(57)【要約】【課題】安価で単純な構成の静電レンズを用いながらも、長い輸送区間であっても高いビーム利用効率で大電流ビームの輸送が可能なビーム輸送装置を提供する。【解決手段】引き出し電極３１は負電圧が印加される減速電極８を有し、静電レンズ３２はビーム入射側電極１３と正電圧が印加される中央電極１４の間、及び正電圧が印加される中央電極１４とビーム出射側電極１５との間に負電圧が印加される電子抑制電極２２及び電子抑制電極２３をそれぞれ１つずつ有する。減速電極８と電子抑制電極２２及び電子抑制電極２３は、輸送区間９や輸送区間２１などに電子を留める役割を果たし、ビーム空間電荷が効果的に中和されることによりビーム発散を抑制する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を生成する荷電粒子源と、前記荷電粒子源から前記荷電粒子を引き出し荷電粒子ビームとするための正電圧が印加される電極と接地電極で構成される引き出し電極と、荷電粒子ビーム入射側電極、正電圧が印加される中央電極、及び荷電粒子ビーム出射側電極で構成される静電レンズとを備え、前記引き出し電極は負電圧が印加される電極を構成要素として含み、且つ、前記静電レンズは前記荷電粒子ビーム入射側電極と前記中央電極との間に負電圧が印加される電極を有することを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記静電レンズは、前記荷電粒子ビーム出射側電極と前記中央電極との間に負電圧が印加される電極をさらに有することを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記荷電粒子源はマイクロ波放電型イオン源であることを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。
【請求項４】
請求項３記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記マイクロ波放電型イオン源の放電容器の周囲に配置されるコイルは、前記引き出し電極支持用の絶縁スペーサ周囲に前記荷電粒子ビーム進行方向に張り出すように配置されることを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記引き出し電極と前記静電レンズとの間の前記荷電粒子ビームの輸送区間に排気ポートを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。
【請求項６】
請求項５記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記引き出し電極側と前記静電レンズ側とで差動排気を行うための差動排気壁を前記輸送区間に備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置と、前記荷電粒子ビーム輸送装置から入射される荷電粒子ビームを加速する線形加速器とを備えたことを特徴とする線形加速器システム。
【請求項８】
荷電粒子ビームを患者に照射して治療を行う粒子線治療システムにおいて、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置を有す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、荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送装置及びこれを備えた線形加速器システムに係る。
【背景技術】
【０００２】
正電荷を持つ荷電粒子ビーム(以下では単にビームと記載する)をプラズマから引き出して集束する従来のビーム輸送装置の構造、動作原理について説明する。図５に従来の一般的なビーム輸送装置の断面構成図を示す。ビーム輸送装置５７は、放電容器４１、引き出し電極４７や静電レンズ５６を内蔵する真空容器５８からなる。
【０００３】
まず、荷電粒子源となる放電容器４１中でプラズマ４３が生成される。引き出し電極４７は、プラズマ４３中の正電荷を持つ荷電粒子を引き出し孔４４から引き出してビーム５０を形成する。引き出し電極４７は、正電圧が印加されるプラズマ電極４５、接地電極４６からなり、各々の電極はビーム５０が通過する円形開孔部を有する。ビーム５０は、プラズマ電極４５と接地電極４６の間の電界によって引き出されると同時に静電レンズ効果による集束力を受ける。
【０００４】
引き出し電極４７によってプラズマ４３より引き出されたビーム５０は、輸送区間４９を進行する間に、ビーム５０を形成する荷電粒子どうしのクーロン斥力により発散する(空間電荷効果)。よって下流へビームロスなくビームを輸送するためには、引き出し電極４７とは別にビーム集束装置が必要になる。一般に、ビーム集束装置としては、ソレノイドコイルと静電レンズが考えられる。ソレノイドコイルは電子ビームやプロトンビームなどを集束する際に特に収差が小さく、レンズ特性に優れる。しかし、ソレノイドコイル自体が大型であり、また水冷装置などの周辺機器が必要となるため、ビーム集束装置が大型・高コストなものとなる。それに対し、図５に示す静電レンズ５６は、収差は多少大きいが小型であり構成が単純で製作コストも安いためによく用いられる。静電レンズ５６は、ビーム入射側接地電極５３、中央電極５４、ビーム出射側接地電極５５の３つの電極から構成されており、３つの電極はそれぞれビーム５０が通る円形開孔部を有する。中央電極５４には正電圧あるいは負電圧が印加される。静電レンズ５６の各電極が作る電界によって静電レンズ効果が生じ、ビーム５０が集束される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
静電レンズ５６の中央電極５４に正電圧を印加する場合は、減速−加速モードの集束と呼ばれる。減速−加速モードの集束では、ビームはビーム入射側接地電極５３とビーム出射側接地電極５５付近では電界分布形状により発散力を受け拡がるが、中央電極５４付近では集束力を受ける。ビームを構成する荷電粒子は正電荷を持つため、静電レンズ５６内部において、ビームは正電圧が印加される中央電極５４付近で最も減速されてスピードが遅くなる。よって、ビームが中央電極５４付近を通過する時間は、ビーム入射側接地電極５３及びビーム出射側接地電極５５付近を通過する時間に比べて長くなり、集束力の影響をより強く受ける。このため、この静電レンズ５６は全体としては集束レンズとして機能する。
【０００６】
一方、中央電極５４に負電圧を印加する場合は、加速−減速モードの集束と呼ばれ、ビームは減速-加速モードの集束とは逆にビーム入射側接地電極５３とビーム出射側接地電極５５付近では集束力を受け、中央電極５４付近では発散力を受ける。また、静電レンズ５６内部において、ビームは中央電極５４付近で最も加速されてスピードが速くなる。よって、ビームがビーム入射側接地電極５３及びビーム出射側接地電極５５付近を通過する時間は、ビームが中央電極５４付近を通過する時間よりも長くなるため、発散力よりも集束力の影響を強く受ける。したがって、加速−減速モードの集束の場合も静電レンズ５６は集束レンズとして機能する。
【０００７】
加速-減速モードの集束を用いた場合、レンズ特性の違いから減速-加速モードの集束を用いた場合と比べると中央電極５４により高い電圧を印加する必要があるため、より高価な電源を必要とする。よって、一般的には減速-加速モードの集束がよく用いられる。
【０００８】
【非特許文献１】イオン源工学、石川順三著、アイオニクス株式会社 (1986)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来技術のビーム輸送装置においては、引き出し電極４７や静電レンズ５６など集束電界が印加されている区間ではビーム５０の発散は抑制されるが、輸送区間４９など集束電界のない区間では、ビーム５０は前記空間電荷効果によって発散し続ける。この空間電荷効果の影響は、ビームエネルギーが低いほど、またビーム電流が大きいほど大きくなる傾向があり、特に、引き出し電極４７や静電レンズ５６、及びそれらの間に何らかの構造的制約があり、輸送区間４９を長くしなければならない場合にその発散の影響は顕著となる。
【００１０】
例えば、プラズマ４３の生成方式としてマイクロ波放電方式を採用した場合には、プラズマ放電用にコイル６９が必要となる。コイル６９は、プラズマ放電に必要な磁場配位を形成するために、図５に示すように絶縁スペーサ４２の周囲にまでビーム進行方向に張り出すように配置する必要がある。したがって、プラズマ電極４５の絶縁のためには、図５に示すようにビーム進行方向に絶縁距離をとらざるを得ず、輸送区間４９が長くなる。
【００１１】
また、ビーム輸送装置５７の下流側に例えば高周波４重極ライナック（以下、ＲＦＱと記載する)５９等の線形加速器を接続する場合には、ＲＦＱ５９内部は高周波加速用電極の放電を防止するために高真空状態としなければならないことから、図５に示すように差動排気壁５２を配置し、差動排気壁５２のビーム進行方向上流側にある排気ポート５１と、図示しない差動排気壁５２の下流側にある別の排気ポートから差動排気を実施する必要がある。このように輸送区間４９に排気ポート５１や差動排気壁５２などの構造物が配置されると、集束電界のない区間である輸送区間４９の長さが例えば200mm程度と長大になる。
【００１２】
以上のような要因によって輸送区間４９がこのような長さになると、ビーム５０は大きく発散する。例えば、低エネルギー(30keV程度)で引き出された大電流(25mA程度)のプロトンビームは、引き出し電極４７を出た直後はビーム径3mm程度であるが、空間電荷の中和がない場合、集束電界のない区間を200mmほど進むとプロトンビームは大きく発散しビーム径は40mm程度にまで拡大する。
【００１３】
一方、静電レンズ５６には球面収差が存在する。輸送区間４９が長く、静電レンズ５６入射前のビーム５０のビーム径が大きくなる場合、球面収差が大きくなり、ビーム５０を意図したように集束できなくなる。その結果、上記したように下流側にＲＦＱ５９を接続するような場合にはそのアクセプタンスにビーム５０を整合させる（すなわちＲＦＱ５９の受入れ条件にビーム５０の径及び集束角度を整合させる）ことが困難になる。
【００１４】
このようにビーム径が大きくなる場合に、球面収差を小さくするためには、静電レンズ５６を形成する各電極の円形開孔部径を従来よりも大きくとり、理想的なレンズ特性を持つ近軸軌道領域を増やす方法がある。しかし、この方法で大電流ビームを集束しようとすると、静電レンズ５６の中央電極５４に印加する電圧が高くなるため、高価な電源が必要となり、また、絶縁支持の方法等が煩雑になるなどの問題が生じる。各電極の円形開孔部径を従来通りとする場合は、発散の小さいビーム５０の中心部分のみしか使用できず、発散の大きいビーム５０の周辺部分は各電極の円形開孔部周辺でカットされてしまう。この場合はビーム利用効率が大幅に下がり、またカットされたビームが無用な熱負荷となるなどの問題が生じる。
【００１５】
このような問題を生じずに効率的に大電流ビームを輸送するためには、輸送区間４９におけるビーム５０の発散を防げばよい。ビーム５０の発散を防ぐには、輸送区間４９などで生成する電子を利用してビーム５０の空間電荷を効果的に中和する方法がある。ビーム５０は輸送区間４９などを通過する間に残留ガスと電荷交換や電離などの相互作用を引き起こし、放電容器４１から引き出されたビーム５０以外の低速のイオンや電子を生成する。この電子がビーム５０自身の作る電界にトラップされることにより、ビーム５０は空間電荷が中和されて発散が抑制される。
【００１６】
しかしながら、図５の従来構成では、輸送区間４９などで発生する電子は、プラズマ電極４５の作る電界によってビーム進行方向とは逆方向（上流側）に加速され、輸送区間４９から流失する。さらに、静電レンズ低コスト化のため前記した減速-加速モードの集束を用いた場合、静電レンズ５６中の中央電極５４には正の電圧が印加されるため、輸送区間４９で発生する電子は静電レンズ中央電極５４方向にも加速されうる。よって、輸送区間４９においてビーム電荷の中和に寄与する電子の密度が大幅に低下してしまい、ビーム５０は大きく発散しビーム利用効率が低下する。また、静電レンズ５６下流の輸送区間６１に発生する電子も同様に中央電極５４方向に加速される。そのため、輸送区間６１においても同様にビームの発散が大きくなり、ビーム利用効率が低下する。
【００１７】
さらに、上記したビーム５０の空間電荷効果に由来するもの以外にもビーム利用効率を下げる要因が存在する。それは、輸送区間４９及び輸送区間６１より中央電極５４に向けて加速される電子の一部が中央電極５４に衝突し電源回路に流入するために発生する中央電極５４の電圧降下である。この電圧降下は、特にビームがパルス幅の短いパルスビームであり、中央電極５４に電圧を供給する電源の電圧安定化回路の時間的応答が追いつかない場合に顕著になる。減速-加速モードでは、中央電極５４付近においてビーム５０は大きく減速されるため、この付近の電界分布がレンズ作用に大きな影響を及ぼす。すなわち、中央電極５４の電圧降下が生じると、電界が弱まり静電レンズ５６の集束力が低下することになる。このため、後段にＲＦＱ５９を接続するような場合にはその受入れ条件にビーム５０を整合させることが困難となり、やはりビーム利用効率が低下する。
【００１８】
本発明は、このような従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価で単純な構成の静電レンズを用いながらも、長い輸送区間であっても高いビーム利用効率で大電流ビームの輸送が可能なビーム輸送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、第１の発明は、荷電粒子を生成する荷電粒子源と、前記荷電粒子源から前記荷電粒子を引き出し荷電粒子ビームとする引き出し電極と、荷電粒子ビーム入射側電極、正電圧が印加される中央電極、及び荷電粒子ビーム出射側電極で構成される静電レンズとを備え、前記引き出し電極は正電圧が印加される電極と負電圧が印加される電極および接地電極を有し、且つ、前記静電レンズは前記荷電粒子ビーム入射側電極と前記中央電極との間に負電圧が印加される電極を有することを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置にある。
【００２０】
上記目的を達成するために、第２の発明は、請求項１記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記静電レンズは、前記荷電粒子ビーム出射側電極と前記中央電極との間に負電圧が印加される電極をさらに有することを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置にある。
【００２１】
上記目的を達成するために、第３の発明は、請求項１又は請求項２記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記荷電粒子源はマイクロ波放電型イオン源であることを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置にある。
【００２２】
上記目的を達成するために、第４の発明は、請求項３記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記マイクロ波放電型イオン源の放電容器の周囲に配置されるコイルが、前記引き出し電極を支持する絶縁スペーサ周囲に、前記荷電粒子ビーム進行方向に張り出すように配置されることを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置にある。
【００２３】
上記目的を達成するために、第５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記引き出し電極と前記静電レンズとの間の前記荷電粒子ビームの輸送区間に排気ポートを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置にある。
【００２４】
上記目的を達成するために、第６の発明は、請求項５記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記引き出し電極側と前記静電レンズ側とで差動排気を行うための差動排気壁を前記輸送区間に備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置にある。
【００２５】
上記目的を達成するために、第７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置と、前記荷電粒子ビーム輸送装置から入射される荷電粒子ビームを加速する線形加速器とを備えたことを特徴とする線形加速器システムにある。
【００２６】
上記目的を達成するために、第８の発明は、荷電粒子ビームを患者に照射して治療を行う粒子線治療システムにおいて、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置を有することを特徴とする粒子線治療システムにある。
【００２７】
上記目的を達成するために、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記引き出し電極及び前記静電レンズが有する前記負電圧が印加される電極に電子進入が十分抑制される電界を形成可能な電圧を印加することを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置にある。
【００２８】
上記目的を達成するために、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記引き出し電極が有する前記負電圧が印加される電極には-0.5Kv以下、前記静電レンズが有する前記負電圧が印加される電極には-1.5kV以下の電圧を印加することを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置にある。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、安価で単純な構成の静電レンズを用いながらも、長い輸送区間であっても高いビーム利用効率で大電流ビームを輸送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（実施形態１）
図１に本発明の荷電粒子ビーム輸送装置及びこれを備えた線形加速器システムの第１の実施形態を示す。本実施形態は、図２に示す線形加速器システム２５（後述）中の高周波４重極ライナック（以下、ＲＦＱと記載する)１９へプロトンビームを入射するためのビーム輸送装置３０に本発明を適用した例である。なお、ビームは本実施形態で説明するプロトンに限らず、正電荷を持つものであれば炭素やその他の粒子であってもよい。
【００３１】
まず、放電容器１中でマイクロ波放電方式によってプラズマ３が生成され、プラズマ３中のプロトンが引き出し孔４から引き出し電極３１によってビーム１０として静電的に引き出される。本実施形態では、ビーム１０は例えばピーク電流23mA、パルス長400μsec、繰り返し15Hzの矩形波パルスビームとする。ビーム１０は輸送区間９を通過した後、静電レンズ３２によりＲＦＱ１９のアクセプタンスに整合するように（すなわちＲＦＱ１９の受入れ条件にビーム１０の径及び集束角度が整合するように）集束されて入射口２０よりＲＦＱ１９へ入射される。
【００３２】
なお、本実施形態ではプラズマ生成方式としてマイクロ波放電方式を用いているが、例えばPIG方式や、デュオプラズマトロン型など他のプラズマ生成方式を用いてもよい。また、本実施形態では、引き出し孔４は例えば円形の単孔としているが、例えば複数のマルチアパーチャーや、スリット形の引き出し孔であってもよい。
【００３３】
引き出し電極３１は、プラズマ電極５、減速電極（負電圧が印加される電極）８、及び接地電極６からなり、減速電極８はプラズマ電極５と接地電極６の間に設置される。引き出し電極３１の各電極形状は、ビーム軌道計算などにより、低エミッタンスビームの引き出しが実現できるように最適化される。プラズマ電極５には例えば30kVが印加される。また、輸送区間９においてビーム１０と残留ガスとの相互作用で発生する電子のエネルギーは数〜数十eV程度である。これらの電子がプラズマ電極５の電界によって上流側へ加速されるのを防ぐため、減速電極８付近の中心軸上電位がマイナス数十V以下となるように減速電極８には例えば-0.5kVを印加する。引き出し電極３１を構成する各電極は、絶縁スペーサ２によって支持される。
【００３４】
コイル２９はプラズマ放電用のコイルであり、プラズマ放電に必要な磁場配位を形成するために、図１に示すように引き出し電極３１の絶縁スペーサ２の周囲にビーム進行方向に張り出すように配置される。したがって、引き出し電極３１は、プラズマ電極５の絶縁のために、図１に示すようにビーム進行方向に比較的長い絶縁距離をとる構造となっている。
【００３５】
静電レンズ３２は、ビーム入射側接地電極（荷電粒子ビーム入射側電極）１３、中央電極１４、ビーム出射側接地電極（荷電粒子ビーム出射側電極）１５、及び電子抑制電極（負電圧が印加される電極）２２，２３からなる。ビーム入射側接地電極１３及びビーム出射側接地電極１５と中央電極１４との間には、それぞれ電子抑制電極２２及び電子抑制電極２３が設置される。静電レンズ３２の各電極形状は、ビーム軌道計算などによって、低収差でビーム集束ができるように最適化される。中央電極１４には例えば20〜30kVが、電子抑制電極２２及び電子抑制電極２３には、例えば-1〜-10kVが印加される。電子抑制電極２２及び電子抑制電極２３は、それぞれ輸送区間９及び輸送区間２１（静電レンズ３２からＲＦＱ１９に入射されるまでの輸送区間）においてビーム１０と残留ガスとの相互作用で発生する電子が中央電極１４に向けて加速されるのを防ぐ。引き出し電極３１と同様に、これらの電子が輸送区間９及び輸送区間２１から静電レンズ３２方向に加速されないようにするためには、電子抑制電極２２及び電子抑制電極２３付近の中心軸上の電位はマイナス数十V以下でなければならない。この条件を満たす限りは、電子抑制電極２２及び電子抑制電極２３の電位は等電位であってもよく、あるいはそれぞれ独立の電源でコントロールしてもよい。静電レンズ３２を構成する各電極は、絶縁スペーサ２によって支持される。静電レンズ３２全体は、図１ではＲＦＱ１９に取り付けられているが、真空容器１８や差動排気壁１２に取り付けることも可能である。なお、輸送区間２１に要求される真空度が高く、ビーム１０と残留ガスとの相互作用が期待できない場合には、輸送区間２１においてビーム空間電荷の中和に十分な量の電子は生成されないため、電子抑制電極２３は省略することもできる。
【００３６】
放電容器１に設けられる引き出し孔４からはイオン化されなかった中性ガスも一緒に引き出されるため、輸送区間９の真空度はあまり高くない。一方、ＲＦＱ１９内部は高周波加速用電極の放電防止のため高真空が要求される。このため、輸送区間９の途上に設けられる排気ポート１１と、図示していないがＲＦＱ１９側にある排気ポートの両方から排気する差動排気構造とし、ＲＦＱ１９の真空度を確保する。輸送区間９の真空度は例えば10-3Pa程度、輸送区間２１の真空度は例えば10-5Pa程度である。
【００３７】
このような構成のビーム輸送装置３０は、本実施形態では前記したように図２に示す線形加速器システム２５に適用される。この線形加速器システム２５は、ビーム輸送装置３０、ＲＦＱ（線形加速器）１９、ドリフトチューブライナック（線形加速器）２４からなる。ビーム輸送装置３０によってＲＦＱ１９に入射されたプロトンビームは、ＲＦＱ１９及びＲＦＱ１９の後段に接続されるドリフトチューブライナック２４によって順次加速され、低エネルギービーム輸送系２６を経てビーム利用機器２７へと入射される。なお、プロトンビームの必要エネルギーに応じ、ビーム輸送装置３０の後段に接続されるライナックはＲＦＱ１９のみであってもよい。
【００３８】
以上のように構成される本実施形態のビーム輸送装置３０及び線形加速器２５によれば、以下のような作用が得られる。すなわち、本実施形態のようにプラズマの生成方式としてマイクロ波放電方式を採用し、ビーム輸送装置３０の後段にＲＦＱ１９を接続して線形加速システムを構成する場合には、前述したようにプラズマ放電用のコイル２９による絶縁距離や、排気ポート１１及び差動排気壁１２などの構造物が必要であるため、輸送区間９の長さは例えば200mm程度と長大化する。しかし、本実施形態によれば、引き出し電極３１中の負電圧が印加される減速電極８が、引き出し電極３１と静電レンズ３２の間の輸送区間９で発生する電子が上流側の引き出し電極３１方向へ加速されるのを防ぎ、また静電レンズ３２中の負電圧が印加される２つの電子抑制電極２２，２３が、輸送区間９及び静電レンズ３２下流側の輸送区間２１で発生する電子が静電レンズ３２内部へ進入するのを防ぐ。これにより、輸送区間９におけるビーム１０の空間電荷を中和する電子は輸送区間９に留まり続けるため、輸送区間９におけるビーム１０の発散は抑制され、その結果、静電レンズ３２の電極部分等に衝突して失われるビームを低減してビーム利用効率を高くすることができる。また、輸送区間２１におけるビーム１０の空間電荷を中和する電子についても輸送区間２１に留まり続けるので、輸送区間２１においてもビーム１０の発散は抑制される。さらに、電子抑制電極２２と電子抑制電極２３の効果によって、電子が静電レンズ３２の中央電極１４に衝突しなくなるので、中央電極１４の電圧降下が抑制され、静電レンズ３２の集束力を良好に保つことができる。以上のことから、本実施形態のビーム輸送装置３０によれば、プラズマ放電用のコイル２９や、排気ポート１１及び差動排気壁１２等の構造物により輸送区間９が長くなっても、高価で大型なソレノイドコイルを用いることなく安価で単純な構成の静電レンズを用いて大電流ビームを輸送することが可能となる。
【００３９】
さらに本実施形態によれば、金属材料からなる中央電極１４に加速された電子が衝突しにくくなるため、中央電極１４におけるＸ線の発生量が大幅に減る。これによりビーム輸送装置３０の外壁などの遮蔽体厚さを薄くすることが可能になる。またさらに、電子衝突による中央電極１４への熱負荷が低減されるので、中央電極１４の損傷防止と電極耐久性向上の効果をも得ることができる。
【００４０】
また本実施形態の線形加速器システム２５によれば、ビーム輸送装置３０の静電レンズ３２の集束力の時間的な変動が少なくなることから、出射ビームを大電流化できる上にビーム電流の時間的な変動を少なくすることができる。
【００４１】
なお、本願発明者等は、本実施形態と同様の条件で実験装置を製作し、ビーム輸送装置３０のビーム集束効果を確認するために実験を実施した。まず、ビーム１０はピーク電流値23mA、パルス長400μsec、繰り返し15Hzの矩形波パルスビームとした上で、減速電極８と、電子抑制電極２２及び電子抑制電極２３の効果を検証するため、これらの電極への印加電圧をゼロとして静電レンズ３２を透過したビーム１０の電流を測定した。その結果、ビーム１０は静電レンズ３２の電極部分などに衝突して大部分が失われ、輸送効率は30%以下であった。ただし、ここでの輸送効率＝(静電レンズ３２を透過したビーム１０の電流)／(輸送区間９におけるビーム１０の電流)と定義する。また、中央電極１４の電圧はビーム１０のパルスの立ち上がりでは26kVであり、集束後のビーム径は2mm程度であったが、ビーム１０のパルスの立ち下りでは、中央電極１４の電圧は24kVにまで低下し、これに伴う集束力の低下によりビーム径は18mm以上にまで大きくなった。仮にこのようにビーム径が一定でないビームを後段のＲＦＱ１９へ入射した場合、ＲＦＱ１９のアクセプタンスに整合されないビームの割合が多くなり、ビームはＲＦＱ１９において加速される間にも多く失われることになる。次に、減速電極８に-0.5kVを、電子抑制電極２２及び電子抑制電極２３に-1.5kV、中央電極１４に26kVを印加し、同様の測定を行った。その結果、輸送効率は90%にまで上昇し、中央電極１４の電圧が安定化してビーム径はパルスの立ち上がりから立ち下りまで2mm程でほとんど変化することなく安定であった。以上の結果から、本実施形態のビーム輸送装置３０によれば、確実にビームの発散を抑制してビーム利用効率を向上し、安定したビーム輸送を行えることがわかる。
【００４２】
なお、上記本発明の第１の実施形態では、ビーム輸送装置３０とＲＦＱ１９、及びドリフトチューブライナック２４とを組み合わせて線形加速器システム２５を構成するようにしたが、このようにビーム輸送装置３０をＲＦＱ１９等の線形加速器へのビーム入射用とする他にも、例えばビーム輸送装置３０中のプラズマ電極５の印加電圧を変えるなどしてビームエネルギーを変えることで、図３に示すように線形加速器を介さずにビーム利用機器２８に直接ビームを輸送することもできる。このような場合のビーム輸送機器２８としては、例えばイオンビームスパッタ蒸着やイオンビームエッチングなどのイオンビーム加工装置や、慣性静電閉じ込め核融合装置などがある。この場合にも、上記本発明の第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
（実施形態２）
本実施形態は、前述した第１の実施形態におけるビーム利用機器２７として、研究用や医療用の加速器(シンクロトロンやサイクロトロン)を用いた場合の実施形態である。
【００４４】
図４は本発明のビーム輸送装置３０を用いた線形加速器システム２５とシンクロトロン３３とで、例えばがん治療用の粒子線治療システムを構成した場合を示している。ビーム輸送装置３０によってＲＦＱ１９に入射されたプロトンビームは、ＲＦＱ１９及びＲＦＱ１９の後段に接続されるドリフトチューブライナック２４によって順次加速される。なお、ドリフトチューブライナック２４はＩＨ型ライナックであってもよい。あるいは、ＲＦＱ１９及びドリフトチューブライナック２４の２つの線形加速器に換えて、タンデム型静電加速器を使用してもよい。ドリフトチューブライナック２４から出射されたプロトンビームは、低エネルギービーム輸送系２６を介してシンクロトロン３３へ入射される。プロトンビームは、シンクロトロン３３で所望のエネルギーまで加速された後、取り出されて高エネルギービーム輸送系３４を経て照射系３５へ導かれ、患者に照射される。本実施形態によれば、ビーム輸送装置３０を用いることによってシンクロトロン出射ビーム電流を増加することができ、患者治療効率を向上させることができる。
【００４５】
なお、ビーム利用機器２７としては、上記研究用や医療用の加速器(シンクロトロンやサイクロトロン)に限られず、種々のものが考えられる。例えば、ビーム照射により放射性同位体(RI)を合成し薬剤とするRI薬剤合成システムをビーム利用機器２７とした場合には、ビーム輸送装置３０を用いると従来技術と比較して線形加速器システム２５のビーム電流が増加することから、ビーム照射装置で製造される陽電子放出核種の収量を増加することができる。あるいは、陽電子放出核種収量を増やす必要がないとすれば、ビームエネルギーを低く設定できるため、陽電子放出核種生成用のビーム照射装置内部に設置される中性子遮蔽用シールドの体積を小さくでき、装置全体の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の荷電粒子ビーム輸送装置の第１の実施形態の全体構成を表す図である。
【図２】図１のビーム輸送装置を備えた線形加速器システム及びビーム利用機器の概略配置を示す図である。
【図３】図１のビーム輸送装置からビーム利用機器に直接入射を行う場合の概略配置を示す図である。
【図４】本発明の荷電粒子ビーム輸送装置の第２の実施形態を備えた粒子線治療システムの概略構成を示す図である。
【図５】従来技術を用いたビーム輸送装置の全体構成を表す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１          放電容器（荷電粒子源；マイクロ波放電型イオン源）
２          絶縁スペーサ
８          減速電極（負電圧が印加される電極）
９          輸送区間
１１        排気ポート
１２        差動排気壁
１３        ビーム入射側接地電極（荷電粒子ビーム入射側電極）
１４        中央電極
１５        ビーム出射側接地電極（荷電粒子ビーム出射側電極）
１９        高周波４重極ライナック（線形加速器）
２４        ドリフトチューブライナック（線形加速器）
２２        電子抑制電極（負電圧が印加される電極）
２３        電子抑制電極（負電圧が印加される電極）
２５        線形加速器システム
２９        コイル（荷電粒子源；マイクロ波放電型イオン源）
３１        引き出し電極
３２        静電レンズ
【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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