JP2020030882A - Accelerator and particle beam irradiation device, and beam extraction method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、陽子や炭素等のイオンを加速するための加速器とそれを備えた粒子線照射装置、ならびにビームの取出し方法に関する。 The present invention relates to an accelerator for accelerating ions such as protons and carbon, a particle beam irradiation apparatus provided with the accelerator, and a beam extraction method.
一台の粒子加速器によって放射線治療用及びRI製造用の各用途に応じた電流量の加速粒子を取り出すことを可能とし、その結果として、稼働率の向上を図り易くすることを目的として、特許文献1には、放射線治療用の陽子ビーム及びRI製造用の陽子ビームのそれぞれをサイクロトロンから取り出すために、サイクロトロンに少なくとも二つ設けられた取出ポートと、サイクロトロン内を周回する負イオンを取出ポートに誘導するフォイルと、負イオンをサイクロトロンに供給するイオン源と、フォイルの進退量及びイオン源による負イオンの供給量の少なくとも一方を制御して取出ポートから取り出される陽子ビームの電流量を制御する制御装置を備える粒子加速システムが記載されている。 Patent document for the purpose of making it possible to extract accelerated particles having a current amount corresponding to each application for radiotherapy and RI production with one particle accelerator, and as a result, to improve the operation rate easily In order to extract a proton beam for radiation therapy and a proton beam for RI production from the cyclotron, at least two extraction ports are provided in the cyclotron, and negative ions circulating in the cyclotron are guided to the extraction port. And an ion source that supplies negative ions to the cyclotron, and a control device that controls at least one of the amount of advance and retreat of the foil and the amount of negative ions supplied by the ion source to control the amount of current of the proton beam extracted from the extraction port. A particle acceleration system comprising:
粒子線照射装置は、大きく分けて、加速器としてシンクロトロンを有する粒子線照射装置と、加速器としてサイクロトロンを有する粒子線照射装置が知られている。 Particle beam irradiation apparatuses are roughly classified into a particle beam irradiation apparatus having a synchrotron as an accelerator and a particle beam irradiation apparatus having a cyclotron as an accelerator.
このうち、サイクロトロンを有する粒子線照射装置は、例えば、イオン源、サイクロトロン、ビーム輸送系、回転ガントリー及び照射装置を備える。サイクロトロンは、横断面が円形の一対の対向する鉄心で構成される真空容器、高周波加速装置及び取出し用電磁石を有する。ビーム輸送系は、取出し用電磁石が配置された、サイクロトロンの出射口に連絡されている。 Among them, the particle beam irradiation device having a cyclotron includes, for example, an ion source, a cyclotron, a beam transport system, a rotating gantry, and an irradiation device. The cyclotron has a vacuum vessel constituted by a pair of opposed iron cores having a circular cross section, a high-frequency accelerator, and an extraction electromagnet. The beam transport system is connected to the exit of the cyclotron where the extraction electromagnet is located.
サイクロトロンを有する粒子線照射装置では、イオン源から出射されたイオン(例えば、陽イオンまたは炭素等の陽子より質量の重い重粒子イオン)が、サイクロトロンの鉄心の横断面の中心に入射され、高周波加速装置で加速される。加速されたイオンビームは、鉄心の中心からリターンヨークの内側の側面に向かって螺旋状に周回し、鉄心の周辺部に設けられた取出し用電磁石によりビーム輸送系に出射される。この出射されたイオンビームは、ビーム輸送系を通って照射装置から治療台上の患者のがんの患部に照射される。 In a particle beam irradiation apparatus having a cyclotron, ions emitted from an ion source (for example, cations or heavy ion such as carbon, which is heavier than protons such as carbon) are incident on the center of the cross section of the iron core of the cyclotron, and are subjected to high-frequency acceleration. Accelerated by the device. The accelerated ion beam spirals from the center of the iron core toward the inner side surface of the return yoke, and is emitted to the beam transport system by an extraction electromagnet provided at the periphery of the iron core. The emitted ion beam passes through the beam transport system and is irradiated from the irradiation device to the affected part of the patient's cancer on the treatment table.
このようなサイクロトロンの内部を周回するビームは、高エネルギーになるほど外周側の軌道へ移動し、最高エネルギーに到達すると加速器外へ取り出される。よって、取り出されるビームのエネルギーは一般に一定値となる。そこで、様々なエネルギーのビームを必要とする粒子線治療などにサイクロトロンを適用するためには、加速器外でデグレーダ(エネルギー吸収体)を用いてビームのエネルギーを減少させる方法が用いられてきた。 The beam orbiting inside such a cyclotron moves to the outer trajectory as the energy becomes higher, and is taken out of the accelerator when it reaches the maximum energy. Therefore, the energy of the extracted beam generally has a constant value. Therefore, in order to apply a cyclotron to particle beam therapy or the like that requires beams of various energies, a method of reducing the beam energy using a degrader (energy absorber) outside the accelerator has been used.
しかし、エネルギー調節にデグレーダを使用すると、デグレーダを透過する際にビーム電流が減少しビームの利用効率が低下する、との問題がある。また、散乱によるビームサイズの増加、不要な2次粒子の増加などの問題がある。 However, when a degrader is used for energy adjustment, there is a problem that a beam current is reduced when passing through the degrader, and beam utilization efficiency is reduced. There are also problems such as an increase in beam size due to scattering and an increase in unnecessary secondary particles.
更に、デグレーダを用いたり、特許文献1の方法のようにフォイルを設けたりすると、任意のエネルギーのビームを取り出すために余分な構成をビーム軌道上に設ける必要があるとともに、高精度なビームエネルギー制御が難しいことから、所定エネルギーのビームを所定のタイミングでの取出すことが難しい、との問題がある。
Further, when a degrader is used or a foil is provided as in the method of
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的は、サイクロトロン型の加速器において、所定エネルギーのビームを所定のタイミングで連続的に取出すことができる加速器とそれを備えた粒子線照射装置、ならびにビームの取出し方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and its object is to provide a cyclotron-type accelerator, an accelerator capable of continuously extracting a beam of predetermined energy at a predetermined timing, and a particle beam irradiation apparatus including the accelerator. Another object of the present invention is to provide a beam extraction method.
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、環状のメインコイルと、互いに対向して設置された、その間に磁場を形成する2つの鉄心と、ビームを加速する電極と、ビームを外部に取り出すビーム出射経路と、前記電極内に配置され、前記メインコイルの半径方向の複数の位置で前記ビームをビーム周回軌道から離脱させて前記ビーム出射経路へ導くための偏向磁場を発生させる内蔵コイルからなるビーム離脱装置と、を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problem, for example, a configuration described in the claims is adopted.
The present invention includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems. For example, an annular main coil, two iron cores installed opposite to each other and forming a magnetic field therebetween, and a beam are provided. An electrode for accelerating the beam, a beam emission path for extracting a beam to the outside, and a beam emission path disposed in the electrode and at a plurality of radial positions of the main coil, the beam is separated from a beam orbit and guided to the beam emission path. And a beam detachment device including a built-in coil for generating a deflection magnetic field.
本発明によれば、サイクロトロン型の加速器において、所定エネルギーのビームを所定のタイミングで連続的に取出すことができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in a cyclotron type accelerator, a beam of predetermined energy can be continuously extracted at predetermined timing.
本発明の加速器および粒子線照射装置、ならびにビームの取出し方法の実施例を、図1乃至図11を用いて説明する。 Embodiments of an accelerator, a particle beam irradiation apparatus, and a beam extraction method according to the present invention will be described with reference to FIGS.
最初に、粒子線照射装置の全体構成および関連する装置の構成について図1を用いて説明する。図1は、本発明の粒子線照射装置の全体構成を示す図である。 First, the overall configuration of the particle beam irradiation apparatus and the configuration of a related apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a particle beam irradiation apparatus according to the present invention.
図1において、粒子線照射装置100は、加速器1、ビーム輸送系60、照射装置70、治療台90、および制御装置80を備える。
In FIG. 1, the particle
粒子線照射装置100では、イオン源12で発生させたイオンを加速器1で加速してイオンビームとする。加速されたイオンビームは加速器1から出射され、ビーム輸送系60により照射装置70まで輸送される。輸送されたイオンビームは照射装置70で患部形状に合致するように整形され、治療台90に横になった患者95の標的に対して所定量照射される。
In the particle
これら加速器1をはじめとした粒子線照射装置100内の各装置,機器の動作は、制御装置80によって制御される。
The operation of each device and equipment in the particle
次に、本実施例の加速器の構造について図2乃至図11を用いて以下に説明する。図2に実施例の加速器の外観を示す。 Next, the structure of the accelerator of this embodiment will be described below with reference to FIGS. FIG. 2 shows the appearance of the accelerator of the embodiment.
図2に示す加速器1はエネルギー可変かつ連続的にビーム出力可能なエネルギー可変連続波加速器であり、時間的に一定の磁場中を一定の周波数(等時性)で周回する荷電粒子ビームを高周波電場によって加速する円形の加速器である。
The
図2に示すように、加速器1は、互いに対向して設置され、その間に磁場を形成する上下に分割可能な主電磁石11によってその外殻が形成されており、その内部は真空引きされている。主電磁石11には貫通口が複数形成されており、それらのうち、加速されたビームを取り出す取出しビーム用貫通口111、内部のコイル13(図3参照)の導線を外部に引き出すためのコイル接続用貫通口112、高周波電力入力用貫通口114が上下の主電磁石11の接続面上に設けられている。
As shown in FIG. 2, the
主電磁石11の上部にはイオン源12が設置されており、ビーム入射用貫通口115を通してビームが加速器1内部に入射される。ビームが入射される位置は主電磁石11の重心とは異なる位置に配置されている。なお、イオン源12は、主電磁石11内部の真空引きされた内部空間20に配置しても良い。
An
次に、加速器1の内部構造について図3を用いて説明する。図3に加速器の概略断面図を示す。
Next, the internal structure of the
図3に示すように、加速器1の内部は、コイル(メインコイル)13と、リターンヨーク14と、磁極凸部121,122,123,124と、取出し用セプタム電磁石40と、ビーム取出し経路(ビーム出射経路)140と、高周波加速空洞21,22と、ビーム離脱装置としての内蔵コイル28,28Aが設けられている。
As shown in FIG. 3, the interior of the
主電磁石11の内部には円筒状内壁で形成される円筒状の内部空間20があり、この内部空間20内に円環状のコイル13が円筒状内壁に沿って設置されている。コイル13に電流を流すことによって主電磁石11が磁化し、主電磁石11の内部に所定の分布で磁場が励起される。
Inside the
コイル13の外側には円筒状のリターンヨーク14が設けられている。
A
磁極凸部121,122,123,124はコイル13の内側に形成されている。
The
加速器1では、主電磁石11の内部空間20中をビームが周回し、加速する。取出しビームのエネルギーは最小70MeVから最大235MeVであり、ビームの周回周波数は19.82MHzである。磁極凸部121,122,123,124によってビームの軌道に沿って4組の凹凸磁極が形成され、ビームに作用する磁場は凹部では低磁場、凸部では高磁場となる。このようにビーム軌道に沿って磁場の強弱をつけ、さらに軌道に沿った磁場の平均値をビームの相対論的γファクターに比例させることで、周回ビームの周回時間をエネルギーに依らず一定としつつ、ビームの軌道面内と軌道面に対して垂直な方向に対して安定にベータトロン振動する。
In the
本実施例の加速器1では、ビームはビーム入射用貫通口115の出口側である入射点130から30keV程度のエネルギーで入射される。入射されたビームは後述する高周波加速空洞21,22の内部の加速ギャップ23,24(図8等参照)を通過する毎に加速される。この加速器1はビームの加速に従ってビームの軌道中心が同一面内上で一方向に移動するようにビーム軌道を定めている。従って、中心面において磁場は面内成分が0となるように、磁極形状とコイル配置は中心面に対して鏡面対称としている。また、磁場分布は中心面内の軸AA’に対して左右対称の分布とする必要があるため、この結果、図3に示すように、上面から見たときに、磁極凸部121と磁極凸部124とが、磁極凸部122と磁極凸部123とがそれぞれ左右対称の構造となっている。また、磁極凸部121と磁極凸部122とが、磁極凸部123と磁極凸部124とがそれぞれ上下非対称の構造となっている。このような磁極凸部の構成により、本実施例の加速器1のビーム周回軌道は、後述する図4等にも示すように、周回中心が加速器1の中心からずれた偏心軌道となっている。
In the
磁極凹部(バレー)には高周波電場を励起する高周波加速空洞21,22や、取出し用セプタム電磁石40が備えられている。
The magnetic pole recess (valley) is provided with high-
内部が中空となる高周波加速空洞21は磁極凸部121と磁極凸部122との間に配置され、内部が中空となる高周波加速空洞22は磁極凸部123と磁極凸部124との間に配置されている。高周波加速空洞21,22は軸AA’に対して左右対称に配置されており、高周波電源(図示省略)により外部から高周波を加えるようになっている。この高周波により発生した電場を用いて高周波電極3はイオン源4から引き出されたイオンビームを加速する。
The hollow high-
高周波加速空洞21,22は、またディー電極25を内蔵している。更に、そのディー電極25の内部にマスレスセプタム電磁石を構成する内蔵コイル28,28Aをそれぞれ内蔵しており、加速用の高周波電場のほかに、ビーム軌道面に対し垂直な方向に磁場を発生させる。内蔵コイル28,28Aは、コイル13の半径方向の複数の位置でビームをビーム周回軌道から離脱させてビーム取出し経路140へ導くための偏向磁場を発生させるビーム離脱装置を構成する。
The high-
各磁極凸部121,122,123,124には磁場の微調整用のトリムコイル(図示省略)が設けられており、等時性とベータトロン振動の安定を確保するように運転前にトリムコイルで磁場を調整する。
Each of the
取出し用セプタム電磁石40は、ビームをビーム取出し経路140上の定められた設計軌道に乗せるのに必要な偏向をビームに対して与えるための電磁石である。具体的には、主電磁石11が励磁する磁場を打ち消す方向の磁場を励起し、ビーム取出し経路140にビームを導いている。なお、取出し用セプタム電磁石40に替えて、電場でビームを偏向する静電セプタムを用いることもできる。
The
ビーム取出し経路140は、ビームを外部に取り出すための経路であり、主電磁石11に形成された取出しビーム用貫通口111によって構成される。
The
次に、本実施例の加速器1のビーム軌道の構成について述べる。各エネルギーのビームの軌道を図4に示す。図4では、周回軌道は最大エネルギー235MeVから磁気剛性率0.04Tmおきに50エネルギー分の軌道を実線で示している。点線は各軌道の同一の周回位相を結んだ線であり、等時性線と呼ぶ。等時性線は集約領域から周回位相π/18ごとにプロットしている。
Next, the configuration of the beam trajectory of the
図4に示すように、本実施例の加速器1では、50MeV以下の低エネルギー領域で従来型のAVF(Azimuthally Varying Field:方位角方向変動磁場)サイクロトロン同様にイオンの入射点付近を中心とする軌道となっている。これに対し、50MeVよりも大きなエネルギーの軌道は取出し用セプタム電磁石40の入射点近くで最も密に集まっている。この軌道が密に集まっている領域を集約領域と呼ぶ。本実施例の加速器1では、加速ギャップは等時性線に沿って設置される。
As shown in FIG. 4, in the
上記のような軌道構成と軌道周辺での安定なベータトロン振動を生じさせるために、本実施例の加速器1は、ビームの軌道に沿って磁場の極小と極大が一周当たり4回現れる磁場分布を採用している。図5に軌道に沿った磁場分布を示す。図5はエネルギー235MeV,200MeV,150MeV,70MeV,7.5MeVの軌道に沿った磁場分布をそれぞれ示しており、横軸は各軌道において1周を2として規格化した軌道方向距離、縦軸は磁場である。
In order to generate the above-mentioned orbit configuration and stable betatron oscillation around the orbit, the
図5に示すように、エネルギーに対して平均的な磁場を上げつつ、振幅を適切に定めることで本実施例の加速器1のような偏心した軌道配置においても等時性かつベータトロン振動する磁場分布を実現することができる。
As shown in FIG. 5, while increasing the average magnetic field with respect to energy, by appropriately setting the amplitude, even in an eccentric orbit arrangement such as the
また、中心面上の磁場分布を等磁場線図として図6に示す。図6は最大磁場2.2T、最小磁場0.86Tの間を32段階に分けて等磁場線で表現している。図3、図4および図6の破線で示した円は半径1494mmの円であり、この内部に全エネルギーの軌道が内包されている。 FIG. 6 shows the magnetic field distribution on the center plane as an isomagnetic field diagram. In FIG. 6, the interval between the maximum magnetic field of 2.2T and the minimum magnetic field of 0.86T is represented by isomagnetic field lines in 32 steps. The circles indicated by broken lines in FIGS. 3, 4 and 6 are circles having a radius of 1494 mm, and contain the orbit of the total energy.
以上の条件のもと、軌道周りのベータトロン振動数(チューン)の評価した結果を図7に示す。軌道上の磁場と前後のエネルギーの磁場から得られる磁場勾配を元にチューンを計算した。 FIG. 7 shows the results of evaluating the betatron frequency (tune) around the orbit under the above conditions. The tune was calculated based on the magnetic field gradient obtained from the orbital magnetic field and the magnetic field of the energy before and after.
図7に示すように、低エネルギーにおいては水平チューンがほぼ1であり、加速とともに大きくなっていくことが分かった。また軌道面に垂直な方向のチューン(垂直チューン)は低エネルギーではほぼ0であり、全エネルギー領域で0以上0.5未満の範囲に存在することが分かった。 As shown in FIG. 7, it was found that the horizontal tune was almost 1 at low energy, and increased with acceleration. It was also found that the tune in the direction perpendicular to the orbital plane (vertical tune) is almost 0 at low energy, and exists in the range of 0 or more and less than 0.5 in the entire energy region.
これらの結果から、特にビームが低エネルギーであり水平チューンが1に近いときは、ビームをキックした位置から90度離れた場所、つまり1/4周だけビームが周回したところでビームの水平方向変位が最大となることが分かる。そこで、ビームを取出す集約領域から90度離れた2か所のバレーにそれぞれ設置する高周波加速空洞21,22の内部にビーム離脱装置としてマスレスセプタム電磁石を構成する内蔵コイル28,28Aを配置することによって、内蔵コイル28,28Aの発生する偏向磁場によってキックを受けたビームが集約領域において最大の変位が得られる状態となることが分かる。つまり、マスレスセプタム電磁石に必要となる起磁力が小さくて済むことが分かる。
From these results, especially when the beam has low energy and the horizontal tune is close to 1, the horizontal displacement of the beam at a
次に高周波加速空洞21,22の構造を図8乃至図11を用いて説明する。図8は高周波加速空洞22の内部構造を示す。
Next, the structure of the high-
高周波加速空洞22に対して外部より高周波電力を供給することで、空洞外壁29とディー電極25の間に形成される加速ギャップ23,24に高周波電場が形成される。空洞外壁29には加速ギャップ23,24の近辺においてビームの貫通孔が設けられている(図示省略)。ビームは加速ギャップ23,24を適切な高周波電場位相で通過することで加速される。ディー電極25は、中空円筒形状のステム26,27により支持されている。高周波加速空洞22はビーム軌道面に対して上下対称な構造である。
By supplying high-frequency power to the high-
高周波加速空洞21も、高周波加速空洞22と左右対称な構造となっており、ビーム軌道面に対して上下対称な構造である。高周波加速空洞21でも、外部より高周波電力を供給することで空洞外壁29とディー電極25の間に加速ギャップ23,24が形成され、ビームが加速される。
The high-
図9はビーム軌道面からディー電極25側を見た高周波加速空洞22の断面図である。図9に示すように、ディー電極25の中には、内蔵コイル28が配置されており、ディー電極25とは絶縁体を介して接続されている。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the high-
内蔵コイル28は、たとえばホローコンダクタ(空芯の線)を用いて形成された複数の電流経路(コイル28a,28c,28e,28g,28i,…)をビーム軌道に対してほぼ平行な方向に設置したものからなり、いわゆるマスレスセプタム電磁石を構成する。図9では図示の都合上5つのコイルを示しているが、設けるコイルの数は5つに限られず、所望の数のコイルを設けることができる。
The built-in
この複数のコイル28a,28c,28e,28g,28i,…のうち任意のコイルに対して電流を流すことで、対応するエネルギーのビーム軌道近辺に局所的に偏向磁場を発生させることができる。これにより、磁場の印加領域を局在化し、特定のエネルギーのビームのみをキックして所定の設計軌道からビームをずらし、取出し用セプタム電磁石40に効率よくビームを導入することができる。
By passing a current to an arbitrary coil among the plurality of
図10は図8のB−B’断面図を示している。内蔵コイル28の各々のコイル28a,28c,28e,28g,28i,…の口出し線30は、ステム26,27の内部を通して高周波加速空洞22外部へと導かれ、電源および水冷装置に接続されている。内蔵コイル28を形成するホローコンダクタはその内部に冷却水が流されていることで水冷されているため、内蔵コイル28自身の発熱のみならず、ディー電極25の発熱も冷却することができる。
FIG. 10 is a sectional view taken along the line B-B 'of FIG. The
図11に示すように、高周波加速空洞21の内部にも、ディー電極25の内側にホローコンダクタを用いて形成された複数の電流経路(コイル28b,28d,28f,28h,28j,…)をビーム軌道に対してほぼ平行な方向に設置した内蔵コイル28Aが配置されている。高周波加速空洞21内に配置された内蔵コイル28Aが発生する偏向磁場の極性は高周波加速空洞22内に配置された内蔵コイル28が発生する偏向磁場の極性と逆にする。これにより、等時性磁場からのBL積変動分が相殺され等時性がより長い時間保たれる。よって、偏向磁場強度が弱くとも、加速器1内を複数回周回させた後にキックすることでビームを取出すことができる。なお、図11はビーム軌道面からディー電極25側を見た高周波加速空洞21の断面図であり、図示の都合上5つのコイルを示しているが、設けるコイルの数は5つに限られず、所望の数のコイルを設けることができる。
As shown in FIG. 11, a plurality of current paths (
内蔵コイル28Aの各々のコイル28b,28d,28f,28h,28j,…の口出し線30も、ステム26,27の内部を通して高周波加速空洞21外部へと導かれ、電源および水冷装置(いずれも図示省略)に接続されている。内蔵コイル28Aを形成するホローコンダクタもその内部を水冷することで、内蔵コイル28Aとディー電極25の発熱を同時に冷却することができる。
The
なお、図9に示す内蔵コイル28と図11に示す内蔵コイル28Aとでは、対応するエネルギーのビーム軌道は左右対称としてもよいし、コイル28cとコイル28bとが、コイル28eとコイル28dとが、コイル28gとコイル28fとが、コイル28iとコイル28hとが、それぞれ対応するような1つずつずれた左右非対称とすることも可能である。
In addition, in the built-in
また、内蔵コイル28,28Aは、主磁場分布を乱さないように空芯構造とするが、その場合は鉄心を入れた場合よりも偏向磁場31の立上り時間が短くできるため、スキャニング照射など高速なエネルギー切替が要求されるケースに適している。しかし、内蔵コイル28,28Aに通電する電流の立上り時間を短くするほどディー電極25の表皮付近に大きな渦電流が発生し、偏向磁場31の応答性に遅れが生じることが懸念される。このため、高周波電流を遮らずに渦電流のみを遮断するために、ディー電極25の表面に加速器1の径方向に図3に示すようなスリット25aを入れることができる。このスリット25aはディー電極25の表面に少なくとも一本設けることができる。
The built-in
ディー電極25の内部は加速ギャップ23,24の近傍以外であれば高周波電磁場が遮蔽されるため、内蔵コイル28,28Aを通じて高周波電流が高周波加速空洞21,22の外部に漏えいする量は僅少であり通常は問題とはならない。しかし、低周波のコイル電流は通すが加速RFなどの高周波は通さない(外に漏らさない)ことを目的として、内蔵コイル28,28Aの口出し線30と電源との間に図10に示すような高周波フィルタ33を更に設けることで、高周波電流の漏えい量をさらに低減することができる。この高周波フィルタ33は、直列インダクタ、あるいは直列インダクタと並列キャパシタの併用により構成される、ごく一般的なローパスフィルタとすることができる。
Since the high-frequency electromagnetic field is shielded inside the
次に、本実施例の効果について説明する。 Next, effects of the present embodiment will be described.
上述した本実施例の粒子線照射装置100は、加速器1と、加速器1から出射されたビームを照射する照射装置70と、を備えており、加速器1は、環状のコイル13と、互いに対向して設置された、その間に磁場を形成する2つの主電磁石11と、ビームを加速する高周波加速空洞21,22およびディー電極25と、ビームを外部に取り出すビーム取出し経路140と、ディー電極25内に配置され、コイル13の半径方向の複数の位置でビームをビーム周回軌道から離脱させてビーム取出し経路140へ導くための偏向磁場を発生させる内蔵コイル28,28Aからなるビーム離脱装置と、を備えたものである。そしてこのような加速器1から少なくとも1種類のエネルギーのビームを取り出す。
The above-described particle
このような構成であることで、高周波加速空洞21,22内のディー電極25内に配置された内蔵コイル28,28Aによって発生させる偏向磁場により所定のエネルギーのビームを連続的に取り出すことができる。そのため、デグレーダ等の余分な構成をビーム軌道上に設けることなく、所定エネルギーのビームが連続的に得られる。そのため、ビームの利用効率の低下やビームサイズ増加、不要な2時粒子の増加、加速器1の大型化などの問題がない加速器1が得られる。また、高周波加速空洞21,22部分がビームの加速と取出しの機能を兼用するため、加速器1の省スペース化にも寄与する、との効果も奏する。
With such a configuration, a beam having a predetermined energy can be continuously extracted by the deflection magnetic field generated by the built-in
ここで、デグレーダや特許文献1のようなフォイルを用いずに様々なエネルギーのビームを取出す方法として、国際公開2016/092622号の方法が提案されている。この方法で用いる加速器は、凹凸形状の主電磁石磁極を有する点は従来型のAVFサイクロトロンと同様であるが、イオン入射部位置を加速器の中心軸からずらして軌道を偏心させ、エネルギーが異なる複数のビーム周回軌道がビーム出射経路の入口において集束するように主磁場分布を調整している。そして、ビーム出射経路の入口の180度反対側に位置する主電磁石磁極凹部(バレー)にビーム離脱装置として偏向電磁石装置を設置し、特定エネルギーのビーム軌道にのみ偏向磁場が作用するよう制御している。
Here, as a method of extracting beams of various energies without using a foil as in a degrader or
国際公開2016/092622号に記載されたような加速器であれば、そのエネルギーのビームのみがビーム出射経路より取出される。このように軌道集束部分からビームを取出すため、従来型のサイクロトロンに対して、取出しの際にビームの水平方向移動量が少なくて済む、との利点がある。 With an accelerator as described in WO 2016/092622, only a beam of that energy is extracted from the beam exit path. Since the beam is extracted from the orbital focusing portion in this way, there is an advantage that the amount of horizontal movement of the beam at the time of extraction is smaller than that of the conventional cyclotron.
しかしながら、上述した国際公開2016/092622号の構成では、特に低エネルギー領域でビーム軌道面に平行な方向のベータトロン振動数(水平チューン)が1に近い値であるため、出射経路の入り口の180度反対側にあたる位置においてビームに摂動を与えたとしても、ビームの水平方向移動量が最大となるのはビーム出射経路の入り口のおおよそ90度手前の位置となる。したがって、最大の移動量が得られる位置で取り出せないため、偏向電磁石の磁場強度が余分に必要となる、との問題がある。 However, in the configuration of WO 2016/092622 described above, the betatron frequency (horizontal tune) in the direction parallel to the beam orbital plane is a value close to 1 particularly in the low energy region, so that the 180 Even if the beam is perturbed at a position on the opposite side, the maximum horizontal movement of the beam is at a position approximately 90 degrees before the entrance of the beam exit path. Therefore, there is a problem that extra magnetic field strength of the bending electromagnet is required because the magnetic field cannot be extracted at a position where the maximum movement amount can be obtained.
また、ビーム取出し用の偏向電磁石は、狭隘な主電磁石磁極のギャップに設置する必要があるため、大型化が難しく磁場強度が不足しがちとなる。このため、偏向電磁石を作動させたのちにビームを半周で取出すのは困難である。これに対し、複数回周回させながら偏向磁場で複数回キックすることで取出すほうが容易であり、そのような対策を取ることも考えられる。しかし、ビーム取出し用の偏向電磁石を1か所に設置するのでは、偏向磁場により等時性の条件が失われるため、複数回周回するうちにビームが加速されずに、所望のエネルギーのビームを得ることが難しくなる、との憾みがある。 In addition, since the bending electromagnet for extracting a beam needs to be installed in a narrow gap between the main electromagnet poles, it is difficult to increase the size and the magnetic field strength tends to be insufficient. For this reason, it is difficult to extract the beam in half a circle after operating the bending electromagnet. On the other hand, it is easier to take out by kicking a plurality of times with the deflection magnetic field while making multiple rounds, and such measures can be taken. However, if the deflection electromagnet for extracting the beam is installed at one place, the isochronous condition is lost due to the deflection magnetic field. I regret that it will be difficult to obtain.
しかしながら、本実施例の加速器1では高周波加速空洞21,22内のディー電極25内に配置された内蔵コイル28,28Aによって所定のエネルギーのビームを取り出すため、少ない起磁力の偏向磁場コイルを用いても、取出し用の偏向磁場強度を低く抑えることができるとともに、等時性の条件を満たしつつ広い範囲のエネルギーのビームを連続的に高効率で取出すことができる。
However, in the
また、内蔵コイル28,28Aは、空芯の線を用いたマスレスセプタム電磁石であるため、主磁場分布を乱さずに、鉄心を入れた場合よりも偏向磁場31の立上り時間を短くすることができ、スキャニング照射など高速なエネルギー切替が要求される粒子線照射装置に好適な加速器とすることができる。また、その内部を水冷できるため、内蔵コイル28自身の発熱のみならず、ディー電極25の発熱も冷却することができ、効率的な冷却が可能となる。
Further, since the built-in
更に、内蔵コイル28,28Aはディー電極25内部に複数設置され、内蔵コイル28,28Aの口出し線30がディー電極25を支持するステム26,27の内部を通して高周波加速空洞22,21の外部に導かれたことで、省スペースでありながら、デグレーダ等の余分な構成をビーム軌道上に設けることなく、より容易に所定エネルギーのビームを連続的かつ効率的に取出すことが可能となる。
Further, a plurality of built-in
また、ビーム周回軌道は、周回中心が加速器1の中心からずれた偏心軌道であることにより、周回するビームの軌道が集約領域で集約されていることから、集約していない軌道に比べて少ない局所磁場で取出し用セプタム電磁石40まで偏向させることができ、取出しが非常に容易となる。特に、集約領域ではビーム周回軌道相互の間隔は従来に比べて狭くなっているため、イオンビームのエネルギーが広範囲にわたっていても、内蔵コイル28,28Aで発生させる磁場を用いることにより所定のエネルギーのイオンビームを集約領域側の取出し用セプタム電磁石40に向けて安定、かつ容易に偏向させることができる。
Further, since the orbit of the beam is an eccentric orbit whose center of rotation is deviated from the center of the
加速器では、高周波加速空洞やビーム出射経路の入口は、空間に余裕がある磁極凹部(バレー)に配置されることが一般的である。そこで、高周波加速空洞22,21等をビーム取出し経路140の入り口よりビーム進行方向に沿って90度手前と90度進んだ位置に配置することで高周波加速空洞21,22を左右対称に設置し、周回ビームをキックすることができ、水平チューンが1に近い値であるときに最大のビーム移動量が得られる位置でビームを取出すことができる。したがって、より少ない偏向磁場強度でもより効率的にビームを取出すことができる。
In an accelerator, the entrance of a high-frequency accelerating cavity or a beam exit path is generally arranged in a magnetic pole recess (valley) having a sufficient space. Therefore, the high-
また、高周波加速空洞22内の内蔵コイル28で発生される偏向磁場の極性と高周波加速空洞21内の内蔵コイル28Aで発生させる偏向磁場の極性を逆とすることで、等時性磁場からのBL積変動分が相殺され、等時性をより長く保つことができる。よって、偏向磁場強度が弱くとも複数回周回させてキックすることでビームを取出すことができる。
Further, by reversing the polarity of the deflection magnetic field generated by the built-in
また、ディー電極25は、コイル13の半径方向にスリット25aが設けられていることにより、ディー電極25の表面に渦電流が生じたとしてもこれを遮断することができ、内蔵コイル28,28Aに通電する電流の立上り時間を短くしても偏向磁場31の応答性に遅れが生じることを抑制することができる。
Further, since the
更に、内蔵コイル28,28Aの電源と口出し線30との間に、高周波フィルタ33を更に設けたことで、内蔵コイル28,28Aを通じて高周波加速空洞21,22の外部に漏えいする高周波電流の量をより低減することができる。
Further, by providing a
また、偏向磁場の印加後にビームを加速器1内を複数回周回させた後に取出すことにより、偏向磁場強度が弱くても所定のエネルギーのビームをより容易に取り出すことができる。 Further, by taking out the beam after rotating the inside of the accelerator 1 a plurality of times after the application of the deflecting magnetic field, it is possible to more easily take out the beam having the predetermined energy even if the deflecting magnetic field intensity is weak.
<その他>
なお、上記の実施例はあくまでも一例に過ぎず、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、発明の内容を上記具体的態様に限定する趣旨ではない。発明自体は、上記実施例以外にも種々の形態に変形させることが可能である。
<Others>
The above embodiment is merely an example, and has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not intended to limit the contents of the invention to the above specific embodiments. The invention itself can be modified into various forms other than the above embodiment.
例えば、本実施例では計4個の磁極凸部121,122,123,124を使用している場合を例に説明したが、磁極は2極以上であれば制限はない。
For example, in the present embodiment, a case where a total of four
また、ビーム離脱装置は、ビームを加速する高周波加速空洞21,22内に配置されているが、ビーム離脱装置を更に加速器1内に配置することができる。例えば、磁極凸部122と磁極凸部123との間の磁極凹部にマスレスセプタム電磁石を更に配置することができ、更に他の箇所にマスレスセプタム電磁石を配置することができる。
Further, the beam detachment device is arranged in the high-
1…加速器
11…主電磁石
12…イオン源
13…コイル(メインコイル)
14…リターンヨーク
20…内部空間
21,22…高周波加速空洞
23,24…加速ギャップ
25…ディー電極
25a…スリット
26,27…ステム
28,28A…内蔵コイル
28a,28b,28c,28d,28e,28f,28g,28h,28i,28j…コイル
29…空洞外壁
30…口出し線
31…偏向磁場
33…高周波フィルタ
40…取出し用セプタム電磁石
60…ビーム輸送系
70…照射装置
80…制御装置
90…治療台
95…患者
100…粒子線照射装置
111…取出しビーム用貫通口
112…コイル接続用貫通口
114…高周波電力入力用貫通口
115…ビーム入射用貫通口
121,122,123,124…磁極凸部
130…入射点
140…ビーム取出し経路(ビーム出射経路)
DESCRIPTION OF
14
Claims (11)
互いに対向して設置された、その間に磁場を形成する2つの鉄心と、
ビームを加速する電極と、
ビームを外部に取り出すビーム出射経路と、
前記電極内に配置され、前記メインコイルの半径方向の複数の位置で前記ビームをビーム周回軌道から離脱させて前記ビーム出射経路へ導くための偏向磁場を発生させる内蔵コイルからなるビーム離脱装置と、を備えた
ことを特徴とする加速器。 An annular main coil,
Two iron cores installed opposite each other and forming a magnetic field between them,
An electrode for accelerating the beam,
A beam exit path for extracting the beam to the outside,
A beam detachment device that is disposed in the electrode and includes a built-in coil that generates a deflection magnetic field for detaching the beam from a beam orbit at a plurality of positions in the radial direction of the main coil and guiding the beam to the beam emission path. An accelerator comprising:
前記内蔵コイルは、空芯の線を用いたマスレスセプタム電磁石である
ことを特徴とする加速器。 The accelerator according to claim 1,
The accelerator according to claim 1, wherein the built-in coil is a massless septum electromagnet using an air-core wire.
前記電極は、高周波加速空洞とディー電極から構成され、
前記内蔵コイルは、前記ディー電極の内部に複数設置され、
前記内蔵コイルの口出し線が前記ディー電極を支持するステムの内部を通して前記高周波加速空洞の外部に導かれた
ことを特徴とする加速器。 The accelerator according to claim 2,
The electrode is composed of a high-frequency accelerating cavity and a Dee electrode,
A plurality of the built-in coils are installed inside the dee electrode,
An accelerator, wherein a lead wire of the built-in coil is guided to the outside of the high-frequency acceleration cavity through the inside of a stem supporting the dee electrode.
前記ビーム周回軌道は、周回中心が前記加速器の中心からずれた偏心軌道である
ことを特徴とする加速器。 The accelerator according to claim 1,
The beam orbital trajectory is an eccentric orbit in which a circling center is deviated from a center of the accelerator.
前記電極は、前記ビーム出射経路の入り口よりビーム進行方向に沿って90度手前と90度進んだ位置に配置された
ことを特徴とする加速器。 The accelerator according to claim 1,
The accelerator, wherein the electrode is disposed at a position 90 degrees before and 90 degrees along a beam traveling direction from an entrance of the beam exit path.
前記電極内の前記内蔵コイルは、発生させる前記偏向磁場の極性が逆である
ことを特徴とする加速器。 The accelerator according to claim 5,
The accelerator according to claim 1, wherein the built-in coil in the electrode has a polarity of the deflection magnetic field generated opposite to that of the generated deflection magnetic field.
前記ディー電極は、前記メインコイルの半径方向にスリットが設けられている
ことを特徴とする加速器。 The accelerator according to claim 3,
The accelerator, wherein the dee electrode is provided with a slit in a radial direction of the main coil.
前記内蔵コイルの電源と前記口出し線との間に、高周波フィルタを更に設けた
ことを特徴とする加速器。 The accelerator according to claim 3,
An accelerator, wherein a high-frequency filter is further provided between a power supply of the built-in coil and the lead wire.
前記加速器から出射された前記ビームを照射する照射装置と、を備えた
ことを特徴とする粒子線照射装置。 An accelerator according to claim 1;
And an irradiation device for irradiating the beam emitted from the accelerator.
請求項1に記載の加速器から少なくとも1種類のエネルギーのビームを取り出す
ことを特徴とするビームの取出し方法。 A method for extracting a beam from an accelerator,
A method for extracting a beam, comprising: extracting a beam of at least one kind of energy from the accelerator according to claim 1.
前記偏向磁場の印加後に前記ビームを前記加速器内を複数回周回させた後に取出す
ことを特徴とするビームの取出し方法。 The method for extracting a beam according to claim 10,
A method for extracting a beam, comprising: after applying the deflection magnetic field, extracting the beam after orbiting the inside of the accelerator a plurality of times.
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