JP2004525486A - 重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、選択する装置 - Google Patents

重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、選択する装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、抽出し、選択する装置に関する。装置は、重イオンおよび軽イオンをそれぞれ生成する、独立した第1(ECRIS1)および独立した第2電子サイクロトロン共鳴イオン源(ECRIS2)を備える。さらに下流に、各イオン源(ECRIS1、ECRIS2)の下流に位置する、一同位体配列の重イオン種を選択する分光計電磁石(SP1、SP2)と、各分光計電磁石(SP1、SP2)の下流に位置する磁気4重極トリプレット(QT1、QT2)と、前記2つの独立した第1および第2イオン源の高LETイオン種と低LETイオン種を切換える切換え電磁石(SM)とが収容されている。

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、独立請求項による、重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、選択する装置に関する。
【背景技術】
【0002】
単一プロトン源からプロトンビームを選択的に生成し、輸送するプロトンビーム治療システムが知られている(特許文献1)。こうしたシステムの短所は、患者を処置する融通性(flexibility)が、比較的低い(relatively low)有効プロトンビームに事実上制限されることである。
【特許文献1】
米国特許第4,870,287号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本発明の目的は、イオンビーム癌治療施設で役立つ、異なるイオンを生成し、選択する改良された装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0004】
この目的は独立請求項1の主題によって達成される。好ましい実施形態の特徴は、従属請求項によって定義される。
【0005】
本発明によれば、イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、抽出し、選択する装置が提供される。装置は、重イオンおよび軽イオンをそれぞれ生成する、独立した第1および独立した第2電子サイクロトロン共鳴イオン源を備える。さらに、各イオン源の下流に位置する、一同位体配列の重イオン種を選択する分光計電磁石と、各分光計電磁石の下流に位置する磁気4重極トリプレットレンズと、前記2つの独立した第1および第2イオン源の高LETイオン種および低LETイオン種を切換える切換え電磁石が収容されている。分析スリットは、各分光計電磁石のイメージ焦点に配置され、ビーム変圧器は、分析スリットと磁気4重極トリプレットの間に位置する。
【0006】
こうした装置が有する利点は、2つの独立したイオン源および切換え電磁石を設けて、最適な処置のための適切なイオン種を選択するようにすることによって、患者を助ける可能性が大きく改善されることである。さらに、本発明による装置が有する別の利点は、2つの独立した分光計ライン(各イオン源に1ライン)が、装置の選択性を増し、リニアックにおいて加速するために選択されたイオン種を、イオン源から同時に抽出される他の全てのイオン種から高精度で分離することによって、イオン種の純度を改善することである。
【0007】
強度を制御されたラスタースキャナ・イオンビームアプリケーションシステムの場合、本発明の好ましい実施形態において、1/1000の強度範囲内の異なるビーム強度が、各個別のシンクロトロンサイクルに供給される。本発明による装置は、ビームが、そのレベルでは、磁気4重極トリプレットと高周波4重極加速器(RFQ)の間にある低エネルギービーム輸送(LEBT)ラインに沿って崩壊する(destroy)低エネルギーレベルでビーム強度を制御するという利点を有する。特に、固定開口を有するアイリス(iris)が、切換え電磁石の後ろ、ならびに、マクロパルスチョッパの前後、および、RFQ入射フランジに設けられる。分光計のイメージスリットの下流の磁気4重極トリプレットレンズの中心4重極の電磁石電流に対する相対強度減少の測定が、本発明の装置について行なわれ、ビーム強度が、4重極電磁石のディフォールト設定から始めて最低ゼロ電流まで、約430分の1に減少することが示されている。劣化(degradation)係数1000をもたらすビーム強度のさらなる減少は、磁気4重極トリプレットの第3の4重極の磁界をさらに減少させることによって達成することができる。異なる強度レベルの良好な再現性を提供する非常に滑らかな曲線が得られる。
【0008】
したがって、本発明は、機械の不要な放射線汚染を避けており、その理由は、ビーム強度が、可能な最低ビームエネルギーに、すなわち、前記低エネルギービーム輸送ラインにおいて制御されるためである。シンクロトロン注入スキームが異なるビーム強度レベルについて変わらない、すなわち、シンクロトロンに注入される回数が全ての場合に同じであるため、本発明によるLEBTにおける強度制御スキームによって、全ダイナミックレンジの1000が提供される。本発明の装置において、ビーム損失はLEBTにおいて主に発生する。すなわち、低エネルギーレベルにおいてLEBTの直後で直接測定したものと、高エネルギーレベルで治療ビームライン内において測定したものとの相対的な強度減少は、ほとんど同じである。
【0009】
さらに、ビームプロファイルは、加速器チェーンに沿った種々のロケーションで、また、治療ビームラインの最終ビームデリバリシステムで測定される。種々のビーム強度について、ビームプロファイルの差、ならびにビーム位置の差は観察されないであろう。このことは、本発明の装置が重イオン癌治療施設に対して適用される時に特に、処置ロケーションで、信頼性のある、一定の、強度に依存しないビームパラメータを提供するための本発明の非常に重要な利点である。
【0010】
分析スリットと磁気4重極トリプレットとの間に位置するビーム変圧器は、イオンビームを崩壊させることなく、加速用に選択されたイオン種のイオンビーム電流をオンラインで測定し、監視するという利点を有する。ビーム変圧器は、強度減少のために使用される磁気4重極トリプレットの上流に位置するため、低下のないイオンビーム電流を連続して監視し、一方で、トリプレット電磁石を用いて、線形加速器ビームの強度をパルスごとに変えることができる。このことは、選択されたイオン源の性能をオンラインモニタリングするのに非常に重要である。
【0011】
第1の好ましい実施形態において、ソレノイド電磁石は、各イオン源の出口に配置される。本発明のこの実施形態が有する利点は、各イオン源から抽出されるイオンビームが、ソレノイド電磁石によって分光計のオブジェクト点に集束されることである。
【0012】
他の好ましい実施形態において、磁気4重極シングレットが各イオン源の下流に位置する。この4重極シングレットは、各分光計システムの分解能を上げ、イオン源と分光計システムとの間の柔軟なマッチングを提供するという利点を有する。
【0013】
他の(further)好ましい実施形態において、イオン源はもっぱら永久磁石を備える。これらの永久磁石はイオン源に対する磁界を供給し、そして各イオン源について大きな電力消費をするであろう電磁石コイルを必要としないという利点を有する。さらに、大きな電力消費に加えて、これらの電磁石コイルが有する短所は、電磁石コイルが高圧水冷サイクルを必要とすることであり、高圧空冷サイクルは、本発明のイオン源における永久磁石の場合に避けられる。このことは、本発明の装置の、運転費用を低減し、信頼性を高めるという利点を有する。
【0014】
本発明の他の好ましい実施形態としてはは、各分光計電磁石の上流に配置されるビーム診断手段を備える。こうしたビーム診断手段は、ビームの断面プロファイルおよび/または全体として抽出されたイオン電流を測定することができる。前記ビーム診断手段は、プロファイルグリッドおよび/またはファラデーカップを備えるのが好ましい。
【0015】
本発明の他の実施形態としては、各ビームスリットに配置されたビーム診断手段を提供する。この実施形態は、種々の抽出イオン種についてビームサイズおよびビーム強度を測定し、スペクトルを記録するという利点を有する。
【0016】
本発明の好ましい実施形態において、前記集束ソレノイド電磁石は、前記マクロパルス・チョッパの下流で、かつ、前記高周波4重極加速器の上流に位置する。このことは、ソレノイド電磁石によって、ソレノイドレンズと高周波4重極電極の始点(beginning)との間の、約10cmの非常に短い距離内で、RFQの入射電極にビームが直接集束されるという利点を有する。
【0017】
本発明の他の好ましい実施形態は、切換え電磁石の下流の低エネルギービーム輸送システム(LEBT)内にファラデーカップおよび/またはプロファイルグリッドを備える診断手段を提供する。これらの診断手段は、イオンビームの飛程(range)内に永続的にあるのではなく、測定の目的でイオンビームの飛程内に位置する。ファラデーカップは、切換え電磁石を通る全イオンを捕捉し、プロファイルグリッドは、ビーム断面内のイオンの局所的な分布状態を測定する。運転サイクル中、これらの診断手段は、イオンビームの飛程から追い出される。
【0018】
本発明の他の好ましい実施形態において、前記高周波4重極内の交互ステムが、共通水冷ベースプレート上に取り付けられる。このことは、RFQのエネルギー損失がチャンバの外部の方に導かれ、RFQのステムまたは電極に損傷を与えないという利点を有する。
【0019】
本発明の別の好ましい実施形態において、ベースプレートは、電気絶縁材料でできている。このことは、電極を形成する前記ミニベーン(minivane)対がλ/2共鳴構造に対するキャパシタンスとして働いている間、ステムがインダクタンスとして働くが、ステムは短絡回路ではないという利点を有する。
【0020】
次に、後続の図面に従って実施形態を参照して本発明が説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
図1は、重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、選択する装置を備えるイオンビームアプリケーションシステム用の、完備した注入器リニア加速器の略図である。
図2は、図1の部分略図である。
図3は、イオンを生成し、選択する装置の、低エネルギービーム輸送ラインに沿ったビームエンベロープの例である。
【0022】
図1、図2、および図3における参照符号は以下のように定義される。
ECRIS1 124+または166+のような重イオン用の第1電子サイクロトロン共鳴イオン源
ECRIS2 H 、H またはHeのような軽イオン用の第2電子サイクロトロン共鳴イオン源
SOL ECRIS1およびECRIS2の出口のソレノイド電磁石
BD プロファイルグリッドおよび/またはファラデーカップを備えるビーム診断ブロック
SL コリメータスリット
ISL コリメータイメージスリット
BTR ビーム変圧器
QS1 第1分岐の磁気4重極シングレット
QS2 第2分岐の磁気4重極シングレット
QD 4重極ダブレット
QT 磁気4重極トリプレット
SP1 第1分岐の分光計電磁石
SP2 第2分岐の分光計電磁石
SM 切換え電磁石
CH マクロパルスチョッパ
RFQ 高周波4重極加速器
IH−DTL IH型ドリフトリニアック
SF ストリッパフォイル
a)(図3) 120πmm mradのビームエミタンスによるビームエンベロープ
b)(図3) 240πmm mradのビームエミタンスによるビームエンベロープ
【0023】
注入器システムに供給するためにイオンを生成し、選択する装置および対応する構成要素の、図1および図2の種々の部分のタスクは、以下の項目に要約することができる。
【0024】
1.イオンの生成、8keV/uの運動エネルギーへのイオンの予備加速および十分なビーム品質を有するイオンビーム形成は、2つの独立したイオン源およびイオン源抽出システムにおいて行なわれる。日常運転の場合、イオン源の一方は高LETイオン種(それぞれ124+および16C6+)を送出し、一方、他のイオン源は低LETイオンビーム(H 、H またはHe1+)を生成することができる。
【0025】
2.注入器リニアックにおける加速に使用されるべき荷電状態は、2つの独立した分光計ラインにおいて分離される。2つのイオン源分岐からの選択されたイオン種間の切換え、ビーム強度制御(強度制御ラスター走査法に対して必要とされる)、後続の線形加速器の要件へのビームパラメータのマッチング、およびリニアック内で加速されたビームパルス長の規定は、低エネルギービーム輸送(LEBT)ラインにおいて行なわれる。
【0026】
3.線形加速器は、イオンを8keV/uから400keV/uに加速する、長さが約1.4mの、短い高周波4重極加速器(RFQ)と、長さが0.25mの小型ビームマッチング部と、7MeV/uのリニアック終端エネルギーへ効果的に加速するための、3.8m長のIH型ドリフトチューブ・リニアック(IH−DTL)から成る。
【0027】
4.シンクロトロンの加速効率を最適にするために、残留電子は、IH−DTLの後ろの、約1mに配置された薄いストリッパーフォイルにおいて引き剥がされて、シンクロトロンへの注入前に、可能な最良の荷電状態を生ずるようにする(表1)。
【0028】
表1は、注入器リニアック(左欄)内での、また、ストリッパフォイル(右欄)の後ろでの、加速用に提案された全てのイオン種の荷電状態を示す。
【0029】
【表1】
Figure 2004525486
【0030】
本発明の、イオンを生成し、選択する装置および注入器システムの設計は、病院環境で設置される医療機械に関する特別な問題を解決できるという利点を有し、その問題とは、高信頼性、ならびに安定で、再現性のあるビームパラメータである。さらに、小型であり、運転要件および維持要件が少ない。さらなる利点は、装置の投資費用および運用費用が安いことである。
【0031】
RFQおよびIH−DTLはどちらも、イオン容積対電荷比A/q≦3(イオン124+設計)および運転周波数216.816MHzに対して設計される。このかなり高い周波数によって、非常に小型のLINAC設計を使用すること、したがって、独立した空洞およびRF電力トランスミッタの数を減らすことが可能になる。イオン源およびストリッパフォイルを含む、注入器の全長は約13mである。シンクロトロンから要求されるビームパルスは、低い繰り返しでやや短いので、約0.5%の非常に小さなrfデューティサイクルは、十分であり、また、冷却要件を大幅に減少させるという利点を有する。したがって、4ロッド状のRFQ構造の電極、ならびにIH−DTL内のドリフトチューブはどちらも、直接冷却を必要とせず(RFQ構造のグラウンドプレートおよびIH構造のガーダーのみが水冷される)、それによって、建造費用が大幅に減り、システムの信頼性が向上する。
【0032】
任意のはっきりとした時間構造(time structure)なしで非常に安定したビーム電流、ならびに高いビーム品質を提供するために、124+および166+イオンを生成するのに、電子サイクロトロン共鳴イオン源(ECRIS)が使用される(図1および図2のECRIS1)。プロトンビームおよびヘリウムビームを生成するのに、2つの異なるイオン源の型を使用することができる。高LETイオンビームの生成のために使用される型と同じ型のECRイオン源を、同様に本明細書で適用するか(図1および図2のECRIS2)、または、低価格で、小型の特別な高ブリリアンスフィラメント・イオン源を使用することができる。
【0033】
ECRイオン源の場合、分子H イオンがイオン源において生成され、リニアックでの加速に使用されるであろう。フィラメント源の場合、124+イオンと同じ、容積対電荷比A/q=3を提供するH イオンが提案されている。ヘリウムビームの生成については、He1+イオンが両方の場合のイオン源から抽出されるであろう。イオン源において同時に生成される他の軽イオンによるビームの汚染を防止するために、Heの代わりにHeが提案されている。
【0034】
シンクロトロンについて議論される最大ビーム強度は、患者での1スピル(spill)当たり約106+イオンである。7MeV/uで15回を用いる複数回注入スキームとすると、LINACが送出する約25μm長のバンチ列が、シンクロトロンに注入される。シンクロトロン注入ライン、シンクロトロンおよび高エネルギービームラインにおけるビーム損失を考慮すると、ビーム損失は、約100eμAC6+のLINAC出力電流に相当する。さらにLEBT、LINACおよびストリッパフォイルでのビーム損失を考えると、イオン源から抽出される約130eμAの最小C4+電流が必要となる。本明細書において議論される全イオン種について必要とされる最小イオン電流は、表2に記載されている(Iminと呼ぶ)。しかし、考慮されるイオン源は、少なくとも50%の安全マージンを含むイオン電流を用いて試験されるべきである。これらの値は、表2ではIsafeと呼ばれ、166+について150eμAからH2+について1emAの範囲にある。安定性のために、ECRイオン源に対してDC運転が提案されている。
【0035】
表2は、種々のイオン源に対する、抽出電圧およびイオン源から抽出されたイオン電流についてのパラメータを示す。
【0036】
【表2】
Figure 2004525486
【0037】
抽出システムの場合、固定プラズマ電極および単一可動抽出電極から成るダイオード抽出システムが、ECRイオン源について提案されている。8keV/のビームエネルギーに必要な抽出エネルギーUextはまた、表2に記載されている。124+およびHe1+の場合、24kVの抽出電圧が必要とされる。イオン源から直接送出されるプロトンビームの場合、必要とされる8kVの抽出電圧は、2mAのプロトン電流を達成するにはやや小さいであろう。さらに、こうした場合、重要な空間電荷問題は、低エネルギービーム輸送ラインおよびRFQ加速器内で処理されねばならない。したがって、分子H およびH イオンの生成および加速がそれぞれ提案されている。
【0038】
磁界がもっぱら永久磁石によって供給される、独立した第1および第2電子サイクロトロン共鳴イオン源(ECRIS1およびECRIS2)は、病院に設置される注入器リニアックに対して非常に好適な解決策を提供する。このことが有する大きな利点は、イオン源当たり最大約120kWまでの非常に大きな電力消費をするであろう電気コイルを必要としないことである。大きな電力消費に加えて、コイルは、さらに高圧(15bar)水冷サイクルを必要とするという短所を有する。この水冷サイクルは、本発明の永久磁石イオン源ほどは安全でない。両方の態様は、本システムの運転費用を低減し、信頼性を向上させるという利点を有する。
【0039】
14.5GHz SUPERNANOGANの好適な高性能永久磁石の主パラメータが、表3に記載されており、電気コイルを用いた2つのECRイオン源のデータと比較されている。2つのECRは、HIMACでの患者照射、および兵庫イオンビーム医療センターでの患者照射用に、124+ビームの日常生成のために使用されるECR4−M(HYPERNANOGAN)および10GHz NIRS−ECRである。
【0040】
SUPERNANOGANの場合、プラズマ閉じ込めは、磁気パラメータはECR4−Mのパラメータに非常に近いが、磁気ミラーの長さが短く(190mmの代わりに約145mm)、プラズマチャンバの直径が小さい(66mmの代わりに44mm)、minimum−B磁気構造によって確保される。最大軸方向ミラー(mirror)磁界は、注入部で1.2Tであり、抽出部で0.9Tである。FeNdB永久磁石の重量は、約120kgに達し、電磁石本体の直径は380mmで、その長さは324mmである。
【0041】
本発明の目的のために、SUPERNANOGANが、ECRイオン源試験ベンチで試験された。本明細書で提案された全てのイオン種について、注入器リニアックについて必要とされる値に近い抽出電圧を用いて、かつ、約100Wと420Wの間の中程度のrf電力レベルの、安定したDC運転モードで、要求されるイオン電流が達成されるであろう。O6+ならびにHe1+について、必要とされる電流Isafeの約2倍さえもが容易に達成されるであろう。124+の生成のために、122+の生成のためにGSIでも適用された主ガスとして、COが使用されてきた。HIMACでの実験的調査が示したことは、主ガスとしてCHを用いると、124+イオンの生産量が大幅に増える可能性があることである。CHを主ガスとして使用すれば、C4+の生成能力(performance)のさらなる向上は、同様にSUPERNANOGANについて期待できる。ビームの約90%の測定された幾何学的エミッタンスは、166+について110mm mradからHe1+および124+について180mm mradの範囲にあり、0.4から0.7mm mradの正規化されたビームエミッタンスに相当している。
【0042】
表3は、いくつかのECRイオン源の比較を示す。ECR4−MはHYPERNANOGANである。ECR4−Mについての括弧内の値は、18GHz運転についてであり、他の値は14.5GHz運転についてである。NIRS−ECRの場合、括弧内の値は改良された六極電磁石を用いて得られた。
【0043】
【表3】
Figure 2004525486
【0044】
ECR4−Mを用いてC4+およびO6+について得られた2つの結果はまた、表3に記載されており、必要とされるイオン電流が所定量だけ超える可能性があることを示している。NIRS−ECRを用いて得られたいくつかのイオン電流はまた、表3に記載されている。括弧内の値は、改良された六極電磁石から成るアップグレードバージョンを用いて得られている。再び、全ての値が本明細書で必要とされる電流を所定量だけ超えている。測定された正規化ビームエミッタンスは、C4+について約0.5mm mradから2.1emA H2+ビームについて約1mm mradの範囲にある。NIRS−ECRはいくつかの利点を有している。すなわち、炭素、ヘリウムおよび酸素のような、患者照射のために提案されている比較的軽いイオンについて、10GHz ECR源は、プラズマチャンバの直径が十分に大きい場合、かなり大きなイオン電流を生成するのに十分に強力であるように思われる。一方、閉じ込め磁界は、14.5GHz(ECR4―Mに使用する)と比較すると、10GHzではより小さくなる可能性があり、電気コイルの電力消費を約40%低減する。さらに、NIRS−ECRは、特に、124+ビーム生成のためにHIMACで運転中である。本明細書で提案したプロジェクトと同様に、HIMAC注入器での注入エネルギーはまた8keV/uであり、124+ビーム生成のために印加される抽出電圧は24kVである。
【0045】
これらのパラメータは、本明細書の場合は同じである。さらに、主に、線源の信頼性ならびに線源の重要構成要素の寿命および保守間隔を大きくするために、いくつかの改良がNIRS−ECRに適用されてきた。
【0046】
本発明の電子サイクトロン共鳴イオン源は、以下のものを備えている。
1.DCバイアスシステム:
高い荷電状態のイオンについて線源効率を増すために、SUPERNANOGANならびにHYPERNANOGANはいずれも、DCバイアスシステムを装備している。共軸チャンバのインナチューブは、約200−300Vの電圧でDCバイアスされる。
2.ガス供給システム:
抽出イオン電流の十分な長期安定性を確保するために、主ガス用および補助(support)ガス用のサーモバルブは、適当なサーモバルブ制御器によって調節される。さらに、温度調節された加熱ジャケットが、サーモバルブにつけられて、サーモバルブの温度を安定させる。圧力レジューサは、主ガスリザーバとサーモバルブとの間で使用される。
3.RFシステム:
約2kWのrf出力電力を有する大電力クライストロン増幅器が使用される(14.5GHzかまたは10GHzかはイオン源モデルによって決まる)。高い可用性を保証するために、運転中の増幅器が故障した場合に、代替として、1つの付加的な発生器が利用できる。したがって、2つのECRイオン源(ECRIS1およびECRIS2)に対して、本発明の場合、3つの発生器が設けられている。個別の発生器間での高速切換えが可能である。ゼロと最大電力との間の、発生器の出力電力レベルの遠隔制御が設けられている。出力電力レベルは、能動制御ユニットによって、ΔP/P≦1%の高い安定度に制御される。発生器から伝達される全rf電力は、ある場合には、イオン源プラズマによって反射される可能性がある。したがって、本発明の発生器は、循環器、および発生器から伝達された全電力を、発生器の破損を生じることなく吸収することができるダミー負荷を装備することができる。反射された電力の測定は日常運転中に可能である。
【0047】
こうしたECRイオン源は、治療加速器用の最良に荷電したC4+イオンビームおよびO6+イオンビームを生成するための好ましい解決策である。原理上、同じ線源モデルはまた、H2+ビームおよびHeビームの生成に使用されることができ、付加的な冗長性を提供する。別法として、単一(singly)荷電イオンの高ブリリアントビーム生成のために特別に開発されたガス放電イオン源を、H ビームおよび1+ビームの生成のために設けることができる。
【0048】
線源のプラズマ発生器は、直径が60mmで、長さが約100mmの水冷式円筒状銅チャンバ内に収容される。プラズマ閉じ込めの場合、チャンバは、1kW未満の比較的低い電力消費を伴う、小さなソレノイド電磁石で囲まれる。チャンバの後ろには、ガス取り込みシステムが取り付けられ、軸の近くに、タングステンフィラメントが設置される。チャンバの前端は、プラズマ電極によって閉じられ、プラズマ電極は、陽極(チャンバ壁)に対して負にバイアスすることができる。イオン抽出の場合、加速/減速(accel/decel)構成の3極管システムが使用される。本発明の抽出システムの幾何学的形状は、異なる抽出電圧、約22kVおよび55kVについて慎重に最適化された(コンピュータシミュレーションによって支援された)。
【0049】
線源が、10A以下の小さなアーク電流で、水素を用いて運転される場合、ビームのH の部分は、少量のHイオン(≦10%)およびほんのごくわずかのH イオンがある状態で、約90%と高い。Hの部分はアーク電流が増えると増える。しかし、わずか数mAのH 電流の生成のためには、数Aの小さなアーク電流での1kW未満のアーク電力で十分であり、それが、治療注入器に対する理想的な解決策を提供する。これらのパラメータについて、DC運転の場合、約1000hのタングステンフィラメントの寿命が期待される。さらに寿命を上げるために、線源のパルス運転モードが提案されている。パルスモードにおける抽出イオン電流の安定度は、わずか約1%の測定ビーム雑音レベルの場合、DC運転に対する安定度よりずっとよい。
【0050】
このイオン源の使用は、最近の技術水準のECRイオン源と比較すると、いくつかの経済的および技術的な利点を有する。
1.本発明のガス放電イオン源に対する投資費用は、ECRイオン源(RF発生器を含む)に対する費用の少なくとも約5分の1である。さらに、運転維持に対する費用は、電気コイルを有するECRイオン源と比較すると特に低い。たとえば、最近の技術水準のECRイオン源用のRF発生器のクライストロンは、定期的に交換されねばならない。
2.リニアックでの加速にH を使用することは、いくつかの利点を有する。すなわち、124+イオンと同じA/Q=3の容積対電荷比を有するため、リニアック空洞は、両方の場合、同じrf電力レベルで運転される。このことは、非常に安定したリニアックの運転を保証し、システムの信頼性を向上させる。さらに、124+ビームおよびH ビームの間の非常に高速な切換えが可能であろう。さらに、LEBTおよびRFQ加速器に沿った空間電荷の問題は、H またはHビームと比較してH ビームの場合に最小にされる。
3.非常に大きなビーム電流が利用できる。
4.ε<0.1πmm mradの正規化されたビームエミッタンス、すなわち、ECRイオン源からのH ビームと比較しておよそ一桁小さい、たとえば、0.003πmm mradの正規化された80%ビームエミッタンスを有する高ブリリアント・イオンビームが、17kVの抽出電圧で、9mA Heビームについて測定された。
【0051】
図3は、イオンを生成し、選択する装置の、低エネルギービーム輸送ラインに沿ったビームエンベロープの例を示す。図3において、水平方向(上部)および垂直方向(下部)のビームエンベロープが、a)120πmm mrad(ε=0.50πmm mrad)およびb)240πmm mrad(ε=1.0πmm mrad)の2つの横方向ビームエミッタンスについてプロットされている。ビームエミッタンスは、x方向およびy方向で同じであり、本発明で使用されるECRイオン源について測定された値に基づいている。ビームエミッタンスは、炭素、酸素およびヘリウムイオンビームについて約ε≒0.5−0.7πmm mradからH ビームについて約ε≒1.0πmm mradまでの範囲にある。図3のボックスは、異なる電磁石およびそれらの開口半径を特徴付けている。シミュレーションは、イオン源の抽出システムに配置されたオブジェクト焦点で始まり、RFQ電極の始点で終了する。
【0052】
シミュレーションのスタート点でのビームパラメータは、プラズマ電極の開口を含むイオン源抽出システムの幾何学的形状によって、ならびに、プラズマ電極の抽出開口におけるプラズマ表面の形状に影響を与えるイオン源の運転パラメータによって求められる。分光計システムのスタート点でのビームパラメータ、すなわち、異なるビーム半径、異なる発散角度、ならびに軸方向におけるオブジェクト焦点の変位の柔軟なマッチングを実現するために、図1および図2に示す分光計電磁石SP1、SP2の前で2つの集束電磁石が使用される。
【0053】
まず第1に、各イオン源から抽出されたイオンビームは、図1および図2に示すソレノイド電磁石SOLによって後続の分光計のオブジェクト点に集束させられる。この点での分光計のベンディング面におけるビームサイズおよびロケーションは、可変水平スリット(SL)によって画定することができる。ベンディング電磁石内での最大水平ビームサイズに比例する、分光計の分解能を上げるため、また、分光計電磁石SP1、SP2に沿う垂直ビーム幅を減らすために、水平方向に集束解除する単一の4重極電磁石QSが、分光計のオブジェクト焦点と分光計電磁石SP1、SP2との間に配置される。後続の2重集束90°分光計電磁石SP1、SP2は、400mmの曲率半径および26.6°の縁角度を有する。A/Q=3の容積対電荷比および8keV/uを有するイオンビームについて、イオンビームはほんの0.1Tに励起される。以下、すなわち、
(A/Q)/(Δ(A/Q))≒140
のイメージスリット(ISL)での、システムの理論的な容積分解能は、他の荷電状態から、またいくつかの他の軽イオンから、所望の124+イオンを分離するのに十分である。
【0054】
図1および図2に示すイメージスリットISLに続いて、磁気4重極トリプレットQT1、QT2は、切換え電磁石SMとRFQとの間で、LEBTの共通部に沿ってほとんど円対称にビームを集束させる。
【0055】
最後に、ソレノイド電磁石が、高周波4重極(RFQ)加速器の始点のマッチングした小さなウエストにイオンビームを集束させる。マクロパルス形成用の一対のチョッパプレートは、切換え電磁石とRFQとの間に置かれる。
【0056】
ビーム診断手段BDは、プロファイルグリッドおよびファラデーカップを備えており、両者は、イオン源ECRIS1およびECRIS2の抽出システムの後ろの、分光計SP1、SP2のオブジェクト焦点で、かつイメージスリットISLの位置に配置される。別のビーム診断ボックスは、切換え電磁石の後ろで、RFQの前のソレノイド電磁石の上流に位置する。オンラインビーム電流測定のために、ビーム変圧器が、イオン源分岐のそれぞれにおいて、磁気4重極トリプレットQT1およびQT2の前に設けられている。
【図面の簡単な説明】
【0057】
【図1】重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、選択する装置を備えるイオンビームアプリケーションシステム用の、完備した注入器リニア加速器の略図である。
【図2】図1の部分略図である。
【図3】イオンを生成し、選択する装置の、低エネルギービーム輸送ラインに沿ったビームエンベロープの例である。
【符号の説明】
【0058】
図1、図2、および図3における参照符号は以下のように定義される。
ECRIS1 124+または166+のような重イオン用の第1電子サイクロトロン共鳴イオン源
ECRIS2 H 、H またはHeのような軽イオン用の第2電子サイクロトロン共鳴イオン源
SOL ECRIS1およびECRIS2の出口のソレノイド電磁石
BD プロファイルグリッドおよび/またはファラデーカップを備えるビーム診断ブロック
SL コリメータスリット
ISL コリメータイメージスリット
BTR ビーム変圧器
QS1 第1分岐の磁気4重極シングレット
QS2 第2分岐の磁気4重極シングレット
QD 4重極ダブレット
QT 磁気4重極トリプレット
SP1 第1分岐の分光計電磁石
SP2 第2分岐の分光計電磁石
SM 切換え電磁石
CH マクロパルスチョッパ
RFQ 高周波4重極加速器
IH−DTL IH型ドリフトリニアック
SF ストリッパフォイル
a)(図3) 120πmm mradのビームエミタンスによるビームエンベロープ
b)(図3) 240πmm mradのビームエミタンスによるビームエンベロープ

Claims (12)

  1. 重イオン癌治療施設で使用されるイオンを生成し、抽出し、選択する装置であって、
    重イオンおよび軽イオンをそれぞれ生成する、独立した第1(ECRIS1)および独立した第2電子サイクロトロン共鳴イオン源(ECRIS2)と、
    各イオン源(ECRIS1、ECRIS2)の下流に位置する、一同位体配列の重イオン種を選択する分光計電磁石(SP1、SP2)と、
    各分光計電磁石(SP1、SP2)の下流に位置する磁気4重極トリプレット(QT1、QT2)と、
    各分光計電磁石(SP1、SP2)のイメージ焦点に配置されている分析スリット(ISL)と、
    前記分析スリット(ISL)と前記磁気4重極トリプレット(QT1、QT2)との間に配置されるビーム変圧器(BTR)と、
    前記2つの独立した第1および第2イオン源の高LETイオン種および低LETイオン種を切換える切換え電磁石(SM)とを備える装置。
  2. ソレノイド電磁石(SOL)は、各イオン源(ECRIS1、ECRIS2)の出口に配置されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  3. 磁気4重極シングレット(QS1、QS2)は、各イオン源(ECRIS1、ECRIS2)の下流に位置することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の装置。
  4. 前記イオン源(ECRIS1、ECRIS2)はもっぱら永久磁石を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか1つに記載の装置。
  5. 前記ビーム診断手段(BD)は、各分光計電磁石(SP)の上流に配置されることを特徴とする前記請求項のいずれか1つに記載の装置。
  6. 前記ビーム診断手段(BD)は、プロファイルグリッドを備えることを特徴とする請求項5に記載の装置。
  7. 前記ビーム診断手段(BD)は、ファラデーカップを備えることを特徴とする前記請求項のいずれか1つに記載の装置。
  8. 前記ビーム診断手段(BD)は、各ビームスリット(SL、ISL)に配置されることを特徴とする前記請求項のいずれか1つに記載の装置。
  9. 集束ソレノイド電磁石(SOL)は、チョッパ(CH)の下流で、かつ、前記高周波4重極加速器(RFQ)の上流に位置することを特徴とする請求項1に記載の装置。
  10. 低エネルギービーム輸送システム(LEBT)は、前記切換え電磁石(SM)の下流に、ファラデーカップおよび/またはプロファイルグリッドを収容する診断手段(F01、F02)を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか1つに記載の装置。
  11. 交互ステム(ST)は、前記RFQ内の共通水冷ベースプレート(BP)上に取り付けられることを特徴とする前記請求項のいずれか1つに記載の装置。
  12. 前記ステム(ST)はインダクタンスとして働き、電極(EL)を形成するミニベーン対はλ/2共鳴構造に対するキャパシタンスとして働くことを特徴とする請求項11に記載の装置。
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