(57)【要約】本発明は、重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、抽出し、選択する装置に関する。装置は、重イオンおよび軽イオンをそれぞれ生成する、独立した第１（ＥＣＲＩＳ１）および独立した第２電子サイクロトロン共鳴イオン源（ＥＣＲＩＳ２）を備える。さらに下流に、各イオン源（ＥＣＲＩＳ１、ＥＣＲＩＳ２）の下流に位置する、一同位体配列の重イオン種を選択する分光計電磁石（ＳＰ１、ＳＰ２）と、各分光計電磁石（ＳＰ１、ＳＰ２）の下流に位置する磁気４重極トリプレット（ＱＴ１、ＱＴ２）と、前記２つの独立した第１および第２イオン源の高ＬＥＴイオン種と低ＬＥＴイオン種を切換える切換え電磁石（ＳＭ）とが収容されている。
2004525486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、抽出し、選択する装置であって、
重イオンおよび軽イオンをそれぞれ生成する、独立した第１（ＥＣＲＩＳ１）および独立した第２電子サイクロトロン共鳴イオン源（ＥＣＲＩＳ２）と、
各イオン源（ＥＣＲＩＳ１、ＥＣＲＩＳ２）の下流に位置する、一同位体配列の重イオン種を選択する分光計電磁石（ＳＰ１、ＳＰ２）と、
各分光計電磁石（ＳＰ１、ＳＰ２）の下流に位置する磁気４重極トリプレット（ＱＴ１、ＱＴ２）と、
各分光計電磁石（ＳＰ１、ＳＰ２）のイメージ焦点に配置されている分析スリット（ＩＳＬ）と、
前記分析スリット（ＩＳＬ）と前記磁気４重極トリプレット（ＱＴ１、ＱＴ２）との間に配置されるビーム変圧器（ＢＴＲ）と、
前記２つの独立した第１および第２イオン源の高ＬＥＴイオン種および低ＬＥＴイオン種を切換える切換え電磁石（ＳＭ）とを備える装置。
【請求項２】
ソレノイド電磁石（ＳＯＬ）は、各イオン源（ＥＣＲＩＳ１、ＥＣＲＩＳ２）の出口に配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
磁気４重極シングレット（ＱＳ１、ＱＳ２）は、各イオン源（ＥＣＲＩＳ１、ＥＣＲＩＳ２）の下流に位置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記イオン源（ＥＣＲＩＳ１、ＥＣＲＩＳ２）はもっぱら永久磁石を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
前記ビーム診断手段（ＢＤ）は、各分光計電磁石（ＳＰ）の上流に配置されることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記ビーム診断手段（ＢＤ）は、プロファイルグリッドを備えることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記ビーム診断手段（ＢＤ）は、ファラデーカップを備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記ビーム診断手段（ＢＤ）は、各ビームスリット（ＳＬ、ＩＳＬ）に配置されることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
集束ソレノイド電磁石（ＳＯＬ）は、チョッパ（ＣＨ）の下流で、かつ、前記高周波４重極加速器（ＲＦＱ）の上流に位置することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
低エネルギービーム輸送システム（ＬＥＢＴ）は、前記切換え電磁石（ＳＭ）の下流に、ファラデーカップおよび／またはプロファイルグリッドを収容する診断手段（Ｆ０１、Ｆ０２）を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
交互ステム（ＳＴ）は、前記ＲＦＱ内の共通水冷ベースプレート（ＢＰ）上に取り付けられることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記ステム（ＳＴ）はインダクタンスとして働き、電極（ＥＬ）を形成するミニベーン対はλ／２共鳴構造に対するキャパシタンスとして働くことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項による、重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、選択する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一プロトン源からプロトンビームを選択的に生成し、輸送するプロトンビーム治療システムが知られている（特許文献１）。こうしたシステムの短所は、患者を処置する融通性(flexibility)が、比較的低い(relatively low)有効プロトンビームに事実上制限されることである。
【特許文献１】
米国特許第４，８７０，２８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、イオンビーム癌治療施設で役立つ、異なるイオンを生成し、選択する改良された装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は独立請求項１の主題によって達成される。好ましい実施形態の特徴は、従属請求項によって定義される。
【０００５】
本発明によれば、イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、抽出し、選択する装置が提供される。装置は、重イオンおよび軽イオンをそれぞれ生成する、独立した第１および独立した第２電子サイクロトロン共鳴イオン源を備える。さらに、各イオン源の下流に位置する、一同位体配列の重イオン種を選択する分光計電磁石と、各分光計電磁石の下流に位置する磁気４重極トリプレットレンズと、前記２つの独立した第１および第２イオン源の高ＬＥＴイオン種および低ＬＥＴイオン種を切換える切換え電磁石が収容されている。分析スリットは、各分光計電磁石のイメージ焦点に配置され、ビーム変圧器は、分析スリットと磁気４重極トリプレットの間に位置する。
【０００６】
こうした装置が有する利点は、２つの独立したイオン源および切換え電磁石を設けて、最適な処置のための適切なイオン種を選択するようにすることによって、患者を助ける可能性が大きく改善されることである。さらに、本発明による装置が有する別の利点は、２つの独立した分光計ライン（各イオン源に１ライン）が、装置の選択性を増し、リニアックにおいて加速するために選択されたイオン種を、イオン源から同時に抽出される他の全てのイオン種から高精度で分離することによって、イオン種の純度を改善することである。
【０００７】
強度を制御されたラスタースキャナ・イオンビームアプリケーションシステムの場合、本発明の好ましい実施形態において、１／１０００の強度範囲内の異なるビーム強度が、各個別のシンクロトロンサイクルに供給される。本発明による装置は、ビームが、そのレベルでは、磁気４重極トリプレットと高周波４重極加速器（ＲＦＱ）の間にある低エネルギービーム輸送（ＬＥＢＴ）ラインに沿って崩壊する(destroy)低エネルギーレベルでビーム強度を制御するという利点を有する。特に、固定開口を有するアイリス(iris)が、切換え電磁石の後ろ、ならびに、マクロパルスチョッパの前後、および、ＲＦＱ入射フランジに設けられる。分光計のイメージスリットの下流の磁気４重極トリプレットレンズの中心４重極の電磁石電流に対する相対強度減少の測定が、本発明の装置について行なわれ、ビーム強度が、４重極電磁石のディフォールト設定から始めて最低ゼロ電流まで、約４３０分の１に減少することが示されている。劣化(degradation)係数１０００をもたらすビーム強度のさらなる減少は、磁気４重極トリプレットの第３の４重極の磁界をさらに減少させることによって達成することができる。異なる強度レベルの良好な再現性を提供する非常に滑らかな曲線が得られる。
【０００８】
したがって、本発明は、機械の不要な放射線汚染を避けており、その理由は、ビーム強度が、可能な最低ビームエネルギーに、すなわち、前記低エネルギービーム輸送ラインにおいて制御されるためである。シンクロトロン注入スキームが異なるビーム強度レベルについて変わらない、すなわち、シンクロトロンに注入される回数が全ての場合に同じであるため、本発明によるＬＥＢＴにおける強度制御スキームによって、全ダイナミックレンジの１０００が提供される。本発明の装置において、ビーム損失はＬＥＢＴにおいて主に発生する。すなわち、低エネルギーレベルにおいてＬＥＢＴの直後で直接測定したものと、高エネルギーレベルで治療ビームライン内において測定したものとの相対的な強度減少は、ほとんど同じである。
【０００９】
さらに、ビームプロファイルは、加速器チェーンに沿った種々のロケーションで、また、治療ビームラインの最終ビームデリバリシステムで測定される。種々のビーム強度について、ビームプロファイルの差、ならびにビーム位置の差は観察されないであろう。このことは、本発明の装置が重イオン癌治療施設に対して適用される時に特に、処置ロケーションで、信頼性のある、一定の、強度に依存しないビームパラメータを提供するための本発明の非常に重要な利点である。
【００１０】
分析スリットと磁気４重極トリプレットとの間に位置するビーム変圧器は、イオンビームを崩壊させることなく、加速用に選択されたイオン種のイオンビーム電流をオンラインで測定し、監視するという利点を有する。ビーム変圧器は、強度減少のために使用される磁気４重極トリプレットの上流に位置するため、低下のないイオンビーム電流を連続して監視し、一方で、トリプレット電磁石を用いて、線形加速器ビームの強度をパルスごとに変えることができる。このことは、選択されたイオン源の性能をオンラインモニタリングするのに非常に重要である。
【００１１】
第１の好ましい実施形態において、ソレノイド電磁石は、各イオン源の出口に配置される。本発明のこの実施形態が有する利点は、各イオン源から抽出されるイオンビームが、ソレノイド電磁石によって分光計のオブジェクト点に集束されることである。
【００１２】
他の好ましい実施形態において、磁気４重極シングレットが各イオン源の下流に位置する。この４重極シングレットは、各分光計システムの分解能を上げ、イオン源と分光計システムとの間の柔軟なマッチングを提供するという利点を有する。
【００１３】
他の(further)好ましい実施形態において、イオン源はもっぱら永久磁石を備える。これらの永久磁石はイオン源に対する磁界を供給し、そして各イオン源について大きな電力消費をするであろう電磁石コイルを必要としないという利点を有する。さらに、大きな電力消費に加えて、これらの電磁石コイルが有する短所は、電磁石コイルが高圧水冷サイクルを必要とすることであり、高圧空冷サイクルは、本発明のイオン源における永久磁石の場合に避けられる。このことは、本発明の装置の、運転費用を低減し、信頼性を高めるという利点を有する。
【００１４】
本発明の他の好ましい実施形態としてはは、各分光計電磁石の上流に配置されるビーム診断手段を備える。こうしたビーム診断手段は、ビームの断面プロファイルおよび／または全体として抽出されたイオン電流を測定することができる。前記ビーム診断手段は、プロファイルグリッドおよび／またはファラデーカップを備えるのが好ましい。
【００１５】
本発明の他の実施形態としては、各ビームスリットに配置されたビーム診断手段を提供する。この実施形態は、種々の抽出イオン種についてビームサイズおよびビーム強度を測定し、スペクトルを記録するという利点を有する。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態において、前記集束ソレノイド電磁石は、前記マクロパルス・チョッパの下流で、かつ、前記高周波４重極加速器の上流に位置する。このことは、ソレノイド電磁石によって、ソレノイドレンズと高周波４重極電極の始点(beginning)との間の、約１０ｃｍの非常に短い距離内で、ＲＦＱの入射電極にビームが直接集束されるという利点を有する。
【００１７】
本発明の他の好ましい実施形態は、切換え電磁石の下流の低エネルギービーム輸送システム（ＬＥＢＴ）内にファラデーカップおよび／またはプロファイルグリッドを備える診断手段を提供する。これらの診断手段は、イオンビームの飛程(range)内に永続的にあるのではなく、測定の目的でイオンビームの飛程内に位置する。ファラデーカップは、切換え電磁石を通る全イオンを捕捉し、プロファイルグリッドは、ビーム断面内のイオンの局所的な分布状態を測定する。運転サイクル中、これらの診断手段は、イオンビームの飛程から追い出される。
【００１８】
本発明の他の好ましい実施形態において、前記高周波４重極内の交互ステムが、共通水冷ベースプレート上に取り付けられる。このことは、ＲＦＱのエネルギー損失がチャンバの外部の方に導かれ、ＲＦＱのステムまたは電極に損傷を与えないという利点を有する。
【００１９】
本発明の別の好ましい実施形態において、ベースプレートは、電気絶縁材料でできている。このことは、電極を形成する前記ミニベーン（minivane）対がλ／２共鳴構造に対するキャパシタンスとして働いている間、ステムがインダクタンスとして働くが、ステムは短絡回路ではないという利点を有する。
【００２０】
次に、後続の図面に従って実施形態を参照して本発明が説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、選択する装置を備えるイオンビームアプリケーションシステム用の、完備した注入器リニア加速器の略図である。
図２は、図１の部分略図である。
図３は、イオンを生成し、選択する装置の、低エネルギービーム輸送ラインに沿ったビームエンベロープの例である。
【００２２】
図１、図２、および図３における参照符号は以下のように定義される。
ＥＣＲＩＳ１  １２Ｃ４＋または１６Ｃ６＋のような重イオン用の第１電子サイクロトロン共鳴イオン源
ＥＣＲＩＳ２  Ｈ２＋、Ｈ３＋または３Ｈｅ＋のような軽イオン用の第２電子サイクロトロン共鳴イオン源
ＳＯＬ  ＥＣＲＩＳ１およびＥＣＲＩＳ２の出口のソレノイド電磁石
ＢＤ  プロファイルグリッドおよび／またはファラデーカップを備えるビーム診断ブロック
ＳＬ  コリメータスリット
ＩＳＬ  コリメータイメージスリット
ＢＴＲ  ビーム変圧器
ＱＳ１  第１分岐の磁気４重極シングレット
ＱＳ２  第２分岐の磁気４重極シングレット
ＱＤ  ４重極ダブレット
ＱＴ  磁気４重極トリプレット
ＳＰ１  第１分岐の分光計電磁石
ＳＰ２  第２分岐の分光計電磁石
ＳＭ  切換え電磁石
ＣＨ  マクロパルスチョッパ
ＲＦＱ  高周波４重極加速器
ＩＨ−ＤＴＬ  ＩＨ型ドリフトリニアック
ＳＦ  ストリッパフォイル
ａ）（図３）  １２０πｍｍ  ｍｒａｄのビームエミタンスによるビームエンベロープ
ｂ）（図３）  ２４０πｍｍ  ｍｒａｄのビームエミタンスによるビームエンベロープ
【００２３】
注入器システムに供給するためにイオンを生成し、選択する装置および対応する構成要素の、図１および図２の種々の部分のタスクは、以下の項目に要約することができる。
【００２４】
１．イオンの生成、８ｋｅＶ／ｕの運動エネルギーへのイオンの予備加速および十分なビーム品質を有するイオンビーム形成は、２つの独立したイオン源およびイオン源抽出システムにおいて行なわれる。日常運転の場合、イオン源の一方は高ＬＥＴイオン種（それぞれ１２Ｃ４＋および１６Ｃ６＋）を送出し、一方、他のイオン源は低ＬＥＴイオンビーム（Ｈ２＋、Ｈ３＋または３Ｈｅ１＋）を生成することができる。
【００２５】
２．注入器リニアックにおける加速に使用されるべき荷電状態は、２つの独立した分光計ラインにおいて分離される。２つのイオン源分岐からの選択されたイオン種間の切換え、ビーム強度制御（強度制御ラスター走査法に対して必要とされる）、後続の線形加速器の要件へのビームパラメータのマッチング、およびリニアック内で加速されたビームパルス長の規定は、低エネルギービーム輸送（ＬＥＢＴ）ラインにおいて行なわれる。
【００２６】
３．線形加速器は、イオンを８ｋｅＶ／ｕから４００ｋｅＶ／ｕに加速する、長さが約１．４ｍの、短い高周波４重極加速器（ＲＦＱ）と、長さが０．２５ｍの小型ビームマッチング部と、７ＭｅＶ／ｕのリニアック終端エネルギーへ効果的に加速するための、３．８ｍ長のＩＨ型ドリフトチューブ・リニアック（ＩＨ−ＤＴＬ）から成る。
【００２７】
４．シンクロトロンの加速効率を最適にするために、残留電子は、ＩＨ−ＤＴＬの後ろの、約１ｍに配置された薄いストリッパーフォイルにおいて引き剥がされて、シンクロトロンへの注入前に、可能な最良の荷電状態を生ずるようにする（表１）。
【００２８】
表１は、注入器リニアック（左欄）内での、また、ストリッパフォイル（右欄）の後ろでの、加速用に提案された全てのイオン種の荷電状態を示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
本発明の、イオンを生成し、選択する装置および注入器システムの設計は、病院環境で設置される医療機械に関する特別な問題を解決できるという利点を有し、その問題とは、高信頼性、ならびに安定で、再現性のあるビームパラメータである。さらに、小型であり、運転要件および維持要件が少ない。さらなる利点は、装置の投資費用および運用費用が安いことである。
【００３１】
ＲＦＱおよびＩＨ−ＤＴＬはどちらも、イオン容積対電荷比Ａ/ｑ≦３（イオン１２Ｃ４＋設計）および運転周波数２１６．８１６ＭＨｚに対して設計される。このかなり高い周波数によって、非常に小型のＬＩＮＡＣ設計を使用すること、したがって、独立した空洞およびＲＦ電力トランスミッタの数を減らすことが可能になる。イオン源およびストリッパフォイルを含む、注入器の全長は約１３ｍである。シンクロトロンから要求されるビームパルスは、低い繰り返しでやや短いので、約０．５％の非常に小さなｒｆデューティサイクルは、十分であり、また、冷却要件を大幅に減少させるという利点を有する。したがって、４ロッド状のＲＦＱ構造の電極、ならびにＩＨ−ＤＴＬ内のドリフトチューブはどちらも、直接冷却を必要とせず（ＲＦＱ構造のグラウンドプレートおよびＩＨ構造のガーダーのみが水冷される）、それによって、建造費用が大幅に減り、システムの信頼性が向上する。
【００３２】
任意のはっきりとした時間構造(time structure)なしで非常に安定したビーム電流、ならびに高いビーム品質を提供するために、１２Ｃ４＋および１６Ｏ６＋イオンを生成するのに、電子サイクロトロン共鳴イオン源（ＥＣＲＩＳ）が使用される（図１および図２のＥＣＲＩＳ１）。プロトンビームおよびヘリウムビームを生成するのに、２つの異なるイオン源の型を使用することができる。高ＬＥＴイオンビームの生成のために使用される型と同じ型のＥＣＲイオン源を、同様に本明細書で適用するか（図１および図２のＥＣＲＩＳ２）、または、低価格で、小型の特別な高ブリリアンスフィラメント・イオン源を使用することができる。
【００３３】
ＥＣＲイオン源の場合、分子Ｈ２＋イオンがイオン源において生成され、リニアックでの加速に使用されるであろう。フィラメント源の場合、１２Ｃ４＋イオンと同じ、容積対電荷比Ａ／q＝３を提供するＨ３＋イオンが提案されている。ヘリウムビームの生成については、３Ｈｅ１＋イオンが両方の場合のイオン源から抽出されるであろう。イオン源において同時に生成される他の軽イオンによるビームの汚染を防止するために、４Ｈｅの代わりに３Ｈｅが提案されている。
【００３４】
シンクロトロンについて議論される最大ビーム強度は、患者での１スピル(spill)当たり約１０９Ｃ６＋イオンである。７ＭｅＶ／ｕで１５回を用いる複数回注入スキームとすると、ＬＩＮＡＣが送出する約２５μｍ長のバンチ列が、シンクロトロンに注入される。シンクロトロン注入ライン、シンクロトロンおよび高エネルギービームラインにおけるビーム損失を考慮すると、ビーム損失は、約１００ｅμＡＣ６＋のＬＩＮＡＣ出力電流に相当する。さらにＬＥＢＴ、ＬＩＮＡＣおよびストリッパフォイルでのビーム損失を考えると、イオン源から抽出される約１３０ｅμＡの最小Ｃ４＋電流が必要となる。本明細書において議論される全イオン種について必要とされる最小イオン電流は、表２に記載されている（Ｉｍｉｎと呼ぶ）。しかし、考慮されるイオン源は、少なくとも５０％の安全マージンを含むイオン電流を用いて試験されるべきである。これらの値は、表２ではＩｓａｆｅと呼ばれ、１６Ｏ６＋について１５０ｅμＡからＨ２＋について１ｅｍＡの範囲にある。安定性のために、ＥＣＲイオン源に対してＤＣ運転が提案されている。
【００３５】
表２は、種々のイオン源に対する、抽出電圧およびイオン源から抽出されたイオン電流についてのパラメータを示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
抽出システムの場合、固定プラズマ電極および単一可動抽出電極から成るダイオード抽出システムが、ＥＣＲイオン源について提案されている。８ｋｅＶ／のビームエネルギーに必要な抽出エネルギーＵｅｘｔはまた、表２に記載されている。１２Ｃ４＋および３Ｈｅ１＋の場合、２４ｋＶの抽出電圧が必要とされる。イオン源から直接送出されるプロトンビームの場合、必要とされる８ｋＶの抽出電圧は、２ｍＡのプロトン電流を達成するにはやや小さいであろう。さらに、こうした場合、重要な空間電荷問題は、低エネルギービーム輸送ラインおよびＲＦＱ加速器内で処理されねばならない。したがって、分子Ｈ２＋およびＨ３＋イオンの生成および加速がそれぞれ提案されている。
【００３８】
磁界がもっぱら永久磁石によって供給される、独立した第１および第２電子サイクロトロン共鳴イオン源（ＥＣＲＩＳ１およびＥＣＲＩＳ２）は、病院に設置される注入器リニアックに対して非常に好適な解決策を提供する。このことが有する大きな利点は、イオン源当たり最大約１２０ｋＷまでの非常に大きな電力消費をするであろう電気コイルを必要としないことである。大きな電力消費に加えて、コイルは、さらに高圧（１５ｂａｒ）水冷サイクルを必要とするという短所を有する。この水冷サイクルは、本発明の永久磁石イオン源ほどは安全でない。両方の態様は、本システムの運転費用を低減し、信頼性を向上させるという利点を有する。
【００３９】
１４．５ＧＨｚ  ＳＵＰＥＲＮＡＮＯＧＡＮの好適な高性能永久磁石の主パラメータが、表３に記載されており、電気コイルを用いた２つのＥＣＲイオン源のデータと比較されている。２つのＥＣＲは、ＨＩＭＡＣでの患者照射、および兵庫イオンビーム医療センターでの患者照射用に、１２Ｃ４＋ビームの日常生成のために使用されるＥＣＲ４−Ｍ（ＨＹＰＥＲＮＡＮＯＧＡＮ）および１０ＧＨｚ  ＮＩＲＳ−ＥＣＲである。
【００４０】
ＳＵＰＥＲＮＡＮＯＧＡＮの場合、プラズマ閉じ込めは、磁気パラメータはＥＣＲ４−Ｍのパラメータに非常に近いが、磁気ミラーの長さが短く（１９０ｍｍの代わりに約１４５ｍｍ）、プラズマチャンバの直径が小さい（６６ｍｍの代わりに４４ｍｍ）、ｍｉｎｉｍｕｍ−Ｂ磁気構造によって確保される。最大軸方向ミラー(mirror)磁界は、注入部で１．２Ｔであり、抽出部で０．９Ｔである。ＦｅＮｄＢ永久磁石の重量は、約１２０ｋｇに達し、電磁石本体の直径は３８０ｍｍで、その長さは３２４ｍｍである。
【００４１】
本発明の目的のために、ＳＵＰＥＲＮＡＮＯＧＡＮが、ＥＣＲイオン源試験ベンチで試験された。本明細書で提案された全てのイオン種について、注入器リニアックについて必要とされる値に近い抽出電圧を用いて、かつ、約１００Ｗと４２０Ｗの間の中程度のｒｆ電力レベルの、安定したＤＣ運転モードで、要求されるイオン電流が達成されるであろう。Ｏ６＋ならびにＨｅ１＋について、必要とされる電流Ｉｓａｆｅの約２倍さえもが容易に達成されるであろう。１２Ｃ４＋の生成のために、１２Ｃ２＋の生成のためにＧＳＩでも適用された主ガスとして、ＣＯ２が使用されてきた。ＨＩＭＡＣでの実験的調査が示したことは、主ガスとしてＣＨ４を用いると、１２Ｃ４＋イオンの生産量が大幅に増える可能性があることである。ＣＨ４を主ガスとして使用すれば、Ｃ４＋の生成能力(performance)のさらなる向上は、同様にＳＵＰＥＲＮＡＮＯＧＡＮについて期待できる。ビームの約９０％の測定された幾何学的エミッタンスは、１６Ｏ６＋について１１０ｍｍ  ｍｒａｄからＨｅ１＋および１２Ｃ４＋について１８０ｍｍ  ｍｒａｄの範囲にあり、０．４から０．７ｍｍ  ｍｒａｄの正規化されたビームエミッタンスに相当している。
【００４２】
表３は、いくつかのＥＣＲイオン源の比較を示す。ＥＣＲ４−ＭはＨＹＰＥＲＮＡＮＯＧＡＮである。ＥＣＲ４−Ｍについての括弧内の値は、１８ＧＨｚ運転についてであり、他の値は１４．５ＧＨｚ運転についてである。ＮＩＲＳ−ＥＣＲの場合、括弧内の値は改良された六極電磁石を用いて得られた。
【００４３】
【表３】
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【００４４】
ＥＣＲ４−Ｍを用いてＣ４＋およびＯ６＋について得られた２つの結果はまた、表３に記載されており、必要とされるイオン電流が所定量だけ超える可能性があることを示している。ＮＩＲＳ−ＥＣＲを用いて得られたいくつかのイオン電流はまた、表３に記載されている。括弧内の値は、改良された六極電磁石から成るアップグレードバージョンを用いて得られている。再び、全ての値が本明細書で必要とされる電流を所定量だけ超えている。測定された正規化ビームエミッタンスは、Ｃ４＋について約０．５ｍｍ  ｍｒａｄから２．１ｅｍＡ  Ｈ２＋ビームについて約１ｍｍ  ｍｒａｄの範囲にある。ＮＩＲＳ−ＥＣＲはいくつかの利点を有している。すなわち、炭素、ヘリウムおよび酸素のような、患者照射のために提案されている比較的軽いイオンについて、１０ＧＨｚ  ＥＣＲ源は、プラズマチャンバの直径が十分に大きい場合、かなり大きなイオン電流を生成するのに十分に強力であるように思われる。一方、閉じ込め磁界は、１４．５ＧＨｚ（ＥＣＲ４―Ｍに使用する）と比較すると、１０ＧＨｚではより小さくなる可能性があり、電気コイルの電力消費を約４０％低減する。さらに、ＮＩＲＳ−ＥＣＲは、特に、１２Ｃ４＋ビーム生成のためにＨＩＭＡＣで運転中である。本明細書で提案したプロジェクトと同様に、ＨＩＭＡＣ注入器での注入エネルギーはまた８ｋｅＶ／ｕであり、１２Ｃ４＋ビーム生成のために印加される抽出電圧は２４ｋＶである。
【００４５】
これらのパラメータは、本明細書の場合は同じである。さらに、主に、線源の信頼性ならびに線源の重要構成要素の寿命および保守間隔を大きくするために、いくつかの改良がＮＩＲＳ−ＥＣＲに適用されてきた。
【００４６】
本発明の電子サイクトロン共鳴イオン源は、以下のものを備えている。
１．ＤＣバイアスシステム：
高い荷電状態のイオンについて線源効率を増すために、ＳＵＰＥＲＮＡＮＯＧＡＮならびにＨＹＰＥＲＮＡＮＯＧＡＮはいずれも、ＤＣバイアスシステムを装備している。共軸チャンバのインナチューブは、約２００−３００Ｖの電圧でＤＣバイアスされる。
２．ガス供給システム：
抽出イオン電流の十分な長期安定性を確保するために、主ガス用および補助(support)ガス用のサーモバルブは、適当なサーモバルブ制御器によって調節される。さらに、温度調節された加熱ジャケットが、サーモバルブにつけられて、サーモバルブの温度を安定させる。圧力レジューサは、主ガスリザーバとサーモバルブとの間で使用される。
３．ＲＦシステム：
約２ｋＷのｒｆ出力電力を有する大電力クライストロン増幅器が使用される（１４．５ＧＨｚかまたは１０ＧＨｚかはイオン源モデルによって決まる）。高い可用性を保証するために、運転中の増幅器が故障した場合に、代替として、１つの付加的な発生器が利用できる。したがって、２つのＥＣＲイオン源（ＥＣＲＩＳ１およびＥＣＲＩＳ２）に対して、本発明の場合、３つの発生器が設けられている。個別の発生器間での高速切換えが可能である。ゼロと最大電力との間の、発生器の出力電力レベルの遠隔制御が設けられている。出力電力レベルは、能動制御ユニットによって、ΔＰ／Ｐ≦１％の高い安定度に制御される。発生器から伝達される全ｒｆ電力は、ある場合には、イオン源プラズマによって反射される可能性がある。したがって、本発明の発生器は、循環器、および発生器から伝達された全電力を、発生器の破損を生じることなく吸収することができるダミー負荷を装備することができる。反射された電力の測定は日常運転中に可能である。
【００４７】
こうしたＥＣＲイオン源は、治療加速器用の最良に荷電したＣ４＋イオンビームおよびＯ６＋イオンビームを生成するための好ましい解決策である。原理上、同じ線源モデルはまた、Ｈ２＋ビームおよびＨｅ＋ビームの生成に使用されることができ、付加的な冗長性を提供する。別法として、単一(singly)荷電イオンの高ブリリアントビーム生成のために特別に開発されたガス放電イオン源を、Ｈ３＋ビームおよび３Ｈ１＋ビームの生成のために設けることができる。
【００４８】
線源のプラズマ発生器は、直径が６０ｍｍで、長さが約１００ｍｍの水冷式円筒状銅チャンバ内に収容される。プラズマ閉じ込めの場合、チャンバは、１ｋＷ未満の比較的低い電力消費を伴う、小さなソレノイド電磁石で囲まれる。チャンバの後ろには、ガス取り込みシステムが取り付けられ、軸の近くに、タングステンフィラメントが設置される。チャンバの前端は、プラズマ電極によって閉じられ、プラズマ電極は、陽極（チャンバ壁）に対して負にバイアスすることができる。イオン抽出の場合、加速／減速(accel/decel)構成の３極管システムが使用される。本発明の抽出システムの幾何学的形状は、異なる抽出電圧、約２２ｋＶおよび５５ｋＶについて慎重に最適化された（コンピュータシミュレーションによって支援された）。
【００４９】
線源が、１０Ａ以下の小さなアーク電流で、水素を用いて運転される場合、ビームのＨ３＋の部分は、少量のＨ＋イオン（≦１０％）およびほんのごくわずかのＨ２＋イオンがある状態で、約９０％と高い。Ｈ＋の部分はアーク電流が増えると増える。しかし、わずか数ｍＡのＨ３＋電流の生成のためには、数Ａの小さなアーク電流での１ｋＷ未満のアーク電力で十分であり、それが、治療注入器に対する理想的な解決策を提供する。これらのパラメータについて、ＤＣ運転の場合、約１０００ｈのタングステンフィラメントの寿命が期待される。さらに寿命を上げるために、線源のパルス運転モードが提案されている。パルスモードにおける抽出イオン電流の安定度は、わずか約１％の測定ビーム雑音レベルの場合、ＤＣ運転に対する安定度よりずっとよい。
【００５０】
このイオン源の使用は、最近の技術水準のＥＣＲイオン源と比較すると、いくつかの経済的および技術的な利点を有する。
１．本発明のガス放電イオン源に対する投資費用は、ＥＣＲイオン源（ＲＦ発生器を含む）に対する費用の少なくとも約５分の１である。さらに、運転維持に対する費用は、電気コイルを有するＥＣＲイオン源と比較すると特に低い。たとえば、最近の技術水準のＥＣＲイオン源用のＲＦ発生器のクライストロンは、定期的に交換されねばならない。
２．リニアックでの加速にＨ３＋を使用することは、いくつかの利点を有する。すなわち、１２Ｃ４＋イオンと同じＡ／Ｑ＝３の容積対電荷比を有するため、リニアック空洞は、両方の場合、同じｒｆ電力レベルで運転される。このことは、非常に安定したリニアックの運転を保証し、システムの信頼性を向上させる。さらに、１２Ｃ４＋ビームおよびＨ３＋ビームの間の非常に高速な切換えが可能であろう。さらに、ＬＥＢＴおよびＲＦＱ加速器に沿った空間電荷の問題は、Ｈ２＋またはＨ＋ビームと比較してＨ３＋ビームの場合に最小にされる。
３．非常に大きなビーム電流が利用できる。
４．εｎ＜０．１πｍｍ  ｍｒａｄの正規化されたビームエミッタンス、すなわち、ＥＣＲイオン源からのＨ２＋ビームと比較しておよそ一桁小さい、たとえば、０．００３πｍｍ  ｍｒａｄの正規化された８０％ビームエミッタンスを有する高ブリリアント・イオンビームが、１７ｋＶの抽出電圧で、９ｍＡ  Ｈｅ＋ビームについて測定された。
【００５１】
図３は、イオンを生成し、選択する装置の、低エネルギービーム輸送ラインに沿ったビームエンベロープの例を示す。図３において、水平方向（上部）および垂直方向（下部）のビームエンベロープが、ａ）１２０πｍｍ  ｍｒａｄ（εｎ＝０．５０πｍｍ  ｍｒａｄ）およびｂ）２４０πｍｍ  ｍｒａｄ（εｎ＝１．０πｍｍ  ｍｒａｄ）の２つの横方向ビームエミッタンスについてプロットされている。ビームエミッタンスは、ｘ方向およびｙ方向で同じであり、本発明で使用されるＥＣＲイオン源について測定された値に基づいている。ビームエミッタンスは、炭素、酸素およびヘリウムイオンビームについて約εｎ≒０．５−０．７πｍｍ  ｍｒａｄからＨ２＋ビームについて約εｎ≒１．０πｍｍ  ｍｒａｄまでの範囲にある。図３のボックスは、異なる電磁石およびそれらの開口半径を特徴付けている。シミュレーションは、イオン源の抽出システムに配置されたオブジェクト焦点で始まり、ＲＦＱ電極の始点で終了する。
【００５２】
シミュレーションのスタート点でのビームパラメータは、プラズマ電極の開口を含むイオン源抽出システムの幾何学的形状によって、ならびに、プラズマ電極の抽出開口におけるプラズマ表面の形状に影響を与えるイオン源の運転パラメータによって求められる。分光計システムのスタート点でのビームパラメータ、すなわち、異なるビーム半径、異なる発散角度、ならびに軸方向におけるオブジェクト焦点の変位の柔軟なマッチングを実現するために、図１および図２に示す分光計電磁石ＳＰ１、ＳＰ２の前で２つの集束電磁石が使用される。
【００５３】
まず第１に、各イオン源から抽出されたイオンビームは、図１および図２に示すソレノイド電磁石ＳＯＬによって後続の分光計のオブジェクト点に集束させられる。この点での分光計のベンディング面におけるビームサイズおよびロケーションは、可変水平スリット（ＳＬ）によって画定することができる。ベンディング電磁石内での最大水平ビームサイズに比例する、分光計の分解能を上げるため、また、分光計電磁石ＳＰ１、ＳＰ２に沿う垂直ビーム幅を減らすために、水平方向に集束解除する単一の４重極電磁石ＱＳが、分光計のオブジェクト焦点と分光計電磁石ＳＰ１、ＳＰ２との間に配置される。後続の２重集束９０°分光計電磁石ＳＰ１、ＳＰ２は、４００ｍｍの曲率半径および２６．６°の縁角度を有する。Ａ／Ｑ＝３の容積対電荷比および８ｋｅＶ／ｕを有するイオンビームについて、イオンビームはほんの０．１Ｔに励起される。以下、すなわち、
（Ａ／Ｑ）／（Δ（Ａ／Ｑ））≒１４０
のイメージスリット（ＩＳＬ）での、システムの理論的な容積分解能は、他の荷電状態から、またいくつかの他の軽イオンから、所望の１２Ｃ４＋イオンを分離するのに十分である。
【００５４】
図１および図２に示すイメージスリットＩＳＬに続いて、磁気４重極トリプレットＱＴ１、ＱＴ２は、切換え電磁石ＳＭとＲＦＱとの間で、ＬＥＢＴの共通部に沿ってほとんど円対称にビームを集束させる。
【００５５】
最後に、ソレノイド電磁石が、高周波４重極（ＲＦＱ）加速器の始点のマッチングした小さなウエストにイオンビームを集束させる。マクロパルス形成用の一対のチョッパプレートは、切換え電磁石とＲＦＱとの間に置かれる。
【００５６】
ビーム診断手段ＢＤは、プロファイルグリッドおよびファラデーカップを備えており、両者は、イオン源ＥＣＲＩＳ１およびＥＣＲＩＳ２の抽出システムの後ろの、分光計ＳＰ１、ＳＰ２のオブジェクト焦点で、かつイメージスリットＩＳＬの位置に配置される。別のビーム診断ボックスは、切換え電磁石の後ろで、ＲＦＱの前のソレノイド電磁石の上流に位置する。オンラインビーム電流測定のために、ビーム変圧器が、イオン源分岐のそれぞれにおいて、磁気４重極トリプレットＱＴ１およびＱＴ２の前に設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、選択する装置を備えるイオンビームアプリケーションシステム用の、完備した注入器リニア加速器の略図である。
【図２】図１の部分略図である。
【図３】イオンを生成し、選択する装置の、低エネルギービーム輸送ラインに沿ったビームエンベロープの例である。
【符号の説明】
【００５８】
図１、図２、および図３における参照符号は以下のように定義される。
ＥＣＲＩＳ１  １２Ｃ４＋または１６Ｃ６＋のような重イオン用の第１電子サイクロトロン共鳴イオン源
ＥＣＲＩＳ２  Ｈ２＋、Ｈ３＋または３Ｈｅ＋のような軽イオン用の第２電子サイクロトロン共鳴イオン源
ＳＯＬ  ＥＣＲＩＳ１およびＥＣＲＩＳ２の出口のソレノイド電磁石
ＢＤ  プロファイルグリッドおよび／またはファラデーカップを備えるビーム診断ブロック
ＳＬ  コリメータスリット
ＩＳＬ  コリメータイメージスリット
ＢＴＲ  ビーム変圧器
ＱＳ１  第１分岐の磁気４重極シングレット
ＱＳ２  第２分岐の磁気４重極シングレット
ＱＤ  ４重極ダブレット
ＱＴ  磁気４重極トリプレット
ＳＰ１  第１分岐の分光計電磁石
ＳＰ２  第２分岐の分光計電磁石
ＳＭ  切換え電磁石
ＣＨ  マクロパルスチョッパ
ＲＦＱ  高周波４重極加速器
ＩＨ−ＤＴＬ  ＩＨ型ドリフトリニアック
ＳＦ  ストリッパフォイル
ａ）（図３）  １２０πｍｍ  ｍｒａｄのビームエミタンスによるビームエンベロープ
ｂ）（図３）  ２４０πｍｍ  ｍｒａｄのビームエミタンスによるビームエンベロープ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年3月28日(2003.3.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、抽出し、選択する装置であって、
重イオンおよび軽イオンをそれぞれ生成する、独立した第１（ＥＣＲＩＳ１）および独立した第２電子サイクロトロン共鳴イオン源（ＥＣＲＩＳ２）と、
各イオン源（ＥＣＲＩＳ１、ＥＣＲＩＳ２）の下流に位置する、一同位体配列の重イオン種を選択する分光計電磁石（ＳＰ１、ＳＰ２）と、
各分光計電磁石（ＳＰ１、ＳＰ２）の下流に位置する磁気４重極トリプレット（ＱＴ１、ＱＴ２）と、
各分光計電磁石（ＳＰ１、ＳＰ２）のイメージ焦点に配置されている分析スリット（ＩＳＬ）と、
少なくともプロファイルグリッドおよびファラデーカップを備える、各スリット（ＳＬ、ＩＳＬ）に配置されているビーム診断手段（ＢＤ）と、
前記２つの独立した第１および第２イオン源の高ＬＥＴイオン種および低ＬＥＴイオン種を切換える切換え電磁石（ＳＭ）と、
前記切換え電磁石（ＳＭ）の下流に位置する高周波４重極加速器（ＲＦＱ）とを備え、
ビーム変圧器（ＢＴＲ）は、前記分析スリット（ＩＳＬ）と前記磁気４重極トリプレット（ＱＴ１、ＱＴ２）との間に位置し、
前記イオン源（ＥＣＲＩＳ１、ＥＣＲＩＳ２）は、もっぱら永久磁石を備え、
前記ＲＦＱは、ＲＦＱ内の共通ベースプレート上に取り付けられている交互ステム（ＳＴ）を備える４ロッド状の構造を有し、前記ステム（ＳＴ）はインダクタンスとして働き、電極（ＥＬ）を形成するミニベーン対はλ／２共鳴構造に対するキャパシタンスとして働く装置。
【請求項２】
ソレノイド電磁石（ＳＯＬ）は、各イオン源（ＥＣＲＩＳ１、ＥＣＲＩＳ２）の出口に配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
磁気４重極シングレット（ＱＳ１、ＱＳ２）は、各イオン源（ＥＣＲＩＳ１、ＥＣＲＩＳ２）の下流に位置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
集束ソレノイド電磁石（ＳＯＬ）は、チョッパ（ＣＨ）の下流で、かつ、前記高周波４重極加速器（ＲＦＱ）の上流に位置することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
低エネルギービーム輸送システム（ＬＥＢＴ）は、前記切換え電磁石（ＳＭ）の下流に、ファラデーカップおよび／またはプロファイルグリッドを収容する診断手段（Ｆ０１、Ｆ０２）を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【国際調査報告】
2004525486.tif 000037
2004525486.tif 000038
2004525486.tif 000039