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WO2018173240A1 - 円形加速器 - Google Patents

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孝道 青木
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株式会社日立製作所
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    • H05H2277/10—Medical devices
    • H05H2277/11—Radiotherapy

Definitions

  • the present invention relates to an accelerator for accelerating heavy ions such as protons or carbon ions.
  • High energy nuclear beams used in particle beam therapy and physical experiments are generated using an accelerator.
  • Examples of the accelerator that obtains a beam having a kinetic energy per nucleon of around 200 MeV include the cyclotron described in Patent Document 1 and Patent Document 2, the synchrotron described in Patent Document 3, and the variable energy accelerator described in Patent Document 4.
  • the cyclotron is characterized by the fact that the beam that circulates in a static magnetic field is accelerated by a high-frequency electric field. As the beam is accelerated, the radius of curvature of its orbit increases, moves to the outer orbit, and is extracted after reaching the highest energy. . Therefore, the energy of the beam to be extracted is fixed.
  • the synchrotron changes the frequency of the magnetic field of the electromagnet that deflects the beam and the frequency of the high-frequency electric field that accelerates the beam, so that the beam goes around a fixed orbit. Therefore, it is possible to extract the beam before reaching the design maximum energy, and the extraction energy can be controlled.
  • the variable energy accelerator is characterized in that the beam trajectory is decentered in one direction as it accelerates while accelerating the beam that circulates in the magnetic field with a high-frequency electric field like the cyclotron.
  • JP 2014-160613 A JP 2014-020800 A JP 2014-186939 A International Publication No. 2016-092621
  • the cyclotron described in Patent Document 1 and the variable energy accelerator described in Patent Document 4 make the orbiting time constant regardless of energy by making the average magnetic field in orbit proportional to the relativistic ⁇ factor of the beam.
  • a magnetic field distribution having this property is called an isochronous magnetic field.
  • the magnetic field is modulated along the orbit to ensure beam stability in the orbital plane and in the direction perpendicular to the orbital plane.
  • the magnetic field maximum (Hill) and minimum (Valley) are necessary.
  • a non-uniform magnetic field with this distribution can be formed by making the distance (gap) between the opposing magnetic poles of the main electromagnet narrow in the Hill region and wide in the Valley region.
  • the difference between the Hill magnetic field and the Valley magnetic field is limited to the saturation magnetic flux density of the magnetic pole material which is a ferromagnetic material. That is, the difference between the Hill magnetic field and the Valley magnetic field is limited to about 2T.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above-described problems.
  • a pair of magnets that form a magnetic field between them, an ion source that makes ions enter between the magnets, and the ions are included.
  • the acceleration electrode modulates the frequency of the high-frequency electric field applied to the ions by the beam orbit.
  • a small and variable energy accelerator is provided.
  • the accelerator 1 of this embodiment is a frequency modulation type variable energy accelerator having variable energy characteristics.
  • the accelerator 1 is a circular accelerator that accelerates protons that circulate in a temporally constant magnetic field with a high-frequency electric field. The appearance is shown in FIG.
  • the accelerator 1 excites a main magnetic field in a region through which a beam passes (hereinafter referred to as a beam passage region) by a magnet 11 that can be divided vertically, and the inside of the beam passage region is evacuated.
  • the magnet 11 has a plurality of through-holes.
  • the extraction beam through-hole 111 for extracting the accelerated beam, the extraction openings 112 and 113 for extracting the internal coil to the outside, and the high-frequency power input through-hole 114 are the upper and lower magnetic poles. It is provided on the connection surface.
  • the high frequency cavity 21 is installed through the through hole 114 for high frequency power input.
  • the high-frequency cavity 21 is provided with an acceleration dee electrode portion and a rotary variable capacitor 212 as will be described later.
  • An ion source 12 is installed on the magnet 11 at a position shifted from the center and at a different position in the radial direction, and a beam is incident on the accelerator 1 through the beam entrance through-hole 115.
  • a cylindrical beam passage region 20 formed by a cylindrical inner wall, and an annular coil 13 is installed along the inner wall.
  • the magnet 11 By passing a current through the coil 13, the magnet 11 is magnetized, and a magnetic field is excited in the beam passage region 20 with a predetermined distribution described later.
  • a magnetic pole 15 is vertically opposed to the inside of the coil 13 so as to form an upper and lower boundary of the beam passage region 20, and a cylindrical return yoke 14 is provided on the outer side of the coil 13.
  • the beam accelerates while circling around the beam passage region 20.
  • the extraction beam energy is a minimum of 70 MeV to a maximum of 235 MeV, and the circular frequency of the beam is 59 to 76 MHz.
  • the magnetic field formed by the magnetic pole 15 is uniform along the trajectory of the beam and has a distribution such that the magnetic field decreases as the energy increases. That is, a magnetic field is formed such that the radially outer magnetic field decreases. Under such a magnetic field, betatron oscillation is stably performed in the orbital plane of the beam and in the direction perpendicular to the orbital plane.
  • D electrodes 31 and 32 for exciting a high-frequency electric field, a septum electromagnet 40 for extraction, a coil 50 for generating a kicker magnetic field, and a coil 60 for adjusting a magnetic field distribution are provided.
  • the kicker magnetic field employs a massless septum system in which a magnetic field is applied only to a specific position in the radial direction of the accelerator, as will be described later.
  • a kicker magnetic field is excited by passing a current through a pair of coils arranged symmetrically in a plane perpendicular to the beam trajectory plane.
  • the beam is incident on the accelerator 1 in the form of low energy ions from the incident point 120.
  • the incident beam is accelerated every time it passes through the electric field gap by the high frequency electric field excited by the high frequency cavity.
  • the accelerator 1 determines the main magnetic field distribution so that the beam trajectory center moves in one direction on the same plane as the beam is accelerated.
  • the magnetic pole shape and the coil arrangement are plane-symmetric with respect to the central plane so that the main magnetic field has zero in-plane component on the central plane.
  • the shapes of the magnetic pole 15 and the Dee electrodes 31 and 32 are symmetrical.
  • the magnetic pole 15 is provided with a trim coil 60 for fine adjustment of the magnetic field, and the trim coil current is adjusted before operation so as to ensure the stability of the betatron oscillation.
  • the trajectory of the beam that goes around the accelerator will be described.
  • the trajectory of each energy is shown in FIG.
  • the trajectory of 50 energy types is shown by a solid line from the maximum energy of 235 MeV every magnetic rigidity of 0.04 Tm.
  • the dotted line is a line connecting the same circular phase of each orbit and is called an equal circular phase line.
  • the iso-circular phase line is plotted for each of the circular phases ⁇ / 20 from the aggregation region.
  • the acceleration gap formed between the high-frequency cavities 31 and 32 and the grounded electrode 35 facing each other is installed along the same-circular phase line.
  • the orbit centered around the ion incident point is the same as the cyclotron, but the orbit of energy larger than 100 MeV is densely concentrated near the extraction septum electromagnet entrance point.
  • the tracks are in a positional relationship apart from each other.
  • the points where the orbits are gathered densely are referred to as aggregated regions, and the discrete regions are referred to as discrete regions.
  • the beam spreads over a wide region in the center plane according to the energy.
  • the beam shifted from the predetermined design trajectory by this kick is incident on a septum electromagnet installed in the aggregation region downstream by a half circumference.
  • the septum magnet provides the beam with the deflection necessary to place the extracted beam on a defined design trajectory on the extraction path 140.
  • a magnetic field in the direction of increasing the main magnetic field is excited, and a magnetic field in the direction of canceling out the main magnetic field is excited on the left side, and the beam is guided to the extraction path 140.
  • the accelerator 1 of the present embodiment uses a main magnetic field distribution in which the value of the magnetic field decreases as it goes outward in the deflection radius direction of the designed orbit. Yes.
  • the magnetic field is constant along the design trajectory. Therefore, the design trajectory is circular, and the trajectory radius and round-trip time increase as the beam energy increases.
  • ⁇ represents the deflection radius of the design trajectory
  • B represents the magnetic field strength
  • ⁇ B / ⁇ r represents the magnetic field gradient in the radial direction.
  • the above-described main magnetic field distribution is excited by magnetizing the magnetic pole 15 by passing a predetermined exciting current through the main coil 13.
  • the distance (gap) that the magnetic poles 15 face is the smallest at the incident point and increases toward the outer periphery.
  • the magnetic pole shape is symmetrical with respect to a plane (orbital plane) passing through the gap center, and has only a magnetic field component in a direction perpendicular to the orbital plane on the orbital plane.
  • fine adjustment of the magnetic field distribution is performed by adjusting the current applied to the trim coil 20 installed on the magnetic pole surface, thereby exciting a predetermined magnetic field distribution.
  • the high-frequency cavity excites an electric field in the acceleration gap by a ⁇ / 4 type resonance mode.
  • High frequency power is introduced from the external high frequency power source through the coupler 211.
  • the high-frequency cavity is connected to the dee electrodes 31 and 32 inserted in the gap, and a high-frequency electric field is excited between the dee electrodes 31 and 32 and the ground electrode 35.
  • the frequency of the electric field is modulated corresponding to the energy of the beam in the circulation.
  • the control is performed by changing the capacitance of the rotary variable capacitor 212 installed at the end of the cavity.
  • the rotary variable capacitor 212 controls the electrostatic capacity generated between the conductor plate directly connected to the rotary shaft and the external conductor by the rotation angle of the rotary shaft 213. That is, the rotation angle of the rotating shaft 213 is changed with the acceleration of the beam.
  • one or a plurality of coils of the massless septum coil 50 are selected based on the target energy, and a predetermined excitation current flows.
  • the beam of the target energy circulates along the design trajectory when no current is passed through the massless septum coil 50, but when the current is passed through the massless septum coil 50, the beam that has reached the target energy
  • the massless septum coil 50 is deviated from the orbit by a kick magnetic field. As described above, the beam deviated from the trajectory vibrates stably around the design trajectory. That is, the massless septum coil 50 excites betatron vibration in the orbital plane.
  • the position of the kick by the massless septum coil 50 and the position of the aggregation point are in an appropriate positional relationship, the beam can be displaced radially outward at the aggregation point by the kick by the massless septum coil 50.
  • This section describes the behavior of the beam from this accelerator's beam injection to extraction.
  • the operation of this accelerator consists of three steps: injection, acceleration, and extraction.
  • a low-energy beam is output from the ion source 12 arranged at a position different in the radial direction from the center of gravity of the annular coil 13, and is incident on the incident portion 121 that is an inner region of the innermost orbit.
  • the beam is guided to the beam passing region through the incident point 120 located.
  • the beam incident on the beam passage region 20 is accelerated by the high-frequency electric field, and its energy increases and the radius of rotation of the orbit increases.
  • the beam is accelerated while securing the traveling direction stability by the high frequency electric field. That is, it does not pass through the acceleration gap at the time when the high-frequency electric field becomes maximum, but passes through the acceleration gap when the high-frequency electric field decreases with time. Then, since the frequency of the high-frequency electric field and the frequency of the circular beam are synchronized at a ratio of an integral multiple, particles accelerated at the phase of a predetermined acceleration electric field are accelerated at the same phase in the next turn. On the other hand, particles accelerated at a phase earlier than the acceleration phase have a larger amount of acceleration than particles accelerated at the acceleration phase, and therefore are accelerated at a delayed phase in the next turn.
  • the particles accelerated at a phase slower than the acceleration phase have a smaller acceleration amount than the particles accelerated at the acceleration phase, so that they are accelerated at the advanced phase in the next turn.
  • particles at a timing deviating from a predetermined acceleration phase move in a direction to return to the acceleration phase, and by this action, the particles can be vibrated stably even in a phase plane (traveling direction) composed of momentum and phase.
  • This vibration is called synchrotron vibration.
  • the accelerating particles are gradually accelerated while oscillating with synchrotron and reach a predetermined energy to be extracted.
  • the beam that has reached a predetermined energy is subjected to the action of a kick magnetic field caused by the massless septum coil, and is taken out from the accelerator through the exit channel which is the beam extraction path 140 formed by the extraction septum electromagnet from the aggregation point.
  • FIG. 4 is a block diagram of the present accelerator.
  • the main coil 13 is connected to the main coil power supply 131
  • the massless septum coil 50 is connected to the massless septum coil power supply 502 via the switch 501
  • the trim coil 60 is connected to the trim coil power supply 601
  • the high frequency cavities 21 and 22 are connected to the high frequency source 231.
  • the switch 501 has a function of selectively passing a current among a plurality of massless septum coils. Each switch and power source are connected to the control device 70, and the connection destination, the output current and the output high frequency are controlled.
  • a servo motor 214 is connected to the rotary shaft 213 of the rotary variable capacitor 212 of the high frequency cavity 21 and is controlled to a predetermined rotation angle in response to an instruction from the control device 70 while receiving feedback from the angle sensor. .
  • the operator inputs the target value of the extraction beam to the control device 70.
  • the control device 70 calculates the massless septum coil / massless septum coil current value through which a current flows from the input energy value.
  • the switch 501 is controlled to connect the predetermined massless septum coil 50 and the massless septum coil power source 502.
  • the output of the power source 502 is controlled so that the calculated excitation current flows through the massless septum coil.
  • the rotation angle of the rotation shaft 213 is adjusted to a value corresponding to the incident time. At this time, the resonance frequency of the high-frequency cavity 21 is the highest during the operation period, and the high-frequency frequency output from the high-frequency source 231 is also the highest.
  • the beam is extracted from the ion source and introduced into the beam passage region 20 through the incident part 120.
  • the frequency of the high frequency output from the high frequency source 231 and the rotation angle of the rotary shaft 213 are kept constant for about 10 turns in the beam circulation time.
  • the process proceeds to an acceleration step, where the high frequency output from the high frequency source 231 and the resonance frequency of the high frequency cavity 21 are gradually lowered while being synchronized.
  • the above-mentioned particles that vibrate in synchrotron vibrate around the acceleration phase determined by the rate of change of the high-frequency frequency and are gradually accelerated. Then, the target energy for extraction is accelerated and extracted.
  • the high frequency output from the high frequency source 213 and the resonance frequency of the high frequency cavity 21 are reset to the values at the time of incidence, and the beam returns to a state where it can be incident. By repeating this operation, a desired amount of a beam having a predetermined energy can be extracted.
  • the controller 70 calculates the exciting current amount of the massless septum coil and the coil through which the current flows from the extracted beam energy input to the controller, and adjusts accordingly.
  • the output current of the switch 501 and the massless septum coil power supply 50 is controlled.
  • the above-described incident process is started.
  • the main magnetic field is a uniform magnetic field along the trajectory of each energy, and the value of the magnetic field can be expressed as a function of the beam energy.
  • FIG. 5 shows the relationship between the energy and the main magnetic field in this example. Near the incident point 120, the magnetic field is highest and is 5T. Further, at 235 MeV which is the maximum extractable energy, it becomes 4.86 T. In this case, the radial magnetic field gradient of the beam trajectory at the convergence point is 0.8 T / m. In this case, the normalized gradient in equation (1) is 0 or more and 1 or less at all points on the orbit, and the stability of the betatron oscillation can be ensured.
  • a magnetic field is formed so that the magnetic field gradient decreases with increasing energy in the inner periphery where the beam trajectory is formed around the incident point, and the magnetic field gradient is substantially linear in the outer peripheral region where the beam trajectory is concentrated in one.
  • FIG. 6 shows the dependency of the circulation frequency. Since the circular frequency of the beam is modulated in the range of 59 to 76 MHz, the high frequency is modulated in synchronization therewith.
  • high-frequency application is controlled so that the frequency gradient decreases with increasing energy in the inner periphery where the beam trajectory is formed around the incident point, and the frequency gradient is substantially linear in the outer peripheral region where the beam trajectory is concentrated on one side.
  • the above configuration and operation procedure realizes a small accelerator that can change the energy of the extracted beam.
  • the magnetic field is reduced with respect to the deflection radius direction of the beam trajectory.
  • the orbits that circulate with the acceleration are displaced in one direction, and an area (aggregation point) where the orbits having different energies are densely aggregated and an area that is sparsely discrete (discrete area) are formed.
  • isochronism since isochronism is lost, it is necessary to change the frequency of the high-frequency electric field excited for beam acceleration in synchronization with the beam acceleration, and the beam becomes pulsed.
  • the acceleration nuclide is a carbon ion in the first example.
  • This accelerator is a frequency modulation type variable energy accelerator capable of extracting carbon ions in the range of kinetic energy of 140 MeV to 430 MeV per nucleon.
  • the operating principle, device configuration, and operation procedure are the same as those in the first embodiment, and will not be described. The differences are the relationship between the magnitude of the orbital radius and the magnetic field and energy, and the relationship between the orbital frequency and energy, and these relationships are shown in FIGS.
  • FIG. 7 shows the trajectory of each energy of the beam circling the accelerator.
  • FIG. 8 shows the relationship between the energy and the main magnetic field in this example.
  • the radial magnetic field gradient of the beam trajectory at the convergence point is 2 T / m.
  • the normalized gradient in equation (1) is 0 or more and 1 or less at all points on the orbit, and the stability of the betatron oscillation can be ensured.
  • FIG. 9 shows the dependency of the circulating frequency in the present embodiment.
  • the circulation frequency of the beam decreases with acceleration. Since the circular frequency of the beam is modulated in the range of 20 to 39 MHz, the high frequency is modulated in synchronization therewith. With the above configuration and operation procedure, a small accelerator that can change the energy of the extracted beam is realized.
  • the third embodiment is a particle beam therapy system 1000 using the accelerator 1 mentioned in the first and second embodiments.
  • FIG. 10 shows an overall outline of the particle beam therapy system.
  • the particle beam therapy system includes an accelerator 1, a transport device 2 that transports an accelerated ion beam, an irradiation device 3 that irradiates the transported beam, a positioning device 4 that holds a target that irradiates the beam, and a control device. 71 to 72 and a treatment planning device 6.
  • the energy of a proton beam or carbon beam hereinafter collectively referred to as a particle beam
  • a particle beam the energy of a proton beam or carbon beam (hereinafter collectively referred to as a particle beam) irradiated according to the depth from the body surface of the affected part of the patient 5 placed on the positioning device 4 is set to an appropriate value. Irradiate.
  • the energy of the particle beam to be irradiated is determined by the treatment plan created by the treatment planning device 6.
  • the energy of the particle beam and the dose determined by the treatment plan are sequentially input to the control device 70 via the overall control device 71.
  • the particle beam therapy system can be realized by a procedure of linking with the irradiation control device 72 that controls the irradiation device 3 and irradiating the particle beam again after moving to the next energy at the time of irradiation with an appropriate dose.
  • the energy changer installed in the transport system which is smaller than the conventional accelerator and required by the cyclotron, is not necessary, and the entire system can be reduced in size and cost.

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Abstract

可変エネルギーかつ小型な加速器を提供する。　従来のサイクロトロンでは取り出しビームのエネルギー変更は不可能であり、シンクロトロンでは小型化できなかった。　間に磁場を形成する一対の磁石と、イオンを前記磁石間に入射するイオン源と、前記イオンを加速する加速電極と、前記イオンを外部に取り出すビーム出射経路とを有し、前記一対の磁石によって形成される、異なるエネルギーの前記イオンがそれぞれ周回する環状の複数のビーム周回軌道が一方で集約し、前記加速電極が前記イオンに印加する高周波電場の周波数を前記ビーム周回軌道により変調することを特徴とする。

Description

円形加速器
本発明は陽子または炭素イオン等の重イオンを加速する加速器に関する。
　粒子線治療や物理実験などで使用する高エネルギー原子核ビームは加速器を用いて生成させられる。核子当たりの運動エネルギーが２００ＭｅＶ前後のビームを得る加速器には特許文献１や特許文献２に記載のサイクロトロンや特許文献３に記載のシンクロトロンや特許文献４に記載の可変エネルギー加速器が挙げられる。サイクロトロンの特徴は静磁場中を周回するビームを高周波電場で加速する点であり、加速されるにつれてビームはその軌道の曲率半径を増し、外側の軌道に移動し、最高エネルギーまで到達した後に取り出される。そのため取り出すビームのエネルギーは固定される。シンクロトロンはビームを偏向する電磁石の磁場と加速する高周波電場の周波数を時間的に変化させることでビームは一定の軌道を周回する。そのため、設計上の最大エネルギーに到達する前にビームを取り出すことも可能であり、取り出しエネルギーが制御可能である。可変エネルギー加速器は、サイクロトロン同様磁場中を周回するビームを高周波電場で加速しながらも、ビーム軌道が加速に伴い一方向に偏心していくことが特徴である。
特開２０１４－１６０６１３ 特開２０１４－０２０８００ 特開２０１４－１８６９３９ 国際公開公報２０１６－０９２６２１
　特許文献１に記載のサイクロトロンや特許文献４に記載の可変エネルギー加速器は軌道上の平均磁場をビームの相対論的γファクターに比例させることで、周回の時間をエネルギーに依らず一定としている。この性質を持つ磁場分布を等時性磁場と呼ぶ。さて、等時性磁場下では軌道に沿って磁場を変調させることで軌道面内と軌道面に垂直な方向のビーム安定性を確保している。
　このように、等時性とビームの安定性を両立するためには磁場の極大部(Hill)と極小部(Valley)が必要である。この分布のある非一様な磁場は、主電磁石の対向する磁極間の距離（ギャップ）をHill領域では狭く、Valley領域では広くとることで形成することができる。しかしながら、Hill磁場とValley磁場の差は強磁性体である磁極材料の飽和磁束密度程度が限界である。すなわち、Hill磁場とValley磁場の差は2T程度に制限される。
　一方、加速器を小型化する場合、主磁場を高めて、ビーム軌道の偏向半径を小さくすることが必要であるが、主磁場と前述のHill磁場とValley磁場の差は比例関係にあり、前述の限界が加速器の現実的な大きさを決める要因となっている。よって特に可変エネルギー加速器において、ビーム軌道を加速に伴い一方向に偏心し集約するために要求される磁場の差が障害となり、小型化が困難であるという課題が有った。
　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、間に磁場を形成する一対の磁石と、イオンを前記磁石間に入射するイオン源と、前記イオンを加速する加速電極と、前記イオンを外部に取り出すビーム出射経路とを有し、前記一対の磁石によって形成される、異なるエネルギーの前記イオンがそれぞれ周回する環状の複数のビーム周回軌道が一方で集約し、前記加速電極が前記イオンに印加する高周波電場の周波数を前記ビーム周回軌道により変調することを特徴とする。
　本発明によれば、小型かつ、可変エネルギーの加速器を提供する。
本実施例の加速器１の全体概形である。 本実施例の加速器１の内部機器配置図である。 本実施例の加速器１の設計軌道形状である。 本実施例の加速器１のシステム構成図である。 本実施例の加速器１の主磁場のエネルギー依存性を示すである。 本実施例の加速器１の周回周波数のエネルギー依存性を示すである。 本実施例の加速器２の設計軌道形状である。 本実施例の加速器２の主磁場のエネルギー依存性を示すである。 本実施例の加速器２の周回周波数のエネルギー依存性を示すである。 本実施例の粒子線治療システムの全体概形である。
　本発明の好適な一実施例である実施例１の加速器を図１～図４を用いて以下に説明する。本実施例の加速器１は可変エネルギー性を持つ周波数変調型可変エネルギー加速器である。この加速器１は時間的に一定の磁場中を周回する陽子を高周波電場によって加速する円形加速器である。その外観を図１に示す。加速器１は上下に分割可能な磁石１１によって、ビームが通過する領域（以下、ビーム通過領域と呼ぶ）内に主磁場を励起し、ビーム通過領域内部は真空引きされている。磁石１１には貫通口が複数あり、そのうち加速されたビームを取り出す取り出しビーム用貫通口１１１、内部のコイルを外部に引き出すための引き出し口１１２・１１３、高周波電力入力用貫通口１１４が上下磁極の接続面上に設けられている。高周波電力入力用貫通口１１４を通じて高周波空胴２１が設置されている。高周波空胴２１には後述するように、加速用のディー電極部と回転式可変容量キャパシタ２１２が設置せれている。また磁石１１の上部には中心からずれた位置、径方向の異なる位置にイオン源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。
　次に、加速器の内部構造について図２を用いて説明する。磁石１１の内部は円筒状内壁で形成される円筒状のビーム通過領域２０があり、円環状のコイル１３が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磁石１１が磁化し、ビーム通過領域２０に後述する所定の分布で磁場を励起する。コイル１３の内側には磁極１５が上下対向し、ビーム通過領域２０の上下境界を形成するように設置されており、コイル１３の外側は円筒状のリターンヨーク１４を備える。ビーム通過領域２０中をビームが周回しながら加速する。取り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５９～７６ＭＨｚである。磁極１５によって形成される磁場はビームの軌道に沿って一様、かつ、エネルギーが高くなるにつれ磁場が低下していくような分布を作る。つまり、径方向外側の磁場が低下するような磁場を形成する。このような磁場下においては、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。そのほか、高周波電場を励起するディー電極３１・３２、取り出し用セプタム電磁石４０、キッカ磁場発生用のコイル５０、磁場分布調整用コイル６０が備えられている。キッカ磁場は後に説明するように加速器径方向の特定の位置にのみ磁場を印加するマスレスセプタム方式を採用している。ビーム軌道面に対し垂直な方向に面対称に設置された一対のコイルに電流を流すことでキッカ磁場を励起する。ビームは入射点１２０から低エネルギーのイオンの状態で加速器１に入射される。入射されたビームは高周波空胴によって励起される高周波電場によって電場ギャップ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主磁場分布を定めている。また、中心面において主磁場は面内成分が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面対称としている。主磁場分布は中心面内の軸ＡＡ’に対して左右対称の分布とした結果、磁極１５とディー電極３１・３２の形状は左右対称の形状となっている。磁極１５には磁場の微調整用のトリムコイル６０が設けられており、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電流が調整されている。
　次に、本加速器中を周回するビームの軌道について述べる。各エネルギーの軌道は図３に示す。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エネルギー種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、等周回位相線と呼ぶ。等周回位相線は集約領域から周回位相π／２０ごとにプロットしている。高周波空胴３１・３２と対向する接地された電極３５の間に形成される加速ギャップは等周回位相線に沿って設置される。４ＭｅＶ以下の低エネルギー領域では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をとなるが、１００ＭｅＶよりも大きなエネルギーの軌道は取り出し用セプタム電磁石の入射点近くで密に集まっており、逆にマスレスセプタム５０が設置されている領域では各軌道が互いに離れた位置関係にある。この軌道が密に集まっている点を集約領域、離散した領域を離散領域と呼ぶこととする。離散領域においては中心面内の広い領域にエネルギーに応じてビームが広がっており、マスレスセプタムによる磁場の励磁位置を適当に定めることで、その励磁位置に対応するエネルギーのビームがキックを受ける。このキックによって所定の設計軌道からずらされたビームは半周下流の集約領域に設置されたセプタム電磁石に入射される。セプタム電磁石は取り出すビームを取り出し経路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。具体的には図２において右側に設置されたコイルには主磁場を強める方向の磁場を励起し、左側には主磁場を打ち消す方向の磁場を励起し、取り出し経路１４０にビームを導いている。
　上記のような軌道構成と軌道周辺での安定な振動を生じさせるために、本実施例の加速器１においては設計軌道の偏向半径方向外側に行くにつれ磁場の値が小さくなる主磁場分布を用いている。また、設計軌道に沿って磁場は一定である。よって、設計軌道は円形となり、ビームエネルギーが高まるにつれその軌道半径・周回時間は増大する。
　式(1)に基づき設計軌道について詳細に説明する。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　ここで、ρは設計軌道の偏向半径、Ｂは磁場強度、δＢ/δrは半径方向の磁場勾配を表す。
　式(１)にて定義される規格化された磁場勾配ｎが0より大かつ1未満の時に設計軌道から半径方向に微小にずれた粒子は設計軌道に戻すような復元力を受けると同時に軌道面に対して鉛直な方向にずれた粒子も軌道面に戻す方向に主磁場から復元力を受ける。すなわち、ビームのエネルギーに対して適切に磁場を小さくしていけば、常に設計軌道からずれた粒子は設計軌道に戻そうとする向きに復元力が働き、設計軌道の近傍を振動することになる。これにより、安定にビームを周回・加速させることが可能である。この設計軌道を中心とする振動をベータトロン振動と呼ぶ。
　上述の主磁場分布はメインコイル１３に所定の励磁電流を流すことにより、磁極１５が磁化されることで、励起される。イオンの入射点で磁場を大きくし、外周に向かって磁場を小さくする分布を形成するために、磁極１５が対向する距離(ギャップ)は入射点において最も小さく、外周に向かって大きくなる形状となる。さらに、磁極形状はギャップ中心を通る平面（軌道面）に対して面対称の形状であり、軌道面上においては軌道面に垂直な方向の磁場成分のみを持つ。さらに、磁場分布の微調整を磁極面に設置されたトリムコイル２０に印加する電流を調整することで行い、所定の磁場分布を励起している。
　高周波空胴はλ/4型の共振モードによって加速ギャップに電場を励起させる。外部高周波電源からカプラ２１１を通じて高周波電力が導入される。高周波空胴はギャップに挿入されたディー電極３１・３２に接続され、ディー電極３１・３２から接地電極３５の間に高周波電場が励起される。本発明の加速器においてはビームの周回に同期して高周波電場を励起するために、電場の周波数を周回中のビームのエネルギーに対応して変調させる。本発明に用いられるような共振モードを用いた空胴では共振の幅よりも広い範囲で高周波の周波数を掃引する必要がある。そのために空胴の共振周波数も変更する必要が有る。その制御は空胴の端部に設置された回転式可変容量キャパシタ２１２の静電容量を変化せることで行う。回転式可変容量キャパシタ２１２は回転軸に直接接続された導体版と外部導体との間に生じる静電容量を回転軸２１３の回転角によって制御する。すなわち、ビームの加速に伴い回転軸２１３の回転角を変化させる。
　所定の取り出しビームを目標のエネルギーで取り出すために、マスレスセプタムコイル５０のいずれか一つもしくは複数のコイルが目標エネルギーを元に選択され所定の励磁電流が流される。目標エネルギーのビームはマスレスセプタムコイル５０に電流が流されていない場合はその設計軌道に沿って周回するが、マスレスセプタムコイル５０に電流が流されていると、目標エネルギーに達したビームはマスレスセプタムコイル５０起因のキック磁場によって軌道からずれる。軌道からずれたビームは前述の通り、設計軌道の周辺を安定に振動する。すなわち、マスレスセプタムコイル５０によって軌道面内のベータトロン振動が励起される。マスレスセプタムコイル５０によるキックの位置と集約点の位置が適切な位置関係にある時、マスレスセプタムコイル５０によるキックによって集約点においてビームを半径方向外側に変位させることが可能である。
　本加速器のビーム入射から取り出しまでのビームの挙動を述べる。本加速器の運転は入射・加速・取り出しの３ステップからなる。
　入射ステップでは、円環状のコイル１３の重心とは径方向に異なる位置に配置されたイオン源１２から低エネルギーのビームが出力され、最も内周の周回軌道の内側の領域である入射部１２１に位置する入射点１２０通じてビーム通過領域にビームが導かれる。後に述べる蓄積のプロセスを経た後、ビーム通過領域２０に入射されたビームは高周波電場による加速を受けながら、そのエネルギーが増大するとともに、軌道の回転半径を増加させていく。
　その後、ビームは高周波電場による進行方向安定性を確保しながら加速される。すなわち、高周波電場が最大となる時刻に加速ギャップを通過するのではなく、時間的に高周波電場が減少している時に加速ギャップを通過させる。すると、高周波電場の周波数とビームの周回周波数はちょうど整数倍の比で同期させているため、所定の加速電場の位相で加速された粒子は次のターンも同じ位相で加速を受ける。一方、加速位相より早い位相で加速された粒子は加速位相で加速された粒子よりもその加速量が大きいため、次のターンでは遅れた位相で加速を受ける。また逆に有る時に加速位相より遅い位相で加速された粒子は加速位相で加速された粒子よりもその加速量が小さいため、次のターンでは進んだ位相で加速を受ける。このように、所定の加速位相からずれたタイミングの粒子は加速位相に戻る方向に動き、この作用によって、運動量と位相からなる位相平面（進行方向）内においても安定に振動することができる。この振動をシンクロトロン振動と呼ぶ。すなわち、加速中の粒子はシンクロトロン振動をしながら、徐々に加速され、取り出しされる所定のエネルギーまで達する。
　所定のエネルギーまで達したビームはマスレスセプタムコイル起因のキック磁場の作用を受け、集約点から取り出し用セプタム電磁石によって形成されるビーム取り出し経路１４０である出射チャネルに乗り、加速器の外に取り出される。
　この運転を実現するための動作フローについて、図４を参照しつつ説明する。図４は、本加速器のブロック図である。主コイル１３は主コイル電源１３１、マスレスセプタムコイル５０はスイッチ５０１を介してマスレスセプタムコイル電源５０２、トリムコイル６０はトリムコイル電源６０１、高周波空胴２１、２２は高周波源２３１に接続されている。スイッチ５０１は複数存在するマスレスセプタムコイルの内、選択的に電流を流す機能を持つ。各スイッチおよび電源は制御装置７０に接続され、その接続先や出力電流・出力高周波の周波数を制御される。また、高周波空胴２１の回転式可変容量キャパシタ２１２の回転軸２１３にはサーボモータ２１４が接続されており、角度センサによるフィードバックを受けながら制御装置７０からの指示で所定の回転角に制御される。
　操作者はまず、取り出しビームの目標値を制御装置７０に入力する。制御装置７０は入力されたエネルギーの値から、電流を流すマスレスセプタムコイル・マスレスセプタムコイル電流値を計算する。そして、スイッチ５０１を所定のマスレスセプタムコイル５０とマスレスセプタムコイル電源５０２を接続するように制御する。次に、計算された励磁電流をマスレスセプタムコイルに流すように、電源５０２の出力を制御する。次に、回転軸２１３の回転角度を入射時に対応する値に合わせる。このとき、高周波空胴２１の共振周波数は運転期間中、最も高い状態であり、高周波源２３１から出力される高周波の周波数も、それに合わせて最も高い状態である。
　この状態になると、ビームを入射する準備が完了するので、イオン源からビームを引き出し、入射部１２０を通じてイオンをビーム通過領域２０に導入する。加速するビーム量を高めるため、ビームの周回時間にして10ターン程度、高周波源２３１から出力される高周波の周波数と回転軸２１３の回転角度を一定に維持する。そして、所定の時間が経過すると、進行方向位相空間にはビームが蓄積し、広い位相幅と運動量幅のビームとなる。続いて加速のステップに移り、高周波源２３１出力される高周波の周波数と高周波空胴２１の共振周波数を同期させながら徐々に下げていく。すると、前述のシンクロトロン振動する粒子は高周波周波数の変化率によって定まる加速位相の周辺をシンクロトロン振動し、徐々に加速される。そして、取り出しの目標エネルギーまで加速され、取り出される。ビーム通過領域内を周回するビームがすべて取り出されると、再び高周波源２１３出力される高周波の周波数と高周波空胴２１の共振周波数を入射時の値に再設定し、ビームを入射できる状態に戻る。この動作を繰り返し、所定のエネルギーのビームを所望の量取り出すことができる。
　次に、別のエネルギーのビームの取り出しをするときは、制御装置に入力した取り出しビームのエネルギーから、マスレスセプタムコイルの励磁電流量と電流を流すコイルを制御装置７０が計算し、それに合わせてスイッチ５０１とマスレスセプタムコイル電源５０の出力電流を制御する。そして、磁場が励磁できたことを確認し前述の入射プロセスを開始する。この手順の繰り返しにより、取り出し可能範囲の任意エネルギーのビームを任意の順に取り出すことができる。
　ここで、ビーム通過領域２０に励磁される主磁場分布について述べる。主磁場は各エネルギーの軌道に沿って一様な磁場であり、磁場の値はビームエネルギーの関数として表せる。本実施例のエネルギーと主磁場の関係を図５に示す。入射点１２０近くが最も磁場が高く、5Tである。また、最大取りだし可能エネルギーである２３５ＭｅＶでは4.86Tとなり、この場合、集約点でのビーム軌道の半径方向磁場勾配は0.8T/mとなる。この場合、軌道上のすべての点で式(１)における規格化勾配が0以上1以下となり、ベータトロン振動の安定が担保できる。ここで、ビーム軌道が入射点付近を中心に形成される内周において磁場勾配がエネルギー上昇とともに減少するように磁場が形成され、ビーム軌道が一方に集約される外周領域においては磁場勾配が略線形となるように磁場を形成することで、安定した周回が可能となる。
　また、本加速器においては前述の通り、加速に伴いビームの周回周波数が低下する。周回周波数の依存性について図６で示す。５９～７６ＭＨｚの範囲でビームの周回周波数が変調するため、それに同期して、高周波周波数を変調させる。ここで、ビーム軌道が入射点付近を中心に形成される内周において周波数勾配がエネルギー上昇とともに減少するように高周波印加制御され、ビーム軌道が一方に集約される外周領域においては周波数勾配が略線形となるように高周波印加制御することで、安定した周回が可能となる。
　以上の構成と運転手順によって、取り出すビームのエネルギーを可変とできる、小型な加速器が実現する。
　まとめると本実施例では、ビーム軌道の偏向半径方向に対して磁場を低下させる。さらに、加速に伴い周回する軌道が一方向に変位し、エネルギーの異なる各軌道が密に集約する領域（集約点）と、疎に離散する領域(離散領域)を形成させる。この場合、等時性が失われるため、ビームの加速の為に励起する高周波電場の周波数をビームの加速と同期して変化させる必要があり、ビームはパルス状になる。そして、離散領域に複数設置されたコイルによって特定のエネルギーの軌道の周辺にキック磁場を励起することで、キックを受けたビームを取り出すことが可能となり、キック磁場を励起する位置を選択的に制御することで複数種類のエネルギーを取り出すことが可能であり、すなわち可変エネルギー性を担保できる。さらに、本手法を用いた加速器の場合、磁場分布は従来のサイクロトロンや可変エネルギー加速器と比較して単純であり、小型化が容易となる。
　第２の実施例は第１の実施例において、加速核種を炭素イオンとしたものである。本加速器は炭素イオンを核子当り運動エネルギー１４０ＭｅＶ～４３０ＭｅＶの範囲での取り出しが可能な周波数変調型可変エネルギー加速器である。動作原理・機器構成・操作手順は第1の実施例と同一であるので省略する。異なるのは軌道半径の大きさと磁場とエネルギーの関係、周回周波数とエネルギーの関係であるので、それらの関係を図７～図９に示す。
　図７に、本加速器中を周回するビームの各エネルギーの軌道を示す。図８に、本実施例のエネルギーと主磁場の関係を示す。この場合、集約点におけるビーム軌道の半径方向磁場勾配は2T/mとなる。この場合、軌道上のすべての点で式(１)における規格化勾配が0以上1以下となり、ベータトロン振動の安定が担保できる。また、図９に、本実施例における周回周波数の依存性について示す。本加速器においては前述の通り、加速に伴いビームの周回周波数が低下する。２０～３９ＭＨｚの範囲でビームの周回周波数が変調するため、それに同期して、高周波周波数を変調させる。以上の構成と運転手順によって、取り出すビームのエネルギーを可変とできる、小型な加速器が実現する。
　第３の実施例は第1及び第２の実施例に挙げた加速器１を用いた粒子線治療システム１０００である。図１０にその粒子線治療システムの全体概形を示す。粒子線治療システムは、加速器１と、加速されたイオンビームを輸送する輸送装置２と、輸送されたビームを照射する照射装置３と、ビームを照射する標的を保持する位置決め装置４と、制御装置７１～７２と、治療計画装置６を有する。粒子線治療システムは位置決め装置４に乗せられた患者５の患部の体表からの深さによって照射する陽子線あるいは炭素線（以下ではまとめて粒子線と呼ぶ）のエネルギーを適切な値にして患者に照射する。照射する粒子線のエネルギーは治療計画装置６で作成された治療計画によって定められるが、治療計画が定めた、粒子線のエネルギーと照射量を順次、全体制御装置７１を介して制御装置７０に入力し、照射装置３を制御する照射制御装置７２と連携させ、適切な照射量を照射した時点で次のエネルギーに移行して再度粒子線を照射する手順によって粒子線治療システムが実現できる。
　この場合、従来加速器よりも小型であり、かつサイクロトロンなどでは必要であった輸送系中に設置されたエネルギー変更装置が不要となり、システム全体の小型化・低コスト化が図れる。
１　加速器
１１　磁石
１２　イオン源
１３　主コイル
１４　リターンヨーク
１５　磁極
２０　ビーム通過領域
２１　高周波空胴
３１～３２　ディー電極
４０　取り出し用セプタム電磁石
５０　マスレスセプタム用コイル
６０　トリムコイル
７０　制御装置
７１　全体制御装置
７２　照射制御装置
１１１　取り出しビーム用貫通口
１１２～１１３　コイル接続用貫通口
１１４　高周波入力用貫通口
１１５　ビーム入射用貫通口
１２０　入射点
１３１　主コイル電源
１４０　ビーム取り出し経路
２１１　入力カプラ
２１２　回転式可変容量キャパシタ
２１３　回転軸
２１４　サーボモータ
２３１　高周波源
５０１　スイッチ
５０２　マスレスセプタム用電源
６０１　トリムコイル電源
１０００　粒子線治療装置

Claims (12)

  1. 　間に磁場を形成する一対の磁石と、
    　イオンを前記磁石間に入射するイオン源と、
    　前記イオンを加速する加速電極と、
    　前記イオンを外部に取り出すビーム出射経路とを有し、
    　前記一対の磁石によって形成される、異なるエネルギーの前記イオンがそれぞれ周回する環状の複数のビーム周回軌道が一方で集約し、
    　前記加速電極が前記イオンに印加する高周波電場の周波数を前記ビーム周回軌道により変調することを特徴とする加速器。
  2. 　請求項１に記載の加速器であって、
    　前記磁石の径方向の位置に、選択的に磁場を印加するマスレスセプタムコイルを有することを特徴とする。
  3. 　請求項１に記載の加速器であって、
    　前記加速電極が前記イオンに印加する高周波電場の周波数が、５９～７６ＭＨｚの範囲で制御されることを特徴とする加速器。
  4. 　請求項１に記載の加速器であって、
    　前記イオンが炭素であることを特徴とする加速器。
  5. 　請求項４に記載の加速器であって、
    　前記加速電極が前記イオンに印加する高周波電場の周波数が、２０～３９ＭＨｚの範囲で制御されることを特徴とする加速器。
  6. 　請求項１に記載の加速器であって、
    　前記ビーム周回軌道は、所定の外周領域において前記複数の軌道が一方で集約し、所定の内周領域において集約しないように形成され、
    　前記加速電極が前記イオンに印加する周波数変調のエネルギーに対する周波数勾配が、前記ビーム周回軌道が一方に集約される前記所定の外周領域において略線形となるように制御することを特徴とする加速器。
  7. 　間に磁場を形成する一対の磁石と、
    　イオンを前記磁石間に入射するイオン源と、
    　前記イオンを加速する加速電極と、
    　前記イオンを外部に取り出すビーム出射経路とを有し、
    　前記一対の磁石によって形成される、異なるエネルギーの前記イオンがそれぞれ周回する環状の複数のビーム周回軌道が一方で集約し、
    　　前記磁石により形成される磁場は、前記ビーム周回軌道に沿って一様で、かつエネルギーが高くなるにつれ低下することを特徴とする加速器。
  8. 　請求項７に記載の加速器であって、
    　前記対向する磁石にそれぞれ形成される磁極間の距離は、入射点付近において小さく外周に向かって大きくなる形状であることを特徴とする加速器。
  9. 　請求項７に記載の加速器であって、
    　前記周回軌道は、所定のエネルギー以上において前記複数の軌道が一方で集約し、所定のエネルギー以下において集約しないことを特徴とする加速器。
  10. 　請求項７に記載の加速器であって、
    　前記ビーム周回軌道は、所定の外周領域において前記複数の軌道が一方で集約し、所定の内周領域において集約しないように形成され、
    　前記磁石は、ビーム周回軌道が一方に集約される前記所定の外周領域において磁場勾配が略線形となるように磁場を形成することを特徴とする加速器。
  11. 　磁場中を周回するイオンを高周波電場によって加速する円形加速器であって、
    　最大エネルギーの軌道によって囲まれる領域の内部おいて、前記磁場が極大となる位置が前記最大エネルギー軌道の中心から変位した位置になるように前記磁場が形成され、
    　前記磁場極大の位置近傍に前記イオンの入射点が設けられ、
    　前記磁場よりも小さいキッカ磁場を印加するための励磁手段を備え、
    　前記最大エネルギー軌道の中心と前記磁場極大の位置とを結ぶ線の延長方向であって、前記領域の外部に前記イオンを取り出す経路を備えることを特徴とする加速器
  12. 　請求項１、７若しくは１１に記載の加速器と、
    　前記加速器で加速されたイオンを輸送する輸送装置と、
    　前記輸送装置で輸送されたイオンを標的に照射する照射装置と、
    　前記標的を支持する位置決め装置と、
    　前記照射を行うための計画を作成する治療計画作成装置とを有することを特徴とした粒子線治療システム。
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