JP7634441B2 - 円形加速器および粒子線治療システム - Google Patents

Description

本発明は、円形加速器および粒子線治療システムに関する。

シンクロトロンやサイクロトロンなどの加速器により荷電粒子ビーム（以下、単にビームという）を加速し、加速したビームをがんなどの病変へ照射する粒子線治療が行われている（特許文献１）。特許文献１には、静磁場中を周回するビームを加速し、取り出す円形加速器およびそれを用いた粒子線治療システムが記載されている。

特開２０１９－１３３７４５号公報

特許文献１に記載の円形加速器は、静磁場中で運動エネルギ（以下、単にエネルギ）の異なるビーム粒子が形成する円状の閉軌道（以下、中心軌道と呼ぶ）を、加速器からのビームの取り出し口へ向けて偏心する様に配置し、異なるエネルギのビームを同一のビーム取り出し口から加速器の外部へ取り出す。

さらに、特許文献１に記載の円形加速器は、加速器中を周回するビーム（以下、周回ビームと呼ぶ）を所望のエネルギまで加速した後、周回ビームにビーム進行方向および磁極ギャップ方向（以下、鉛直方向）に対して垂直な方向（以下、水平方向）の高周波電圧を印加する。高周波電圧を印加されたビーム粒子は、中心軌道を中心とした振動（以下、ベータトロン振動）の水平方向の振幅が徐々に増大し、中心軌道の周囲に形成されたピーラ磁場およびリジェネレータ磁場と呼ばれるベータトロン振動の共鳴を発生させるための磁場分布に接触する。ピーラ磁場およびリジェネレータ磁場に接触したビーム粒子は、水平方向のベータトロン振動の振幅が急激に増大し、取り出し用のセプタム磁場へ入射して、加速器の外部へ取り出される。

したがって、特許文献１に記載の円形加速器は、静磁場中でビームを加速する加速器でありながら、加速器から取り出されるビームのエネルギを所定の範囲（例えば７０ＭｅＶから２３０ＭｅＶ）で切り替えることが可能である。

一方、特許文献１に記載の円形加速器では、ビーム粒子の振動が、ビームの取り出し中に鉛直方向に発散してしまい、ビーム粒子が加速器内で失われて、加速器からのビーム取り出し効率が低下する可能性がある。ビーム取り出し効率の低下は、加速器から照射されるビーム電流の減少と、当該加速器を用いた粒子線治療システムの治療時間の増大とに繋がる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、ビームの取り出し効率を向上できるようにした円形加速器および粒子線治療システムを提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明に従う円形加速器は、磁場中を周回する荷電粒子のビームを加速して取り出す円形加速器であって、ビームのエネルギごとの閉軌道が偏心しており、外周側に向けて磁場が弱くなる磁場勾配を有する第一の磁場領域と、外周側に向けて磁場が強くなる磁場勾配を有する第二の磁場領域を備え、第一の磁場領域と第二の磁場領域との境界が、ビームのエネルギごとの閉軌道の間隔が最も狭まる所定領域よりも、ビームの進行方向の下流側に位置する。

本発明によれば、水平ベータトロン振動の振幅が増大する際に、第一の磁場の勾配と第二の磁場の勾配とが同時に増大するため、ビームに作用する垂直方向の収束力と発散力とのバランスを保つことができ、ビーム損失を抑制することができる。

円形加速器のビーム軌道に平行な平面による断面を表す模式図。 円形加速器のビーム軌道に垂直な平面による断面と主磁場の強度との関係を示す説明図。 円形加速器の中心軌道の形状を表す説明図。 ピーラ磁場およびリジェネレータ磁場が軌道集約領域を挟んで配置される比較例において、ピーラ磁場およびリジェネレータ磁場に接触したビーム粒子の中心軌道からの距離の変化を示す説明図。 第１実施例の磁場配置において、ピーラ磁場およびリジェネレータ磁場に接触したビーム粒子の中心軌道からの距離の変化を示す説明図。 第２実施例に係り、リジェネレータ磁場をピーラ磁場よりも径方向外側に設置した場合において、ピーラ磁場およびリジェネレータ磁場に接触したビーム粒子の中心軌道からの距離の変化を示す説明図。 第３実施例に係り、円形加速器のビーム軌道に平行な平面による断面を表す模式図。 円形加速器の中心軌道の形状を示す説明図。 第４実施例に係り、円形加速器を用いた粒子線治療システムの模式図。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態では、後述するように、ピーラ磁場２６とリジェネレータ磁場２７との境界を軌道集約領域１６よりもビーム進行方向の下流側に位置させることにより、軌道集約領域１６を節として水平ベータトロン振動の振幅が増大する際に、ピーラ状磁場２６の勾配とリジェネレータ磁場２７の勾配とが同時に増大させ、垂直方向の収束力と発散力とのバランスを保つことができ、ビームの損失を抑制できる。

本実施形態では、磁場中を周回する荷電粒子ビームを加速して取り出す円形加速器１であって、荷電粒子ビームのエネルギごとの閉軌道３０，３１，３２，３３が偏心しており、円形加速器１の外周側に向けて磁場が強くなる磁場勾配を有する第一の磁場領域２６と、円形加速器１の外周側に向けて磁場が弱くなる磁場勾配を有する第二の磁場領域２７を備え、第一の磁場領域２６と第二の磁場領域２７の境界がエネルギごとの閉軌道の間隔が狭まる領域１６よりもビーム進行方向の下流側にある円形加速器１を開示する。

本実施形態によれば、ビームエネルギに依らず大電流を照射できる円形加速器と、ビームの照射に要する時間を短縮できる粒子線治療システムとを実現できる。

図１～図５を用いて第１実施例を説明する。図１は、円形加速器１のビーム軌道面に平行な断面の模式図である。図２は、図１中の矢示Ｂ１－Ｂ２に沿った断面の模式図であり、円形加速器１のビーム軌道面に垂直な断面の模式図である。

円形加速器１は、図２中の上下方向に分割可能な主電磁石１０によって、その外殻が形成されている。主電磁石１０の内部には、ビームが通過する空間（以下、ビーム周回領域と呼ぶ）が設けられており、ビーム周回領域は真空に保持されている。

主電磁石１０の上部には、円形加速器１へ入射するためのビームを生成するイオン源１１が設置されている。イオン源１１で生成されたビームは、低エネルギビーム輸送系１２を経由して、主電磁石１０内部のビーム周回領域へ入射する。イオン源１１としては、例えばＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）イオン源を適用できる。

なお、イオン源１１は、ビーム周回領域に配置してもよい。その場合は、ＰＩＧ（Penning Ionization Gauge）型イオン源などを用いることができる。ＰＩＧ型イオン源を用いれば、円形加速器１を高さ方向に小型化できる。

主電磁石１０は、例えば磁極１５と、ヨーク１３と、コイル１４とを備える。ヨーク１３は主電磁石の外観を形成し、その内部に略円筒状の領域を構成する。コイル１４は円環状のコイルであり、ヨーク１３の内壁に沿って設置される。コイル１４の内周側には、磁極１５が上下方向に対向して形成されている。

主電磁石１０は、コイル１４に電流を流すことにより励磁される。主電磁石１０が励磁されると、対向する磁極１５の間に、ビームの周回に必要な磁場分布（以下、主磁場と呼ぶ）が形成される。

図２の下側に、矢示Ｂ１－Ｂ２上での主磁場の強度を示す。主磁場は、磁極１５の中心軸Ｏ１５に対して非軸対称な分布を形成する。磁極１５辺縁部のＢ１側における磁場勾配の絶対値は、Ｂ２側における磁場勾配の絶対値よりも大きい。磁極１５の辺縁部で磁場勾配の絶対値が周囲に比べて大きくなる領域を軌道集約領域１６と呼ぶことにする。

ヨーク１３には、複数の貫通孔１７が設けられている。貫通孔１７は、例えば円形加速器１からのビームの取り出し、コイル１４の外部への引き出し（図示せず）、高周波加速空胴１８の設置のために使用される。

高周波加速空胴１８は、例えば、ディー電極１９と、ダミーディー電極２０と、共振器２１とを含んで構成されている。高周波加速空胴１８は、高周波電源４０に接続されている。高周波電源４０から高周波加速空胴１８へ高周波電力が供給されると、ディー電極１９とダミーディー電極２０との間の加速間隙２２に、ビームの加速に必要な高周波電圧が誘起される。

円形加速器１は、ビームを取り出すための機器として、高周波キッカ２３、セプタムコイル２４、取り出しチャネル２５を有する。磁極１５の外周には、ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７と呼ばれる磁場分布が形成されている。

円形加速器１を用いてビームを加速して取り出す手順について説明する。イオン源１１で生成されたビームは、低エネルギビーム輸送系１２を経由して、主電磁石１０内へ入射される。主電磁石１０へ入射されたビームは、主電磁石１０が発生する主磁場により偏向され、主電磁石１０の内部で周回運動する。主電磁石１０内を周回するビームが形成する円状の閉軌道を中心軌道と呼ぶ。ビーム粒子が中心軌道を中心として行う振動をベータトロン振動と呼ぶ。中心軌道が形成される平面を円形加速器１の軌道平面とする。ベータトロン振動の中心軌道一周あたりの振動数をチューンと呼ぶ。

ここで、円形加速器１は、主磁場の強度が運転期間中一定であるため、ビームはエネルギごとに異なる中心軌道を形成する。図３は、円形加速器１におけるエネルギごとの中心軌道の模式図である。

ビーム入射時のエネルギ（以下、入射エネルギと呼ぶ）から所定のエネルギ（以下、最低取り出しエネルギ）までの中心軌道３０は、エネルギが上昇するにつれて半径が増大する同心円状である。

最低取り出しエネルギより高いエネルギのビームは、エネルギが上昇するにつれて軌道中心が磁極１５の中心に接近する様な、偏心した中心軌道３２を形成する。中心軌道３１は、最低取り出しエネルギにおける中心軌道である。中心軌道３３は、最高取り出しエネルギにおける中心軌道である。磁極１５の中心Ｏ１５と中心軌道の中心Ｏ３３とが一致するエネルギを、最高取り出しエネルギと呼ぶことにする。最低取り出しエネルギ以上のエネルギ領域では、中心軌道が軌道集約領域１６において密集している。

加速間隙２２は、ビームの進行方向に平行な方向の高周波電圧（以下、加速電圧と呼ぶ）を印加することにより、ビームを目標とするエネルギまで加速する。ビームは、エネルギが最低取り出しエネルギよりも低い領域ではらせん状の軌道を描きながら加速され、エネルギが最低取り出しエネルギよりも高い領域では偏心したらせん状の軌道を描きながら加速される。

ビームが目標とするエネルギまで加速されると、加速間隙２２から印加される加速電圧が停止し、ビームはエネルギが一定の状態で主磁場中を周回する。ビームの加速が停止される目標エネルギは、円形加速器１の用途に応じて、最低取り出しエネルギから最高取り出しエネルギまでの範囲で選択される。

高周波キッカ２３は、ビームの加速が停止した後に、ビームへ水平方向の高周波電圧（以下、取り出し電圧と呼ぶ）を印加し、ビーム粒子の水平方向ベータトロン振動の振幅を増大させる。高周波キッカ２３は軌道集約領域１６に設置されているため、一台の高周波キッカ２３により、取り出し範囲にある全てのエネルギに対して高周波電圧を印加することができる。

なお、ビームの周回周波数はエネルギに依存するため、取り出し電圧の周波数は水平方向ベータトロン振動の振幅を増大させるのに適した値に制御される。具体的には、ビームの周回周波数をＦ_Ｂ、ビームの水平チューンをＮ_ｘ、ｎを自然数としたとき高周波電圧の周波数Ｆ_Ｒは、式１または式２の近傍に設定される。

Ｆ_Ｒ＝ｎＦ_ＢＮ_ｘ・・・（式１）

Ｆ_Ｒ＝ｎＦ_Ｂ（１－Ｎ_ｘ）・・・（式２）

水平ベータトロン振動の振幅が増大したビーム粒子は、最高取り出しエネルギにおける中心軌道のさらに外周側に設置された、ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７に接触する。

ピーラ磁場２６は、磁極１５の中心から離れるに従って主磁場の強度を弱める磁場である。リジェネレータ磁場２７は、磁極１５の中心から離れるに従って主磁場の強度を強める磁場である。ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７を形成するために、磁極１５には、磁場分布を変化させるシム構造（図示せず）が形成されている。

ピーラ磁場およびリジェネレータ磁場は、主電磁石１０内に配置した磁場補正用のコイルを用いて形成してもよい。ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７をコイルを用いて形成する場合、取り出すビームのエネルギに応じてピーラ磁場およびリジェネレータ磁場の強度を調節することができる。磁極１５に形成されるシム構造と磁場補正コイルとの両方を用いて、ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７を形成してもよい。この場合、磁場補正コイルに必要な電流を抑えながら、ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７の強度を調節することができる。

ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７に接触したビーム粒子の、水平ベータトロン振動の振幅は、ベータトロン振動の共鳴により急激に増大して、ビーム取り出し用のセプタムコイル２４へ入射する。セプタムコイル２４は、ビームを、磁極１５の中心から離れる方向あるいは磁極１５の中心へ接近する方向に偏向させる。これにより、ビームは、貫通孔１７から加速器１の外部へ取り出される。

セプタムコイル２４がビームを偏向させる方向と量とは、取り出されるビームのエネルギに応じて調節される。ビームを取り出すために複数のセプタムコイル２４を用いてもよい。この場合、円形加速器１から取り出されるビームの水平方向の位置と勾配（水平方向位置のビーム進行方向に沿った変化率）とをそれぞれ独立に調整できる。

セプタムコイル２４の代わりに、鉄等の磁性体で構成された磁場補正構造（以下、マグネッティックチャネルと呼ぶ）を用いてビームを取り出してもよい。マグネティックチャネルは、励磁用の電源が不要である反面、ビームのエネルギに応じて磁場強度を調節することができない。しかし、マグネティックチャネルとセプタムコイル２４とを併用することで、セプタムコイル２４の励磁電流を抑えながらエネルギの異なるビームを同じ位置から取り出すことができる。

円形加速器１からビームを取り出す効率を向上させる方法を説明する。ピーラ磁場２６は、ビームを鉛直方向に収束させる作用を備える。リジェネレータ磁場２７は、ビームを鉛直方向に発散させる作用を備える。したがって、ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７に接触したビーム粒子は、鉛直方向について、ピーラ磁場２６からの収束力とリジェネレータ磁場２７からの発散力との両方を受けながら、主磁場中を周回する。

ピーラ磁場２６による収束力がリジェネレータ磁場２７による発散力よりも強い場合には、ビーム粒子の垂直チューンが増大する。これに対し、ピーラ磁場２６による収束力がリジェネレータ磁場２７による発散力よりも弱い場合には、ビーム粒子の垂直チューンが減少する。円形加速器１の鉛直チューンは、ビーム粒子がピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７に接触する前の状態で、０以上０．５以下の範囲となるように調整されている。

垂直チューンが増大して０．５に接近した場合と垂直チューンが減少して０に接近した場合とでは、垂直方向のベータトロン振動に共鳴が生じ、垂直ベータトロン振動の振幅が急激に増大して、ビーム損失が発生する。このため、ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７の強度は、ビーム粒子の垂直チューンが大きく変化することのないように設定する必要がある。

円形加速器１には、異なるエネルギのビームを取り出すために、軌道集約領域１６が形成されている。軌道集約領域１６における主磁場は、ピーラ磁場２６と同様に、磁極１５の中心から離れるに従って主磁場を弱める方向に変化する。

ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７は、加速中のビームへの影響を抑制しながら、取り出しに必要な強度の磁場を得るために、強度の絶対値が中心軌道からの距離に対して非線形に増大する様な磁場分布を形成する。より具体的には、ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７は、その強度が中心軌道からの距離の二乗に比例する六極磁場成分を持つように形成される。このため、ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７の形成する磁場勾配の絶対値は、中心軌道から離れるほど大きくなる。これに対し、軌道集約領域１６の主磁場の勾配は、加速中のビームに対して収束力を加える必要がある一方で、ビームの取り出しには不必要である。このため、軌道集約領域１６の主磁場は、中心軌道からの距離に依らず磁場勾配が一定である。

図４および図５を用いて、ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７に接触したビーム粒子の、中心軌道からの距離の変化を説明する。図４は、本実施例に比較される構成での模式図である。図５は、本実施例の構成での模式図である。

図４に示す比較例では、ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７が軌道集約領域１６を挟んで略均等に配置される。図６に示す本実施例では、ピーラ磁場２６とリジェネレータ磁場２７との境界２８が軌道集約領域１６よりも下流側に設定されている。すなわち、本実施例では、ピーラー磁場２６とリジェネレータ磁場２７の組がビーム進行方向下流側にずれている。図４，図５中の横軸は、ビーム進行方向の位置である。縦軸との交点０は軌道集約領域１６に対応する。

ビーム粒子にピーラ状の磁場（ピーラ磁場２６および軌道集約領域１６の磁場）とリジェネレータ磁場２７とを印加した場合、水平ベータトロン振動の振幅は図４，図５に示すように、ピーラ状の磁場を節ｎとするように増大していく。中心軌道の近傍では、軌道集約領域１６の磁場変化がピーラ磁場２６の磁場変化よりも大きいため、水平ベータトロン振動の振幅は軌道集約領域１６を節ｎとしながら増大していく。

ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７が軌道集約領域１６を挟んで配置される図４の比較例では、水平ベータトロン振動の振幅増大によってリジェネレータ磁場２７の磁場勾配が増大するのに対し、軌道集約領域１６の磁場勾配は初期状態から変化しない。垂直方向の収束力および発散力は磁場勾配に比例するため、図４の比較例では、水平ベータトロン振動の振幅増大によって垂直方向の発散力が優勢となり、垂直チューンが０に接近してビーム損失が発生する。

これに対し、図５に示す本実施例では、ピーラ磁場２６とリジェネレータ磁場２７との境界２８が軌道集約領域１６よりもビーム進行方向の下流側に位置するため、軌道集約領域１６を節ｎとして水平ベータトロン振動の振幅が増大した場合に、ビーム粒子が受けるピーラ状磁場の強度が同時に非線形に増大する。

これにより、本実施例では、水平ベータトロン振動の振幅が増大する際に、ピーラ状磁場の勾配とリジェネレータ磁場２７の勾配とが同時に増大するため、垂直方向の収束力と発散力とのバランスが保たれて、ビーム損失の発生が抑制される。

図１および図５では、ピーラ磁場２６の中心を軌道集約領域１６の中心に一致させているが、これに限らない。ピーラ磁場２６とリジェネレータ磁場２７の境界２８が軌道集約領域１６の中心よりも下流側に位置する条件を満たすのであれば、ピーラー磁場２６の中心を他の場所に設定してもよい。ピーラ磁場２６の中心を軌道集約領域１６の中心よりも上流側に設定すると、リジェネレータ磁場２７が軌道集約領域１６に接近するため、特に低エネルギのビーム粒子をリジェネレータ磁場２７に接触させることが容易となる。

図６を用いて第２実施例を説明する。本実施例を含む以下の各実施例では、第１実施例との相違を中心に説明する。図６は、ピーラ磁場２６およびリジェネレータ磁場２７に接触したビーム粒子の、中心軌道からの距離の変化を示す模式図である。

本実施例では、リジェネレータ磁場２７がピーラ磁場２６よりも磁極外周側に配置されている。この場合、水平ベータトロン振動の振幅が増大したビーム粒子が、ピーラ磁場２６よりも先にリジェネレータ磁場２７に接触することを抑制できるため、第１実施例よりも効果的に、垂直方向の共鳴発生を抑制することができる。

図７および図８を用いて、第３実施例を説明する。本実施例の円形加速器１Ａは、軌道補正磁場２９Ａ，２９Ｂを有する。本実施例の円形加速器１Ａは第１実施例に記載の円形加速器１と同様の構成を有するが、磁極１５上に軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂが形成されている点が第１実施例と異なる。図７は、円形加速器１Ａのビーム軌道に平行な平面による断面を表す模式図である。

軌道補正磁場２９Ａは、磁極１５が発生する主磁場を弱める方向の磁場である。軌道補正磁場２９Ｂは、磁極１５が発生する主磁場を強める方向の磁場である。軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂは、軌道集約領域１６を挟んで対称な位置に形成されている。軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂの強度は、軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂと交差する周回ビームのエネルギに応じた異なる値となる。

軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂは、磁極１５に磁場発生用のシム構造（図示せず）を設けることにより形成できる。鉛直方向上下の磁極間隔を増大あるいは減少させるように磁極１５の形状を部分的に変化させるシム構造とすることで、軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂを形成する。シム構造の高さおよび幅を場所ごとに変化させることで、軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂの強度をエネルギに応じて変化させることができる。

軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂは、磁極１５間に挿入した補正磁場コイル（図示せず）により形成することもできる。この場合、軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂの強度は、補正磁場コイルを流れる電流により制御される。軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂの強度を円形加速器１Ａから取り出されるビームのエネルギに応じた値とするため、補正磁場コイルを流れる電流はビームエネルギに応じた値に調整される。

軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂを補正磁場コイルにより形成する場合、軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂの強度を加速器１Ａの製作後に調整することができる。軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂは、シム構造と補正磁場コイルとを併用することで形成してもよい。この場合、補正磁場コイルへ電流を流す前の磁場分布が既に必要な軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂを加えた状態に近い値となっているため、補正磁場コイルへ流す電流の強度を抑えながら、加速器１Ａの製作後に軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂの強度を微調整することができる。

図８を用いて、軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂにより円形加速器１Ａからのビーム取り出し速度を向上する手法を説明する。図８は、円形加速器１Ａにおけるエネルギごとの中心軌道の模式図である。

本実施例の円形加速器１Ａは、第１実施例と同様に、最低取り出しエネルギよりも低いエネルギ領域における中心軌道は同心円状であり、最低取り出しエネルギよりも高いエネルギ領域における中心軌道は偏心している。さらに、円形加速器１Ａでは、周回ビームに軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂが印加されるため、最低取り出しエネルギから最高取り出しエネルギまでのエネルギ領域において、ビームエネルギが低くなるほど中心軌道がリジェネレータ磁場２７の方向へ移動している。中心軌道の移動量は、エネルギが高くなるにつれて小さくなり、最高エネルギでは０となるため、最高エネルギにおける中心軌道３３の形状は第１実施例と変わらない。

本実施例の円形加速器１Ａでは、ビームを取り出す際に鉛直方向のベータトロン振動が不安定となることを防ぐため、ピーラ磁場２６とリジェネレータ磁場２７との境界２８を軌道集約領域１６よりも下流側に配置している。

低エネルギのビームは高エネルギのビームに比べて中心軌道の半径が小さい。したがって、リジェネレータ磁場１６に接触するために必要な水平ベータトロン振動の振幅は、エネルギが低いほど大きくなる。これにより、第１実施例の円形加速器１では、低エネルギのビームを取り出す際に、水平ベータトロン振動の振幅を高周波キッカ２３を用いて大きく増大させる必要がある。したがって、第１実施例の円形加速器１は、ビームの取り出しが開始するまでに時間がかかる。

これに対し、本実施例の円形加速器１Ａでは、ビームの中心軌道が、エネルギが低くなるほどリジェネレータ磁場２７に接近する様に補正されている。このため、円形加速器１Ａでは、低エネルギ領域においてビームがリジェネレータ磁場２７に接触するために必要な水平ベータトロン振動の振幅が第１実施例に比べて小さくなる。これにより、本実施例の円形加速器１Ａでは、低エネルギ領域において、ビームの取り出し開始までに要する時間を短縮することができ、短時間でビームの照射を終えることが可能となる。

本実施例の円形加速器１Ａでは、最低取り出しエネルギよりも低いエネルギ領域については、軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂによる中心軌道の補正を行わない。このため、軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂは、最低エネルギよりも低いエネルギ領域、即ちエネルギごとの中心軌道が同心円状となる領域には形成されていない。但し、磁場の強度を空間的に急激に変化させることは、周回ビームの安定性を損なう恐れがある。このため、最低取り出しエネルギよりも低いエネルギ領域では、エネルギが低下するにつれて軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂの強度を徐々に減衰させる。

本実施例の円形加速器１Ａでは、軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂを軌道集約領域１６に対して対称に形成しているが、これは一例である。軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂは、全体として、中心軌道をリジェネレータ磁場に接近させるような分布であればよく、その形状を問わない。軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂは、軌道集約領域１６に対して対称に形成されなくてもよい。

一方、軌道補正磁場２９Ａ、２９Ｂを軌道集約領域１６に対して対称に形成することには、中心軌道の移動量を容易に算出できるという利点がある。軌道補正磁場を形成する場所は１か所でもよいし、３か所以上でもよい。軌道補正磁場を複数個所に形成すると、一か所当たりの軌道補正磁場の強度が低減される。このため、シム構造や磁場補正コイルの製作が容易となるが、磁場分布の設計は複雑化する。

本実施例の円形加速器１Ａは、第１実施例の円形加速器１と同様に、ビーム取り出し効率が向上する。さらに、本実施例の円形加速器１Ａでは、低エネルギビームの取り出しにおいて、ビーム取り出しまでの時間を短縮することができるため、平均的なビーム電流を向上することが可能である。これにより、本実施例の円形加速器１Ａを粒子線治療システムに用いた場合、第１実施例に記載の円形加速器１を粒子線治療システムに用いる場合よりもさらに短時間で治療を終えることが可能となる。

図９を用いて、円形加速器１を用いた粒子線治療システム１００を説明する。図９に示す粒子線治療システム１００は、例えば円形加速器１と、ビーム輸送系５０と、回転ガントリ５１とを含んで構成されており、これら主要構成機器１，５０，５１は制御装置６０にそれぞれ接続されている。

制御装置６０は、治療計画装置（不図示）によりあらかじめ作成された治療計画に基づいて、円形加速器１の運転と、ビーム輸送系５０および回転ガントリ５１の制御とを行い、患者５２の患部５３へビームを照射する。

粒子線治療システム１００は、円形加速器１から取り出されるビームのエネルギを粒子線治療で使用する範囲（例えば７０ＭｅＶから２３０ＭｅＶの範囲）で変更できる。したがって、粒子線治療システム１００は、例えば加速器にサイクロトロンを用いた粒子線治療システムのように、患者５２へ照射されるエネルギを調整するためのディグレーダをビーム輸送系５０の途中に設置する必要がない。

本実施例の粒子線治療システム１００は、ディグレーダにおけるビーム損失の発生を防止できるため、患者５２へ照射されるビームのエネルギに依らずに高いビーム電流を得ることができる。さらに、本実施例の粒子線治療システム１００は、円形加速器１からビームを取り出す際のビーム損失を抑制できるため、患者５２へ照射されるビームの電流を向上させることができ、より短時間で治療を終えることが可能である。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。上述の実施形態において、添付図面に図示した構成例に限定されない。本発明の目的を達成する範囲内で、実施形態の構成や処理方法は適宜変更することが可能である。

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれる。さらに特許請求の範囲に記載された構成は、特許請求の範囲で明示している組合せ以外にも組み合わせることができる。

１：円形加速器、１０：主電磁石、１１：イオン源、１２：低エネルギビーム輸送系、１３：ヨーク、１４：コイル、１５：磁極、１６：軌道集約領域、１７：貫通孔、１８：高周波加速空胴、１９：ディー電極、２０：ダミーディー電極、２１：共振器、２２：加速間隙、２３：高周波キッカ、２４：セプタムコイル、２５：チャネル、２６：ピーラー磁場、２７：リジェネレータ磁場、２８：境界、２９Ａ，２９Ｂ：軌道補正磁場、３０～３３：中心軌道、４０：高周波電源、５０：ビーム輸送系、５１：回転ガントリ、６０：制御装置、１００：粒子線治療システム

Claims (5)

1. 磁場中を周回する荷電粒子のビームを加速して取り出す円形加速器であって、
   前記ビームのエネルギごとの閉軌道が偏心しており、
   外周側に向けて前記磁場が弱くなる磁場勾配を有する第一の磁場領域と、
   外周側に向けて前記磁場が強くなる磁場勾配を有する第二の磁場領域を備え、
   前記第一の磁場領域と前記第二の磁場領域との境界が、前記ビームのエネルギごとの閉軌道の間隔が最も狭まる所定領域よりも、前記ビームの進行方向の下流側に位置する
   円形加速器。
2. 請求項１に記載の円形加速器であって、
   前記第一の磁場領域と前記第二の磁場領域との境界は、前記ビームのエネルギごとの閉軌道の間隔が最も狭まる所定領域よりも、前記ビームの進行方向の下流側に位置し、かつ、前記第一の磁場領域の前記ビームの進行方向の中心は、前記所定領域よりも前記ビームの進行方向の上流側に位置する
   円形加速器。
3. 請求項１乃至２のいずれか一項に記載の円形加速器であって、
   前記第一の磁場領域と前記第二の磁場領域との境界は、前記所定領域よりも前記ビームの進行方向の下流側に位置する点から９０度未満の点までの範囲に存在する
   円形加速器。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の円形加速器であって、
   前記ビームの中心軌道から前記第二の磁場領域までの距離は、前記ビームの中心軌道から前記第一の磁場領域までの距離よりも大きい
   円形加速器。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の円形加速器を用いた粒子線治療システム。

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