JPH10162999A - シンクロトロン型加速器及びそれを用いた医療用装置 - Google Patents

シンクロトロン型加速器及びそれを用いた医療用装置

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JPH10162999A
JPH10162999A JP8322483A JP32248396A JPH10162999A JP H10162999 A JPH10162999 A JP H10162999A JP 8322483 A JP8322483 A JP 8322483A JP 32248396 A JP32248396 A JP 32248396A JP H10162999 A JPH10162999 A JP H10162999A
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和夫 平本
Masumi Umezawa
真澄 梅沢
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ビーム損失を減少して、荷電粒子ビームの出射
効率の高いシンクロトロン型加速器及びそれを用いた医
療用装置を提供する。 【解決手段】加速器１００は、共鳴の安定限界を定める
４極収束電磁石１４５、４極発散電磁石１４４や共鳴励
起用多極電磁石１１、ベータトロン振動を増加して共鳴
の安定限界を越えさせるためのビームの出射用の高周波
印加装置１２０、出射用の静電偏向器１０１及び出射用
偏向電磁石１０２を備える。静電偏向器１０１と出射用
偏向電磁石１０２の間には、２つの４極発散電磁石１４
４と偏向電磁石１４６を設置する。偏向電磁石１４６は
２つの４極発散電磁石１４４間に設置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、シンクロトロン
型加速器と、シンクロトロン型加速器から出射された荷
電粒子ビームを癌治療や患部の診断に使用する医療用装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来における医療用のシンクロトロンに
関してはProc. of the 8th Symposiumon Accelerator S
cience and Technology, 1991, Saitama,Japan の４１
４ページのFig. ３に記載されている。
【０００３】図５に従来のシンクロトロン型加速器を示
す。出射に当たっては、共鳴励起用多極電磁石１１を励
磁することにより荷電粒子ビームのベータトロン振動に
共鳴を発生させて、ベータトロン振動の振動振幅を増加
させる。振動振幅が増加した荷電粒子ビームは、直線部
に並べられた静電偏向器１０１と出射用偏向電磁石１０
２により治療室１０１０へ出射される。
【０００４】図６に静電偏向器１０１を示す。電極１０
３１，１０３２に電源１３１から高電圧を印加し、水平
方向の電界を発生させる。振動振幅が増加して電極１０
３１と１０３２の間に入った荷電粒子ビームは、この水
平方向の電界で偏向され、出射ビーム輸送系に入り、出
射される。電極１０３１と電極１０３２の間に入らなか
った荷電粒子は、そのまま、加速器を周回する。そし
て、再び静電偏向器101で振動振幅を増加し、電極間に
到達すれば出射される。
【０００５】図７に出射用偏電磁石１０２を示す。コイ
ル１０４１，１０４２に電源１３１から電流が供給され
ると、コイル１０４１，１０４２間に鉛直方向の磁場が
発生する。この鉛直方向の磁場により、ビームをさらに
偏向され、ビーム輸送系へ出射される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】静電偏向器１０１にお
いて、電極１０３１の端面に衝突した荷電粒子ビームは
失われるから、ビーム損失を最小限にするために、電極
１０３１を薄くする必要がある。しかし、静電型の偏向
器の場合、電界強度を９０kV／cm以上にすることが困難
で、荷電粒子ビームを十分に偏向することができない。
【０００７】出射用偏電磁石１０２は、コイルの発熱を
抑えるために、コイル１０４１を厚くしている。しか
し、コイル１０４１に荷電粒子ビームが衝突するので、
ビーム損失が多くなる。
【０００８】図８に示すような、上流側に静電偏向器１
０１を設置し、下流側に出射用偏電磁石１０２を設置し
ている従来のシンクロトロンにおいては、静電偏向器１
０１で荷電粒子ビームを十分に偏向し、かつ、出射用偏
電磁石１０２でビーム損失を減らすために、静電偏向器
１０１および出射用偏電磁石１０２を荷電粒子ビーム進
行方向に長い構造にしている。しかしその結果、シンク
ロトロンは大型化する。
【０００９】本発明の目的は、ビーム損失を減少して、
荷電粒子ビームの出射効率の高いシンクロトロン型加速
器及びそれを用いた医療用装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第１の特徴は、第１の出射用偏向器と第２の出射用
偏向器との間に、荷電粒子ビームを水平方向に発散させ
る複数の４極発散電磁石と、少なくとも１つの偏向電磁
石とを設置したことにある。この特徴によれば、偏向電
磁石および４極発散電磁石は、荷電粒子ビームが加速器
を周回するのを保つとともに、第２の出射用偏向器で偏
向された荷電粒子ビームを水平方向にさらに偏向する。
第２の出射用偏向器で偏向された荷電粒子ビームは、偏
向電磁石および４極発散電磁石で十分に偏向されて第１
の出射用偏向器に入るので第１の出射用偏向器に衝突せ
ずに出射ビーム輸送系に導かれる。第２の出射用偏向器
で偏向されなかった荷電粒子ビームは、偏向電磁石およ
び４極発散電磁石における水平方向の偏向は小さいの
で、第１の出射用偏向器に入らずに加速器を周回する。
従って、荷電粒子ビームが第１の出射用偏向器に衝突す
ることを防止するので、ビーム損失が減少し、出射効率
を高くすることができる。また、第２の出射用偏向器で
偏向された荷電粒子ビームは偏向電磁石および４極発散
電磁石において十分に偏向されるので、荷電粒子ビーム
の進行方向に短い構造の第１の出射用偏向器および第２
の出射用偏向器を用いることができ、さらに、第１の出
射用偏向器および第２の出射用偏向器を同じ直線部に設
置しなくてよい。従って、シンクロトロン型加速器を小
型化できる。
【００１１】本発明の第２の特徴は、第１の出射用偏向
器と第２の出射用偏向器との間に、２つの４極発散電磁
石を設置し、２つの４極発散電磁石の間に偏向電磁石を
設置したことにあり、上記した作用と同様の作用を生じ
る。
【００１２】本発明の第３の特徴は、第１の出射用偏向
器と第２の出射用偏向器との間に、荷電粒子ビームを偏
向し、かつ水平方向に発散させる機能をもつ偏向電磁石
を設置することにある。この特徴によれば、上記した作
用と同様の作用を生じるとともに、第１の出射用偏向器
と第２の出射用偏向器との間の４極発散電磁石の数を減
らせるので、シンクロトロン型加速器をさらに小型化で
きる。
【００１３】本発明の第４の特徴は、荷電粒子ビームの
ベータトロン振動の共鳴の安定限界がほぼ一定に保た
れ、ベータトロン振動の振幅が増加されて、共鳴の安定
限界を越えた荷電粒子ビームが出射されている間に、第
１の出射用偏向器、第２の出射用偏向器、複数の４極発
散電磁石、および偏向電磁石が発生する電界または磁界
の大きさをほぼ一定に保つように、制御手段が、第１の
出射用偏向器、第２の出射用偏向器、複数の４極発散電
磁石、および偏向電磁石のそれぞれに接続された電源の
出力を制御することにある。この特徴によれば、荷電粒
子ビームが出射されている間に、第１の出射用偏向器に
入る荷電粒子ビームの軌道はほぼ変わらないので、ぼほ
一定の出射角をもつ出射ビームが得られる。従って、出
射ビームが第１の出射用偏向器やビームダクトなどに衝
突して失われるのを防ぐことができるので、ビーム損失
がより減少し、出射効率をより高くすることができる。
【００１４】本発明の第５の特徴は、医療用装置が請求
項１のシンクロトロン型加速器と、荷電粒子ビーム輸送
する出射ビーム輸送系と、出射ビーム輸送系に接続さ
れ、かつ出射ビーム輸送系で輸送された前記荷電粒子ビ
ームを患者に照射する照射装置とを備えたことにある。
この特徴によれば、請求項１のシンクロトロン型加速器
から高い出射効率で出射ビームを得られるので、患者に
照射するために必要な照射量を短い照射時間で得ること
ができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）本発明の第１の実施例であるシンクロトロ
ン型の加速器１００を図１を用いて説明する。
【００１６】本実施例の加速器１００は、前段加速器９
８から低エネルギーの荷電粒子ビームを加速器１００に
入射し、加速後、荷電粒子ビームのベータトロン振動の
共鳴を利用して治療室１０１０へ出射するものである。
【００１７】加速器１００は、共鳴の安定限界を定める
４極収束電磁石１４５，４極発散電磁石１４４や共鳴励
起用多極電磁石１１，ベータトロン振動を増加して共鳴
の安定限界を越えさせるためのビームの出射用の高周波
印加装置１２０，出射用の静電偏向器１０１及び出射用
偏向電磁石１０２を備える。静電偏向器１０１と出射用
偏向電磁石１０２の間には、２つの４極発散電磁石１４
４と偏向電磁石１４６を設置する。偏向電磁石１４６は
２つの４極発散電磁石１４４間に設置される。４極収束
電磁石１４５は水平方向および垂直方向に収束作用を持
ち、４極発散電磁石１４４は、水平方向に発散作用，垂
直方向に収束作用を持つ。４極発散電磁石１４４に励起
されている水平方向の発散磁場は、荷電粒子ビームの中
心軌道からの水平方向変位が大きいほど、水平方向外側
への発散力が大きい。ちょうど、凹レンズの中心からず
れて入射した光がより外側に偏向されるのと同じであ
る。従って、中心軌道の水平方向内側を通る荷電粒子ビ
ームは、４極発散電磁石１４４でより内側に偏向され、
中心軌道の水平方外側を通る荷電粒子ビームは、４極発
散電磁石１４４でより外側に偏向される。
【００１８】制御装置１３０は、４極収束電磁石１４
５，４極発散電磁石１４４，共鳴励起用多極電磁石１
１，高周波印加装置１２０，静電偏向器１０１，出射用
偏向電磁石１０２および偏向電磁石１４６にそれぞれ接
続された電源１３１を制御して加速器１００の運転を行
うものである。
【００１９】次に、加速器１００の運転方法を説明す
る。
【００２０】前段加速器９８から加速器１００に荷電粒
子ビームが入射されると、制御装置１３０は、電源１３
１を制御して高周波加速空胴１４８から荷電粒子ビーム
にエネルギーを与える。制御装置１３０は、荷電粒子ビ
ームにエネルギーを与えながら、電源１３１を制御して
偏向電磁石１４６，４極収束電磁石１４５、および４極
発散電磁石１４４の磁場強度をそれぞれ増加させて必要
エネルギーまで加速する。
【００２１】荷電粒子ビームが必要エネルギーまで加速
されると、制御装置１３０は電源１３１を制御して４極
収束電磁石１４５，４極発散電磁石１４４を励磁し、荷
電粒子ビームのベータトロン振動数を予め設定された適
切な値に設定する。これと同時に、制御装置１３０は電
源１３１を制御して共鳴励起用多極電磁石１１を励磁
し、共鳴の安定限界を予め設定された値に定める。
【００２２】次に、制御装置１３０は、出射用高周波電
源１６６を制御して高周波印加装置１２０に高周波電磁
界を発生させると同じに、電源１３１を制御して、静電
偏向器１０１の隔壁電極１０３１と電極１０３２の間に
水平方向の静電界を発生させ、出射用偏向電磁石１０２
の隔壁コイル１０４１，コイル１０４２間に鉛直方向の
磁場を発生させる。そして、制御装置１３０は、４極収
束電磁石１４５，４極発散電磁石１４４および共鳴励起
用多極電磁石１１に供給されるの電流をほぼ一定に保
ち、共鳴が発生する安定限界を一定に保つ。
【００２３】高周波印加装置１２０から荷電粒子ビーム
に高周波電磁界が印加されると、荷電粒子ビームのベー
タトロン振動振幅は徐々に増加し共鳴の安定限界を超え
る。共鳴の安定限界を越えた荷電粒子ビームは、ベータ
トロン振動振幅を急激に増加する。ベータトロン振動振
幅が増加して静電偏向器１０１の隔壁電極１０３１と電
極１０３２の間に入った荷電粒子ビームは、隔壁電極１
０３１と電極１０３２の間の電界によって、加速器１０
０の中心軌道の水平方向外側に偏向される。
【００２４】静電偏向器１０１で偏向された荷電粒子ビ
ームは、下流の４極発散電磁石144によって、さらに水
平方向外側に偏向される。４極発散電磁石１４４で水平
方向外側に偏向された荷電粒子ビームは、次の偏向電磁
石１４６を通過する過程でさらに水平方向外側に偏向さ
れる。偏向電磁石１４６を通過した荷電粒子ビームは、
下流の４極発散電磁石１４４でさらに水平方向外側に偏
向される。下流の４極発散電磁石１４４で偏向された荷
電粒子ビームは、隔壁コイル１０４１に衝突せずに隔壁
コイル１０４１，コイル１０４２間を通って出射用偏向
電磁石１０２で輸送系の方向に偏向されて、出射され
る。
【００２５】また、出射中に共鳴の安定限界が一定に保
たれるので、隔壁電極１０３１と電極１０３２の間に入
るビームの軌道は変わらずに、一定の出射角をもつ出射
ビームが得られる。従って、出射ビームが隔壁コイル１
０４１やビームダクトなどに衝突して失われるのを防ぐ
ことができる。
【００２６】静電偏向器１０１の隔壁電極１０３１と電
極１０３２の間に入らなかった荷電粒子ビームは、中心
軌道からの水平方向変位が小さいために４極発散電磁石
144および偏向電磁石１４６における偏向が小さく、出
射用偏向電磁石１０２で隔壁コイル１０４１には達しな
い。そして、再び加速器１００を周回して高周波印加装
置１２０から高周波電磁界を印加される。
【００２７】従って、出射ビームが隔壁コイル１０４１
やビームダクトなどに衝突して失われるのを防ぐことが
できるので、出射効率を高くすることができる。例え
ば、静電偏向器１０１の電界強度を８０kV／cm、長さ１
ｍとし、出射用偏向電磁石102の磁場強度を１Ｔ、長さ
を１ｍとして、かつ、熱的な余裕を十分持つ隔壁コイル
１０４１を使った場合、従来のように、直線部に並べて
使うと、ビーム損失が５０％以上生じるが、本実施例で
は、ビーム損失は１０％以下である。
【００２８】また、荷電粒子ビームは偏向電磁石１４６
および４極発散電磁石１４４において十分に偏向される
ので、荷電粒子ビームの進行方向に従来よりも短い構造
の静電偏向器１０１および出射用偏向電磁石１０２を用
いることができ、さらに、静電偏向器１０１および出射
用偏向電磁石１０２を同じ直線部に設置しなくてよいの
で、加速器１００を小型化できる。
【００２９】また、荷電粒子ビームは偏向電磁石１４６
および４極発散電磁石１４４において十分に偏向される
ので、発生する電界強度が小さい静電偏向器１０１を用
いることができる。また、出射用偏向電磁石１０２に供
給される電流値も小さくて良いので、隔壁コイル１０４
１の発熱を抑えることができる。
【００３０】また、図１の偏向電磁石１４６を、図２に
示すように２つの偏向電磁石１４６に分け、その間に４
極収束電磁石１４５を設けてもよい。静電偏向器１０１
および出射用偏向電磁石１０２の間には、４極発散電磁
石１４４以外に４極収束電磁石１４５を設けているが、
４極発散電磁石１４４を４極収束電磁石１４５よりも多
く設けるとよい。
【００３１】（実施例２）次に、本発明の第２の実施例
のシンクロトロン型加速器を図３に示す。
【００３２】本実施例では、水平方向に発散作用を持つ
偏向電磁石１４７と高周波加速空胴１４８を使用する。
【００３３】偏向電磁石１４７は、図４に示すように径
方向外側ほど磁極１４７Ａの間隔が大きくなる構造をも
ち、電源１３１からコイル１４７Ｂに電流が供給される
と、荷電粒子ビームは偏向され、かつ、水平方向に発散
するものである。
【００３４】静電偏向器１０１で水平方向外側に偏向さ
れた荷電粒子ビームは、偏向電磁石１４７でさらに外側
へ偏向され、下流の出射用偏向電磁石１０２から出射用
ビーム輸送系へ出射される。
【００３５】本実施例によれば、第１の実施例よりも４
極発散磁石の数を減らすことができるので、第１の実施
例よりも加速器１００をさらに小型化することができ
る。
【００３６】上述した第１または第２の実施例のシンク
ロトロン型加速器を医療用照射装置に用いれば、高い出
射効率で出射ビームが得られるから、患者に必要な荷電
粒子ビームの照射量が短い照射時間で達成できる。従っ
て、照射時間を短くすることができ、患者１人当たりの
１回の治療時間も短くすることができる。
【００３７】
【発明の効果】本発明の第１の特徴によれば、第２の出
射用偏向器で偏向された荷電粒子ビームは、偏向電磁石
および４極発散電磁石で十分に偏向されて第１の出射用
偏向器に入り、第２の出射用偏向器で偏向されなかった
荷電粒子ビームは、第１の出射用偏向器に入らずに加速
器を周回して、荷電粒子ビームが第１の出射用偏向器に
衝突することを防止するので、ビーム損失が減少し、出
射効率を高くすることができる。また、荷電粒子ビーム
は偏向電磁石および４極発散電磁石において十分に偏向
されるので、荷電粒子ビームの進行方向に短い構造の第
１の出射用偏向器および第２の出射用偏向器を用いるこ
とができ、さらに、第１の出射用偏向器および第２の出
射用偏向器を同じ直線部に設置しなくてよい。従って、
シンクロトロン型加速器を小型化できる。
【００３８】本発明の第２の特徴によれば、上記した第
１の特徴の作用効果と同様の作用効果を得られる。
【００３９】本発明の第３の特徴によれば、上記した第
１の特徴の作用効果と同様の作用効果を得られるととも
に、第１の出射用偏向器と第２の出射用偏向器との間の
４極発散電磁石の数を減らせるので、シンクロトロン型
加速器をさらに小型化できる。
【００４０】本発明の第４の特徴によれば、荷電粒子ビ
ームが出射されている間に、ぼほ一定の出射角をもつ出
射ビームが得られ、出射ビームが第１の出射用偏向器や
ビームダクトなどに衝突して失われるのを防ぐことがで
きるので、ビーム損失がより減少し、出射効率をより高
くすることができる。
【００４１】本発明の第５の特徴によれば、請求項１の
シンクロトロン型加速器から高い出射効率で出射ビーム
を得られるので、患者に照射するために必要な照射量を
短い照射時間で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図。
【図２】２つの偏向電磁石１４６の間に４極収束電磁石
１４５を設けた加速器１００を示す図。
【図３】本発明の第２の実施例を示す図。
【図４】水平方向に発散作用を持つ偏向電磁石１４７を
示す図。
【図５】従来のシンクロトロン型加速器の概略構成図。
【図６】出射用の静電偏向器１０１を示す図。
【図７】出射用偏向電磁石１０２を示す図。
【符号の説明】
１１…共鳴励起用多極電磁石、９８…前段加速器、１０
０…加速器、１０１…静電偏向器、１０２…出射用偏向
電磁石、１２０…高周波印加装置、１３０…制御装置、
１３１…電源、１４４…４極発散電磁石、１４５…４極
収束電磁石、１４６…偏向電磁石、１４７…偏向電磁
石、１４８…高周波加速空胴、１０１０…治療室、１０
３１…隔壁電極、１０３２…電極、１０４１…隔壁コイ
ル、1042…コイル。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】荷電粒子ビームを出射する出射ビーム輸送
    系に導くために前記荷電粒子ビームを偏向する複数の出
    射用偏向器を備え、前記複数の出射用偏向器のうち、第
    １の出射用偏向器は前記出射ビーム輸送系に接続され、
    第２の出射用偏向器は前記第１の出射用偏向器の上流で
    前記第１の出射用偏向器に最も近く設置されたシンクロ
    トロン型加速器において、 前記第１の出射用偏向器と前記第２の出射用偏向器との
    間に、荷電粒子ビームを水平方向に発散させる複数の４
    極発散電磁石と、少なくとも１つの偏向電磁石とを設置
    したことを特徴とするシンクロトロン型加速器。
  2. 【請求項２】前記第１の出射用偏向器と前記第２の出射
    用偏向器との間に、２つの４極発散電磁石を設置し、前
    記２つの４極発散電磁石の間に前記偏向電磁石を設置し
    たことを特徴とする請求項１のシンクロトロン型加速
    器。
  3. 【請求項３】荷電粒子ビームを出射する出射ビーム輸送
    系に導くために前記荷電粒子ビームを偏向する複数の出
    射用偏向器を備え、前記複数の出射用偏向器のうち、第
    １の出射用偏向器は前記出射ビーム輸送系に接続され、
    第２の出射用偏向器は前記第１の出射用偏向器の上流で
    前記第１の出射用偏向器に最も近く設置されたシンクロ
    トロン型加速器において、 前記第１の出射用偏向器と前記第２の出射用偏向器との
    間に、荷電粒子ビームを偏向し、かつ水平方向に発散さ
    せる機能をもつ偏向電磁石を設置することを特徴とする
    シンクロトロン型加速器。
  4. 【請求項４】前記第１の出射用偏向器、前記第２の出射
    用偏向器、前記複数の４極発散電磁石、および前記偏向
    電磁石のそれぞれに接続された電源を備え、 前記第１の出射用偏向器、前記第２の出射用偏向器、前
    記複数の４極発散電磁石、および前記偏向電磁石は、前
    記電源の出力により、それぞれ電界または磁界を発生す
    るものであり、 前記荷電粒子ビームのベータトロン振動の共鳴の安定限
    界がほぼ一定に保たれ、前記ベータトロン振動の振幅が
    増加されて、前記共鳴の安定限界を越えた荷電粒子ビー
    ムが出射されている間に、前記電界または磁界の大きさ
    をほぼ一定に保つように前記電源の出力を制御する制御
    手段を備えたことを特徴とする請求項１のシンクロトロ
    ン型加速器。
  5. 【請求項５】請求項１のシンクロトロン型加速器と、前
    記シンクロトロン型加速器から出射された荷電粒子ビー
    ム輸送する出射ビーム輸送系と、前記出射ビーム輸送系
    に接続され、かつ前記出射ビーム輸送系で輸送された前
    記荷電粒子ビームを患者に照射する照射装置とを備えた
    ことを特徴とする医療用装置。
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