WO2022264475A1 - 粒子線加速器、および、粒子線治療システム - Google Patents

粒子線加速器、および、粒子線治療システム Download PDF

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孝道 青木
隆光 羽江
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    • H05H2277/11—Radiotherapy

Definitions

  • the present invention relates to a particle beam accelerator and a particle beam therapy system equipped with it.
  • Particle beam therapy is a type of radiation therapy, and is a treatment method that destroys cancer cells by irradiating tumors with ion beams such as proton beams and carbon beams (hereinafter abbreviated as beams for simplicity).
  • a particle beam therapy system for performing particle beam therapy consists of an ion source that generates ions, a particle beam accelerator that accelerates a large amount of ions (hereafter referred to as the accelerator for simplicity), and a beam transport system that transports the beam to the treatment room. , a rotating gantry that changes the beam irradiation direction to the tumor, an irradiation system that irradiates the tumor with the beam from the rotating gantry, and a control system that controls these components.
  • Patent Document 1 a main magnetic field is formed between a pair of magnets, ions are injected between the magnets from an ion source, and the ions are accelerated by an acceleration electrode to gradually increase the radius of the orbital trajectory.
  • An accelerator is disclosed which has a structure in which ions accelerated to energy are ejected out of the beam exit path.
  • a main magnetic field is formed so that the centers of a plurality of circular orbits are gradually shifted as they are accelerated, and an aggregate region where the orbits are close to each other and a sparse region where the orbits are separated from each other are formed. area.
  • a magnetic field (kicker magnetic field) is selectively applied only to a specific position in the radial direction of the magnet from a massless septum coil arranged to cover the sparse area of the orbit, and a beam of a specific orbit is designed. It is staggered and made incident on a septum electromagnet placed near the convergence region half a turn downstream. The septum electromagnet further applies a magnetic field to the incident beam to deflect it, guide it to a beam extraction path, and cause it to exit from the accelerator.
  • Patent Document 1 as a method for emitting a variable energy beam, (1) a region where the beam trajectory is concentrated is generated by an eccentric main magnetic field distribution, and (2) a massless septum coil is used for the beam of energy to be extracted. to displace the beam trajectory by applying a dynamic magnetic field (a magnetic field that is turned on and off in the direction of the time axis), and A method is disclosed in which a magnetic field applied by .
  • a dynamic magnetic field a magnetic field that is turned on and off in the direction of the time axis
  • the purpose of the present invention is to provide a variable beam energy accelerator that improves the time response of the beam for extraction control and enables more accurate extraction control.
  • the particle beam accelerator of the present invention has a main magnetic field generator, an ion introduction device, a high frequency accelerator, a dynamic magnetic field application device, a regenerator gradient magnetic field region, and an extraction channel.
  • the main magnetic field generator includes a pair of magnetic poles with a circular outer periphery and generates a main magnetic field within an acceleration space between the pair of magnetic poles.
  • the iontophoresis device introduces ions into the acceleration space.
  • the high-frequency accelerator applies a high-frequency electric field to ions to accelerate them, forms an ion beam that circulates in an acceleration space, and accelerates the ion beam to a desired energy.
  • the dynamic magnetic field applying device applies a magnetic field at a predetermined timing to a predetermined region through which the ion beam of desired energy circulating in the acceleration space passes, thereby displacing the circular trajectory of the ion beam of desired energy.
  • a regenerator gradient magnetic field region is formed at a predetermined position on the periphery of the magnetic pole.
  • the exit channel is arranged on the outer periphery of the magnetic pole, has an opening for taking in an ion beam of desired energy, and guides the taken-in ion beam from the acceleration space to the outside.
  • the position where the iontophoresis device introduces ions into the acceleration space is closer to the exit channel than the center of the magnetic pole.
  • the region to which the dynamic magnetic field applying device applies the magnetic field is a region covering a position along the circumferential direction of the circular orbit of the ion beam of desired energy and a position in the direction in which the circular orbit is displaced.
  • a gradient magnetic field is formed that increases as it approaches the outer circumference of the magnetic pole.
  • the dynamic magnetic field applied for variable energy beam extraction can be reduced, so the time responsiveness of beam extraction control is improved and more accurate extraction control becomes possible.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a particle beam therapy system in Example 1 of the present invention
  • FIG. 1 is a perspective view of a main magnetic field magnet 1 arranged inside an accelerator of a particle beam therapy system in Example 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the main magnetic field magnet 1 in Example 1 at a vertical plane position;
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the main magnetic field magnet 1 in Example 1 at an intermediate plane position.
  • FIG. 4 is a graph showing the distribution of the main magnetic field of the main magnetic field magnet 1 in Example 1.
  • FIG. 4 is a diagram showing the orbit in the acceleration space of the main magnetic field magnet 1 in Example 1.
  • FIG. 5 is a graph showing the distribution of magnetic fields formed by bump coils 52 and 53 of the main magnetic field magnet 1 in Example 1.
  • FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view of the mid-plane position of the main magnetic field magnet in Example 2;
  • the ions to be accelerated are hydrogen ions, ie protons, and the beam energy emitted for therapeutic use is approximately 70 MeV to 225 MeV.
  • a particle beam therapy system 1001 is installed on the floor of a building (not shown).
  • This particle beam therapy system 1001 comprises an ion beam generator 1002 , a beam transport system 1013 , a rotating gantry 1006 , an irradiation device 1007 and a control system 1065 .
  • the ion beam generator 1002 has an ion source 1003 and an accelerator 1004 to which the ion source 1003 is connected. Details of the accelerator 1004 will be described later.
  • the beam transport system 1013 has a beam path 1048 that reaches the irradiation device 1007.
  • the beam path 1048 includes a plurality of quadrupole magnets 1046, a bending magnet 1041, and a plurality of quadrupole magnets from the accelerator 1004 toward the irradiation device 1007. 1047, bending electromagnet 1042, quadrupole electromagnets 1049 and 1050, and bending electromagnets 1043 and 1044 are arranged in this order.
  • a part of the beam path 1048 of the beam transport system 1013 is installed on the rotating gantry 1006, and the bending electromagnets 1042, quadrupole electromagnets 1049 and 1050 and bending electromagnets 1043 and 1044 are also installed on the rotating gantry 1006.
  • Beam path 1048 is connected to exit channel 1019 provided in accelerator 1004 .
  • the rotating gantry 1006 is configured to be rotatable around a rotating shaft 1045 and is a rotating device that rotates the irradiation device 1007 around the rotating shaft 1045 .
  • the irradiation device 1007 includes two scanning electromagnets 1051 and 1052, a beam position monitor 1053 and a dose monitor 1054. These scanning electromagnets 1051, 1052, beam position monitor 1053 and dose monitor 1054 are arranged along the central axis of the irradiation device 1007, that is, along the beam axis. Scanning electromagnets 1051 and 1052 , beam position monitor 1053 and dose monitor 1054 are arranged in a casing (not shown) of irradiation device 1007 .
  • a beam position monitor 1053 and a dose monitor 1054 are arranged downstream of the scanning electromagnets 1051 and 1052 .
  • the scanning electromagnet 1051 and the scanning electromagnet 1052 each deflect the ion beam and scan the ion beam in directions perpendicular to each other within a plane perpendicular to the central axis of the irradiation device 1007 .
  • a beam position monitor 1053 measures the passing position of the irradiated beam.
  • a dose monitor 1054 measures the dose of the irradiated beam.
  • the irradiation device 1007 is attached to the rotating gantry 1006 and arranged downstream of the bending electromagnet 1044 .
  • a treatment table 1055 on which a patient 1056 lies is arranged downstream of the irradiation device 1007 so as to face the irradiation device 1007 .
  • the control system 1065 has a central controller 1066 , an accelerator/transport system controller 1069 , a scanning controller 1070 , a rotation controller 1088 and a database 1072 .
  • the central controller 1066 has a central processing unit (CPU) 1067 and a memory 1068 connected to the CPU 1067 .
  • Accelerator/transport system controller 1069 , scanning controller 1070 , rotation controller 1088 and database 1072 are connected to CPU 1067 in central controller 1066 .
  • the particle beam therapy system 1001 further has a treatment planning device 1073.
  • Treatment planning device 1073 is connected to database 1072 .
  • the treatment planning device 1073 generates a treatment plan that determines the irradiation energy and irradiation angle of the particle beam, and stores it in the database 1072 .
  • the central controller 1066 controls the accelerator/transport system controller 1069, the scanning controller 1070, and the rotation controller 1088 to perform irradiation.
  • the CPU 1067 of the central controller 1066 reads various motion programs related to the irradiation of each device constituting the particle beam therapy system 1001 from the treatment plans stored in the database 1072, and executes the read programs. By executing and outputting commands via the accelerator/transport system controller 1069, the scanning controller 1070, and the rotation controller 1088, the operation of each device in the particle beam therapy system 1001 is controlled.
  • control processing of the operations to be executed may be put together in one program, each may be divided into multiple programs, or a combination thereof may be used. Also, part or all of the program may be realized by dedicated hardware, or may be modularized. Furthermore, various programs may be installed in each computer by a program distribution server or an external storage medium.
  • each control device may be an independent device connected to a wired or wireless network, or two or more may be integrated.
  • FIG. 2 is a perspective view of the main magnetic field magnet 1 of the circular accelerator 1004
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the main magnetic field magnet 1 at the vertical plane 3
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the main magnetic field magnet 1 at the intermediate plane 2. It is a diagram.
  • Circular accelerator 1004 includes main magnetic field magnet (main magnetic field generator) 1 shown in FIGS.
  • An ion source 1003 is placed above the main magnetic field magnet 1 . Further, as shown in FIG. 1, the circular accelerator 1004 is connected to a high-frequency power source 1036, a beam current measuring device 1098, and a power source 1057 for coil excitation.
  • Main magnetic field magnet 1 The details of the main magnetic field magnet 1 that constitutes the accelerator 1004 will be described.
  • the main magnetic field magnet 1 includes an upper return yoke 4 and a lower return yoke 5 which are generally disc-shaped when viewed from the vertical direction, a pair of upper and lower magnetic poles 8 and 9, and a coil 6. configured with.
  • the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5 have substantially vertically symmetrical shapes with respect to the intermediate plane 2 .
  • This intermediate plane 2 generally passes through the vertical center of the main magnetic field magnet 1 and substantially coincides with the orbital plane drawn by the beam during acceleration.
  • the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5 are substantially symmetrical with respect to a vertical plane 3 which is perpendicular to the intermediate plane 2 and passes through the center of the main magnetic field magnet 1 with respect to the intermediate plane 2. doing.
  • the intersecting portion of the intermediate plane 2 with the main magnetic field magnet 1 is indicated by a dashed line
  • the intersecting portion of the vertical plane 3 with the main magnetic field magnet 1 is indicated by a broken line.
  • the coils 6 are arranged plane-symmetrically with respect to the intermediate plane 2 in the space surrounded by the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5 .
  • the coil 6 is a superconducting coil, installed inside a cryostat (not shown), and cooled by heat transfer from a refrigerant such as liquid helium or a refrigerator (not shown).
  • the coil 6 is connected to the coil excitation power supply 1057 by the coil lead wiring 1022 shown in FIG.
  • a vacuum vessel 7 is provided inside the coil 6 in the space surrounded by the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5 .
  • an upper magnetic pole 8 and a lower magnetic pole 9 are arranged plane-symmetrically across the intermediate plane 2, and are coupled to the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5, respectively.
  • the upper return yoke 4 and lower return yoke 5 as well as the upper magnetic pole 8 and lower magnetic pole 9 are made of, for example, pure iron with reduced impurity concentration, low carbon steel, or the like.
  • the vacuum container 7 is made of stainless steel or the like.
  • the coil 6 is composed of a superconducting wire using a superconductor such as niobium titanium.
  • the main magnetic field magnet 1 configured as described above forms a main magnetic field that applies a vertical magnetic field to the acceleration space 20 centered on the intermediate plane 2 .
  • the main magnetic field is almost uniform in the intermediate plane 2, but has a slight intensity distribution. That is, as shown in FIG. 5, the intensity of the main magnetic field is greatest at a predetermined position O1 shifted in the Y-axis direction from the center 02 of the upper magnetic pole 8 and the lower magnetic pole 9, and the outer circumference of the upper magnetic pole 8 and the lower magnetic pole 9
  • the magnetic field strength gradually decreases as it approaches .
  • the output channel 1019 is arranged on the outer periphery of the magnetic poles 8 and 9 on the Y axis near the center O1 of the main magnetic field distribution, that is, outside the acceleration space.
  • the exit channel 1019 has an opening 1019a in the vicinity of the Y-axis, through which an ion beam of desired energy is taken in and guided out of the acceleration space 20.
  • FIG. An ion beam with a desired energy is shifted from its trajectory position by a bump coil (dynamic magnetic field generator) 52, which will be described later, from a state in which it is circulating in the acceleration space 20, and is deviated from the trajectory by a gradient magnetic field magnet 31 (peeler). and enters exit channel 1019 . This will be explained in detail later.
  • the extraction channel 1019 is equipped with an electromagnet, applies a magnetic field to the ion beam taken in from the aperture 1019 a to arrange the ion beam, and sends it to the beam transport system 1013 .
  • Through holes 18 are provided in the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5, and the tip of the beam transport system 1013 is installed.
  • a power supply line to the electromagnet is pulled out from the through holes 15 provided in the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5, and is connected to the output channel power source 1082 shown in FIG.
  • An ion source 1003 is installed here as an ion introduction device above the main magnetic field magnet 1 .
  • the upper return yoke 4 and the upper magnetic pole 8 are provided with through holes 24 for guiding ions from the ion source 1003 to the position O1 in the acceleration space 20 .
  • a central axis (ion incident axis) 12 of the through hole 24 is perpendicular to the intermediate plane 2 and passes through the position O1.
  • the ion source 1003 is arranged above the through hole 24 and introduces ions through the through hole 24 to the position O1 where the main magnetic field strength is maximum.
  • the main magnetic field has a maximum value at the position O1 where the ion beam is incident, and monotonously decreases from there toward the outer circumference. Therefore, the beam orbital motion can be stabilized by the principle of weak focusing.
  • the ion source 1003 may be installed inside the main magnetic field magnet 1 . In this case, the through holes 24 are unnecessary.
  • the high frequency acceleration cavity 1037 includes a pair of dee electrodes 1037a arranged with the intermediate plane 2 interposed therebetween.
  • Dee electrode 1037a is fan-shaped.
  • the apex (center) of the sector is located near the position O1 where the main magnetic field strength is maximum, and is arranged so as to cover half the circumference of the beam trajectory including the center position O2 of the upper magnetic pole 8 and the lower magnetic pole 9.
  • a ground electrode (not shown) is arranged to face the radial end face of the fan-shaped Dee electrode 1037a, and the ion beam is accelerated between the radial end face of the Dee electrode 1037a and the ground electrode. An accelerating electric field is formed.
  • the traveling direction of the circulating ion beam is parallel to the electric field, that is, the axis parallel to the X-axis passing through the center of each circulating orbit.
  • An accelerating electric field can be applied at the intersection of each orbit.
  • the high-frequency acceleration cavity 1037 is led out through a through-hole 16 provided along the Y-axis direction between the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5 and connected to the waveguide 1010 .
  • a high frequency power supply 1036 is connected to the waveguide 1010 .
  • a high frequency power supply 1036 inputs power to a high frequency acceleration cavity 1037 through a waveguide 1010 . This excites a high-frequency electric field that accelerates the beam between the Dee electrode 1037a and the ground electrode.
  • the orbital radius of the circular orbit gradually increases as the beam is accelerated. Therefore, the high frequency acceleration cavity 1037 modulates the resonance frequency corresponding to the energy of the beam. Modulation of frequency is achieved by adjusting the inductance or capacitance of RF acceleration cavity 1037 .
  • a known method can be used to adjust the inductance and capacitance of the high-frequency acceleration cavity 1037 . For example, when adjusting the capacitance, a variable capacitor is connected to the high frequency cavity to control the capacitance.
  • ions introduced from the ion source 1003 are excited by a high-frequency electric field to form an ion beam, and circulate in the acceleration space 20 .
  • the main magnetic field in the acceleration space 20 is maximum at a position O1 shifted from the position O2 of the central axis 13 of the magnetic poles 8 and 9, and gradually increases as it approaches the outer circumference of the magnetic poles 8 and 9. Due to the decreasing distribution, the beam with the lowest energy circulates along a trajectory centered on position O1.
  • the orbit 127 of the maximum energy beam has a shape that substantially follows the outer peripheries of the magnetic poles 8 and 9, and the center O2 thereof approximately coincides with the central axis 13 of the magnetic poles 8 and 9.
  • the orbit becomes dense between the position O1 and the position Y1 at the end of the acceleration space 20 in the Y-axis direction, and the position O1 and the positions of the centers of the magnetic poles 8 and 9 Between the position Y2 of the end in the Y-axis direction on the opposite side of O2, the circular trajectory becomes sparse.
  • a beam with energy within a predetermined range can be emitted.
  • the center of the circular trajectory 127 of the beam corresponding to the highest energy among the beams to be taken out approximately coincides with the position O2 of the central axis 13 of the magnetic poles 8 and 9 .
  • the circular orbit 126 of the beam corresponding to the lowest energy among the extracted beams has its center O3 on a line segment connecting the position O2 and the maximum intensity position O1 of the main magnetic field distribution.
  • a pair of bump coils 52 as the first dynamic magnetic field applying device and a pair of bump coils 53 as the second dynamic magnetic field applying device are positioned symmetrically with respect to the intermediate plane 2, It is arranged outside the high frequency acceleration cavity 1037 .
  • the bump coils 52 and 53 apply a magnetic field at a predetermined timing to a predetermined region through which the ion beam of the desired energy circulating in the acceleration space passes, so that the orbit of the ion beam of the desired energy is moved to the position Y1. is displaced in the Y-axis direction so as to approach .
  • the bump coil 52 is arranged to apply a magnetic field to a region of the acceleration space 20 closer to the extraction channel 109 than the position O1 where the ion source 1003 introduces ions into the acceleration space 20 .
  • the direction of the magnetic field applied by the bump coil 52 is the direction that strengthens the main magnetic field.
  • the bump coil 52 generates a magnetic field in the direction of strengthening the main magnetic field at and near the position Y1 where the opening 1019a of the output channel 1019 is arranged.
  • the bump coil 52 is configured to apply a magnetic field to a position where the orbital trajectory 127 of the ion beam having the maximum energy from the orbital trajectory 126 of the ion beam having the minimum energy to be emitted is closest to the position Y1 and its vicinity.
  • the bump coil 53 is arranged at a position where a magnetic field is applied to the acceleration space 20 on the side opposite to the bump coil 52 across the position O1 where the ion source 1003 introduces ions into the acceleration space 20 .
  • the direction of the magnetic field applied by the bump coil 53 is the direction of weakening the main magnetic field (opposite to the main magnetic field).
  • the bump coil 53 generates a magnetic field in the direction of weakening the main magnetic field at and near the position Y2 where the phase of betatron oscillation is ⁇ shifted from the position Y1.
  • the range in which the magnetic field is applied by the bump coil 53 is the position where the circulating trajectory from the circulating trajectory 126 of the ion beam with the minimum energy to be emitted to the circulating trajectory 127 of the ion beam with the maximum energy is closest to the position Y2.
  • the bump coil 53 is configured to apply a magnetic field to its vicinity. Since the vicinity of the position Y2 is a region where the orbit of the ion beam is sparse, the area of the region to which the bump coil 53 applies the magnetic field is larger than that of the bump coil 52 .
  • the apparatus of this embodiment has the bump coils 52 and 53 arranged therein, only the bump coils 52 may be arranged. Even with the bump coil 52 alone, it is possible to bring the circular orbit of the desired energy closer to the position Y1.
  • a gradient magnetic field magnet (peeler) 31 and a gradient magnetic field magnet (regenerator) 32 are arranged at predetermined positions on the periphery of the magnetic poles 8 and 9 to form a peeler gradient magnetic field region and a regenerator gradient magnetic field region, respectively. .
  • the exit channel 1019 is located between the gradient magnetic field magnets 31 and 32 in the circumferential direction and outside the gradient magnetic field magnets 31 and 32 in the radial direction.
  • the peeler gradient magnetic field region formed by the gradient magnetic field magnet 31 is set to a region through which the ion beam of the circular trajectory displaced by the magnetic field of the bump coils 52 and 53 passes. Also, the magnetic field distribution of the peeler gradient magnetic field region is a gradient magnetic field in which the magnetic field decreases radially outward.
  • the regenerator gradient magnetic field region formed by the gradient magnetic field magnet 32 is a region through which the ion beam in the orbit displaced by the magnetic field of the bump coils 52 and 53 passes, and the ion beam that has not entered the extraction channel passes through. It is set in the area where Also, the regenerator gradient magnetic field region is a gradient magnetic field in which the magnetic field increases radially outward.
  • the gradient magnetic field magnets 31 and 32 may be formed integrally with the lower magnetic pole 9, or may be manufactured as separate members and then engaged with the lower magnetic pole 9 by a known method such as welding or bolting. good too.
  • the peeler gradient magnetic field region and the regenerator gradient magnetic field region are formed by adding a magnetic material to the surface of the lower magnetic pole 9 without arranging the gradient magnetic field magnets 31 and 32, or by processing the facing surface shape of the lower magnetic pole 9. can also be formed.
  • the peeler gradient magnetic field region which is a gradient magnetic field that decreases radially outward, can be omitted. Since the magnetic field in the region extending from the outer peripheral surface of the magnetic pole to the inner peripheral surface of the yoke decreases radially outward, it is possible to use this as a peeler gradient magnetic field region.
  • Beam current measuring device 1098 The accelerator 1004 is equipped with a beam current measuring device 1098 for measuring the current of the accelerated internal beam.
  • Beam current measuring device 1098 includes moving device 1017 and position detector 1039 .
  • the accelerator/transport system controller 1069 causes the ion source 1003 to generate ions and introduces them through the through hole 24 to the intermediate plane 2 at the position O1.
  • the accelerator/transport system controller 1069 generates an acceleration electric field by the high frequency acceleration cavity 1037, accelerates ions, forms an ion beam, and accelerates them further.
  • the ion beam increases in energy as it orbits.
  • the accelerator/transport system controller 1069 turns off the high frequency acceleration cavity 1037 and turns on the bump coils 52 and 53 . As a result, the circulating ion beam is superimposed on the main magnetic field and a dynamic magnetic field is applied.
  • the beam trajectory of the ion beam is displaced in the radial direction (direction approaching position Y1), and the beam passes through the region where the gradient magnetic field formed by the gradient magnetic field magnets 31 and 32 acts. .
  • the displacement of the beam trajectory caused by the bump coils 52 and 53 is sufficient to be a distance from the equilibrium trajectory that passes through the region where the gradient magnetic field magnets 31 and 32 act. , need not cause a displacement so large as to reach the exit channel 1019 located radially outside the pole.
  • the magnitude of the dynamic magnetic field applied by the bump coils 52 and 53 can be reduced by about 10 times compared to the massless septum of Patent Document 1.
  • the bump coils are installed in two places, such as the bump coil 52 in the aggregated area of the beam trajectory and the bump coil 53 in the expanded area of the beam trajectory, the bump coil is twice as large as when it is installed in one place. of beam displacement can be induced.
  • the amount of excitation of the bump coils 52 and 53 can be reduced, so the time response from turning on the bump coil 52 to beam emission is improved. That is, more highly accurate beam extraction control is possible.
  • ⁇ is the horizontal betatron amplitude of the beam and ⁇ is the horizontal betatron frequency.
  • s and s0 are circumferential positions.
  • ⁇ (s) ⁇ (s0) indicates the phase difference of betatron oscillations.
  • a gradient magnetic field is applied to the beam by the gradient magnetic field magnets 31 and 32, and the beam is extracted by utilizing resonance in the horizontal direction of the beam called 2/2 resonance. Therefore, the horizontal betatron frequency ⁇ is designed to be close to one. This means that the phase of the betatron oscillation increases by approximately 2 ⁇ during one revolution of the beam.
  • the circumferential position s0 of the magnetic field to be added is the same as s, or a position ⁇ out of phase with s, and their vicinity.
  • a magnetic field is added at position s (position Y1) and its vicinity in a direction to strengthen the main magnetic field, and position s (position Y1).
  • a magnetic field in the direction of weakening the main magnetic field may be added to the position (position Y2) that is ⁇ out of phase with the position Y1) and its vicinity.
  • bump coils 52 that generate a magnetic field in a direction that strengthens the main magnetic field are arranged at and near the position Y1 where the opening 1019a of the output channel 1019 is arranged.
  • the bump coil 52 may apply a magnetic field to the ion beam having the desired energy to be emitted. Therefore, the bump coil 52 is configured to apply a magnetic field to a position where the orbital trajectory 127 of the ion beam having the maximum energy from the orbital trajectory 126 of the ion beam having the minimum energy to be emitted is closest to the position Y1 and its vicinity.
  • the bump coil 53 is arranged so as to cover the position Y2 where the phase of betatron oscillation is shifted by ⁇ from the position Y1 and the vicinity thereof, and generates a magnetic field in the direction of weakening the main magnetic field.
  • the range in which the bump coil 53 applies the magnetic field is the position where the orbit 127 of the ion beam with the maximum energy approaches the position Y2 from the orbit 126 of the ion beam with the minimum energy to be emitted, and the vicinity thereof.
  • the bump coil 53 is configured to apply a magnetic field to the . Since the vicinity of the position Y2 is a region where the orbit of the ion beam is sparse, the area of the region to which the bump coil 53 applies the magnetic field is larger than that of the bump coil 52 .
  • variable beam energy accelerator capable of improving the time response of the beam with respect to extraction control and performing more accurate extraction control.
  • beam displacement is caused by applying a dynamic magnetic field.
  • a dynamic magnetic field By locally narrowing or widening the magnetic pole spacing, it is possible to statically add a bump magnetic field to the extent that the beam is not destabilized during beam acceleration. In that case, the dynamic magnetic field to be applied by the bump coils 52 and 53 to start beam emission can be further reduced.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the accelerator of Example 2 at intermediate plane 2.
  • the bump coils 52 and 53 displace the circular trajectory of the ion beam of desired energy in the Y-axis direction to bring it closer to the position Y1, thereby reaching the peeler gradient magnetic field region formed by the gradient magnetic field magnet 31.
  • it is displaced in the X-axis direction to reach the peeler gradient magnetic field region.
  • Example 2 the gradient magnetic field magnet 31 is arranged on the Y-axis, and the gradient magnetic field magnet 32 is arranged on the right side (counterclockwise shifted position).
  • the trajectory of the ion beam to be emitted In order for the trajectory of the ion beam to be emitted to pass through the peeler gradient magnetic field region and the regenerator gradient magnetic field region on which the gradient magnetic field magnets 31 and 32 act in a well-balanced manner, the trajectory of the ion beam to be emitted must be perpendicular to the vertical plane 3 on the intermediate plane 2.
  • direction positive X direction.
  • a bump coil 54 is arranged in each trajectory from the circulating trajectory 126 of the ion beam with the minimum energy to be emitted to the circulating trajectory 127 of the ion beam with the maximum energy, at a position shifted counterclockwise by 90 degrees from the position Y1,
  • a bump coil 54 is arranged.
  • the bump coil 55 is arranged at a position offset by 180 degrees counterclockwise from the position of the bump coil 54 .
  • the bump coil 54 applies a magnetic field that strengthens the main magnetic field
  • the bump coil 55 applies a magnetic field that weakens the main magnetic field.
  • the bump coils 54 and 55 are inclined with respect to the Y-axis.
  • positions shifted counterclockwise by 90 degrees and 180 degrees from the position Y1 in each orbit of the ion beam are the positions where the high-frequency acceleration cavity 1037 applies an accelerating electric field, that is, the radial direction of the Dee electrode 1037a. coincides with the position of the end face of Therefore, the bump coils 54 and 55 are arranged along the radial end surface of the dee electrode 1037 a of the high frequency acceleration cavity 1037 .
  • the bump coil 54 applies a magnetic field that strengthens the main magnetic field
  • the bump coil 55 applies a magnetic field that weakens the main magnetic field, thereby displacing the beam trajectory in the positive X direction.
  • the accelerator/transport system controller 1069 causes the ion source 1003 to generate ions, introduce them through the through-hole 24 to the position O1 on the intermediate plane 2, and accelerate them by the high-frequency acceleration cavity 1037, as in the first embodiment.
  • the high-frequency acceleration cavity 1037 is turned off, the bump coils 54 and 55 are turned on, and a dynamic magnetic field is applied to the beam.
  • the beam trajectory is displaced in the +X direction, and the beam passes through the region where the gradient magnetic field magnets 31 and 32 act.
  • the trajectory can be displaced in the X-axis direction as in the second embodiment with only one of them.
  • Example 2 In the particle beam therapy system of Example 2, the configuration, operation and effects other than those described above, as well as variations in deformation, are the same as those of Example 1, so descriptions thereof will be omitted.
  • Quadrupole electromagnet 1051 ... Scanning electromagnet 1052
  • Scanning electromagnet 1053 ... Beam position monitor 1054
  • Dose monitor 1055 ... Treatment table 1056... Patient 1057... Power supply for coil excitation 1065
  • Control system 1066 Central controller 1068 Memory 1069 Transport system controller 1070 Scanning controller 1072 Database 1073

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Abstract

動磁場印加装置５２は、加速空間内を周回する所望のエネルギーのイオンビームの通過する所定の領域に、所定のタイミングで磁場を印加し、所望のエネルギーのイオンビームの周回軌道を変位させる。出射チャネル１０１９は、磁極９の外周部に配置されている。イオン導入装置が加速空間にイオンを導入する位置Ｏ１は、磁極の中心Ｏ２よりも出射チャネル１０１９寄りの位置である。動磁場印加装置５２が磁場を印加する領域は、イオンを導入する位置Ｏ１よりも、出射チャネル１０１９の開口１０１９ａ寄りの領域であり、印加する磁場は、主磁場を強める方向の磁場である。これにより、出射制御に関するビームの時間応答性を向上させ、より高精度な出射制御ができる可変ビームエネルギー加速器を提供する。

Description

粒子線加速器、および、粒子線治療システム
　本発明は、粒子線加速器、ならびにそれを備えた粒子線治療システムに関する。
　粒子線治療は放射線治療の一種であり、腫瘍に陽子線や炭素線などのイオンビーム（以下、簡単のためビームと略す）を照射してがん細胞を破壊する治療方法である。粒子線治療を施すための粒子線治療システムは、イオンを生成するイオン源、多量のイオンを加速する粒子線加速器（以下、簡単のため加速器と略す）、ビームを治療室まで輸送するビーム輸送系、腫瘍に対するビーム照射方向を変える回転ガントリ、回転ガントリから腫瘍にビームを照射する照射系、および、これらの構成要素を制御する制御系を備えている。
　特許文献１には、一対の磁石の間に主磁場を形成し、磁石間にイオン源からイオンを入射し、加速電極によってイオンを加速して、周回軌道の半径を徐々に増加させ、所定のエネルギーまで加速されたイオンをビーム出射経路から外部に取り出す構造の加速器が開示されている。特許文献１の加速器では、環状の複数の周回軌道の中心が加速されるにつれ徐々にずれるように主磁場を形成し、周回軌道同士が近づいている集約領域と、周回軌道同士が離れている疎領域とを形成している。周回軌道の疎の領域を覆うように配置したマスレスセプタムコイルから、磁石の径方向の特定の位置にのみ、選択的に磁場（キッカ磁場）を印加し、特定の周回軌道のビームを設計軌道からずらし、半周下流の集約領域の近傍に配置されたセプタム電磁石に入射させる。セプタム電磁石は、入射したビームにさらに磁場を印加して偏向し、ビーム出射経路に導いて加速器から出射させる。
特許第６７１４１４６号公報
　特許文献１では、可変エネルギービームを出射する方法として、（１）偏芯した主磁場分布によってビーム軌道が集約した領域を生成し、（２）取り出したいエネルギーのビームに対して、マスレスセプタムコイルに通電して、動磁場（時間軸方向にオン／オフされる磁場）を印加してビーム軌道を変位させ、（３）集約領域の近傍に配置されたセプタム電磁石に到達したビームを、セプタム電磁石の印加する磁場によって周回軌道から離脱させる、という方法が開示されている。このビーム取り出し過程において、（２）の過程におけるマスレスセプタムの励磁時間を短くすることができれば、ビーム取り出し制御の時間応答性が向上する。
　本発明の目的は、出射制御に関するビームの時間応答性を向上させ、より高精度な出射制御ができる可変ビームエネルギー加速器を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明の粒子線加速器は、主磁場発生装置と、イオン導入装置と、高周波加速装置と、動磁場印加装置と、リジェネレータ勾配磁場領域と、出射チャネルとを有する。主磁場発生装置は、外周が円形の一対の磁極を含み、一対の磁極間の加速空間内に主磁場を発生させる。イオン導入装置は、加速空間にイオンを導入する。高周波加速装置は、イオンに高周波電場を印加して加速し、加速空間を周回するイオンビームを形成し、イオンビームを所望のエネルギーまで加速する。動磁場印加装置は、加速空間内を周回する所望のエネルギーのイオンビームの通過する所定の領域に、所定のタイミングで磁場を印加し、所望のエネルギーのイオンビームの周回軌道を変位させる。リジェネレータ勾配磁場領域は、磁極の周縁部の所定の位置に形成されている。出射チャネルは、磁極の外周に配置され、所望のエネルギーのイオンビームを取り込む開口を備え、取り込んだイオンビームを加速空間から外部へ誘導する。イオン導入装置が加速空間にイオンを導入する位置は、磁極の中心よりも出射チャネル寄りの位置である。動磁場印加装置が磁場を印加する領域は、所望のエネルギーのイオンビームの周回軌道の周方向に沿った位置であって、周回軌道を変位させる方向の位置、を覆う領域である。リジェネレータ勾配磁場領域には、磁極の外周に近づくにつれ増大する傾斜磁場が形成されている。リジェネレータ勾配磁場領域が設けられている位置は、動磁場印加装置の磁場が印加される前は、所望のエネルギーの前記周回軌道のイオンビームは通過せず、動磁場印加装置の磁場が印加されることにより変位した周回軌道のイオンビームが通過する位置である。
　本発明によれば、可変エネルギービーム出射のために印加する動磁場を小さくすることができるため、ビーム出射制御の時間応答性が向上し、より高精度な出射制御が可能となる。
本発明の実施例１における粒子線治療システムの全体構成を示すブロック図である。 実施例１における粒子線治療システムの加速器内に配置された主磁場磁石１の斜視図である。 実施例１における主磁場磁石１の垂直平面位置の断面図である。 実施例１における主磁場磁石１の中間平面位置の断面図である。 実施例１における主磁場磁石１の主磁場の分布を示すグラフである。 実施例１における主磁場磁石１の加速空間内の周回軌道を示す図である。 実施例１における主磁場磁石１のバンプコイル５２，５３の形成する磁場の分布を示すグラフである。 実施例２における主磁場磁石の中間平面位置の断面図である。
　以下に本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
　＜＜＜実施例１＞＞＞＞
　図１を用いて実施例１の粒子線治療システムの全体構成を説明する。本実施例では、加速するイオンは水素イオン、すなわち陽子（プロトン）であり、治療に用いるために出射するビームエネルギーはおよそ７０ＭｅＶから２２５ＭｅＶである。
　図１において、粒子線治療システム１００１は、建屋（図示省略）の床面に設置される。この粒子線治療システム１００１は、イオンビーム発生装置１００２、ビーム輸送系１０１３、回転ガントリー１００６、照射装置１００７および制御システム１０６５を備えている。
　＜イオンビーム発生装置１００２＞
　イオンビーム発生装置１００２は、イオン源１００３と、イオン源１００３が接続された加速器１００４を有する。加速器１００４の詳細は後述する。
　＜ビーム輸送系１０１３＞
　ビーム輸送系１０１３は、照射装置１００７に達するビーム経路１０４８を有しており、このビーム経路１０４８に、加速器１００４から照射装置１００７に向かって、複数の四極電磁石１０４６、偏向電磁石１０４１、複数の四極電磁石１０４７、偏向電磁石１０４２、四極電磁石１０４９，１０５０、および偏向電磁石１０４３，１０４４がこの順に配置されることで構成されている。
　ビーム輸送系１０１３のビーム経路１０４８の一部は、回転ガントリー１００６に設置されており、偏向電磁石１０４２、四極電磁石１０４９，１０５０および偏向電磁石１０４３，１０４４も回転ガントリー１００６に設置されている。ビーム経路１０４８は、加速器１００４に設けられた出射チャネル１０１９に接続されている。
　＜回転ガントリー１００６＞
　回転ガントリー１００６は、回転軸１０４５を中心に回転可能に構成されており、照射装置１００７を回転軸１０４５の周りで旋回させる回転装置である。
　照射装置１００７は、二台の走査電磁石１０５１，１０５２、ビーム位置モニタ１０５３および線量モニタ１０５４を備えている。これら走査電磁石１０５１，１０５２、ビーム位置モニタ１０５３および線量モニタ１０５４は、照射装置１００７の中心軸、すなわち、ビーム軸に沿って配置されている。走査電磁石１０５１，１０５２、ビーム位置モニタ１０５３および線量モニタ１０５４は照射装置１００７のケーシング（図示省略）内に配置されている。
　ビーム位置モニタ１０５３および線量モニタ１０５４は、走査電磁石１０５１，１０５２の下流に配置される。走査電磁石１０５１および走査電磁石１０５２は、それぞれイオンビームを偏向し、イオンビームを照射装置１００７の中心軸に垂直な平面内において互いに直交する方向に走査する。ビーム位置モニタ１０５３は照射されるビームの通過位置を計測する。線量モニタ１０５４は照射されるビームの線量を計測する。
　照射装置１００７は、回転ガントリー１００６に取り付けられており、偏向電磁石１０４４の下流に配置される。
　＜治療台１０５５＞
　照射装置１００７の下流側には、患者１０５６が横たわる治療台１０５５が、照射装置１００７に対向するように配置される。
　＜制御システム１０６５＞
　制御システム１０６５は、中央制御装置１０６６、加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０、回転制御装置１０８８およびデータベース１０７２を有する。
　中央制御装置１０６６は、中央演算装置（ＣＰＵ）１０６７、および、ＣＰＵ１０６７に接続されたメモリ１０６８を有する。加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０、回転制御装置１０８８およびデータベース１０７２は、中央制御装置１０６６内のＣＰＵ１０６７に接続されている。
　粒子線治療システム１００１は、更に治療計画装置１０７３を有している。治療計画装置１０７３は、データベース１０７２に接続されている。治療計画装置１０７３は、粒子線の照射エネルギーや照射角度などを定める治療計画を生成し、データベース１０７２に保存する。
　この治療計画に基づいて、中央制御装置１０６６は、加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０および回転制御装置１０８８を制御し、照射が実行される。
　具体的には、中央制御装置１０６６のＣＰＵ１０６７は、データベース１０７２に保存されている治療計画から粒子線治療システム１００１を構成する各機器の照射に関係する各種の動作生業プログラムを読み込み、読み込んだプログラムを実行して、加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０、回転制御装置１０８８を介して指令を出力することで、粒子線治療システム１００１内の各機器の動作を制御する。
　なお、実行される動作の制御処理は、一つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに分かれていてもよく、それらの組み合わせでもよい。また、プログラムの一部またはすべては専用ハードウェアで実現してもよく、モジュール化されていてもよい。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや外部記憶メディアによって各計算機にインストールされてもよい。
　また、各制御装置は、各々が独立した装置で有線あるいは無線のネットワークで接続されたものであっても、二つ以上が一体化していてもよい。
　＜加速器１００４の詳細＞
　次に、図１～図４を用いて、イオンビーム発生装置１００２の円形加速器１００４についてくわしく説明する。図２は、円形加速器１００４の主磁場磁石１の斜視図、図３は、主磁場磁石１を垂直平面３の位置の断面図、図４は、主磁場磁石１の中間平面２の位置の断面図である。
　円形加速器１００４は、図２～図４に示した主磁場磁石（主磁場発生装置）１と、主磁場磁石１内に配置された高周波加速空胴１０３７と、出射チャネル１０１９とを備えている。イオン源１００３は主磁場磁石１の上に配置されている。また、図１に示すように、円形加速器１００４には、高周波電源１０３６と、ビーム電流測定装置１０９８と、コイル励磁用電源１０５７が接続されている。
　（主磁場磁石１）　
　加速器１００４を構成する主磁場磁石１の詳細について説明する。
　図２に示すように主磁場磁石１は、鉛直方向から見て略円盤状の形状をなす上リターンヨーク４と下リターンヨーク５と、一対の上部磁極８と下部磁極９と、コイル６とを備えて構成される。
　上リターンヨーク４と下リターンヨーク５は、中間平面２に対してほぼ上下対称な形状を有している。この中間平面２は、おおむね主磁場磁石１の鉛直方向中心を通り、加速中のビームが描く軌道面にほぼ一致する。
　また上リターンヨーク４と下リターンヨーク５は、中間平面２に垂直、かつ、おおむね主磁場磁石１の中間平面２に対する中心を通過する平面である垂直平面３に対して、ほぼ面対称な形状をしている。なお、図２では、中間平面２の主磁場磁石１に対する交差部分を一点鎖線、垂直平面３の主磁場磁石１に対する交差部分を破線で示している。
　図３に示すように、上リターンヨーク４と下リターンヨーク５に囲まれた空間内には、コイル６が中間平面２に対して面対称に配置されている。コイル６は、超電導コイルであり、クライオスタット（図示省略）の内部に設置され、液体ヘリウムなどの冷媒、または冷凍機（図示省略）からの伝熱によって冷却される。コイル６は、図１に示したコイル引出配線１０２２によってコイル励磁用電源１０５７に接続されている。
　上リターンヨーク４および下リターンヨーク５に囲まれた空間内のコイル６の内側には真空容器７が設けられている。真空容器７の内部には、上部磁極８と下部磁極９が中間平面２を挟んで面対称に配置されており、それぞれ上リターンヨーク４と下リターンヨーク５とに結合されている。
　これら上リターンヨーク４と下リターンヨーク５、ならびに、上部磁極８と下部磁極９は、例えば、不純物濃度を低減させた純鉄や、低炭素鋼等によって構成されている。真空容器７は、ステンレスなどによって構成されている。コイル６は、ニオブチタン等の超電導体を用いた超電導線材で構成されている。
　上述した構成の主磁場磁石１は、中間平面２を中心とする加速空間２０に対して、上下方向の磁場を印加する主磁場を形成する。主磁場は、中間平面２内においてほぼ一様であるが、わずかに強度分布が形成されている。すなわち、図５のように、主磁場の強度は、上部磁極８と下部磁極９の中心０２からＹ軸方向にずれた予め定めた位置Ｏ１において、最も大きく、上部磁極８と下部磁極９の外周に近づくにつれて徐々に磁場強度が低下する。
　出射チャネル１０１９は、主磁場分布の中心Ｏ１に近いＹ軸上の磁極８，９の外周部、すなわち、加速空間の外側に配置されている。出射チャネル１０１９は、Ｙ軸近傍に開口１０１９ａを有し、この開口１０１９ａから所望のエネルギーのイオンビームを取り込んで加速空間２０から外部へ誘導する。所望のエネルギーのイオンビームは、加速空間２０内を周回している状態から後述するバンプコイル（動磁場発生装置）５２によって軌道位置をずらされ、さらに勾配磁場磁石３１（ピーラ）によって、軌道から外れて、出射チャネル１０１９に入射する。これについては、後で詳しく説明する。
　出射チャネル１０１９は、電磁石を備えており、開口１０１９ａから取り込んだイオンビームに磁場を印加してイオンビームを整え、ビーム輸送系１０１３へと送る。上リターンヨーク４と下リターンヨーク５には、貫通孔１８が設けられ、ビーム輸送系１０１３の先端が設置されている。
　電磁石への給電線は、上リターンヨーク４と下リターンヨーク５に設けられた貫通孔１５から外に引き出され、図１に示した出射チャネル用電源１０８２に接続されている。
　（イオン源（イオン導入装置）１００３）
　主磁場磁石１の上には、イオン導入装置として、ここではイオン源１００３が設置されている。上リターンヨーク４および上部磁極８には、イオン源１００３のイオンを加速空間２０の位置Ｏ１に導く貫通孔２４が設けられている。貫通孔２４の中心軸（イオン入射軸）１２は、中間平面２に垂直で位置Ｏ１を通っている。
　イオン源１００３は、貫通孔２４の上部に配置され、貫通孔２４を通してイオンを主磁場強度最大の位置Ｏ１に導入する。主磁場は、イオンビームの入射する位置Ｏ１で最大値であり、そこから外周に近づくにつれ単調減少しているため、弱収束の原理によってビーム周回運動を安定化させることができる。
　なお、イオン源１００３は、主磁場磁石１の内部に設置してもよい。この場合は、貫通孔２４は、不要である。
　（高周波加速空胴１０３７）
　高周波加速空胴１０３７は、中間平面２を挟んで配置された一対のディー電極１０３７ａを含む。ディー電極１０３７ａは、扇形である。扇形の頂点（中心）が主磁場強度最大の位置Ｏ１近傍に位置し、上部磁極８および下部磁極９の中心の位置Ｏ２を含めてビーム軌道の半周を覆うように配置されている。
　扇形のディー電極１０３７ａの半径方向の端面に対向するように、接地電極（図示せず）が配置され、ディー電極１０３７ａの半径方向の端面と、接地電極との間には、イオンビームを加速する加速電場が形成される。
　ディー電極１０３７ａを位置Ｏ１を頂点とする扇形に形成することにより、周回するイオンビームの進行方向が電場と平行になるように、すなわち、各周回軌道の中心をとおってＸ軸に平行な軸が各周回軌道と交差する位置に加速電場を印加することができる。
　高周波加速空胴１０３７は、上リターンヨーク４および下リターンヨーク５の間に、Ｙ軸方向に沿って設けられた貫通孔１６を通って外に引き出され、導波管１０１０と接続されている。導波管１０１０には、高周波電源１０３６が接続されている。
　高周波電源１０３６は、導波管１０１０を通して、高周波加速空胴１０３７に電力を入力する。これにより、ディー電極１０３７ａと接地電極の間にビームを加速する高周波電場が励起される。
　なお、本実施例では、図６のように、ビームの加速に伴い、周回軌道の軌道半径が徐々に増大する。そのため、高周波加速空胴１０３７は、共振周波数をビームのエネルギーに対応して変調させる。周波数の変調は、高周波加速空胴１０３７のインダクタンスか静電容量を調整することにより行われる。高周波加速空胴１０３７のインダクタンスや静電容量の調整方法は公知の方法を用いることができる。たとえば静電容量を調整する場合は、高周波空胴に可変容量キャパシタを接続し、容量を制御する。
　（周回軌道の疎密）
　上記構成により、イオン源１００３から導入されたイオンは、高周波電場で励起されてイオンビームとなり、加速空間２０を周回する。このとき、加速空間２０における主磁場は、図５に示すように、磁極８，９の中心軸１３の位置Ｏ２からずれた位置Ｏ１で最大であり、磁極８，９の外周に近づくにつれ徐々に低減する分布であるため、最もエネルギーの小さいビームは、位置Ｏ１を中心とする軌道に沿って周回する。ビームは、高周波電場によって加速されるにつれ、軌道半径が大きくなるとともに、軌道の中心が磁極８，９の中心軸１３の位置Ｏ２に徐々に近づく。最大エネルギーのビームの周回軌道１２７は、磁極８，９の外周にほぼ沿った形状となり、その中心Ｏ２は、おおむね磁極８，９の中心軸１３と一致する。
　これにより、図６に示すように、位置Ｏ１とＹ軸方向の加速空間２０の端部の位置Ｙ１との間で、周回軌道が密になり、位置Ｏ１と、磁極８，９の中心の位置Ｏ２を挟んで逆側のＹ軸方向の端部の位置Ｙ２との間では、周回軌道が疎になる。
　このような軌道の疎密を利用して、本実施例では、所定の範囲のエネルギーのビームを出射させることができる。例えば、図４のように、取り出すビームのうち最高エネルギーに相当するビームの周回軌道１２７は、その中心が、おおむね磁極８，９の中心軸１３の位置Ｏ２と一致する。取り出すビームのうち最低エネルギーに相当するビームの周回軌道１２６は、その中心Ｏ３が、位置Ｏ２と、主磁場分布の最大強度の位置Ｏ１とを結ぶ線分上にある。
　（動磁場印加装置（バンプコイル）５２，５３）
　本実施例では、第１の動磁場印加装置として一対のバンプコイル５２と、第２の動磁場印加装置として一対のバンプコイル５３が、それぞれ中間平面２を挟んで面対称の位置であって、高周波加速空胴１０３７の外部に配置されている。バンプコイル５２とバンプコイル５３は、加速空間内を周回する所望のエネルギーのイオンビームの通過する所定の領域に、所定のタイミングで磁場を印加し、所望のエネルギーのイオンビームの周回軌道を位置Ｙ１に近づけるようにＹ軸方向に変位させる。
　バンプコイル５２は、イオン源１００３が加速空間２０にイオンを導入する位置Ｏ１よりも、出射チャネル１０９寄りの加速空間２０の領域に磁場を印加するように配置されている。図７に示したように、バンプコイル５２が印加する磁場の向きは、主磁場を強める方向である。
　具体的には、バンプコイル５２は、出射チャネル１０１９の開口１０１９ａが配置されている位置Ｙ１およびその近傍に、主磁場を強める方向の磁場を発生する。また、出射させたいエネルギーのイオンビームが位置Ｙ１に最接近する位置とその近傍に磁場を印加できればよい。よって、出射させたい最小エネルギーのイオンビームの周回軌道１２６から、最大エネルギーのイオンビームの周回軌道１２７が位置Ｙ１に最接近する位置とその近傍に磁場を印加するようにバンプコイル５２を構成する。
　一方、バンプコイル５３は、イオン源１００３が加速空間２０にイオンを導入する位置Ｏ１を挟んで、バンプコイル５２とは逆側の加速空間２０に磁場を印加する位置に配置されている。図７に示したように、バンプコイル５３が印加する磁場の向きは、主磁場を弱める方向（主磁場と逆向き）である。
　具体的には、バンプコイル５３は、位置Ｙ１に対してベータトロン振動の位相がπずれる位置Ｙ２およびその近傍に、主磁場を弱める方向の磁場を発生させる。また、出射させたいエネルギーのイオンビームが位置Ｙ２に最接近する位置とその近傍に磁場を印加できればよい。よって、バンプコイル５３が磁場を印加する範囲は、出射させたい最小エネルギーのイオンビームの周回軌道１２６から、最大エネルギーのイオンビームの周回軌道１２７までの周回軌道が、位置Ｙ２に最接近する位置とその近傍に磁場を印加するようにバンプコイル５３を構成する。位置Ｙ２近傍は、イオンビームの周回軌道が疎になる領域であるため、バンプコイル５３が磁場を印加する領域の面積は、バンプコイル５２より大きくなる。
　バンプコイル５２，５３を配置すべき位置等は、後で数式を用いて説明する。
　なお、本実施例の装置は、バンプコイル５２とバンプコイル５３を配置しているが、バンプコイル５２のみを配置してもよい。バンプコイル５２のみでも、所望のエネルギーの周回軌道を位置Ｙ１に近づけることができる。
　（勾配磁場磁石３１）
　磁極８，９の周縁部の所定の位置には、勾配磁場磁石（ピーラ）３１および勾配磁場磁石（リジェネレータ）３２が配置され、それぞれピーラ勾配磁場領域およびリジェネレータ勾配磁場領域を形成している。出射チャネル１０１９は、周方向において勾配磁場磁石３１および勾配磁場磁石３２の間に位置し、かつ、径方向において、勾配磁場磁石３１および勾配磁場磁石３２の外側に配置されている。
　勾配磁場磁石３１が形成するピーラ勾配磁場領域は、バンプコイル５２，５３の磁場によって変位した周回軌道のイオンビームが通過する領域に設定されている。また、ピーラ勾配磁場領域の磁場分布は、径方向外側に向かって磁場が減少する傾斜磁場である。
　また、勾配磁場磁石３２が形成するリジェネレータ勾配磁場領域は、バンプコイル５２，５３の磁場によって変位した周回軌道のイオンビームが通過する領域であって、出射チャネルに入射しなかったイオンビームが通過する領域に設定されている。また、リジェネレータ勾配磁場領域は、径方向外側に向かって磁場が増大する傾斜磁場である。
　なお、勾配磁場磁石３１，３２は、下部磁極９と一体で形成されたものとしてもよいし、別部材として製作した後で下部磁極９に溶接やボルト締めなどの公知の方法で係合してもよい。
　また、勾配磁場磁石３１，３２を配置せず、下部磁極９の表面に磁性体をさらに付加する、あるいは下部磁極９の対向表面形状を加工することにピーラ勾配磁場領域およびリジェネレータ勾配磁場領域を形成することもできる。
　なお、径方向外側に減少する傾斜磁場であるピーラ勾配磁場領域は、省略することも可能である。磁極外周面より外側でヨーク内周面にいたるまでの領域における磁場は、径方向外側に向かって減少していくため、これをピーラ勾配磁場領域として利用することも可能である。
　（ビーム電流測定装置１０９８）
　加速器１００４には、加速された内部のビームの電流を測定するビーム電流測定装置１０９８が備えられている。ビーム電流測定装置１０９８は、移動装置１０１７および位置検出器１０３９を含んでいる。
　＜＜加速器１００４の動作＞＞
　加速器１００４により、イオンを加速して、所望のエネルギーのイオンビームを出射させる際の各部の動作について説明する。
　中央制御装置１０６６の制御下で、加速器・輸送系制御装置１０６９は、イオン源１００３でイオンを生成させ、貫通孔２４を通して中間平面２の位置Ｏ１に導入する。加速器・輸送系制御装置１０６９は、高周波加速空胴１０３７により加速電場を発生させ、イオンを加速し、イオンビームを形成し、さらに加速する。イオンビームは、周回運動しながらエネルギーが増大していく。
　イオンビームが、出射させたいエネルギーに到達したタイミングで、加速器・輸送系制御装置１０６９は、高周波加速空胴１０３７をオフにし、バンプコイル５２およびバンプコイル５３をオンにする。これにより、周回しているイオンビームは、主磁場に重畳して、動磁場が印加される。
　これにより、イオンビームは、ビーム軌道が、径方向（位置Ｙ１へ近づく方向）に変位し、勾配磁場磁石３１と勾配磁場磁石３２が形成する傾斜磁場が作用する領域をビームが通過するようになる。
　すると、２／２共鳴といわれる水平方向ベータトロン振動の共鳴が発生し、イオンビームが水平方向に発散して出射チャネル１０１９の開口１０１９ａに到達する。出射チャネル１０１９によって、イオンビームは周回軌道から完全に離脱し、貫通孔１８を通って加速器１００４の外部に取り出される。
　以上のビーム出射過程において、バンプコイル５２およびバンプコイル５３によって生じるビーム軌道変位の大きさは、平衡軌道から勾配磁場磁石３１と勾配磁場磁石３２が作用する領域を通過する程度の距離で充分であり、磁極の径方向外側に設置された出射チャネル１０１９に到達するほど大きな変位を生じさせる必要はない。
　従って、バンプコイル５２およびバンプコイル５３によって印加する動磁場の大きさは、特許文献１のマスレスセプタムに比較して１０倍程度小さくできる。
　さらに、バンプコイル５２をビーム軌道の集約領域に、バンプコイル５３をビーム軌道の拡大領域というように、バンプコイルを二カ所に設置しているので、一カ所に設置する場合と比較して２倍のビーム変位を引き起こすことができる。
　以上のように、本実施例では、バンプコイル５２，５３の励磁量を小さくすることができるので、バンプコイル５２のＯＮからビーム出射に至るまでの時間応答が向上している。すなわち、より高精度なビーム出射制御が可能となっている。
　＜＜バンプコイル５２，５３の磁場の大きさと範囲＞＞
　バンプコイル５２およびバンプコイル５３によって印加する動磁場の大きさと、イオンビームの軌道の変位量との関係について数式を用いてさらに説明する。
　イオンビームの平衡軌道に沿った周方向位置をｓで表すと、ｓ＝ｓ０に磁場を単位量追加した時の、位置ｓにおけるビーム変位量δは、線形光学の範囲で、式（１）により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、βはビームの水平方向ベータトロン振幅、νは水平方向ベータトロン振動数である。ｓおよびｓ０は周方向位置である。ψ（ｓ）－ψ（ｓ０）はベータトロン振動の位相差を示す。
　本実施例では、ビームに勾配磁場磁石３１，３２による勾配磁場を作用させ、２／２共鳴と呼ばれるビームの水平方向の共鳴を利用してビームを取り出す。このため、水平方向ベータトロン振動数νは１に近くなるように設計しておく。これは、ベータトロン振動の位相が、ビームが一周する間におよそ２π増えることを意味している。
　よって、ｓとｓ０がほぼ半周ずれていているときに、位相差ψ（ｓ）－ψ（ｓ０）がほぼπとなり、ｃｏｓの引数はほぼ０となる。
　また、ｓとｓ０が一致するときに、ｃｏｓの引数はほぼπとなる。
　従って、ビーム変位を極大にしたい位置をｓとすると、追加する磁場の周方向位置ｓ０は、ｓと同じか、ｓと位相がπずれた位置、およびそれらの近傍が効率的である。
　すなわち、位置ｓ（実施例の位置Ｙ１）において径方向外側にビーム変位を生じさせたいときは、位置ｓ（位置Ｙ１）およびその近傍には主磁場を強める方向の磁場を追加し、位置ｓ（位置Ｙ１）と位相がπずれた位置（位置Ｙ２）およびその近傍には、主磁場を弱める方向の磁場を追加すればよい。
　これを実現するために、本実施例では、出射チャネル１０１９の開口１０１９ａが配置されている位置Ｙ１およびその近傍に主磁場を強める方向の磁場を発生するバンプコイル５２を配置している。具体的には、バンプコイル５２は、出射させたいエネルギーのイオンビームに磁場を印加できればよい。よって、出射させたい最小エネルギーのイオンビームの周回軌道１２６から、最大エネルギーのイオンビームの周回軌道１２７が位置Ｙ１に最接近する位置とその近傍に磁場を印加するようにバンプコイル５２を構成する。
　またバンプコイル５３は、位置Ｙ１に対してベータトロン振動の位相がπずれる位置Ｙ２およびその近傍を覆うように配置し、主磁場を弱める方向の磁場を発生させる。具体的には、バンプコイル５３が磁場を印加する範囲は、出射させたい最小エネルギーのイオンビームの周回軌道１２６から、最大エネルギーのイオンビームの周回軌道１２７が位置Ｙ２に最接近する位置とその近傍に磁場を印加するようにバンプコイル５３を構成する。位置Ｙ２近傍は、イオンビームの周回軌道が疎になる領域であるため、バンプコイル５３が磁場を印加する領域の面積は、バンプコイル５２より大きくなる。
　上述してきたように、本実施例によれば、出射制御に関するビームの時間応答性を向上させ、より高精度な出射制御ができる可変ビームエネルギー加速器を提供することができる。
　なお、本実施例では、動磁場を印加することでビーム変位を生じさせたが、バンプコイル５２やバンプコイル５３の直上および直下の位置における上部磁極８や下部磁極９の表面形状を加工して局所的に磁極間隔を狭めたり広げたりしておくことで、ビーム加速中にビームが不安定化しない程度まで静的にバンプ磁場を付加しておく構成にすることもできる。その場合、ビーム出射開始のためにバンプコイル５２やバンプコイル５３が印加すべき動磁場をさらに小さくすることができる。
　＜＜＜実施例２＞＞＞
　実施例２における粒子線治療システムの加速器を図８を用いて説明する。
　図８は、実施例２の加速器の中間平面２における断面図である。
　実施例１では、バンプコイル５２，５３により、所望のエネルギーのイオンビームの周回軌道をＹ軸方向に変位させ、位置Ｙ１に近づけることにより、勾配磁場磁石３１の形成するピーラ勾配磁場領域に到達させる構成であったが、実施例２では、Ｘ軸方向に変位させ、ピーラ勾配磁場領域に到達させる。
　具体的には、実施例２では、勾配磁場磁石３１が、Ｙ軸上に配置され、その右側（反時計周りにずれた位置）に勾配磁場磁石３２が配置されている。
　勾配磁場磁石３１および勾配磁場磁石３２が作用するピーラ勾配磁場領域およびリジェネレータ勾配磁場領域を、出射させたいイオンビームの軌道がバランスよく通過するためには、中間平面２上で垂直平面３に垂直な方向（正のＸ方向）に変位させることが好ましい。
　そのため、実施例２では、出射させたい最小エネルギーのイオンビームの周回軌道１２６から、最大エネルギーのイオンビームの周回軌道１２７までの各軌道において、位置Ｙ１から反時計回りに９０度ずれた位置に、バンプコイル５４を配置する。さらに、バンプコイル５４の位置から反時計回りに１８０度ずれた位置にバンプコイル５５を配置する。バンプコイル５４からは主磁場を強める方向の磁場を印加し、バンプコイル５５からは主磁場を弱める方向の磁場を印加する。
　イオンビームの周回軌道は、図６に示したようにＹ軸方向に偏心しているため、位置Ｙ１から反時計回りに９０度ずれた位置は、各軌道によってＹ軸方向の位置がずれているため、バンプコイル５４，５５は、Ｙ軸に対して傾斜した形状となる。
　また、イオンビームの各周回軌道において位置Ｙ１から反時計回りに９０度と、そこから１８０度ずれた位置は、高周波加速空胴１０３７が加速電場を印加する位置、すなわち、ディー電極１０３７ａの半径方向の端面の位置に一致している。従って、バンプコイル５４およびバンプコイル５５は、高周波加速空胴１０３７のディー電極１０３７ａの半径方向の端面に沿って配置されている。
　これにより、そして、バンプコイル５４では主磁場を強める方向の磁場を印加し、バンプコイル５５では主磁場を弱める方向の磁場を印加することで、ビーム軌道は正のＸ方向に変位する。
　実施例２の加速器１００４の動作について説明する。
　加速器・輸送系制御装置１０６９は、実施例１と同様に、イオン源１００３でイオンを生成させ、貫通孔２４を通して中間平面２の位置Ｏ１に導入させ、高周波加速空胴１０３７により加速させる。
　イオンビームが、出射したいエネルギーに到達したタイミングで高周波加速空胴１０３７をオフにし、バンプコイル５４およびバンプコイル５５をオンにし、ビームに動磁場を印加する。
　これにより、ビーム軌道が、＋Ｘ方向に変位し、勾配磁場磁石３１と勾配磁場磁石３２が作用する領域をビームが通過するようになる。
　すると、２／２共鳴といわれる水平方向ベータトロン振動の共鳴が発生し、ビームが水平方向に発散して出射チャネル１０１９に到達し、出射チャネル１０１９の開口１０１９ａに到達する。ビームは周回軌道から完全に離脱し、貫通孔１８を通って加速器１００４の外部に取り出される。
　なお、実施例２では、バンプコイル５４，５５の２つを配置したが、いずれか一方のみでも実施例２と同様にＸ軸方向に軌道を変位させることができる。
　実施例２の粒子線治療システムにおいて、上述した以外の構成、動作および効果、ならびに、変形のバリエーションは、実施例１と同様であるので説明を省略する。
１…主磁場磁石、２…中間平面、３…垂直平面、４…上リターンヨーク、５…下リターンヨーク、６…コイル、７…真空容器、８…上部磁極、９…下部磁極、１３…中心軸、１５…貫通孔、１６…貫通孔、１８…貫通孔、２０…加速空間、２４…貫通孔、３１…勾配磁場磁石、３２…勾配磁場磁石、５２…バンプコイル、５３…バンプコイル、５４…バンプコイル、５５…バンプコイル、１０９…出射チャネル、１２６…周回軌道、１２７…周回軌道、１００１…粒子線治療システム、１００２…イオンビーム発生装置、１００３…イオン源、１００４…加速器、１００６…回転ガントリー、１００７…照射装置、１０１０…導波管、１０１３…ビーム輸送系、１０１７…移動装置、１０１９…出射チャネル、１０１９ａ…開口、１０２２…コイル引出配線、１０３６…高周波電源、１０３７…高周波加速空胴、１０３７ａ…ディー電極、１０３９…位置検出器、１０４１…偏向電磁石、１０４２…偏向電磁石、１０４３…偏向電磁石、１０４４…偏向電磁石、１０４５…回転軸、１０４６…四極電磁石、１０４７…四極電磁石、１０４８…ビーム経路、１０４９…四極電磁石、１０５１…走査電磁石、１０５２…走査電磁石、１０５３…ビーム位置モニタ、１０５４…線量モニタ、１０５５…治療台、１０５６…患者、１０５７…コイル励磁用電源、１０６５…制御システム、１０６６…中央制御装置、１０６８…メモリ、１０６９…輸送系制御装置、１０７０…走査制御装置、１０７２…データベース、１０７３…治療計画装置、１０８２…出射チャネル用電源、１０８８…回転制御装置、１０９８…ビーム電流測定装置、Ｏ１…位置、Ｏ２…位置、Ｏ３…位置、Ｙ１…位置、Ｙ２…位置

Claims (13)

  1. 　外周が円形の一対の磁極を含み、一対の前記磁極間の加速空間内に主磁場を発生させる主磁場発生装置と、
    　前記加速空間にイオンを導入するイオン導入装置と、
    　前記イオンに高周波電場を印加して加速し、前記加速空間を周回するイオンビームを形成し、前記イオンビームを所望のエネルギーまで加速する高周波加速装置と、
    　前記加速空間内を周回する前記所望のエネルギーの前記イオンビームの通過する所定の領域に、所定のタイミングで磁場を印加し、前記所望のエネルギーの前記イオンビームの周回軌道を変位させる動磁場印加装置と、
    　前記磁極の周縁部の所定の位置に形成されたリジェネレータ勾配磁場領域と、
    　前記磁極の外周に配置され、前記所望のエネルギーの前記イオンビームを取り込む開口を備え、取り込んだ前記イオンビームを前記加速空間から外部へ誘導する出射チャネルとを有し、
    　前記イオン導入装置が前記加速空間にイオンを導入する位置は、前記磁極の中心よりも前記出射チャネル寄りの位置であり、
    　前記動磁場印加装置が磁場を印加する領域は、前記所望のエネルギーの前記イオンビームの周回軌道の周方向に沿った位置であって、前記周回軌道を変位させる方向の位置、を覆う領域であり、
    　前記リジェネレータ勾配磁場領域には、前記磁極の外周に近づくにつれ増大する傾斜磁場が形成され、
    　リジェネレータ勾配磁場領域が設けられている位置は、前記動磁場印加装置の磁場が印加される前は、前記所望のエネルギーの前記周回軌道のイオンビームは通過せず、前記動磁場印加装置の磁場が印加されることにより変位した前記周回軌道のイオンビームが通過する位置であることを特徴とする粒子線加速器。
  2. 　請求項１に記載の粒子線加速器であって、前記所望のエネルギーの前記周回軌道は、予め定めたエネルギー範囲の複数の周回軌道のいずれかであり、
    　前記リジェネレータ勾配磁場領域に形成されている前記傾斜磁場の勾配は、前記主磁場の勾配よりも大きいことを特徴とする粒子線加速器。
  3. 　請求項１に記載の粒子線加速器であって、
    　前記動磁場印加装置が磁場を印加する領域は、前記イオン導入装置が前記加速空間にイオンを導入する位置よりも、前記出射チャネルの開口寄りの領域であり、印加する磁場は、前記主磁場を強める方向の磁場であることを特徴とする粒子線加速器。
  4. 　請求項１に記載の粒子線加速器であって、前記磁極の周縁部の所定の位置には、ピーラ勾配磁場領域が形成され、
    　ピーラ勾配磁場領域は、前記動磁場印加装置の磁場によって変位した前記周回軌道のイオンビームが通過する領域であって、前記磁極の外周に近づくにつれ磁場が減少する、ことを特徴とする粒子線加速器。
  5. 　請求項４に記載の粒子線加速器であって、前記ピーラ勾配磁場領域は、前記磁極の周縁部に配置された磁性体によって形成されていることを特徴とする粒子線加速器。
  6. 　請求項４に記載の粒子線加速器であって、前記ピーラ勾配磁場領域は、前記磁極を加工することにより形成されていることを特徴とする粒子線加速器。
  7. 　請求項１に記載の粒子線加速器であって、前記リジェネレータ勾配磁場領域は、前記磁極周縁部に配置された磁性体によって形成されていることを特徴とする粒子線加速器。
  8. 　請求項３に記載の粒子線加速器であって、第２の動磁場印加装置をさらに有し、
    　前記第２の動磁場印加装置は、前記動磁場印加装置が磁場を印加する領域に対して、前記イオン導入装置が前記加速空間にイオンを導入する位置を挟んで、逆側の前記加速空間の所定の第２領域に磁場を印加する位置に配置され、
    　前記第２の動磁場印加装置が印加する磁場は、前記主磁場を弱める方向の磁場であることを特徴とする粒子線加速器。
  9. 　請求項１に記載の粒子線加速器であって、前記周回軌道を変位させる方向は、前記出射チャネルに近づく方向であることを特徴とする粒子線加速器。
  10. 　請求項１に記載の粒子線加速器であって、前記周回軌道を変位させる方向は、前記磁極の中心と前記出射チャネルの開口とを結ぶ線に直交する方向であることを特徴とする粒子線加速器。
  11. 　外周が円形の一対の磁極を含み、一対の前記磁極間の加速空間内に主磁場を発生させる主磁場発生装置と、
    　前記加速空間にイオンを導入するイオン導入装置と、
    　前記イオンに高周波電場を印加して加速し、前記加速空間を周回するイオンビームを形成し、前記イオンビームを所望のエネルギーまで加速する高周波加速装置と、
    　前記加速空間内を周回する前記所望のエネルギーの前記イオンビームの通過する所定の領域に、所定のタイミングで磁場を印加し、前記所望のエネルギーの前記イオンビームの周回軌道を変位させる動磁場印加装置と、
    　前記磁極の周縁部の所定の位置に形成されたリジェネレータ勾配磁場領域と、
    　前記磁極の外周に配置され、前記所望のエネルギーの前記イオンビームを取り込む開口を備え、取り込んだ前記イオンビームを前記加速空間から外部へ誘導する出射チャネルとを有し、
    　前記イオン導入装置が前記加速空間にイオンを導入する位置は、前記磁極の中心よりも前記出射チャネル寄りの位置であり、
    　前記高周波加速装置は、前記加速空間にイオンが導入される前記位置を中心とする扇形のディー電極を含み、
    　前記動磁場印加装置は、前記扇形のディー電極の半径方向の端面近傍に配置されていることを特徴とする粒子線加速器。
  12. 　請求項１１に記載の粒子線加速器であって、前記リジェネレータ勾配磁場領域には、前記磁極の外周に近づくにつれ増大する傾斜磁場が形成され、
    　リジェネレータ勾配磁場領域が設けられている位置は、前記動磁場印加装置の磁場が印加される前は、前記所望のエネルギーの前記周回軌道のイオンビームは通過せず、前記動磁場印加装置の磁場が印加されることにより変位した前記周回軌道のイオンビームが通過する位置であることを特徴とする粒子線加速器。
  13. 　請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の粒子線加速器を備えたことを特徴とする、粒子線治療システム。
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