JP6042247B2

JP6042247B2 - サイクロトロン

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Publication number: JP6042247B2
Application number: JP2013060595A
Authority: JP
Inventors: 豊戸内
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: JP2014186855A

Description

本発明は、サイクロトロンに関する。

荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出力するサイクロトロンとして、例えば特許文献１に示すものが知られている。このサイクロトロンは、磁極として機能する一対のポールと、ポール間に配置される一対のディ電極を有する共振器と、を備えている。共振器は、所定の共振周波数で電場を発生させてディ電極間に形成される加速空間を通過する荷電粒子を加速する。

特開２００２−４３０９７号公報

ここで、上述のサイクロトロンにあっては、ディ電極の寸法誤差の影響などによって、メディアンプレーン（荷電粒子ビームが加速して進行する周回軌道が位置する平面）を中心とした上下の電場のバランスが崩れる場合がある。このように上下の電場のバランスが崩れた場合、例えば、コンタクトフィンガーの焼損、ポールの発熱などが生じることにより、荷電粒子の加速に影響が及ぼされる場合がある。

そこで、本発明は、共振器の電場のバランスが崩れることを抑制し、荷電粒子の加速性能を向上できるサイクロトロンを提供することを目的とする。

本発明に係るサイクロトロンは、周方向に交互に形成される複数のバレー及び複数のヒルを有し、互いに対向する一対のポールと、一対のポールのバレーの間に設けられ、高周波電力が供給される共振器と、バレーに配置され、共振器からの高周波を検出する検出部と、共振器の共振周波数を調整可能な共振周波数調整部と、を備える。

本発明に係るサイクロトロンは、バレーに配置され、共振器からの高周波を検出する検出部と、共振器の共振周波数を調整可能な共振周波数調整部とを備えている。従って、一対のポールの間の電場のバランスが崩れることによって共振器から高周波が漏れた場合、検出部によって当該漏れ高周波を検出することができる。また、共振周波数調整部は共振器の共振周波数を調整可能であるため、検出部による検出結果に基づいて、共振周波数の調整を行うことによって、電場のアンバランスを解消することが可能となる。以上によって、共振器の電場のバランスが崩れることを抑制し、荷電粒子の加速性能を向上することができる。

本発明に係るサイクロトロンにおいて、検出部は、バレーの側壁に取り付けられてよい。共振器から漏れた高周波は、当該共振器に隣り合うヒルを通過し、バレーの側壁から底面へ向かう。従って、検出部をバレーの側壁に配置することで、共振器に近い位置で高周波を検出できる。

本発明に係るサイクロトロンにおいて、検出部は、径方向において、中心側に配置されていてよい。漏れ高周波は径方向の中心側の方が発生し易いため、検出部で漏れ高周波を検出し易くなる。

本発明に係るサイクロトロンにおいて、共振周波数調整部は、ブロックチューナを有し、ブロックチューナは、一対のポールのバレー間における体積を変化させることによって共振周波数を調整してよい。これによって、共振周波数の調整を容易に行うことができる。

本発明によれば、共振器の電場のバランスが崩れることを抑制し、荷電粒子の加速性能を向上できる。

本発明の実施形態に係るサイクロトロンの内部の平面図である。図１のサイクロトロンが備える一対のポールの模式図である。図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図１に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るサイクロトロンの実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るサイクロトロン１の内部の平面図である。図２は、図１のサイクロトロン１が備える一対のポール４Ａ，４Ｂの模式図である。図３は、図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、図１に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。なお、図３及び図４は、バレーの周方向における中央位置を示す線（図１において破線で示している）に沿った断面図である。本実施形態に係るサイクロトロン１は、イオン源（不図示）から荷電粒子を加速空間Ｇ内に供給し、加速空間Ｇ内の荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出力する円形加速器である。本実施形態のサイクロトロン１では、荷電粒子ビームの螺旋状の周回軌道Ｂが水平面上にあるものとする。なお、本発明のサイクロトロンは、周回軌道Ｂが鉛直面上にあるように配置してもよい。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子（重イオン）などが挙げられる。サイクロトロン１は、例えば荷電粒子線治療用の加速器として用いられる。本実施形態では、周方向に強弱のある磁束密度を形成するサイクロトロンであるＡＶＦ［ＡｚｉｍｕｔｈａｌｌｙＶａｒｙｉｎｇＦｉｅｌｄ］サイクロトロンを例にして説明する。

図１〜図４に示すように、サイクロトロン１は、ヨーク３と、一対のポール４Ａ，４Ｂと、共振器５，６と、コイル７と、検出部８と、共振周波数調整部９と、を備える。

ヨーク３は、真空容器２（図４参照）やコイル７を支持するものである。なお、真空容器２は、荷電粒子の加速空間を高真空状態に保持するための容器である。ヨーク３内には、粒子加速に必要な磁場を形成するための磁極として機能する一対のポール４Ａ，４Ｂが設けられている。ポール４Ａ，４Ｂは、平面視で円形をなし、メディアンプレーンＭＰ（荷電粒子ビームが加速して進行する周回軌道Ｂが位置する平面であり、図３，４において一点鎖線で示す）に対して上下面対称の形状を成している。ポール４Ａ，４Ｂのそれぞれの周囲にコイル７が配置され、ポール４Ａとポール４Ｂとの間に磁場が発生している。

図２は、ポール４Ａ，４Ｂのみを模式的に示す斜視図である。図に示されるように、ポール４Ａ，４Ｂは円柱状をなしている。以下で用いる「径方向」及び「周方向」との文言は、図１の方向から見たポール４Ａ，４Ｂの輪郭形状である円の径方向及び周方向を意味するものとする。ポール４Ａの上面には、螺旋状に湾曲した複数（本実施形態では４つ）の凸部であるヒル１１Ａと、複数（本実施形態では４つ）の凹部であるバレー１２Ａとが、周方向に交互に配列され形成されている。そして、ポール４Ｂの下面にも、螺旋状に湾曲した複数（本実施形態では４つ）の凸部であるヒル１１Ｂと、複数（本実施形態では４つ）の凹部であるバレー１２Ｂとが、周方向に交互に配列され形成されている。ヒル１１Ａとヒル１１Ｂ、及びバレー１２Ａとバレー１２Ｂは、互いにメディアンプレーンＭＰに対して面対称をなすようにギャップをあけて配置されている。なお、ここでポール４Ａ，４Ｂのヒル１１Ａ，１１Ｂとは、メディアンプレーンＭＰに向けて突出している部分であり、バレー１２Ａ、１２Ｂとは、メディアンプレーンＭＰから離れるように凹んでいる部分である。ヒル１１Ａ，１１Ｂの突出面１１Ａａ，１１Ｂａは水平方向に広がる面であり、バレー１２Ａ，１２Ｂの底面１２Ａａ，１２Ｂａは水平方向に広がる面である。なお、ヒル１１Ａ，１１Ｂの突出面１１Ａａ，１１Ｂａは、中心から外周側へ向かってメディアンプレーンＭＰとの間の上下方向の距離が徐々に小さくなるように緩やかに湾曲している（図４参照）。また、ヒル１１Ａ，１１Ｂの突出面１１Ａａ，１１Ｂａとバレー１２Ａ，１２Ｂの底面１２Ａａ，１２Ｂａを接続する上下方向に広がる面を「バレー１２Ａ，１２Ｂの側壁１２Ａｂ，１２Ｂｂ」と称して以下の説明を行う。なお、ヒル１１Ａ，１１Ｂ及びバレー１２Ａ，１２Ｂの形状は、上記のような螺旋状に湾曲した形状に限られず、扇形であってもよい。

ポール４Ａとポール４Ｂとの間には、ヒル１１Ａとヒル１１Ｂとで挟まれた狭いギャップのヒル領域１５ｈと、バレー１２Ａとバレー１２Ｂとで挟まれた広いギャップのバレー領域１５ｖとが形成されている。ポール４Ａとポール４Ｂとの対称面（メディアンプレーンＭＰ）上に、荷電粒子ビームの螺旋状の周回軌道Ｂが形成される。なお、周方向に順番に、バレー領域１５ｖ_１，１５ｖ_２，１５ｖ_３，１５ｖ_４が形成されるものとし、ヒル領域１５ｈ_１，１５ｈ_２，１５ｈ_３，１５ｈ_４が形成されるものとする。バレー領域１５ｖ_１は、周方向においてヒル領域１５ｈ_１，１５ｈ_４と隣り合っている。バレー領域１５ｖ_２は、周方向においてヒル領域１５ｈ_２，１５ｈ_１と隣り合っている。バレー領域１５ｖ_３は、周方向においてヒル領域１５ｈ_３，１５ｈ_２と隣り合っている。バレー領域１５ｖ_４は、周方向においてヒル領域１５ｈ_４，１５ｈ_３と隣り合っている。

共振器５，６は、荷電粒子を加速するための高周波の電場を発生させる。共振器５，６は、一対のポール４Ａ，４Ｂのバレー１２Ａ，１２Ｂ間（バレー領域１５ｖ_１，１５ｖ_３）に配置され、図示されない高周波電源から高周波電力が供給される。共振器５，６は、所定の周波数（共振周波数）の電場を発生させるように設定されている。一方の共振器５は複数（本実施形態では４つ）のバレー領域１５ｖのうち、一のバレー領域１５ｖ_１に配置される、他方の共振器６は、一方の共振器５が配置されるバレー領域１５ｖ_１に対して中心線を挟んで反対側のバレー領域１５ｖ_３に配置される（図１参照）。また、図３に示すように、共振器５は下側共振器５Ａ及び上側共振器５Ｂを有し、共振器６は下側共振器６Ａ及び上側共振器６Ｂを有している。下側共振器５Ａ，６Ａは、下側のポール４Ａのバレー１２Ａに配置される。上側共振器５Ｂ，６Ｂは、上側のポール４Ｂのバレー１２Ｂに配置される。

下側共振器５Ａ，６Ａは、ディ電極（加速電極）２１Ａと、内導体（ステム）２２Ａ，２３Ａと、外導体２４Ａと、を備えている。上側共振器５Ｂ，６Ｂは、ディ電極（加速電極）２１Ｂと、内導体（ステム）２２Ｂ，２３Ｂと、外導体２４Ｂと、を備えている。

ディ電極２１Ａ，２１Ｂは、真空容器２（図４参照）の内部で荷電粒子を加速するための電場を発生させる電極である。ディ電極２１Ａ，２１Ｂは、両方ともバレー領域１５ｖ_１，１５ｖ_３に配置され、互いに上下方向に対向するように配置されている。ディ電極２１Ａ，２１Ｂは、平面視でバレー領域１５ｖ_１，１５ｖ_３の形状に沿った形状に形成されている。ディ電極２１Ａ，２１Ｂは、バレー１２Ａ，１２Ｂの底面１２Ａａ，１２Ｂａから離間しており、メディアンプレーンＭＰ付近に形成される加速空間Ｇを形成するように、ヒル１１Ａ，１１Ｂの突出面１１Ａａ，１１Ｂａと略同位置に配置される。ポール４Ａの中心部には、サイクロトロン１の外部又は内部に設けられたイオン源（図示せず）から送られてきた荷電粒子を偏向して、メディアンプレーンＭＰ上に送るインフレクタ（不図示）が配置される。なお、内部イオン源を用いる場合はインフレクタは不要である。外導体２４Ａ，２４Ｂは、ディ電極２１Ａ，２１Ｂを囲むように設けられている。外導体２４Ａ，２４Ｂは、少なくともバレー１２Ａ，１２Ｂの底面１２Ａａ，１２Ｂａに沿って広がり、ディ電極２１Ａ，２１Ｂと上下方向において対向する壁部２４Ａａ，２４Ｂａを有する。内導体２２Ａ，２２Ｂは、上下方向に延びてディ電極２１Ａ，２１Ｂと外導体２４Ａ，２４Ｂの壁部２４Ａａ，２４Ｂａとを連結する。内導体２３Ａ，２３Ｂは、上下方向に延びてディ電極２１Ａ，２１Ｂと外導体２４Ａ，２４Ｂの壁部２４Ａａ，２４Ｂａとを連結する。内導体２２Ａ，２２Ｂはバレー領域１５ｖ_１，１５ｖ_３の内周側の領域に設けられ、内導体２３Ａ，２３Ｂはバレー領域１５ｖ_１，１５ｖ_３の外周側の領域に設けられる。

サイクロトロン１では、ポール４Ａとポール４Ｂとの間に磁場を発生させると共に、共振器５，６に高周波電力が供給されることで、荷電粒子ビームが、加速されつつ、メディアンプレーンＭＰ上の螺旋状の周回軌道Ｂを進行する。径方向の外周側に達した荷電粒子ビームは、図示されないマグネティックチャネルやデフレクタを通過し、ビーム引出ダクトを通じて外部に引き出される。

図１及び図４に示すように、検出部８は、バレー１２Ａに配置され、共振器５，６からの高周波を検出するセンサである。下側共振器５Ａ，６Ａと上側共振器５Ｂ，６Ｂとの間で電場のバランスが崩れることによって、加速空間Ｇからヒル領域１５ｈ側へ漏れ高周波が生じた場合に、検出部８は、当該高周波を検出することができる。当該検出部８として、高周波をピックアップする電極を設けてよい。検出部８は、ヒル領域１５ｈを挟んで共振器５，６と隣り合うバレー領域１５ｖに配置される。本実施形態では、バレー領域１５ｖ_２，１５ｖ_４に配置される。

検出部８は、バレー領域１５ｖ_２，１５ｖ_４内であれば底面１２Ａａ，１２Ｂａ及び側壁１２Ａｂ，１２Ｂｂのどこの位置に配置されてもよいが、漏れ高周波を共振器５，６に近い位置で検出することが好ましく、すなわち、バレー１２Ａ，１２Ｂの側壁１２Ａｂ，１２Ｂｂに取り付けられることが好ましい。共振器５の漏れ高周波を検出するための検出部８は、共振器５に隣り合うヒル領域１５ｈ_１と、バレー領域１５ｖ_２との間の側壁１２Ａｂ，１２Ｂｂに取り付けられてよく（図１及び図４に示す例では、当該側壁１２Ａｂに取り付けられている）、共振器５に隣り合うヒル領域１５ｈ_４と、バレー領域１５ｖ_４との間の側壁１２Ａｂ，１２Ｂｂに取り付けられてよい。なお、これらの位置に取り付けられた検出部８が共振器６の漏れ高周波を検出してもよい。共振器６の漏れ高周波を検出するための検出部８は、共振器６に隣り合うヒル領域１５ｈ_３と、バレー領域１５ｖ_４との間の側壁１２Ａｂ，１２Ｂｂに取り付けられてよく（図１及び図４に示す例では、当該側壁１２Ａｂに取り付けられている）、共振器６に隣り合うヒル領域１５ｈ_２と、バレー領域１５ｖ_２との間の側壁１２Ａｂ，１２Ｂｂに取り付けられてよい。なお、これらの位置に取り付けられた検出部８が共振器５の漏れ高周波を検出してもよい。

また、検出部８は、バレー領域１５ｖ_２，１５ｖ_４のうち、径方向において、中心側に配置されている。具体的には、図４に示すように、バレー領域１５ｖ_２の径方向における中央位置に基準線ＣＬを設定した場合、当該基準線ＣＬよりも中心側（内周側）の領域Ｅ１に検出部８を配置する。ただし、基準線ＣＬ上、または基準線ＣＬよりも外周側の領域Ｅ２に検出部８を配置してもよい。また、図４に示すように、検出部８が側壁１２Ａｂに配置されている場合、検出部８は、側壁１２ＡｂのメディアンプレーンＭＰ側の領域に配置されている。ただし、側壁１２Ａｂの底面１２Ａａ側の領域に配置してもよい。

なお、図４では、検出部８はポール４Ａ側に設けられているが、ポール４Ｂに設けてもよく、ポール４Ａ，４Ｂの両方のバレー１２Ａ，１２Ｂに設けてもよい。また、一のバレー１２Ａ，１２Ｂに対して複数カ所に検出部８を設けてもよい。

共振周波数調整部９は、共振器５，６の共振周波数を調整可能な機構である。共振周波数調整部９は、検出部８での検出結果に基づいて、共振器５，６の共振周波数を調整可能である。検出部８で検出する信号が最小となるように、共振周波数調整部９にて調整を行う。調整方法や調整のタイミングは特に限定されないが、例えば、サイクロトロン１の初期設定の際に、検出部８の検出結果を参照しながら、作業者が手作業で共振周波数調整部９を調整して共振周波数を調整してよい。または、（例えば、サイクロトロン１の共振周波数を変化させて使用する場合など）サイクロトロン１に共振周波数調整用の制御部を設け検出部８からの信号が小さくなるように共振周波数調整部９を制御することで共振周波数を調整してもよい。

図１及び図３に示すように、共振周波数調整部９は、ブロックチューナ３３を有している。ブロックチューナ３３は、一対のポール４Ａ，４Ｂのバレー領域１５ｖ_１，１５ｖ_３における体積を変化させることによって共振器５，６の共振周波数を調整する。ブロックチューナ３３は、ディ電極２１Ａ，２１Ｂと外導体２４Ａ，２４Ｂとで囲まれる空間への突出量を変化させ（すなわち、当該空間の体積を変化させる）、共振器５，６の共振周波数を調整することができる。ブロックチューナ３３の突出量を多くして空間の体積を少なくすることで、共振周波数を高くできる。

共振周波数調整部９の配置場所は特に限定されないが、バレー１２Ａ，１２Ｂの底面１２Ａａ，１２Ｂａ側に配置してよい。また、平面視における配置場所も特に限定されないが、磁束が極力多い場所に配置することが好ましい。共振周波数調整部９は、内導体２２Ａと内導体２３Ａとの間の領域から離間した位置に配置してよい。具体的には、図１に示す例では、共振周波数調整部９は、外周側の内導体２３Ａの近傍であって当該内導体２３Ａより外周側に配置されている。なお、共振周波数調整部９は、内周側の内導体２２Ａの近傍であって当該内導体２２Ａより内周側に配置してもよい。また、内導体２２Ａより外周側、且つ内導体２３Ａよりも内周側の領域であって、バレー１２Ａの周方向における中央位置を示す線（図１において破線で示されている）から周方向に離間した位置に共振周波数調整部９を配置してもよい。なお、共振周波数調整部９として、Ｃ（キャパシタ）チューナを用いてもよい。Ｃチューナは、共振器５，６の外周側の端部付近に設けてよい。

次に、本実施形態に係るサイクロトロン１の作用・効果について説明する。

ここで、検出部８と共振周波数調整部９を備えていない従来のサイクロトロンにあっては、ディ電極２１Ａ，２１Ｂの寸法誤差の影響などによって、メディアンプレーンＭＰを中心とした上下の電場のバランスが崩れる場合がある。このように上下の電場のバランスが崩れた場合、荷電粒子の加速に影響が及ぼされる場合がある。例えば、上下の電場のバランスが良好であればコンタクトフィンガー３１（図１参照）には電流は流れないが、電場がアンバランスとなると、コンタクトフィンガー３１に若干の電流が流れる。これによってコンタクトフィンガー３１に熱が発生し、焼損する。コンタクトフィンガー３１が焼損した場合、共振器５，６の共振周波数が変化することによって荷電粒子の加速性能が低下してしまう。また、ポール４Ａ，４Ｂの発熱などが生じ、当該熱によってポール４Ａ，４Ｂのヒル１１Ａ，１１Ｂが歪み、磁場の傾きが変わることによって荷電粒子の加速性能が低下してしまう。

一方、本実施形態に係るサイクロトロン１は、バレー１２Ａ，１２Ｂに配置され、共振器５，６からの高周波を検出する検出部８と、共振器５，６の共振周波数を調整可能な共振周波数調整部９とを備えている。従って、一対のポール４Ａ，４Ｂの間の電場のバランスが崩れることによって共振器５，６から高周波が漏れた場合（例えば図１及び図４に示す一点鎖線ＲＦ参照）、検出部８によって当該漏れ高周波を検出することができる。また、共振周波数調整部９は共振器５，６の共振周波数を調整可能であるため、検出部８による検出結果に基づいて、共振周波数の調整を行うことによって、電場のアンバランスを解消することが可能となる。以上によって、共振器５，６の電場のバランスが崩れることを抑制し、荷電粒子の加速性能を向上することができる。

また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、検出部８は、バレー１２Ａ，１２Ｂの側壁１２Ａｂ，１２Ｂｂに取り付けられる。共振器５，６から漏れた高周波は、当該共振器５，６に隣り合うヒル１１Ａ，１１Ｂを通過し、バレー１２Ａ，１２Ｂの側壁１２Ａｂ，１２Ｂｂから底面１２Ａａ，１２Ｂａへ向かう。従って、検出部８をバレー１２Ａ，１２Ｂの側壁１２Ａｂ，１２Ｂｂに配置することで、共振器５，６に近い位置で高周波を検出できる。

また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、検出部８は、径方向において、中心側に配置される。漏れ高周波は径方向の中心側の方が発生し易いため、検出部８で漏れ高周波を検出し易くなる。

また、本実施形態に係るサイクロトロン１において、共振周波数調整部９は、ブロックチューナ３３を有し、ブロックチューナ３３は、一対のポール４Ａ，４Ｂのバレー１２Ａ，１２Ｂ間における体積を変化させることによって共振周波数を調整する。これによって、共振周波数の調整を容易に行うことができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述のサイクロトロン１では、ポール４Ａ，４Ｂがヒル１１Ａ，１１Ｂとバレー１２Ａ，１２Ｂをそれぞれ４つ有していたが、４つより多くても少なくてもよい。また、サイクロトロンの種類も特に限定されず、リングサイクロトロン適用してもよい。

１…サイクロトロン、４Ａ，４Ｂ…ポール、５，６…共振器、７…コイル、８…検出部、９…共振周波数調整部、１１Ａ，１１Ｂ…ヒル、１２Ａ，１２Ｂ…バレー。

Claims

周方向に交互に形成される複数のバレー及び複数のヒルを有し、互いに対向する一対のポールと、
前記一対のポールの前記バレーの間に設けられ、高周波電力が供給される共振器と、
前記バレーに配置され、前記共振器からの高周波電流を検出する検出部と、
前記共振器の共振周波数を調整可能な共振周波数調整部と、を備え、
前記共振器は、高周波電源から供給される前記高周波電力により荷電粒子を加速させるための電場を発生させる加速電極と、前記バレーの表面に沿って設けられる外導体と、前記加速電極及び前記外導体を連結する内導体と、を有し、
前記検出部は、前記バレーの側壁に取り付けられるサイクロトロン。
前記検出部は、径方向において、中心側に配置されている、請求項１に記載のサイクロトロン。
前記共振周波数調整部は、ブロックチューナを有し、
前記ブロックチューナは、前記一対のポールの前記バレー間における体積を変化させることによって共振周波数を調整する、請求項１又は２に記載のサイクロトロン。