とする場合と比較して広く設けることができる。そのために後述するディー電極やキッカ磁場発生用コイル３１１の設置作業が容易となり、また配置の微調整などもしやすくなるという利点がある。本実施例は、磁極部１２３とトリムコイル６０の組み合わせで磁場分布を形成しており、磁極部１２３の軌道面２０に対する表面は、軌道面２０に対して平行なものを採用した。
【００２５】
続いて、本実施例においてイオンを加速させるための機器について説明する。
【００２６】
ビームを生成するにあたり、まず入射部１３０から低エネルギーの状態でイオンが加速器１に入射される。入射部１３０はイオン源１２が設置されおり、貫通口１１５を通じて外部からイオンの発生に必要な電力を供給されている。イオン源１２で生成されたイオンは引き出し電極に印加された電圧によって軌道面２０に引き出される。引き出されたイオンは高周波空胴２１によって励起される高周波電場によって加速ギャップ２２３を通過する毎に加速される。
【００２７】
高周波空胴２１はλ／４型の共振モードによって加速ギャップ２２３に電場を励起させ、この電場によりイオンを加速する。高周波空胴２１に関し、特に磁極部１２３の間であって、図１における鉛直方向から見た際に軌道面２０と重なり、軌道面の一部を覆うように設置された部分をディー電極と定義する。
【００２８】
また高周波空胴２１は、入射点側を先端とし反対側を後端とすると、後端側に、ディー電極２２１と接続され、リターンヨーク部１２１に設けられた貫通口１１４を通じて高周波電源と接続される接続部を有している。接続部は高周波空胴２１の一部に相当し、ディー電極２２１の一部と捉えてもよいが、説明の簡単のために上記のように定義する。
【００２９】
ディー電極２２１は、その形状を軌道面２０に投影した際に、入射点近傍を中心として中心角が鋭角かつ出射経路の基端部に対して反対側へ広がる略扇形となるように形成される。なお後述のように対称軸を基準とするとディー電極２２１ほぼ左右対称の構造である。
【００３０】
ビーム（加速状態にあるイオンの集合）はディー電極２２１と対向する接地電極２２２によって挟まれる加速ギャップ２２３に励起される電場によって加速される。この電場はディー電極に接続された高周波電源より発生させられるものであって、前述のビームの周回周波数に同期するために、電場の周波数はビームの周回周波数の整数倍であることが必要である。この加速器１では電場の周波数はビームの周回周波数の１倍としている。なお、この電場の周波数は数十ＭＨｚであり、以降では高周波電場と呼ぶ。
【００３１】
接地電極２２２は、ディー電極２２１とある程度のギャップ（加速ギャップ２２３）を間においてディー電極２２１の端面と平行に設けられており、換言すると、ディー電極２２１を扇形状とすると半径に相当する線に対しておおむね平行となっている。
【００３２】
ディー電極２２１に印加された電圧と接地電極２２２の電位との差により高周波電場は形成され、ビームは入射点を中心に軌道面２０を一周するにあたって加速ギャップ２２３を２度通過する。２度の通過それぞれで加速を受けるが、ディー電極２２１から接地電極２２２に向かう加速と、接地電極２２２からディー電極２２１へ向かう加速とでは電位差を逆転させる必要がある。電位差を逆転する際の態様は様々だが、本実施例では、接地電極２２２は０Ｖを維持し、ディー電極２２１は高周波電源によりプラスとマイナスの双方へ同程度に電位が変化するものとしている。なお接地電極２２２は加速期間（所望のエネルギーを得るまでに要する時間）に電位が一定に保たれ、ディー電極２２１に印加される電圧がこの電位を基準に上下同程度に変更するように構成してもよい。
【００３３】
また、ディー電極２２１と接地電極２２２とは配置を入れ替えてもよい。すなわち接地電極２２２の端面がディー電極２２１の端面、ディー電極２２１の端面に接地電極２２２が配置されるように構成してもよい。
【００３４】
上記の構成により加速されるビームは所定のエネルギーを有するまで加速された後に、加速器１から取り出される。ビームを加速器１の外に取り出す際には、キッカ磁場発生用コイル３１１が励磁される、キッカ磁場発生用コイル３１１は、磁極面１２４に設置されており、このコイルに電流を流すことにより、コイル１３および磁極部１２３によって形成される主磁場に対して後述するキッカ磁場が重畳励磁される。
【００３５】
また、磁極面１２４の一か所に取り出し用のセプタム電磁石３１２が設けられるが、このセプタム電磁石３１２の他にも取り出しに適したものを採用してよい。電磁石１１の内部空間から外部へとビームを取り出す経路を出射経路とすると、電磁石１１の内部空間側に張り出したセプタム電磁石３１２の端部が、出射経路の基端部となる。この出射経路の基端部は、軌道面２０の重心（軌道面２０を二次元の有限領域とした場合の幾何中心）、イオンの入射点、基端部の順序で一直線上に並ぶように設けられている。また出射経路の基端部は、軌道面２０を周回するビームとの干渉を避けるために、磁極部１２３の外縁に沿うように設けられている。
【００３６】
軌道面２０を周回するビームは、キッカ磁場の存在下では、設計軌道からずらされ、セプタム電磁石３１２へ入射するよう移動し、その後、セプタム電磁石３１２の磁場によって形成される取り出しチャネル３２２に沿ってビームは加速器１の外に取り出される。なおキッカ磁場発生用コイル３１１は、周回中のビームに対して上記のような移動を実現させるものであれば配置は図２と異なっていてもよい。図２の配置は、キッカ磁場が小さくとも、セプタム電磁石３１２に至るまでの距離を確保することで十分な位置の変化を得ることができる。
【００３７】
また、軌道面２０において主磁場は設計軌道に対する面内の偏差（軌道面２０と平行な磁場成分）がほぼ０となるように、磁極部１２３、コイル１３、トリムコイル６０、キッカ磁場発生用コイル３１１、取り出し用セプタム電磁石３１２の形状と配置は軌道面２０に対して面対称としている。磁極部１２３、ディー電極２２１、コイル１３、トリムコイル６０の形状は、入射点および軌道面２０の重心を通る直線に対して左右が線対称の形状となっており、主磁場も該直線に関して対称性を有している。なお、以降では特に断らない限り、主磁場とは軌道面２０に直交する磁場とする。
【００３８】
次に、本加速器１の内部を周回するビームの軌道について述べる。軌道面２０中をビームは周回しながら加速される。取り出し可能なビームの運動エネルギー（以降では単にエネルギーと呼ぶ）は最小７０ＭｅＶから最大２３５ＭｅＶとして以降を説明するが、これに限られることはなく必要に応じてエネルギーの範囲は設定してよい。ビームを加速するにあたって、エネルギーが大きいほどビームの周回周波数は小さくなる。これらのエネルギーと周回周波数の関係を図３に示している。入射直後のエネルギーでは７６ＭＨｚ，２３５ＭｅＶに達したビームは５９ＭＨｚで周回する。
【００３９】
ビームは安定的に周回する必要があるため、この安定性を実現するにあたって、磁極部１２３によって、主磁場はビームの軌道に沿っては一様であり、かつエネルギーが高くなるにつれ磁場が低下する分布となる。このような磁場下においては、ビームは、軌道面２０の動径方向と軌道面２０に対して垂直な方向のそれぞれに対して安定にベータトロン振動する。
【００４０】
各エネルギーの軌道は図４に示す。周回軌道は最も外側に最大エネルギー２５２ＭｅＶの軌道に対応した半径０．４９７ｍの円軌道が存在し、そこから、０ＭｅＶまで磁気剛性率（運動量と電荷の比）で５１分割した都合５１本の円軌道を図示している。点線は各軌道の同一の周回位相を結んだ線であり、等周回位相線と呼ぶ。この加速器１はビームの加速に従って、それぞれのエネルギーに対応するビームの設計軌道の中心が軌道面２０内で一方向、特に軌道面２０の重心よりも出射経路の基端部側に移動する。
【００４１】
各設計軌道中心の移動の結果、異なる運動エネルギーの軌道が互いに近接している箇所と互いに遠隔している領域が存在する。軌道同士の最近点を結ぶと各軌道に直交する線分となり、また、軌道同士の最遠点を結ぶと軌道に直交する線分となり、この二つの線分は同一直線上に存在する。この直線を対称軸と定義すると、軌道の形状と主磁場の分布は対称軸を通り軌道面に垂直な面に対して面対称となる。等周回位相線は集約領域から周回位相π／２０ごとにプロットしている。ディー電極２２１と対向する接地電極２２２の間に形成される加速ギャップ２２３は、軌道同士の最近点を結ぶ線分を基準としたときに±９０度周回した等周回位相線に沿って設置される。
【００４２】
上記のような軌道構成と軌道周辺での安定なベータトロン振動を生じさせるために、本実施例の加速器１においては設計軌道の偏向半径方向外側に行くにつれ磁場の値が小さくなる主磁場分布を形成している。また、設計軌道に沿って磁場は一定である。よって、設計軌道は円形となり、ビームのエネルギーが高まるにつれその軌道半径・周回時間は増大する。このような体系では設計軌道から半径方向に微小にずれた粒子は設計軌道に戻すような復元力を受けると同時に軌道面に対して鉛直な方向にずれた粒子も軌道面に戻す方向に主磁場から復元力を受ける。
【００４３】
なお、設計軌道とは、エネルギーに応じてビームが描く軌道のことを指し、すなわち０MeＶから２５２ＭｅＶまで連続的に定義できる軌道（０MeVの場合は点）の集合体のうちいずれかのエネルギーに対応する軌道を意味し、特定のエネルギーに対応する軌道のみを示すものではない。したがって「設計軌道から半径方向（動径方向）にずれる」とは、あるエネルギーに対応する本来の軌道から、エネルギーはほぼ変化しないもののその軌道からずれることを意味している。また上記の「復元力」とは、このように本来の軌道からずれたビームが、エネルギーに応じた設計軌道に戻す向きに受ける力を意味する。
【００４４】
上記のような復元力は、ビームのエネルギーが大きくなるにつれて適切に磁場を小さくしていけば、常に設計軌道からずれた粒子は設計軌道に戻そうとする向きに働き、設計軌道の近傍を振動することになる。これにより、安定にビームを周回・加速させることが可能である。この設計軌道を中心とする振動をベータトロン振動と呼ぶ。各エネルギーのビームにおける磁場の値を図５に示した。磁場は入射点で最大の５Ｔとなり、最外周では４．９１Ｔまで低下する。
【００４５】
イオンの加速のためには、高周波電源２１０から入力カプラ２１１を通じて高周波電力が導入され、ディー電極２２１と接地電極２２２の間の加速ギャップ２２３に高周波電場が励起される。ビームの周回に同期して高周波電場を励起するために、電場の周波数を周回中のビームのエネルギーに対応して変調させる。
【００４６】
共振モードを用いた高周波空胴２１は、共振の幅よりも広い範囲で高周波の周波数を掃引する必要がある。そのために空胴の共振周波数も変更する必要が有る。その制御はディー電極２２１に接続された回転式可変容量キャパシタ２１２の静電容量を変化せることで行う。回転式可変容量キャパシタ２１２は回転軸に直接接続された導体版と外部導体との間に生じる静電容量を回転軸２１３の回転角によって制御する。すなわち、ビームの加速に伴い回転軸２１３の回転角を変化させる。
【００４７】
加速器１のビーム入射から取り出しまでのビームの挙動を述べる。まずイオン源１２から低エネルギーのビームが出力され、軌道面２０にビームが導かれる。軌道面２０に入射されたビームは高周波電場による加速を受けながら、そのエネルギーが増大するとともに、軌道の回転半径を増加させていく。その後ビームは高周波電場による進行方向安定性を確保しながら加速される。すなわち、高周波電場が最大となる時刻に加速ギャップ２２３を通過するのではなく、時間的に高周波電場が減少している時に加速ギャップ２２３を通過させる。
【００４８】
すると、高周波電場の周波数とビームの周回周波数はちょうど整数倍の比で同期させているため、所定の加速電場の位相で加速された粒子は次のターンも同じ位相で加速を受ける。一方、加速位相より早い位相で加速された粒子は加速位相で加速された粒子よりもその加速量が大きいため、次のターンでは遅れた位相で加速を受ける。また逆に有る時に加速位相より遅い位相で加速された粒子は加速位相で加速された粒子よりもその加速量が小さいため、次のターンでは進んだ位相で加速を受ける。このように、所定の加速位相からずれたタイミングの粒子は加速位相に戻る方向に動き、この作用によって、運動量と位相からなる位相平面（進行方向）内においても安定に振動することができる。
【００４９】
この振動をシンクロトロン振動と呼ぶ。すなわち、加速中の粒子はシンクロトロン振動をしながら、徐々に加速され、取り出しされる所定のエネルギーまで達する。所定の取り出しビームを目標のエネルギーで取り出すために、キッカ磁場発生用コイル３１１のいずれか一つもしくは複数のコイルが目標エネルギーを元に選択され所定の励磁電流が流される。
【００５０】
目標エネルギーのビームはキッカ磁場発生用コイル３１１に電流が流されていない場合はその設計軌道に沿って周回するが、キッカ磁場発生用コイル３１１に電流が流されていると、目標エネルギーに達したビームはキッカ磁場発生用コイル３１１起因のキック磁場によって軌道からずれる。すなわち、キッカ磁場発生用コイル３１１によって軌道面内のベータトロン振動が励起される。キッカ磁場発生用コイル３１１によるキックの位置と集約点の位置が適切な位置関係にある時、キッカ磁場発生用コイル３１１によるキックによって集約点においてビームを半径方向外側に変位させることが可能である。
【００５１】
ビームが主磁場中を周回しながら加速する一連の動作において、前述の通り軌道に対して垂直な面内の振動であるベータトロン振動と運動量ずれと加速高周波の位相における振動であるシンクロトロン振動をする。この二種の振動によってビームは所定のエネルギーまでそのビームをロスすることなく安定に加速することができる。しかしながら、上述の原理によって生じるベータトロン振動は軌道を外れた粒子に対して軌道に戻す方向の力、すなわち収束力が確保されることが必要であった。
【００５２】
軌道変位に対して比例して収束力が大きくなる体系では大きな変位でも安定にベータトロン振動することが可能であるが、本加速器を含め、一般的な加速器の磁場分布には六極以上の変位に対して非線形に変化する成分がある。非線形な分布は収束力を低下させ、ベータトロン振動の振幅に上限を生じさせる。上限を超えて変位した粒子は失われるため、ビーム量を確保するには磁場の非線形分布を減少させることと周回中のビームに対して与えられる擾乱を小さくする必要がある。この擾乱への対策として、主磁場を先に述べた分布になるよう形成している。
【００５３】
またビームに対して与えられる擾乱の一つに、高周波電場による加速に由来するものがある。ビームは加速を受けた時点ではその空間的な位置を変えないのに対し、加速によって運動エネルギーが増加する。すると、加速前に設計軌道上にいたイオンも運動エネルギーが変化したことによって設計軌道が外にずれ、設計軌道から見た変位として内側に移動する擾乱を受けたことになる。換言すると、加速前の設計軌道から加速後の設計軌道への遷移によって、加速前の設計軌道に対して安定的であったベータトロン振動が、加速後の設計軌道を基準とした際にこの設計軌道よりも内側にて生じているものとなる。これを加速に伴う擾乱と定義する。加速に伴う擾乱によって生じるベータトロン振動の振幅が大きくならないようにする工夫が本実施例の加速器１のディー電極２２１には施されている。
【００５４】
ディー電極２２１と接地電極２２２の間隙においてビームは加速されるが、一周当たりディー電極２２１に覆われた領域にビームが入る時とディー電極２２１から出るときの都合２回の加速を受ける。この２回の加速によって生じるビームの変位を、ディー電極２２１の形状を適正化することで互いに打ち消しあって小さくすることができる。その原理について図６を参照しつつ説明する。ベータトロン振動を記述するために規格化位相空間の概念を導入する。
【００５５】
位相空間とは設計軌道から見た変位と設計軌道に対する傾きを軸として定められる平面であり、安定的なベータトロン振動をする粒子は位相空間上で周回運動をする。位相空間をさらに軌道の各点ごとのTwiss parameterによって表される規格化行列によって規格化したものを規格化位相空間といい、加速を受けていない状況では、粒子のベータトロン振動は規格化位相空間上での時計回りの円運動と見做すことができる（Ａ）。図６に示すようにビームが軌道面２０を１周すると規格化位相空間を２πνの角度だけ円運動する。ただしνはベータトロン振動数であり、水平方向のベータトロン振動数は１より微小に小さい０．９９程度である。また実空間で考えると、ｘ＝０が設計軌道の位置に対応する。
【００５６】
さて、規格化位相空間中で円運動する粒子に対して、加速の擾乱は規格化位相空間中の空間方向の移動と見ることができる。高周波との同期条件から二か所の加速ギャップは互いに周回軌道上で角度π離れる必要がある。すると、一方の加速ギャップから他方の加速ギャップへ向かう運動は規格化位相空間上では角度πνの円運動となる。
【００５７】
ここで粒子が、ある加速ギャップを通過する瞬間を考えると、この通過で受けた加速に伴う擾乱により、規格化位相空間上において粒子は内側（ｘ＜０）に変位する（Ｂ）。つづいてνがほぼ１であることから、この粒子は、もう一方の加速ギャップに達するまでに規格化移動空間上で角度πνの円運動を終え、ほぼ変位が外向き（ｘ＞０）になった上で設計軌道にほぼ平行（ｘ’≒０）になる（Ｃ）。そしてもう一方の加速ギャップを通過時に再度、加速に伴う擾乱を受ける。すると、本実施例の配置のように対称軸に対して、左右が線対称の加速ギャップ配置では、前者の擾乱と後者の擾乱がほぼ等しい大きさとなる（Ｄ）。結果、Ｂ・Ｃ・Ｄの一連の規格化位相空間上の軌跡をほぼ閉じさせる、すなわち一周する間にうける加速に伴う擾乱を小さくでき、ベータトロン振動の振幅の増加を抑えることができる。
【００５８】
上述の加速に伴う擾乱による規格化位相空間上の変位量Δｘは軌道における分散関数η、加速によって得られる運動量Δｐ、粒子の運動量ｐ、Twiss parameter βを用いて式１
によって表される。
【００５９】
【数１】
2019091553.tif 000003
【００６０】
軌道上の対称軸に対して互いに対称な２点ではある運動量ｐの軌道におけるη、βは互いに等しく、加速ギャップ形状で定まるΔｐも等しいため上記のように加速に伴う擾乱を小さくできる。さらに、運動量ｐが小さい箇所ではディー電極に入る時の加速によるΔｐ／ｐと出るときのΔｐ／ｐに差が生じる場合も考えられる。
【００６１】
その場合は加速ギャップ２２３の位置は左右対称に保ちつつ、加速ギャップ２２３の幅すなわち、ディー電極２２１と接地電極２２２の間隔をディー電極２２１に入る側で大きくとり、トランジットタイムファクターを落とすことでΔｐを小さくすることができる。この場合は、左右対称のディー電極形状とするよりも、非対称の形状をとることでさらに加速に伴う擾乱を小さくでき、結果として加速可能なビーム量を増加できる。
【００６２】
また、電極に入る時の加速に伴う擾乱と電極から出るときの加速に伴う擾乱の大きさを調整するには加速ギャップの位置を微小にずらすことで高周波の同期位相をずらすことや、ディー電極あるいは接地電極形状を適切に変え、電場分布を左右で変えることなどが考えられる。いずれにせよ、ビームが加速器中を１周する際に擾乱を受けるが、擾乱を受けた結果生じる規格化位相空間上の軌跡を閉じた軌跡とすることでベータトロン振動振幅の増加の抑制は達成され、ひいては取り出し可能なビーム量の大きな小型加速器を実現可能となる。
【００６３】
以上で説明した本実施例の加速器１によれば、従来のサイクロトロンであれば、エネルギー変更のためにディグレーダー（減衰部材）を必要とし、これを通過させる際にイオンビームの大きな割合が損失していた。しかし、本実施例の加速器１は、ディグレーダーの設置を省略、あるいはエネルギーの微調整のために設置するとしても従来のように広範なエネルギー領域に対応する必要が無いため、イオンビームの遮蔽性能が低いディグレーダーの設置が可能となり、イオンビームの利用効率を高めることができる。またディグレーダーの設置を省略等することで、イオンビームがディグレーダーを通過する際に生じる中性子等の発生も抑えられ、これらを遮蔽するための遮蔽部材の物量を低減できる。すなわち加速器の配置自由度が向上し、設置のために要するスペースの効率化にも寄与する。
【００６４】
また従来の可変エネルギー加速器やサイクロトロンは、軌道上の平均磁場をビームの相対論的γファクターに比例させることで、周回の時間をエネルギーに依らず一定としている（この性質を持つ磁場分布を等時性磁場と呼ぶ）。等時性磁場下では軌道に沿って磁場を変調させることで軌道面内と軌道面に垂直な方向のビーム安定性を確保しているが、等時性とビームの安定性を両立するためには磁場の極大部(Hill)と極小部(Valley)が必要である。この分布のついた非一様な磁場は、磁極間の距離（ギャップ）をHill領域では狭く、Valley領域では広くとることで形成することができる。しかしながら、Hill磁場とValley磁場の差は強磁性体である磁極材料の飽和磁束密度程度が実用上限界である。すなわち、Hill磁場とValley磁場の差は２テスラ程度に制限される。
【００６５】
一方、上述の従来加速器を小型化する場合、主磁場を高めて、ビーム軌道の偏向半径を小さくすることが必要であるが、主磁場と前述のHill磁場とValley磁場の差は比例関係にあり、前述の飽和磁束密度による限界が小型化を阻む要因となってしまうが、本実施例の加速器であれば、このような制限が緩和される構造を採用しているため小型化を図ることが可能となる。
【実施例２】
【００６６】
第２の実施例は第１の実施例において、加速核種を炭素イオンとしたものである。本加速器は炭素イオンを核子当り運動エネルギー１４０ＭｅＶ〜４３０ＭｅＶの範囲での取り出しが可能な周波数変調型可変エネルギー加速器である。動作原理・機器構成・操作手順は第1の実施例と同一であるので省略する。異なるのは軌道半径の大きさと磁場とエネルギーの関係、周回周波数とエネルギーの関係であるが、実施例１に示した加速器から、ビームの磁気剛性率の比に軌道半径と磁場の積を比例させることで実現できる。よって、実施例１と同様の手法によってビームが加速器中を１周する際に擾乱を受けるが、擾乱を受けた結果生じる規格化位相空間上の軌跡を閉じた軌跡とすることでベータトロン振動振幅の増加の抑制は達成され、ひいては取り出し可能なビーム量の大きな小型加速器を実現可能となる。
【実施例３】
【００６７】
第３の実施例として実施例１または実施例２に挙げた加速器を用いた粒子線治療システムについて説明する。図７は本実施例の概要図である。
【００６８】
粒子線治療システム４１０は、粒子線（イオンビーム）を生成する加速器１を有し、加速器１から出射されたイオンビームはダクト４００の内部を進む。ダクト４００の内部を進むイオンビームは、偏向電磁石４０１の機能によって所望の方向へ偏向され、この偏向電磁石４０１が複数台設けられることで任意の位置まで導かれる。またイオンビームを輸送する経路（輸送経路）には複数台の四極電磁石４０２が設置され、四極電磁石４０２の収束または発散作用によってイオンビームの状態が調整される。偏向電磁石４０１や四極電磁石４０２の出力は通過するイオンビームのエネルギーによって調整されるように構成されており、その調整は制御装置４０８によって制御されている。また、一部の偏向電磁石４０１は、回転軸４０７を中心に回転可能に構成されており、この回転により、後述する照射野形成装置を、患者４０９を中心とした任意の回転角まで運ぶことができる。なお各偏向電磁石４０１が施設床面や壁面に固定具を介して固定され、照射野形成装置を定位置に保持してもよい。
【００６９】
このような輸送機器を介して治療エリア近傍まで運ばれたイオンビームは照射野形成装置を通り患部に対して照射される。照射野形成装置には様々なタイプが存在するが、図７は走査電磁石４０３を2台使用している例を挙げている。２台の走査電磁石４０３は生成する磁場が互いに直交するものであって、２つの直交する磁場の出力をそれぞれ制御することにより、所望の位置へ向かうようイオンビームを偏向することができる。
【００７０】
走査電磁石４０３の下流（走査電磁石４０３よりも患者側）にはイオンビームの通過位置を検出する位置モニタ４０４や、照射されるイオンビームの線量を計測する線量モニタ４０５が設置される。各モニタについては、例えば、位置モニタとして多線式比例計数箱（multi wire porpotional chamber）、線量モニタとして電離箱が利用できる。当然ながら適した機能を有する異なる種類のモニタを利用してよい。
【００７１】
なお照射野形成装置は、走査電磁石４０３の下流側に散乱体、コリメータ、レンジシフタ、リッジフィルタ等のビーム成型部材やエネルギー調整部材が設けられている形式のものであってもよい。また走査電磁石４０３が設置されず散乱体のみが設置されている照射野形成装置であってもよい。また位置モニタ４０４や線量モニタ４０５の設置位置も、図７の位置に限られず、ビームの輸送経路の途中に設置してもよい。
【００７２】
走査電磁石４０３の下流側には、患者４０９を治療に適した位置にて保持するための支持台４０６が設けられている。図７では省略しているが、この支持台４０６は制御装置４０８の制御により移動可能に構成されている。また支持台４０６は患者４０９が仰臥またはうつ伏せの姿勢をとることができるベッドタイプ、あるいは患者４０９が座位姿勢をとることに適した椅子のような形状をもつタイプなど任意のものを採用してよい。
【００７３】
またこれまでに挙げた偏向電磁石４０１、四極電磁石４０２、走査電磁石４０３、位置モニタ４０４、線量モニタ４０５や支持台４０６は制御装置４０８によって動作が制御される。制御装置４０８は図示しない入力インターフェースを有しており、医療者またはその補助者の操作指示を受け付けることが可能となっている。なお、本実施例では制御装置４０８を一つの機器として説明したが、これは一例であって、制御対象ごとに対応する制御装置を用意して、これらを組み合わせて制御装置４０８としてもよい。
【００７４】
以上に挙げた機器を構成に有する粒子線治療システム４１０は、照射対象である患部を照射するにあたり、体表を基準としたときの患部の位置（深さ）によって照射する陽子線あるいは炭素線（以下ではまとめて粒子線と呼ぶ）のエネルギーを適切な値にして患者に照射する。照射する粒子線のエネルギーは治療計画によって定められるが、治療計画が定めた粒子線のエネルギーと照射量の情報は制御装置４０８に入力される。これを受け取った制御装置４０８は、指示されたエネルギーおよび照射量の粒子線が出射されるよう加速器１を制御する。より具体的にはイオン源１２に対してイオンの供給動作を要求し、加速器１の高周波電源２１０に対しては、図３のグラフで示す初期周波数（E=０）から目標周波数（E=目標エネルギー）に向かって漸減する周波数の出力を要求する。
【００７５】
それらの制御により目標エネルギーに達したイオンビームが生成されると、キッカ磁場発生用コイル３１１を動作させて設計軌道からイオンビームを蹴り出し、セプタム電磁石３１２を動作させてイオンビームを加速器１から出射させる。出射したイオンビームは偏向電磁石４０１や四極電磁石４０２によって方向や状態を制御されながらダクト４００の内部を進行し、走査電磁石４０３によって計画された位置に向かうよう制御される。イオンビームの照射量は線量モニタ４０５によって計測され、目標とする照射量に達すると制御装置４０８が加速器１のキッカ磁場発生用コイル３１１やイオン源１２の動作を停止させる。以降は、治療計画に定められた次のエネルギー、照射量に対応するよう上記の制御が繰り返される。
【００７６】
本実施例の粒子線治療システムによれば、治療に必要な幅広いエネルギーのイオンビームが加速器１から出射されるため、従来のサイクロトロンを採用する粒子線治療システムと比較して、イオンビームの利用効率を飛躍的に向上することができる。また取り出し可能なビーム量が大きいため照射時間の短縮も図ることができ、施設で照射可能な時間当たりの患者数の増加も可能である。また、先に挙げたように磁場の制限が小さいため小型化を図りやすく、粒子線治療システム全体の小型化にも寄与する。
【００７７】
以上、本発明の円形加速器およびこれを利用した粒子線治療装置について実施例を挙げて説明した。なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００７８】
例えば、上述の実施例における電磁石は、常伝導の一般的なコイルを採用したものを想定したが、超伝導コイルを用いた超伝導磁石を採用してもよい。また周波数変調器として、回転式可変容量キャパシタを例に挙げたが、これを可変容量式ダイオードに変更してもよい。また加速するイオンも陽子に限らず、ヘリウムや炭素などを採用してもよく、加速するイオン種と必要となるエネルギーに応じて、磁場分布および高周波空胴に印加する高周波の周波数を調整するとよい。
【符号の説明】
【００７９】
１  加速器
１１  電磁石
１１１  取り出しビーム用貫通口
１１２〜１１３  コイル接続用貫通口
１１４  高周波入力用貫通口
１１５  ビーム入射用貫通口
１２  イオン源
１３  コイル
１２１  リターンヨーク部
１２２  天板部
１２３  磁極部
１２４  磁極面
１３０  入射部
２０  軌道面（軌道面）
２１  高周波空胴
２２１  ディー電極（第１電極）
２２２  接地電極（第２電極）
２２３  加速ギャップ
２１０  高周波電源
２１１  入力カプラ
２１２  回転式可変容量キャパシタ（周波数変調器）
２１３  回転軸
２１４  サーボモータ
３１１  キッカ磁場発生用コイル
３１２  セプタム電磁石
３２２  取り出しチャネル
６０  トリムコイル
４００  ダクト
４０１  偏向電磁石
４０２  四極電磁石
４０３  走査電磁石
４０４  位置モニタ
４０５  線量モニタ
４０６  支持台
４０７  回転軸
４０８  制御装置
４０９  患者
４１０  粒子線治療システム
【図１】
2019091553.tif 000004
【図２】
2019091553.tif 000005
【図３】
2019091553.tif 000006
【図４】
2019091553.tif 000007
【図５】
2019091553.tif 000008
【図６】
2019091553.tif 000009
【図７】
2019091553.tif 000010