(57)【要約】 【課題】  荷電粒子を加速する装置において、荷電粒子の出射エネルギーを瞬時に変えることができ、荷電粒子の軌道を偏向する磁場と高周波加速電極部の加速周波数の変更が不要な円形加速器を提供すること。【解決手段】  円形加速器１００は、荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加するディー電極１及びダミーディー電極２ａ〜２ｅと、荷電粒子ビームを偏向する電磁石装置と、ディー電極１とダミーディー電極２ａ〜２ｅを部分的に短絡接続する開閉装置８ａ、８ｂと、インピーダンス調整用回路素子７ａ１、７ａ２、７ｂ１、７ｂ２と、絶縁材３と、を備える。 【選択図】  図１
2015133241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加するディー電極と、
少なくとも円の１／４の領域を含む第１の部分電極と、前記第１の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第２の部分電極とに分割されたダミーディー電極と、
ひとつ又は複数の前記第２の部分電極を、前記ディー電極又は前記第１の部分電極のいずれか一方に接続するための開閉装置と
を備えたことを特徴とする円形加速器。
【請求項２】
請求項１に記載された円形加速器において、
各々の前記第１及び第２の部分電極を絶縁する絶縁材と、
前記開閉装置と接続されたインピーダンス特性調整用回路素子と
をさらに備え、
前記開閉装置は、
ひとつ又は複数の前記第２の部分電極と前記ディー電極とをそれぞれ接続又は開放するための第１の開閉装置と、
前記第１の開閉装置で前記ディー電極と接続又は開放されたひとつ又は複数の前記第２の部分電極と、前記第１の部分電極とをそれぞれ開放又は接続するための第２の開閉装置と
を有する
ことを特徴とする円形加速器。
【請求項３】
請求項１に記載された円形加速器において、
前記ダミーディー電極は、ひとつ又は複数の前記部分電極が半径方向に同心円状に分割され、前記第１の部分電極は、１／２の円のうち一方の１／４の円と他方の１／４の中心側の同心円状の部分を含み、前記第２の部分電極は、他方の１／４の円のうち第１の部分電極を除く部分を同心円状にひとつ又は複数に分割したものであることを特徴とする円形加速器。
【請求項４】
請求項３に記載された円形加速器において、
前記第２の部分電極は、ひとつであることを特徴とする円形加速器。
【請求項５】
請求項４に記載された円形加速器において、
前記ダミーディー電極は、前記荷電粒子ビームのビーム軌道の最大半径付近で又は出力付近分割されており、
ビーム軌道の最大半径付近で磁場Ｂと一次のハーモニック電界ＥによるＥｘＢドリフトを発生させ、前記荷電粒子ビームの周回軌道間隔を広げて、荷電粒子ビームを取り出すことを特徴とする円形加速器。
【請求項６】
請求項１に記載された円形加速器において、
前記ダミーディー電極の前記第１の部分電極は、１／２の円のうち一方の１／４の円を含み、
前記第２の部分電極は、前記第１の部分電極を除いた部分を直線的に複数に分割したものである
ことを特徴とする円形加速器。
【請求項７】
請求項１に記載された円形加速器において、
前記開閉装置は、開閉状態が予め固定的に設定されることを特徴とする円形加速器。
【請求項８】
請求項１に記載された円形加速器において、
ビームエネルギーに応じた前記開閉装置の開閉状態を記憶したテーブルと、
前記テーブルを参照して、予め設定されたひとつ又は複数のビームエネルギーに従い前記開閉装置を開閉制御する制御部と
を備えたことを特徴とする円形加速器。
【請求項９】
請求項８に記載された円形加速器において、
前記ディー電極と前記ダミーディー電極の各前記第２の部分電極との間に設けられ、インピーダンス特性を調整するための回路素子
を備え、
前記制御部は、ビームエネルギーを切り替える際、前記回路素子に対して、接続から開放に切り替えられる前記第２の部分電極に接続されたインピーダンスを予め定められた値まで離散的又は連続的に増加するよう制御した後、前記開閉装置を切替えることを特徴とする円形加速器。
【請求項１０】
請求項２に記載の円形加速器において、
前記インピーダンス特性調整用回路素子は、
前記第１の開閉装置と前記ディー電極との間に設けられ、インピーダンス特性を調整するための第１の回路素子と、
前記第１の開閉装置と前記ダミーディー電極の各前記第２の部分電極との間に設けられ、インピーダンス特性を調整するための第２の回路素子と、
前記第２の開閉装置と前記ダミーディー電極との間に設けられ、インピーダンス特性を調整するための第３の回路素子と、
前記第２の開閉装置と前記ダミーディー電極の各前記第２の部分電極との間に設けられ、インピーダンス特性を調整するための第４の回路素子と
を備えたことを特徴とする円形加速器。
【請求項１１】
請求項１に記載された円形加速器において、
荷電粒子ビームを偏向するための磁場コイルと、
荷電粒子ビームを発生し、前記円形加速器の中心部分に入射する高周波電源と、
ビーム軌道を曲げて取り出すためのデフレクタ電極と
を備えたことを特徴とする円形加速器。
【請求項１２】
請求項１に記載された円形加速器と、
前記円形加速器からの出射ビームをターゲットまで輸送するためのビーム輸送系と
を備えたことを特徴とする薬剤又は物質生成用円形加速システム。
【請求項１３】
請求項１に記載された円形加速器と、
前記円形加速器から出力されたビームを輸送するためのビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系により輸送された前記ビームを、ターゲットへ多方向から照射するための回転ガントリと、
水平及び垂直方向へ前記ビームを走査するための電磁石と
を備えたことを特徴とする粒子線治療用円形加速システム。
【請求項１４】
円形加速システムであって、
円形加速器と、
前記円形加速器から出力されたビームを輸送するためのビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系により輸送された前記ビームをターゲットへ照射するためのビーム照射系と
を備え、
前記円形加速器は、
荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加するディー電極と、
少なくとも円の１／４の領域を含む第１の部分電極と、前記第１の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第２の部分電極とに分割されたダミーディー電極と、
ひとつ又は複数の前記第２の部分電極を、前記ディー電極又は前記第１の部分電極のいずれか一方に接続するための開閉装置と
を備えたことを特徴とする円形加速システム。
【請求項１５】
円形加速器における粒子加速方法であって、
前記円形加速器において、
ディー電極と、少なくとも円の１／４の領域を含む第１の部分電極と、前記第１の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第２の部分電極とに分割されたダミーディー電極とにより、荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加し、
開閉装置により、ひとつ又は複数の前記第２の部分電極を、前記ディー電極又は前記第１の部分電極のいずれか一方に接続する
ことにより、
前記荷電粒子ビームのビーム軌道上に磁場Ｂと一次のハーモニック電界ＥによるＥｘＢドリフトを発生させ、前記荷電粒子ビームの出力エネルギーを変更して荷電粒子ビームを出力することを特徴とする粒子加速方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円形加速器、円形加速システム及び粒子加速方法に係り、特に、磁場中で荷電粒子を偏向して円形に近い軌道を周回させながら、高周波電場により高いエネルギーまで荷電粒子を加速して、加速された荷電粒子を外部へ出射するための円形加速器、円形加速システム及び粒子加速方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のサイクロトロンもしくはシンクロサイクロトロン等は円形加速器の一種である。サイクロトロンによる荷電粒子ビームの加速は、例えば、イオン源から出てきた荷電粒子ビームを磁場に対して垂直な平面における円形軌道に導入し、その円形軌道上に設置されたいわゆるディー電極（Ｄｅｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）に高周波の交流電圧を印加して、通過する荷電粒子ビームを加速して、そのエネルギーを増加させることによって達成される。
【０００３】
従来の円形加速器について、図１３を用いて説明する。図１３は、従来の円形加速器１０００の水平断面の概略構成を示す。
従来のビームエネルギー可変の円形加速器１０００は、ディー電極１００１と、ダミーディー電極１００２とを備えている。また、ディー電極１００１は同軸共振器に接続されており、その同軸のシールド側１００５とそれを接地するための配線１００４を具備する。なお、ビームは最終的に静電デフレクタ電極１０１０により静電的な高電界でビーム軌道は曲げられて取り出される。
【０００４】
特許文献１に記載されたシンクロサイクロトロンでは、第一に高周波電圧印加電極部の加速周波数をビーム加速中に１ｋＨｚ程度の運転周期で高速に周波数変調してビームを加速し、第二に高周波加速の位相安定性の原理によりビーム進行方向に収束させ、第三に弱収束磁場にしてビーム垂直方向を収束させており、これらが主な特徴となっている。特許文献１に記載された装置では、共振周波数が例えば１ｋＨｚレベルの周波数変調が技術的に非常に困難である場合が想定される。
【０００５】
特許文献２に記載されているサイクロトロンでは、イオン源から引き出されたイオンビームが、偏向電磁石により作られる偏向磁場により周回しながら、加速電極部を通過する毎に徐々に加速される。イオンビームが加速されてエネルギーが増加するに従い、周回軌道の半径は徐々に大きくなり、らせん状の軌道となって、加速されたイオンビームが最高エネルギーに達してから出射用デフレクタによって加速器外部へ取り出される。ここまではシンクロサイクロトロンと同じである。
【０００６】
サイクロトロンにおいて荷電粒子を安定に加速するためには、第一に加速電極において、荷電粒子の通過のタイミングに合わせて、ビーム進行方向に所定の高周波加速電界を印加する、第二にビーム垂直方向に所定の収束力を与える必要があり、また第三にビーム進行方向には収束力はない。
【０００７】
特許文献２に記載されたサイクロトロンでは、シンクロサイクロトロンと異なり、荷電粒子の周回周波数が加速とともに変化しないように、偏向電磁石の磁場分布は発生されるので、高周波加速電界の周波数を変調する必要はない。この磁場のことを等時性磁場と呼ぶ。等時性磁場はビーム進行方向には収束力がないため、例えば、電磁石の磁場整形の精度を１×１０−６程度に高くし、且つ、加速電圧を大きくして、数百ターンほどでビームを取り出す構成とする。また等時性磁場とする為に、半径が大きい方向に強くなる磁場分布とする必要があり、垂直方向に大きな発散力が生じる。この発散力に打ち勝って垂直方向の収束力を得るために、偏向電磁石の構成が、荷電粒子の周回方向に沿って大きい磁極ギャップ（谷）と小さい磁極ギャップ（山）が交互に繰り返すセクター集束サイクロトロンまたはＡＶＦサイクロトロンの構造となっており、さらに磁極形状をスパイラル状の磁極形状としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００８−５０７８２６号公報
【特許文献２】特表平５−５０１６３２号公報
【特許文献３】特願２０１１−２４４２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のシンクロサイクロトロン及びサイクロトロンでは、出射ビームのエネルギーを変更するためには、磁場強度を変更するか、もしくは高周波加速電界の周波数を変更する必要があった。しかし、磁場強度を大きく変更すると、等時性磁場の空間分布も大きく変化してしまい、この等時性磁場の調整には長時間を要するという課題がある。また、加速周波数を大きく変更するためには、高周波加速空洞の共振周波数を大きく変更する必要が生じるが、この共振周波数の調整には長時間を要するという課題がある。これらの理由により、シンクロサイクロトロン及びサイクロトロンの出射ビームのエネルギーを瞬時に大きく変更することは簡単ではなかった。また、ビームの取り出しにおいては、ビームの周回軌道間隔が狭いため、ビーム取り出し用の静電デフレクタの半径方向内側電極をまたげずにビームが電極に当たって損失が比較的大きいというということが想定された。
【００１０】
なお、現状のシンクロサイクロトロン及びサイクロトロンでは、通常、加速器によるエネルギー変更はできないので、一定のエネルギーでビームを取り出した後に、デグレーダーでエネルギー損失を発生させて、エネルギーを変更しているが、この方法ではビームの性能が劣化すると伴に装置が大きくなってしまうという課題があった。
【００１１】
本発明は、以上の点に鑑み、円形加速器の出射ビームのエネルギーを変更又は調整することができる円形加速器、円形加速システム及び粒子加速方法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】
【００１２】
本発明の第１の解決手段によると、
荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加するディー電極と、
少なくとも円の１／４の領域を含む第１の部分電極と、前記第１の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第２の部分電極とに分割されたダミーディー電極と、
ひとつ又は複数の前記第２の部分電極を、前記ディー電極又は前記第１の部分電極のいずれか一方に接続するための開閉装置と
を備えたことを特徴とする円形加速器が提供される。
【００１３】
本発明の第２の解決手段によると、
円形加速システムであって、
円形加速器と、
前記円形加速器から出力されたビームを輸送するためのビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系により輸送された前記ビームをターゲットへ照射するためのビーム照射系と
を備え、
前記円形加速器は、
荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加するディー電極と、
少なくとも円の１／４の領域を含む第１の部分電極と、前記第１の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第２の部分電極とに分割されたダミーディー電極と、
ひとつ又は複数の前記第２の部分電極を、前記ディー電極又は前記第１の部分電極のいずれか一方に接続するための開閉装置と
を備えたことを特徴とする円形加速システムが提供される。
【００１４】
本発明の第３の解決手段によると、
円形加速器における粒子加速方法であって、
前記円形加速器において、
ディー電極と、少なくとも円の１／４の領域を含む第１の部分電極と、前記第１の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第２の部分電極とに分割されたダミーディー電極とにより、荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加し、
開閉装置により、ひとつ又は複数の前記第２の部分電極を、前記ディー電極又は前記第１の部分電極のいずれか一方に接続する
ことにより、
前記荷電粒子ビームのビーム軌道上に磁場Ｂと一次のハーモニック電界ＥによるＥｘＢドリフトを発生させ、前記荷電粒子ビームの出力エネルギーを変更して荷電粒子ビームを出力することを特徴とする粒子加速方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、円形加速器の出射ビームのエネルギーを変更又は調整することができる円形加速器、円形加速システム及び粒子加速方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施例によるエネルギー可変型の円形加速器の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例によるエネルギー可変型の円形加速器の垂直断面概略構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施例によるエネルギー可変型の円形加速器のビームドリフト軌道の概略を示す図である。
【図４】本発明をＰＥＴ薬剤製造用サイクロトロン装置に適用した場合のディー電極短絡開始半径ｒｅとインピーダンス調整回路のインピーダンスＺと出射ビームエネルギーの関係を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例によるエネルギー可変型の円形加速器の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施例によるエネルギー可変型の円形加速器の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施例による円形加速器の低損失ビーム取り出しシステムの概略構成を示す図である。
【図８】出射ビームエネルギーとスイッチ状態の関係の一例を示す対応テーブルの説明図である。
【図９Ａ】スイッチと調整用インピーダンスによってビームエネルギーを運転中にダイナミックに変える運転パターンの説明を示す図（Ａ）である。
【図９Ｂ】スイッチと調整用インピーダンスによってビームエネルギーを運転中にダイナミックに変える運転パターンの説明を示す図（Ｂ）である。
【図１０】円形加速器が用いられるＰＥＴ薬剤生成システムの一例である。
【図１１】円形加速器が用いられる粒子線治療システムの一例である。
【図１２】制御部を備えた円形加速器の概略構成を示す図である。
【図１３】従来の円形加速器の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明及び本実施例は円形ビーム加速装置の全般に適用可能であるが、ここでは一例として、エネルギー可変の円形加速器とそのビームエネルギー変更方法について記述している。
【００１８】
１．概要
本実施例では、円形加速器において、荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加する電極と、荷電粒子ビームを偏向する電磁石装置と、高周波電場を印加するディー電極とダミーディー電極間を部分的に短絡接続する開閉装置を備えることによって、ある半径以上で１次のハーモニック電界を印加して、軌道中心をドリフトさせて、異なるエネルギーでビームを取り出すことにより、上述のような課題を解決することができる。
【００１９】
本実施例によれば、本装置はこの円形加速器において、ビームの偏向磁場を一定に保ちながら、出射ビームエネルギーの自由な変更が可能で、かつビームの最外周回軌道の間隔を広げて、ビームの取り出し効率を高めることができる。
【００２０】
本実施例によれば、例えば、ある半径以上では１次のハーモニック電界を印加して、軌道中心をドリフトさせ、そのための半径方向に複数分割絶縁されたダミーディー電極と高周波回路のインピーダンスを調整できる構造を具備することで、円形加速器の出射ビームのエネルギーを変更又は調整することが可能になる。また、本実施例によれば、磁場の変化も加速周波数も変更することがないため、出射ビームのエネルギー変更装置まで含めた全体円形加速器システムとしての高性能化、小型化、低コスト化が可能となる。また、本実施例によれば、ビーム損失の少ない高効率なビームの取り出しも可能になり、より高性能化に寄与することができる。
【００２１】
２．円形加速器
【実施例１】
【００２２】
本発明の好適な一実施例である円形加速器について、図１を用いて説明する。
図１は、本実施例の円形加速器１００の水平断面の概略構成図を示す。以下、本実施例の円形加速器１００による荷電粒子ビームのエネルギー変更について説明する。
【００２３】
本実施例のビームエネルギー可変の円形加速器１００は、ディー電極１と、絶縁材３により半円形状に分割絶縁されたダミーディー電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅと、ある半径ｒｅ以上のダミーディー電極をディー電極と接続するためのスイッチ部８と、その接続にあたり空洞共振器（例えば、円形加速器の電気的な等価回路）のインピーダンス特性を調整するための回路素子Ｚ１〜Ｚ８、Ｚａ、Ｚｂを有するインピーダンス調整用回路素子７ａ１、７ａ２、７ｂ１、７ｂ２を備えている。また、ディー電極１は同軸共振器に接続されており、その同軸のシールド側５とそれを接地するための配線４を具備し、またダミーディー電極２は、接地配線６により接地されている。なお、ビームは最終的に静電デフレクタ電極１０により静電的な高電界でビーム軌道は曲げられて取り出される。
【００２４】
本実施例では、ダミーディー電極が５つに分割絶縁された構成としたが、５分割に限定されるものではなく、複数に分割絶縁される構成であればよい。なお、ここでディー電極とは、円形軌道上に設置されて、電極間に高電界を発生して粒子を加速するための２つの電極のうちの高電圧側の電極であり、ダミーディー電極とは粒子を加速するための２つの電極のうちの接地電位側の電極と定義する。イオン源（図示せず）で生成された荷電粒子ビームは円形加速器１００の中心部に入射され、１／４λ同軸導波管（空洞共振器）から同軸モードの高周波電力が伝送されるディー電極１と絶縁材３により同心円状に分割絶縁されたダミーディー電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅとの間の高周波加速電界で順次加速される。ディー電極１とダミーディー電極２ａ〜２ｅの存在する領域には、紙面方向に垂直に磁場が印加されているため、通過する荷電粒子ビームのビーム軌道は磁場による偏向を受けて螺旋状になり、最終的にディー電極の外側に配置された静電デフレクタ電極１０において、荷電粒子ビームは引き出される。
【００２５】
本実施例の円形加速器１００は、図１３に示された従来の円形加速器と比較して異なるのは、主に、ダミーディー電極２が同心の半円形状に複数に分割され、分割されたダミーディー電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの各々が絶縁材３によって絶縁されていることと、ダミーディー電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの各々にディー電極１と接続するかもしくはしないかを選択可能にするためのスイッチ部８ａ、８ｂを備えることと、その接続による同軸共振器のインピーダンス特性の変化を調整するための回路素子７ａ１、７ａ２、７ｂ１、７ｂ２を備えていることにある。スイッチ部８ａ、８ｂにより、ダミーディー電極２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの各々が、ディー電極１かダミーディー電極２ａのいずれか一方に接続される。
【００２６】
また、図２は、本実施例のビームエネルギー可変の円形加速器１００の垂直断面の概略図を示している。図２に示すとおりに、本実施例のビームエネルギー可変の円形加速器１００は、図１の構成機器以外に、荷電粒子ビームを偏向するための主磁場コイル１２、磁場を調整する補助磁場コイル１３、電磁石鉄心１４、高周波電源１５を備えている。
【００２７】
次に、円形加速器１００が荷電粒子ビームのエネルギーを変更して運転する方法について説明する。高周波を伝送するディー電極１とダミーディー電極２ａ〜２ｅの間にはスイッチ部８ａが接続され、それによりディー電極１は並列に複数に分岐されてインピーダンス調整回路７ａ１を介して各ダミーディー電極２ａ〜２ｅへ接続される。また、接地側のダミーディー電極２ａとダミーディー電極２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの間にはスイッチ部８ｂが接続され、それによりダミーディー電極２ａは並列に複数に分岐されてインピーダンス調整回路７ｂ１を介して各ダミーディー電極２ｂ〜２ｅへ接続される。スイッチ部８ａは通常は開かれており、ディー電極１は各ダミーディー電極２ａ〜２ｅから切り離されて、かつスイッチ部８ｂは通常は閉じられており、各ダミーディー電極２ｂ〜２ｅは接地側のダミーディー電極２ａに接続されているため、そのギャップ間には交流電界が発生し、粒子はその交流電界に同期して加速される。その加速において、シャントインピーダンスが低下すると、加速電界も低下する。シャントインピーダンスとは、ディー電極とダミーディー電極およびλ／４同軸導波管を含めた空洞構造（空洞共振器）を等価回路的に記した時の、ディー電極とダミーディー電極間のギャップのキャパシタンスと空洞のインダクタンスとそれらの電気抵抗で計算される。シャントインピーダンスが低下する事は、ディー電極とダミーディー電極間のギャップをショートして電界が印加できないようにする事と等価なので、シャントインピーダンスが低下しないように調整する必要がある。そのインピーダンス調整回路素子７ａ１、７ａ２、７ｂ１、７ｂ２は、高周波空洞のシャントインピーダンスの低下を防ぎ、シャントインピーダンスを高く維持するための調整素子ある。なお、シャントインピーダンスの概略値としては、例えば論文ＴＨＥ  ＤＥＳＩＧＮ  ＡＮＤ  ＣＯＭＭＩＳＳＩＯＮＩＮＧ  ＯＦ  ＴＨＥ  ＲＦ  ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  ＣＹＣＩＡＥ−１４  ＣＹＣＬＯＴＲＯＮ，    Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＩＰＡＣ  ２０１３（ＷＥＰＦＩ０２６）においては８０ｋΩで設計されている。各ダミーディー電極２ａ〜２ｅにつながるスイッチ部８ａを閉じることで、ディー電極と各ダミーディー電極が接続される構造になっている。つまり、スイッチ部８ａの各々を独立して開閉制御することによって、各ダミーディー電極２ａ〜２ｅとディー電極１の接続を制御し、荷電粒子への交流電界印加のＯＮ／ＯＦＦを制御できる。ディー電極１とダミーディー電極２ａ〜２ｅの間の短絡接続によってディー電極とダミーディー電極間に無電界の領域が出来て１次のハーモニック電界が荷電粒子に印加されるため、荷電粒子ビームの軌道上には偏向磁場Ｂと直角方向にドリフトが発生する。どの半径ｒｅのダミーディー電極２ａ〜２ｅまでをディー電極と短絡するのかと、いかほどにシャントインピーダンスを調整するかで、発生するビーム軌道のドリフトを調整して、出射ビームのエネルギーは変更される。また、各インピーダンス調整回路素子７ａ１、７ａ２、７ｂ１、７ｂ２のインピーダンスは適宜の値とすることができる。なお、スイッチ部８ａ、スイッチ部８ｂは、ひとつの開閉装置により構成してもよ��。
【００２８】
スイッチ部８ａ、スイッチ部８ｂの設定は、予め定めて固定としてもよいし制御部（図１２参照）により可変（ダイナミック）に制御するようにしてもよい。
図８は、エネルギー毎に各スイッチはどういう状態（ＯＮ又はＯＦＦ）なのかを示す対応テーブルの説明図である。また、図９に、スイッチを運転中にダイナミックに変えてエネルギーを変更する運転パターンを示した。
固定とする場合は、図８に従い、所定のビームエネルギーを出力できるようにスイッチ部８ａ、８ｂの各々を設定する。
【００２９】
図１２は、制御部を備えた円形加速器の概略構成を示す図である。可変（ダイナミック）に制御するときは、制御部３０が、図８のような対応テーブルを予め記憶し、制御部３０に所定のビームエネルギー出力の時間変化を設定入力することで、制御部３０が図８のテーブルを参照してスイッチ８ａ、８ｂを制御する。
一例として５ＭｅＶから１０ＭｅＶにエネルギーを切替える時には、制御部３０は、次にように制御する。図９Ａに示したように、最初に、５ＭｅＶとする場合、スイッチ部８ａにより、Ｚａとｚ１〜ｚ４との間をＯＮとし、スイッチ部８ｂにより、Ｚｂとｚ５〜ｚ８との間をＯＦＦとする。つぎに１０ＭｅＶに切り替える場合、スイッチ部８ａにより、Ｚａとｚ１との間をＯＦＦとし、Ｚａとｚ２〜ｚ４との間をＯＮとし、スイッチ部８ｂにより、Ｚｂとｚ５との間をＯＮとして、Ｚｂとｚ６〜ｚ８との間をＯＦＦとする。
【００３０】
また、制御部３０によりインピーダンスを制御することで切り替えを比較的連続的に行うこともできる。一例として５ＭｅＶと１０ＭｅＶの間でエネルギーを連続的に変える時には、図８の各スイッチの状態と図９Ｂの波形に示す様に、インピーダンスｚ１とｚ５をスイッチ開の無限大と離散化したエネルギーの場合の有限の値との間で調整する。すなわち、図９Ｂのように、たとえば、５ＭｅＶから１０ＭｅＶに切り替える途中で、制御部３０が、インピーダンス調整用回路素子７ａ２を制御して、Ｚ１をＺ１＋ｄｚ１として、予め定められた値（ここでは、８ＭｅＶ）まで離散的（ステップ状）又は連続的に増加させた後に、スイッチ部８ａを制御してダミーディー電極２ｂとディー電極１とを開状態とし、スイッチ部８ｂを制御してダミーディー電極２ｂとダミーディー電極２を閉状態とする。図では、ｄｚ１を離散的（ステップ状）に調整している例を示したが、連続的に調整することもできる。
【００３１】
本実施例により、中心から予め定められた半径ｒｅまでのダミーディー電極はディー電極と接続せずに加速電界を発生させてビームを加速し、半径ｒｅより外側のダミーディー電極はディー電極と接続して加速電界を発生させずに、一次のハーモニック電場により荷電粒子ビームをドリフトさせる。
【００３２】
図３に、この時のビーム軌道の一例を示す。図３では、４セクターのＡＶＦサイクロトロンのビーム軌道であり、半径ｒｅまでは概ね螺旋状の軌道で、そのｒｅより外側ではディー電極がダミーディー電極と短絡しているために電界が発生しないので１次のハーモニック電場によるビームのドリフトが発生して、ビーム軌道１１は中心からずれて外側にドリフトしていき、静電デフレクタ１０によって荷電粒子ビームは取り出される。
【００３３】
図４に、ビーム出射エネルギーに対するインピーダンス調整回路素子の抵抗値と接続を開始する半径ｒｅとの関係の一例を示す。図４に示される様に、ビーム出射エネルギーは、ディー電極とダミーディー電極の短絡を開始する半径ｒｅと共振空洞のインピーダンス調整回路素子を調整して自由に変更することができる。なお、複数分割絶縁された同心半円形のダミーディー電極用の絶縁材としては、例えばマイラー、ポリカーボネート、カプトンなどを用いれば、絶縁破壊電界が１００ｋＶ／ｍｍ以上の高い固体絶縁性能をもつので、絶縁構造的にも十分な設計が可能である。
【００３４】
本実施例によれば、円形加速器１００により出射ビームエネルギーを変更でき、従来のエネルギー変更用デグレーダーが不要になり、デグレーダーによるビームエネルギー損失と伴に発生するエミッタンスの増大等によるビーム性能の劣化を防ぐことができる。さらに、デグレーダーが不要になるため、加速器システム全体が小型化、低コスト化できるようになる。
【００３５】
本実施例によれば、荷電粒子に加速電界を印加するためのディー電極１と複数分割絶縁された同心半円形のダミーディー電極２を部分的に接続することで、円形加速器１００の出射ビームのエネルギーを変更・調整することが可能になり、磁場の変化も加速周波数も変更することがないため、出射ビームのエネルギー変更装置まで含めた全体の円形加速器システムとしての高性能化、小型化、低コスト化が可能となり、またビーム損失の少ない高効率なビームの取り出しも可能になり、より高性能化に寄与できるようになる。
【実施例２】
【００３６】
本発明の第２の実施例である円形加速器について、図５を用いて説明する。図５は、本実施例の円形加速器１０１の水平断面の概略構成を示す。
【００３７】
本実施例の円形加速器１０１は、実施例１の円形加速器１００と同様に、ディー電極１とダミーディー電極２ｂとがスイッチ部８ａによって接続されることにより、そのギャップ間に無電界の領域が形成され、それによる１次のハーモニック電界と偏向磁場Ｂによりビーム軌道にドリフトを発生させて、ビームエネルギーを変更して荷電粒子ビームを取り出す構成である。この例では、スイッチ部８ａによってディー電極１に接続されていないダミーディー電極２ｂは、スイッチ部８ｂによってダミーディー電極２ａと接続されている。実施例１の円形加速器１００では、ダミーディー電極を同心半円形に複数に分割して各々を絶縁する構成としたが、本実施例の円形加速器１０１は、ダミーディー電極２が２分割に絶縁分割されたダミーディー電極とする構成とした。
【００３８】
本実施例の円形加速器１０１と実施例１のようにダミーディー電極を同心円状に分割して絶縁した円形加速器１００を比較すると、本実施例の円形加速器１０１は分割絶縁されたダミーディー電極が２つのみの構成であるため、製造コストは低減され、かつインピーダンス調整回路素子を調整してディー電極とのギャップ間隔の電界を調整することで、エネルギーの連続的な変更が可能になる。しかし、ディー電極１とダミーディー電極２ｂ間の広い領域がほぼ無電界になるため、より広い領域でビーム軌道のドリフトが発生するため、広い領域でビーム周回の等時性が崩れて、正常に目的とするエネルギーまで粒子を加速できなる場合が発生することも想定される。このために、等磁性磁場を補償するための、例えば、追加的なトリムコイル等の設置が必要になる可能性がある。
【００３９】
本実施例によれば、円形加速器１０１により出射ビームエネルギーを変更でき、従来のエネルギー変更用デグレーダーが不要になり、デグレーダーによるビームエネルギー損失と伴に発生するエミッタンスの増大等によるビーム性能の劣化を防ぐことができる。さらに、デグレーダーが不要になるため、加速器システム全体が小型化、低コスト化できるようになる。
【実施例３】
【００４０】
本発明の第３の実施例である円形加速器について、図６を用いて説明する。図６は、本実施例の円形加速器１０２の水平断面の概略構成を示す。
【００４１】
本実施例の円形加速器１０２は、実施例１の円形加速器１００と同様に、ディー電極１とダミーディー電極２ａ〜２ｅのいずれかひとつ又は複数とがスイッチ部８ａによって接続されることにより、そのギャップ間にほぼ無電界の領域が形成され、それによる１次のハーモニック電界と偏向磁場Ｂによりビーム軌道にドリフトを発生させて、ビームエネルギーを変更して荷電粒子ビームを取り出す構成である。スイッチ部８ａ、８ｂにより、ダミーディー電極２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの各々が、ディー電極１かダミーディー電極２ａのいずれか一方に接続される。この例では、スイッチ部８ａによってディー電極１とダミーディー電極２ｄ、２ｅが接続され、スイッチ部８ｂによってダミーディー電極２ａとダミーディー電極２ｂ、２ｃとが接続されている。実施例１の円形加速器１００では、ダミーディー電極２を同心半円形に複数に絶縁分割する構成としてが、本実施例の円形加速器１０２は、ダミーディー電極２を直線的に複数に絶縁分割した構成とした。
【００４２】
実施例１のようにダミーディー電極を同心半円形状に分割して絶縁した円形加速器１００と本実施例の円形加速器１０２とを比較すると、本実施例の円形加速器１０２は分割絶縁されたダミーディー電極が直線状であるため、製造コストは低減され、かつエネルギーの変更が可能になる。本実施例の円形加速器１０２の場合、分割されたダミーディー電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの絶縁部の電界が一定方向のみに印加されるため、ＥｘＢドリフトの発生により、荷電粒子ビームのビーム軌道がドリフトしていく際に、等時性が崩れて、正常に目的とするエネルギーまで粒子を加速できなる場合が発生することが想定される。このために、等磁性磁場を補償するための、例えば、追加的なトリムコイル等の設置が必要になる可能性がある。
【００４３】
本実施例によれば、円形加速器１０２により出射ビームエネルギーを変更でき、従来のエネルギー変更用デグレーダーが不要になり、デグレーダーによるビームエネルギー損失と伴に発生するエミッタンスの増大等によるビーム性能の劣化を防ぐことができる。さらに、デグレーダーが不要になるため、加速器システム全体が小型化、低コスト化できるようになる。
【実施例４】
【００４４】
本発明の第４の実施例である円形加速器について、図７を用いて説明する。図７は、本実施例の円形加速器１０３の水平断面の概略構成を示す。
【００４５】
本実施例の円形加速器１０３は、実施例１の円形加速器１００と同様に、ディー電極１とダミーディー電極２ｂとがスイッチ部８ａによって接続されることにより、そのギャップ間にほぼ無電界の領域が形成され、それによる１次のハーモニック電界と偏向磁場Ｂによりビーム軌道にドリフトを発生させて、ビームの周回軌道間隔を広げて、ビームがデフレクタ電極に当たって損失する量を低減して、高効率のビーム取り出しを図る構成である。この例では、スイッチ部８ａによってディー電極１に接続されていないダミーディー電極２ｂは、スイッチ部８ｂによってダミーディー電極２ａと接続されている。本実施例の円形加速器１０３と実施例１の円形加速器１００との違いは、ビームエネルギーの変更が目的ではなく、ビームの高効率な取り出しを目的とする点である。
【００４６】
全般的に、軌道を磁場Ｂで偏向して、高周波加速空洞による高周波電場で粒子を加速する円形加速器においては、一次のハーモニック電界Ｅと偏向磁場Ｂとにより、ＥｘＢドリフトを発生できるため、これらの出射ビームのエネルギー変更システムとして、又は出射ビームの高効率な取り出し方法として、上記の実施例１〜４を同様に適用して、荷電粒子ビームの取り出しとエネルギー変更装置まで含めた全システムの高性能化、小型化、低コスト化を達成することが可能である。
【００４７】
本実施例によれば、円形加速器１０３により出射ビームエネルギーを変更でき、従来のエネルギー変更用デグレーダーが不要になり、デグレーダーによるビームエネルギー損失と伴に発生するエミッタンスの増大等によるビーム性能の劣化を防ぐことができる。さらに、デグレーダーが不要になるため、加速器システム全体が小型化、低コスト化できるようになる。
【００４８】
３．システム
ここで、円形加速を用いたシステムの例を図１０に説明する。
ＰＥＴ薬剤生成用陽子サイクロトロンシステムの一例を示す。図１０のこのシステムは、サイクロトロン１６（円形加速器１００）と、出射ビームをＰＥＴターゲット２０まで損失なく輸送するためのビーム輸送系１９とを備え、さらにビーム輸送系１９はビーム収束用電磁石１７とビーム偏向電磁石１８とを有する。このシステムに要求される一般的スペックの概略は、例えば、加速周波数〜５０ＭＨｚ、ビーム電流ピーク値〜１．０ｍＡ、入射エネルギー３０ｋｅＶ、出射エネルギー１０ＭｅＶ程度である。この場合に必要な高周波加速電圧は〜１００ｋＶであり、ビーム偏向磁場は〜１Ｔである。
【００４９】
なお、本実施例は、ＰＥＴ薬剤以外にも、他の物質の生成にも適用することができる。
【００５０】
また、本実施例は、そのビームエネルギーを腫瘍の深さに応じて変更して癌を治療する粒子線治療システム用サイクロトロンにおいても適用できる。
図１１に、粒子線治療システムの一例を示す。粒子線治療システムは図１１に示すように、治療用高エネルギービームを発生するサイクロトロン１６（円形加速器１００）と、ビーム輸送系１９と、癌患者２５へ多方向からビーム２４を照射するための回転ガントリ２１と、水平方向へビーム走査するための電磁石２２と、垂直方向へビーム走査するための電磁石２３とを備える。
【００５１】
４．付記
なお、実施例１〜４では、荷電粒子ビームについて述べたが、電子や陽電子等であっても、ビームであれば、本実施例の円形加速器におけるエネルギー変更方法は当然ながら成立する。
【００５２】
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ている。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。
【００５３】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
【００５４】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１  ディー電極のダミー電極側
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ  ダミーディー電極
３  絶縁材
４  同軸共振器シールド側のアース配線
５  同軸共振器シールド側
６  ダミーディー電極の接地配線
７、７ａ１、７ａ２、７ｂ１、７ｂ２  空洞共振器インピーダンス特性調整用回路素子
８、８ａ、８ｂ  スイッチあるいは開閉装置
９  荷電粒子
１０  静電デフレクタ
１１  荷電粒子ビームのドリフト軌道
１２  主磁場コイル
１３  補助磁場コイル
１４  電磁石鉄心
１５  高周波電源
１６  サイクロトロン
１７  ビーム収束用電磁石
１８  ビーム偏向用電磁石
１９  ビーム輸送系
２０  ＰＥＴターゲット
２１  回転ガントリ
２２  水平方向ビーム走査電磁石
２３  垂直方向ビーム走査電磁石
２４  粒子ビーム
２５  治療対象となる患者
１００、１０１，１０２，１０３，１０４  円形加速器
【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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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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