JP2011076819A

JP2011076819A - Annular accelerator and particle beam therapy system employing the same

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Publication number: JP2011076819A
Application number: JP2009225913A
Authority: JP
Inventors: Fumiaki Noda; 文章野田; Futaro Ebina; 風太郎えび名; Kazuyoshi Saito; 一義齋藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an annular accelerator capable of switching ON/OFF of taking out of beams at high speed, and to provide a particle beam therapy system capable of performing soft radiation with the accelerator. <P>SOLUTION: The system includes an annular accelerator 200 for acceleration and deceleration of circulating charged particle beams, and an accelerator control device 501 for controlling the annular accelerator. The annular accelerator 200 has at least one sextupole electromagnetic field component generator 26 on the beam orbit of the charged particle beams, and at least one orbit deflection electromagnet making deflect the beam orbit of the charged particle beams in the installation position of the sextupole electromagnetic field component generator 26. The accelerator control device 500 controls to start excitation of the orbit deflection electromagnet during taking out of the charged particle beams from the annular accelerator 200 by exciting the sextupole electromagnetic field component generator 26. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速・減速するための環状加速器と前記環状加速器を用いた粒子線治療システムに関する。 The present invention relates to an annular accelerator for accelerating and decelerating a charged particle beam to a predetermined energy, and a particle beam therapy system using the annular accelerator.

近年の高齢化社会を反映し、がん治療法の一つとして、低侵襲で体に負担が少なく、治療後の生活の質が高く維持できる放射線治療が注目されている。その中でも、環状加速器で加速した陽子や炭素などの荷電粒子ビームを用いた粒子線治療システムが、患部への優れた線量集中性のため特に有望視されている。粒子線治療システムは、イオン源で発生した荷電粒子ビームを光速近くまで加速するシンクロトロンなどの環状加速器と、環状加速器から取り出した荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、患部の位置や形状に合わせて荷電粒子ビームを患者に照射する照射装置を備える。 Reflecting the recent aging society, as one of the cancer treatment methods, radiotherapy that is minimally invasive, has less burden on the body, and can maintain a high quality of life after treatment is attracting attention. Among them, a particle beam therapy system using a charged particle beam of protons or carbon accelerated by a ring accelerator is particularly promising because of excellent dose concentration on the affected area. The particle therapy system consists of an annular accelerator such as a synchrotron that accelerates the charged particle beam generated by the ion source to near the speed of light, a beam transport system that transports the charged particle beam extracted from the annular accelerator, and the position and shape of the affected area. In addition, an irradiation apparatus for irradiating a patient with a charged particle beam is provided.

前記環状加速器において、荷電粒子ビームを構成する各々の粒子はベータトロン振動と呼ばれる中心軌道（設計軌道）のまわりを振動（蛇行）運動しながら周回し、前記高周波加速空胴２５により加速・減速される。１周あたりのこの振動数をチューンと呼び、このチューンの小数部が０（ゼロ），１／２，１／３，…，１／ｎ（ｎは整数）の粒子に対して、それぞれ付加的な二極電磁場，四極電磁場，六極電磁場，…，２ｎ極電磁場が存在した場合、共鳴と呼ばれる現象が発生し、各粒子のベータトロン振動振幅は急速に増大する。多くの場合、前述の付加的な電磁場は誤差電磁場等によるもので、それによるベータトロン振動振幅の増大はビームサイズの増大やビーム損失を引き起こす。一方でこの現象を巧みに利用し制御することにより前記環状加速器からビームを取り出す方法が遅い取り出し法もしくは共鳴取り出し法と呼ばれている取り出し方法である。遅い取り出し法を用いれば、荷電粒子ビームが環状加速器を１周する間にすべてのビームを取り出す速い取り出し法と異なり、複数周にわたってゆっくりと取り出すことができる。取り出したビームは粒子線治療や物理学実験で主に利用されている。 In the annular accelerator, each particle constituting the charged particle beam circulates while oscillating (meandering) around a central trajectory (design trajectory) called betatron vibration, and is accelerated and decelerated by the high-frequency acceleration cavity 25. The This frequency per round is called a tune, and is added to each of the particles whose decimal part is 0 (zero), 1/2, 1/3, ..., 1 / n (n is an integer). In the presence of a two-pole electromagnetic field, a quadrupole electromagnetic field, a hexapole electromagnetic field,..., A 2n-pole electromagnetic field, a phenomenon called resonance occurs, and the betatron oscillation amplitude of each particle increases rapidly. In many cases, the aforementioned additional electromagnetic field is due to an error electromagnetic field or the like, and the increase in the betatron oscillation amplitude thereby causes an increase in beam size or beam loss. On the other hand, a method of extracting a beam from the annular accelerator by skillfully utilizing and controlling this phenomenon is an extraction method called a slow extraction method or a resonance extraction method. If the slow extraction method is used, the charged particle beam can be slowly extracted over a plurality of laps, unlike the fast extraction method in which all the beams are extracted during one round of the annular accelerator. The extracted beam is mainly used in particle beam therapy and physics experiments.

図２，図３を用いて遅い取り出しの原理について三次共鳴を利用した場合を例に説明する。図２は横軸にビームの水平方向チューン，縦軸に垂直方向チューンを示している。ビームのチューンは四極電磁場成分によって制御でき、図中の共鳴の強度・幅（ストップバンド）は前述の付加的な電磁場強度によって制御できる。図３に三次共鳴を利用した遅い取り出しについて、共鳴線とチューンの関係の違いによる位相空間分布を示す。図２中の（Ａ），（Ｃ）に示すチューンの場合、すなわち六極電磁場成分が小さい場合や、共鳴線から十分にチューンが離れている状況では図３（ａ）に示すように粒子は位相空間において１→２→３→４と安定な楕円運動を行う。一方で図２中の（Ｂ）に近い場合には、図３（ｂ）に示すように振幅の小さな粒子は安定に周回するが、振幅の大きな粒子は共鳴現象により周回ごとに急速に振幅が増大する。この安定領域と不安定領域の境界をセパラトリックスと呼び、セパラトリックスの大きさは既述の通りチューンと共鳴の強さの関係によって決定される。遅い取り出しとはこの振幅の増大を利用して、振幅の大きくなったものから順に前記環状加速器から取り出す方法である。 The principle of slow extraction will be described with reference to FIGS. 2 and 3 by taking an example of using third-order resonance. FIG. 2 shows the horizontal tune of the beam on the horizontal axis and the vertical tune on the vertical axis. The beam tune can be controlled by a quadrupole electromagnetic field component, and the resonance intensity and width (stop band) in the figure can be controlled by the additional electromagnetic field strength described above. FIG. 3 shows the phase space distribution due to the difference in the relationship between the resonance line and the tune for the slow extraction using the third-order resonance. In the case of the tunes shown in FIGS. 2A and 2C, that is, when the hexapole electromagnetic field component is small, or when the tune is sufficiently away from the resonance line, the particles are as shown in FIG. Stable elliptical motion is performed in the phase space as 1 → 2 → 3 → 4. On the other hand, when it is close to (B) in FIG. 2, particles with a small amplitude circulate stably as shown in FIG. 3 (b), but particles with a large amplitude rapidly increase in amplitude every lap due to the resonance phenomenon. Increase. The boundary between the stable region and the unstable region is called a separatrix, and the size of the separatrix is determined by the relationship between the tune and the strength of resonance as described above. Slow extraction is a method of using the increase in amplitude to extract from the annular accelerator in order of increasing amplitude.

従来、遅い取り出し法において、取り出すビームのＯＮ／ＯＦＦを制御する手段には、前記環状加速器に設置した四極電磁場成分発生装置である四極電磁石を利用するものがある（例えば、特許文献１参照）。これは四極電磁場成分発生装置によってビームに四極磁場成分を作用させることによりチューンを共鳴線から遠ざけ、ビームを共鳴状態から安定周回状態へ、またその逆へ遷移させる方法である。また四極電磁場成分発生装置として、高周波空洞により四極電場を作用させる方法もある（例えば、特許文献２参照）。その他の方法として、高周波を用いた遅い取り出し法においては環状加速器内に設置した出射用高周波装置のＯＮ／ＯＦＦを利用してビームの取り出しをＯＮ／ＯＦＦするものがある。
これは出射用高周波装置で発生させる電場をＯＦＦすることによりビーム振動振幅の増大を停止し、ビーム取り出しを停止する方法である。この方法において、さらに高速にＯＮ／ＯＦＦする目的で、加速用高周波のＯＮ／ＯＦＦとの同期運転を行っているものがある（例えば、非特許文献１参照）。 Conventionally, in the slow extraction method, as a means for controlling ON / OFF of a beam to be extracted, there is one that uses a quadrupole electromagnet that is a quadrupole electromagnetic field component generator installed in the annular accelerator (see, for example, Patent Document 1). This is a method in which a quadrupole magnetic field component is applied to a beam by a quadrupole electromagnetic field component generator so that the tune is moved away from the resonance line and the beam is shifted from the resonance state to the stable circulation state and vice versa. Further, as a quadrupole electromagnetic field component generator, there is a method in which a quadrupole electric field is applied by a high-frequency cavity (see, for example, Patent Document 2). As another method, in the slow extraction method using high frequency, there is a method in which extraction of the beam is turned on / off by using ON / OFF of an extraction high-frequency device installed in the annular accelerator.
This is a method of stopping the beam extraction by stopping the increase of the beam vibration amplitude by turning off the electric field generated by the high frequency device for emission. In this method, there is one that performs synchronous operation with ON / OFF of an acceleration high frequency for the purpose of turning ON / OFF at a higher speed (for example, see Non-Patent Document 1).

特開２００５−３３２７９４号公報JP 2005-332794 A 特開２００５−３５３６１０号公報JP 2005-353610 A

“Advanced RF-KO slow-extraction method for the reduction spill ripple”, Nuclear Instruments and Methods in physics Research A 492(2002) 253-263.“Advanced RF-KO slow-extraction method for the reduction spill ripple”, Nuclear Instruments and Methods in physics Research A 492 (2002) 253-263.

近年、粒子線治療分野において照射した線量の管理、またスポットスキャニングといった観点から、数１０マイクロ秒以下で照射ビームをＯＮ／ＯＦＦする手段が求められている。遅い取り出し法を利用した場合、取り出しビームのＯＮ／ＯＦＦを制御する手段として、特許文献１記載の四極電磁場成分発生装置として環状加速器内に設置した四極電磁石を利用したものがある。しかしながら、環状加速器を構成する一般的な四極電磁石を利用した場合、ビームＯＮ／ＯＦＦに数msの時間を必要とする。さらに高速にビームＯＮ／Ｏ
ＦＦを制御したい場合には特許文献１に記載の高速に動作する四極電磁場成分発生装置を用いる必要があり、加速器の大きさ・コストの抑制が課題であった。また特許文献２では四極電磁場成分発生装置として、電場を利用する方法が記載されているが、この場合であっても新たに空洞を設置する必要があった。その他の方法としては高周波を用いた遅い取り出し法において、環状加速器内に設置した出射用高周波装置を利用してビームＯＮ／ＯＦＦを制御することが可能である。この場合、数１００マイクロ秒でビーム出射を停止することが可能である。さらに高速化を実現する手段として非特許文献１記載の高周波加速空胴との同期運転法が考案されている。この方法では５０マイクロ秒程度での高速ビーム停止を実現している。しかしながら、高周波加速空胴の制御パラメータである電圧を変化させるため、環状加速器内の周回ビームに擾乱を与える。このためビームロス抑制，出射ビーム量制御・タイミング制御等に高度な調整が必要であった。 In recent years, means for turning on / off an irradiation beam in several tens of microseconds or less has been demanded from the viewpoint of dose management and spot scanning in the field of particle beam therapy. When the slow extraction method is used, as a means for controlling ON / OFF of the extraction beam, there is one using a quadrupole electromagnet installed in the annular accelerator as the quadrupole electromagnetic field component generator described in Patent Document 1. However, when a general quadrupole electromagnet constituting an annular accelerator is used, it takes several ms to turn on / off the beam. Faster beam ON / O
In order to control the FF, it is necessary to use the quadrupole electromagnetic field component generating device described in Patent Document 1 that operates at high speed, and it has been a problem to suppress the size and cost of the accelerator. Patent Document 2 describes a method of using an electric field as a quadrupole electromagnetic field component generator, but even in this case, it is necessary to newly install a cavity. As another method, in a slow extraction method using a high frequency, it is possible to control the beam ON / OFF using an extraction high frequency device installed in the annular accelerator. In this case, the beam emission can be stopped in several hundred microseconds. Further, as a means for realizing higher speed, a synchronous operation method with a high-frequency acceleration cavity described in Non-Patent Document 1 has been devised. This method realizes high-speed beam stop in about 50 microseconds. However, in order to change the voltage that is a control parameter of the high-frequency acceleration cavity, disturbance is given to the circulating beam in the annular accelerator. For this reason, advanced adjustments are required for beam loss suppression, outgoing beam amount control, timing control, and the like.

本発明の特徴は、周回する荷電粒子ビームを加速・減速する環状加速器と、環状加速器を制御する加速器制御装置とを備え、環状加速器が、荷電粒子ビームのビーム軌道上に、少なくとも１台の六極電磁場成分発生装置と、六極電磁場成分発生装置の設置位置での荷電粒子ビームのビーム軌道を変位させる少なくとも１台の軌道偏向電磁石とを有し、加速器制御装置が、六極磁場成分発生装置を励磁して環状加速器から荷電粒子ビームを取り出している期間に、軌道偏向電磁石の励磁を開始して荷電粒子ビームのビーム軌道を変位するように制御することにある。 A feature of the present invention includes an annular accelerator that accelerates and decelerates a circulating charged particle beam, and an accelerator controller that controls the annular accelerator, and the annular accelerator is arranged on at least one six on the beam trajectory of the charged particle beam. A polar electromagnetic field component generator and at least one orbital deflecting electromagnet for displacing the beam trajectory of the charged particle beam at the installation position of the hexapole electromagnetic field component generator; In the period when the charged particle beam is taken out from the annular accelerator by exciting the orbit, the excitation of the orbital deflection electromagnet is started and the beam orbit of the charged particle beam is controlled to be displaced.

本発明によれば、環状加速器からの荷電粒子ビームの取り出しＯＮ／ＯＦＦ制御を高速にできるため、高精度に荷電粒子ビームを出射することができる。 According to the present invention, since the charged particle beam extraction ON / OFF control from the annular accelerator can be performed at high speed, the charged particle beam can be emitted with high accuracy.

この発明の好適な一実施例（実施例１）である粒子線治療システムの構成を示したシステム構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a system configuration diagram showing a configuration of a particle beam therapy system that is a preferred embodiment (embodiment 1) of the present invention. 環状加速器における遅いビーム取り出し法の説明図である。It is explanatory drawing of the slow beam extraction method in a cyclic | annular accelerator. 環状加速器における遅いビーム取り出し法の説明図である。It is explanatory drawing of the slow beam extraction method in a cyclic | annular accelerator. この発明の好適な一実施例（実施例１）である粒子線治療システムに備えられる環状加速器の運転パターンを示す図である。It is a figure which shows the driving | operation pattern of the annular accelerator with which the particle beam therapy system which is one preferable Example (Example 1) of this invention is equipped. この発明の他の実施例（実施例２）である粒子線治療システムに備えられる環状加速器の運転パターンを示す図である。It is a figure which shows the driving | operation pattern of the annular accelerator with which the particle beam therapy system which is another Example (Example 2) of this invention is equipped. この発明の他の実施例（実施例３）である粒子線治療システムに備えられる環状加速器の運転パターンを示す図である。It is a figure which shows the driving | running pattern of the annular accelerator with which the particle beam therapy system which is another Example (Example 3) of this invention is equipped. スポットスキャニング照射法の説明図である。It is explanatory drawing of a spot scanning irradiation method. この発明の他の実施例（実施例４）である粒子線治療システムに備えられる環状加速器の運転パターンを示す図である。It is a figure which shows the driving | running pattern of the annular accelerator with which the particle beam therapy system which is another Example (Example 4) of this invention is equipped.

本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

以下、図１，図４を用いて、本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムの構成及び動作について説明する。 Hereinafter, the configuration and operation of the particle beam therapy system according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

まず、図１を用いて本実施形態による粒子線治療システム１の全体構成を説明する。粒子線治療システム１は、低エネルギービーム入射系１００，環状加速器２００（例えば、シンクロトロン），ビーム輸送系３００，全体制御装置４００及び加速器制御装置５００を備える。 First, the whole structure of the particle beam therapy system 1 by this embodiment is demonstrated using FIG. The particle beam therapy system 1 includes a low energy beam injection system 100, an annular accelerator 200 (for example, a synchrotron), a beam transport system 300, an overall controller 400, and an accelerator controller 500.

低エネルギービーム入射系１００は、イオン源１１，前段加速器１２，必要に応じて配置されたビーム輸送系偏向電磁石１３，集束／発散用四極電磁石１４を備える。環状加速器２００は、前段加速器１２で予備加速した荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速した後、加速された荷電粒子ビームを出射する機能を有する。ビーム輸送系３００は、ビーム輸送系偏向電磁石３１及び集束／発散用四極電磁石３２を備え、環状加速器２００から出射された荷電粒子ビームを、患者４１の患部に照射する照射装置３３まで導く機能を有する。全体制御装置４００は、取り出しビームのＯＮ／ＯＦＦを制御する機能を有する。全体制御装置４００が加速器制御装置５００に接続される。 The low energy beam injection system 100 includes an ion source 11, a pre-stage accelerator 12, a beam transport system deflection electromagnet 13 and a focusing / divergence quadrupole electromagnet 14 arranged as necessary. The annular accelerator 200 has a function of accelerating the charged particle beam preliminarily accelerated by the pre-stage accelerator 12 to a predetermined energy and then emitting the accelerated charged particle beam. The beam transport system 300 includes a beam transport system deflecting electromagnet 31 and a focusing / diverging quadrupole electromagnet 32, and has a function of guiding the charged particle beam emitted from the annular accelerator 200 to the irradiation device 33 that irradiates the affected area of the patient 41. . The overall control device 400 has a function of controlling ON / OFF of the extraction beam. Overall control device 400 is connected to accelerator control device 500.

加速器制御装置５００は、入射用バンプ電磁石制御部５０１，共鳴励起用六極電磁石制御部５０２，出射用高周波装置制御部５０３を有し、環状加速器２００を制御する機能を備える。この入射用バンプ電磁石制御部５０１は、入射用バンプ電磁石２２１につながる入射用バンプ電磁石電源２２１Ａ及び入射用バンプ電磁石２２２につながる入射用バンプ電磁石電源２２２Ａに接続され、この入射用バンプ電磁石電源２２１，２２２を制御する。入射用バンプ電磁石制御部５０１が、入射用バンプ電磁石電源２２１Ａから入射用バンプ電磁石２２１に励磁する励磁電流を変更することによって、入射用バンプ電磁石２２１の励磁量を制御する。また、同様に、入射用バンプ電磁石制御部５０１が、入射用バンプ電磁石電源２２２Ａから入射用バンプ電磁石２２２に励磁する励磁電流を変更することによって、入射用バンプ電磁石２２２の励磁量を制御する。共鳴励起用六極電磁石制御部５０２は、共鳴励起用六極電磁石２６につながる共鳴励起用六極電磁石電源２６Ａに接続され、この共鳴励起用六極電磁石電源２６Ａを制御する。共鳴励起用六極電磁石制御部５０２が、共鳴励起用六極電磁石電源２６Ａから共鳴励起用六極電磁石２６に励磁する励磁電流を変更することによって、共鳴励起用六極電磁石２６の励磁量を制御する。出射用高周波装置制御部５０３は、出射用高周波装置２７につながる出射用高周波電源２７Ａに接続され、この出射用高周波電源２７Ａを制御する。出射用高周波装置制御部５０３が、出射用高周波電源２７Ａから出射用高周波装置２７に励磁する励磁電流を制御することによって、出射用高周波装置２７の励磁量を制御する。 The accelerator control device 500 includes an incident bump electromagnet control unit 501, a resonance excitation hexapole electromagnet control unit 502, and an extraction high frequency device control unit 503, and has a function of controlling the annular accelerator 200. The incident bump electromagnet control unit 501 is connected to the incident bump electromagnet power supply 221 A connected to the incident bump electromagnet 221 and the incident bump electromagnet power supply 222 A connected to the incident bump electromagnet 222. To control. The incident bump electromagnet control unit 501 controls the excitation amount of the incident bump electromagnet 221 by changing the excitation current excited from the incident bump electromagnet power source 221A to the incident bump electromagnet 221. Similarly, the incident bump electromagnet control unit 501 controls the excitation amount of the incident bump electromagnet 222 by changing the excitation current excited from the incident bump electromagnet power supply 222A to the incident bump electromagnet 222. The resonance excitation hexapole electromagnet controller 502 is connected to the resonance excitation hexapole electromagnet power supply 26A connected to the resonance excitation hexapole electromagnet 26, and controls the resonance excitation hexapole electromagnet power supply 26A. The resonance excitation hexapole electromagnet control unit 502 controls the excitation amount of the resonance excitation hexapole electromagnet 26 by changing the excitation current excited from the resonance excitation hexapole electromagnet power supply 26A to the resonance excitation hexapole electromagnet 26. To do. The emission high-frequency device control unit 503 is connected to the emission high-frequency power source 27A connected to the emission high-frequency device 27, and controls the emission high-frequency power source 27A. The emission high-frequency device control unit 503 controls the excitation amount of the emission high-frequency device 27 by controlling the excitation current that excites the emission high-frequency device 27 from the emission high-frequency power source 27A.

環状加速器２００は、前段加速器１２で予備加速した荷電粒子ビームを入射する入射用偏向装置（入射セプタ）２１と、入射の際に、周回軌道をずらすための入射用バンプ電磁石２２１，２２２と、荷電粒子ビームを偏向し一定の軌道上を周回させる偏向電磁石２３と、荷電粒子ビームが広がらないように水平／垂直方向に収束力を与える収束／発散用四極電磁石２４と、高周波加速電圧で荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速するための高周波加速空胴２５と、周回する荷電粒子ビームの振動振幅に対してセパラトリックスを形成する共鳴励起用六極電磁石２６と、高周波電磁場で荷電粒子ビームの振動振幅を増大しセパラトリックスを超えさせて外部に取り出す出射用高周波装置２７と、荷電粒子ビームを出射するために偏向する出射用偏向装置２８を備える。入射用偏向装置２１、入射用バンプ電磁石２２１，２２２，偏向電磁石２３，四極電磁石２４，高周波加速空胴２５，六極電磁石２６，出射用高周波装置２７及び出射用偏向装置２８はビーム軌道に沿って配置される。入射用偏向装置２１が低エネルギービーム入射系１００に接続される。入射用バンプ電磁石２２１と入射用バンプ電磁石２２２は、入射用偏向装置２１を挟んで複数個（本実施例では２台の入射用バンプ電磁石２２１，２２２）が配置されている。共鳴励起用六極電磁石２６は、入射用バンプ電磁石２２１と入射用バンプ電磁石２２２の間に配置される。この共鳴励起用六極電磁石２６は、入射用バンプ電磁石２２１，２２２で生成されるバンプ軌道内であって、この軌道変位が大きい領域に設置されるのが更に良い。これは、共鳴励起用六極電磁石２６による磁場強度とバンプ軌道の軌道変位との積が、チューンを動かす力（図２に示す、ＡからＢに移動させる力）になるためである。本実施例では、図１に示すように、２台の入射用バンプ電磁石２２１，２２２をビーム軌道上に設置する例を示したが、３つ以上の入射用バンプ電磁石装置を設置してもよい。例えば、３つの入射用バンプ電磁石を設置する場合、本実施例の入射用バンプ電磁石２２１と共鳴励起用六極電磁石２６の間のビーム軌道上に配置する構成や、共鳴励起用六極電磁石２６と入射用バンプ電磁石２２２の間に配置する構成が考えられる。このように複数台の入射バンプ電磁石を配置する場合にも、共鳴励起用六極電磁石２６は、複数台の入射バンプ電磁石で生成されるバンプ軌道内であって、この軌道変位が大きい領域に設置されるのが更に良い。出射用偏向装置２８がビーム輸送系３００に接続される。 The annular accelerator 200 includes an incident deflector (incident septa) 21 that receives the charged particle beam preliminarily accelerated by the former accelerator 12, incident bump electromagnets 221 and 222 for shifting the circular orbit at the time of incidence, A deflecting electromagnet 23 that deflects the particle beam and circulates on a fixed orbit, a converging / diverging quadrupole electromagnet 24 that applies a convergence force in the horizontal / vertical direction so that the charged particle beam does not spread, and a charged particle beam with a high-frequency acceleration voltage A high-frequency acceleration cavity 25 for accelerating the beam to a predetermined energy, a hexapole electromagnet 26 for resonance excitation that forms a separatrix with respect to the vibration amplitude of the circulating charged particle beam, and the vibration amplitude of the charged particle beam in the high-frequency electromagnetic field Is increased to exceed the separatrix and extracted to the outside, and deflected to emit a charged particle beam Comprising a morphism deflection device 28. The incident deflection device 21, the incident bump electromagnets 221 and 222, the deflection electromagnet 23, the quadrupole electromagnet 24, the high frequency acceleration cavity 25, the hexapole electromagnet 26, the emission high frequency device 27, and the emission deflection device 28 are along the beam trajectory. Be placed. An incident deflecting device 21 is connected to the low energy beam incident system 100. A plurality of incident bump electromagnets 221 and incident bump electromagnets 222 (two incident bump electromagnets 221 and 222 in this embodiment) are arranged with the incident deflecting device 21 interposed therebetween. The resonance excitation hexapole electromagnet 26 is disposed between the incident bump electromagnet 221 and the incident bump electromagnet 222. The resonance excitation hexapole electromagnet 26 is more preferably installed in a bump trajectory generated by the incident bump electromagnets 221 and 222 in a region where the trajectory displacement is large. This is because the product of the magnetic field intensity by the resonance excitation hexapole electromagnet 26 and the orbital displacement of the bump trajectory becomes a force for moving the tune (a force for moving from A to B shown in FIG. 2). In the present embodiment, as shown in FIG. 1, an example in which two incident bump electromagnets 221 and 222 are installed on the beam trajectory is shown, but three or more incident bump electromagnet devices may be installed. . For example, when three incident bump electromagnets are installed, a configuration in which the incident bump electromagnet 221 and the resonance excitation hexapole electromagnet 26 of this embodiment are arranged on the beam trajectory, or the resonance excitation hexapole electromagnet 26 and A configuration in which the bump electromagnet 222 is disposed between the incident bump electromagnets 222 is conceivable. Even when a plurality of incident bump electromagnets are arranged in this way, the resonance excitation hexapole electromagnet 26 is placed in a bump trajectory generated by the plurality of incident bump electromagnets and in a region where the trajectory displacement is large. Even better. An exit deflector 28 is connected to the beam transport system 300.

次に、図４に示す環状加速器２００の運転パターンの一例を用いて、実施例１における環状加速器２００の動作について説明する。 Next, the operation of the annular accelerator 200 according to the first embodiment will be described using an example of the operation pattern of the annular accelerator 200 shown in FIG.

前段加速器１２が荷電粒子ビームを所定のエネルギー（環状加速器２００の入射に必要なエネルギー）まで加速すると、加速された荷電粒子ビームは入射用偏向装置２１を通って環状加速器２００に入射される。多くの荷電粒子ビームを効率良く入射するため、円形加速器２００は２台以上のバンプ電磁石を備える。本実施例では、２つのバンプ電磁石２２１，２２２がバンプ軌道（中心軌道からずれた軌道）を形成し、これを時間的に変化させながら荷電粒子ビームの入射を行う。加速器制御装置５０１が、入射用バンプ電磁石電源２２１Ａ及び入射用バンプ電磁石電源２２２Ａを制御することによって、入射用バンプ電磁石２２１及び入射用バンプ電磁石２２２の励磁量を制御する。入射された荷電粒子ビームは、偏向電磁石２３と四極電磁石２４で安定に周回しながら高周波加速空胴２５により加速される。この際、加速に伴い荷電粒子ビームは曲げにくくなるため、偏向電磁石２３，四極電磁石２４の磁場強度を調整し、周回軌道が一定となるように変化させる。共鳴を励起するための手段である六極電磁石２６は、図１に示すように、複数のバンプ電磁石に挟まれた領域であって入射バンプ電磁石が形成するバンプ軌道内に配置される。これによりバンプ電磁石２２１，２２２を励磁することで、周回ビームに四極磁場成分を作用させチューンの制御が可能となる。 When the pre-stage accelerator 12 accelerates the charged particle beam to a predetermined energy (energy necessary for the incidence of the annular accelerator 200), the accelerated charged particle beam is incident on the annular accelerator 200 through the incident deflecting device 21. In order to efficiently enter many charged particle beams, the circular accelerator 200 includes two or more bump electromagnets. In this embodiment, two bump electromagnets 221 and 222 form a bump trajectory (a trajectory shifted from the central trajectory), and a charged particle beam is incident while changing this temporally. The accelerator controller 501 controls the amount of excitation of the incident bump electromagnet 221 and the incident bump electromagnet 222 by controlling the incident bump electromagnet power supply 221A and the incident bump electromagnet power supply 222A. The incident charged particle beam is accelerated by the high-frequency accelerating cavity 25 while stably circling by the deflection electromagnet 23 and the quadrupole electromagnet 24. At this time, since the charged particle beam becomes difficult to bend with acceleration, the magnetic field strengths of the deflection electromagnet 23 and the quadrupole electromagnet 24 are adjusted to change the circular orbit to be constant. As shown in FIG. 1, the hexapole electromagnet 26, which is a means for exciting resonance, is disposed in a bump trajectory formed by an incident bump electromagnet, which is an area between a plurality of bump electromagnets. Thus, exciting the bump electromagnets 221 and 222 makes it possible to control the tune by applying a quadrupole magnetic field component to the circular beam.

次に、ビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦの手順を以下に示す。図４（ａ）に示すように、荷電粒子ビームが入射，加速，出射，減速を繰り返すように、環状加速器２００は制御されている。円形加速器２００に入射された荷電粒子ビームが所定のエネルギーまで加速された後、動作チューンを図２に示すＢ点付近に設定し、共鳴を励起するための手段である六極電磁石２６の励磁を開始し、図４（ｂ）に示すように励磁することでセパラトリックスが形成され、ビーム出射の準備が完了する。六極電磁石２６を励磁した状態で、全体制御装置４００が、図４（ｃ）に示すように、ビームの出射開始を示す出射開始信号（ＯＮ信号）を加速器制御装置５００に送信すると、加速器制御装置５００は、この出射開始信号に従って、図４（ｄ）に示すように、出射用高周波装置２７をＯＮする。出射用高周波装置２７による高周波印加により荷電粒子ビームの振幅が増大し、セパラトリックスの外側まで拡がった荷電粒子ビームが環状加速器２００から取り出される。全体制御装置４００が出射停止信号（ＯＦＦ信号）を加速器制御装置５００に出力すると、加速器制御装置５００は出射用高周波装置２７への高周波印加を停止（ＯＦＦ）する。それと同時、もしくは所定のタイミングで、加速器制御装置５００は、図４（ｅ）に示すように、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁する。従来、この入射バンプ電磁石は入射時にのみ使用されるもので、出射時に励磁されることはなかった。この入射用バンプ電磁石は、一般的な入射時間である数１００マイクロ秒の間に軌道を変化させるために使用されるもので、その目的から１００〜３００マイクロ秒程度で磁場が立ち上がる高速応答が可能な機器である。本実施例では、荷電粒子ビームを環状加速器２００から出射する時に入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁することにより、周回軌道を中心軌道から高速に変化させることが可能である。その軌道上に設置した共鳴励起用六極電磁石２６と入射用バンプ電磁石２２１，２２２との相互作用により、荷電粒子ビームに対して四極磁場成分を作用させることができる。これによってチューンが共鳴からはずれ、図４（ｆ）に示すようビームの取り出しが停止する。本実施例によれば、環状加速器２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する際、共鳴励起用六極電磁石２６を励磁している期間に、入射用バンプ電磁石２２１，２２２の励磁量を増加させることによって、環状加速器２００から出射される荷電粒子ビームが停止までの時間は上記立ち上り時間の数分の一程度、すなわち数十マイクロ秒まで短縮することができる。 Next, the beam extraction ON / OFF procedure is shown below. As shown in FIG. 4A, the annular accelerator 200 is controlled so that the charged particle beam repeats incidence, acceleration, emission, and deceleration. After the charged particle beam incident on the circular accelerator 200 is accelerated to a predetermined energy, the operation tune is set near the point B shown in FIG. 2, and the hexapole electromagnet 26, which is a means for exciting resonance, is excited. Starting and exciting as shown in FIG. 4B, a separatrix is formed, and preparation for beam extraction is completed. When the overall control device 400 transmits an emission start signal (ON signal) indicating the start of beam emission to the accelerator control device 500 as shown in FIG. 4C with the hexapole electromagnet 26 excited, accelerator control is performed. In accordance with the emission start signal, the apparatus 500 turns on the emission high-frequency device 27 as shown in FIG. The amplitude of the charged particle beam is increased by applying a high frequency by the high frequency device 27 for extraction, and the charged particle beam that has spread to the outside of the separatrix is taken out from the annular accelerator 200. When the overall control device 400 outputs an extraction stop signal (OFF signal) to the accelerator control device 500, the accelerator control device 500 stops (OFF) high-frequency application to the extraction high-frequency device 27. At the same time or at a predetermined timing, the accelerator controller 500 excites the incident bump electromagnets 221 and 222 as shown in FIG. Conventionally, this incident bump electromagnet is used only at the time of incidence and has not been excited at the time of emission. This incident bump electromagnet is used to change the trajectory during several hundred microseconds, which is a typical incident time, and can respond at a high speed with a magnetic field rising in about 100 to 300 microseconds for that purpose. Equipment. In this embodiment, when the charged particle beam is emitted from the annular accelerator 200, the orbiting bump electromagnets 221 and 222 can be excited to change the orbit from the central orbit at high speed. A quadrupole magnetic field component can be applied to the charged particle beam by the interaction between the resonance excitation hexapole magnet 26 and the incident bump electromagnets 221 and 222 installed on the orbit. As a result, the tune deviates from resonance, and beam extraction stops as shown in FIG. According to the present embodiment, when the emission of the charged particle beam from the annular accelerator 200 is stopped, the amount of excitation of the incident bump electromagnets 221 and 222 is increased during the period in which the resonance excitation hexapole magnet 26 is excited. Thus, the time until the charged particle beam emitted from the annular accelerator 200 is stopped can be shortened to a fraction of the rise time, that is, to several tens of microseconds.

このように軌道を高速制御する手段として、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を使用し、共鳴励起に用いる共鳴励起用六極電磁石２６をそのバンプ軌道内に配置することにより、新たに環状加速器２００に機器を追加することなく、簡便かつ安価にビームの高速出射・停止を実現することができる。これにより、非常時の高速ビーム停止や照射時の不要なビーム照射低減が可能となり、照***度の向上ならびに計画的な治療が実現できる。 In this way, as means for controlling the trajectory at high speed, the incident bump electromagnets 221 and 222 are used, and the resonance excitation hexapole electromagnet 26 used for resonance excitation is arranged in the bump trajectory, so that the annular accelerator 200 is newly added. It is possible to realize high-speed beam emission and stop easily and inexpensively without adding equipment. This makes it possible to stop high-speed beams in an emergency or reduce unnecessary beam irradiation during irradiation, thereby improving irradiation accuracy and realizing planned treatment.

本実施例では、荷電粒子ビームを加速・減速する環状加速器２００が、バンプ軌道を形成する入射用バンプ電磁石（軌道偏向電磁石）と、そのバンプ軌道内に少なくともひとつの共鳴励磁用六極電磁石（六極電磁場成分発生装置）とを有し、励磁中の六極電磁場成分発生装置の位置での周回ビーム軌道を軌道偏向電磁石により変位させることにより、環状加速器のビーム軌道を周回する周回ビームに対して四極電磁場成分を作用させている。これによりビームのチューンを変化させ、不安定領域から安定領域に高速に状態を遷移させることができ、荷電粒子ビームの取り出しを高速にＯＮ／ＯＦＦ制御が可能となる。つまり、本実施例によれば、環状加速器２００からの取り出しビームのＯＮ／ＯＦＦ時間を高速化できる。これによりビームＯＮ／ＯＦＦ時に照射される不要な線量を低減できる環状加速器ならびに粒子線治療システムを提供可能となる。また、ビームＯＮ／ＯＦＦ時間の高速化により時間分解能が向上するため、その他の工業用加速器システム，物理実験用加速器システム等においても有用となる。 In this embodiment, an annular accelerator 200 for accelerating / decelerating a charged particle beam includes an incident bump electromagnet (orbit deflection electromagnet) that forms a bump trajectory, and at least one resonance excitation hexapole electromagnet (six in the bump trajectory). The electromagnetic beam component generator), and the orbital beam trajectory at the position of the exciting hexapole electromagnetic field component generator device is displaced by the orbital deflection electromagnet, thereby allowing A quadrupole electromagnetic field component is applied. As a result, the beam tune can be changed, the state can be changed from the unstable region to the stable region at high speed, and the charged particle beam can be extracted at high speed. That is, according to the present embodiment, the ON / OFF time of the extraction beam from the annular accelerator 200 can be increased. As a result, it is possible to provide an annular accelerator and a particle beam therapy system that can reduce an unnecessary dose irradiated when the beam is turned ON / OFF. In addition, since the time resolution is improved by increasing the beam ON / OFF time, it is useful in other industrial accelerator systems, accelerator systems for physical experiments, and the like.

本実施例によれば、バンプ軌道を形成する軌道偏向電磁石とそのバンプ軌道内に少なくともひとつの六極電磁場成分発生装置を配置し、励磁中の六極電磁場成分発生装置の位置での周回ビーム軌道を軌道偏向電磁石により変位させることで荷電粒子ビームの取り出しをＯＮ／ＯＦＦ制御することが可能となる。この場合、ビーム取り出しのＯＮ／ＯＦＦを高速に行うには、軌道偏向電磁石を高速化すればよく、同等の応答時間を有する四極電磁場成分発生装置と比較して電極・磁極形状が単純であるため製作が容易であり、電磁場精度の確保も容易である。そのため比較的安価にかつ高精度に荷電粒子ビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦの高速化が実現できる。 According to the present embodiment, an orbital deflection electromagnet that forms a bump trajectory and at least one hexapole electromagnetic field component generator in the bump trajectory are arranged, and the orbiting beam trajectory at the position of the hexapole electromagnetic field component generator being excited. Is displaced by an orbital deflection electromagnet, and the extraction of the charged particle beam can be controlled ON / OFF. In this case, in order to perform beam extraction ON / OFF at high speed, it is only necessary to increase the speed of the orbital deflection electromagnet, and the electrode / magnetic pole shape is simpler than that of a quadrupole electromagnetic field component generator having an equivalent response time. Manufacture is easy and it is easy to ensure the electromagnetic field accuracy. Therefore, the charged particle beam extraction ON / OFF can be speeded up relatively inexpensively and with high accuracy.

本実施例では、図４に示すように、加速器制御装置５００は、共鳴励起用六極電磁石２６に励磁する極性を正（図４（ｂ））、入射用バンプ電磁石２２１，２２２に励磁する極性を正（図４（ｅ））に制御している。つまり、環状加速器２００から出射する荷電粒子ビームを停止する際（図４（ｃ）に示すビームＯＦＦ信号が出力されると）、加速器制御装置５００は、共鳴励起用六極電磁石２６には正の磁場を励磁した状態で、入射用バンプ電磁石２２１，２２２に対しては共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が正になるように磁場を励磁する。本実施例では入射用バンプ電磁石２２１，２２２を正に励磁した場合に共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が正となる場合を示している。このように、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を正に励磁することによって、チューンを共鳴から遠ざけ、環状加速器２００から荷電粒子ビームの出射を停止する。また入射用バンプ電磁石２２１，２２２の励磁を停止することで、チューンは共鳴状態にもどり、環状加速器２００から荷電粒子ビームの出射を開始する。しかし、加速器制御装置５００は、本実施例（図４）と同様のタイミングで、共鳴励起用六極電磁石２６を負の極性に励磁し、及び入射用バンプ電磁石２２１，２２２を共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が負になるように励磁（本実施例とは逆の極性をもつ磁場を励磁）しても良い。このような場合も、本実施例と同様の効果を得ることができる。 In this embodiment, as shown in FIG. 4, the accelerator controller 500 has a positive polarity (FIG. 4B) for exciting the resonance excitation hexapole electromagnet 26 and a polarity for exciting the incident bump electromagnets 221 and 222. Is controlled to be positive (FIG. 4E). That is, when stopping the charged particle beam emitted from the annular accelerator 200 (when the beam OFF signal shown in FIG. 4C is output), the accelerator control device 500 is positive for the resonance excitation hexapole electromagnet 26. With the magnetic field excited, the magnetic field is excited with respect to the incident bump electromagnets 221 and 222 so that the displacement at the position of the resonance excitation hexapole electromagnet 26 becomes positive. In the present embodiment, the case where the displacement at the position of the resonance excitation hexapole electromagnet 26 becomes positive when the incident bump electromagnets 221 and 222 are excited positively is shown. Thus, by exciting the incident bump electromagnets 221 and 222 positively, the tune is moved away from the resonance and the emission of the charged particle beam from the annular accelerator 200 is stopped. Also, by stopping the excitation of the incident bump electromagnets 221 and 222, the tune returns to the resonance state and starts emitting the charged particle beam from the annular accelerator 200. However, the accelerator controller 500 excites the resonance excitation hexapole electromagnet 26 to a negative polarity and the incident bump electromagnets 221 and 222 at the same timing as in this embodiment (FIG. 4). Excitation may be performed so that the displacement at the position of the electromagnet 26 becomes negative (excitation of a magnetic field having a polarity opposite to that of the present embodiment). In such a case, the same effect as in the present embodiment can be obtained.

実施例１では、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁した場合に取り出しビームがＯＦＦされる（環状加速器２００から出射する荷電粒子ビームを停止する）場合を示したが、本実施例では、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁したときに取り出しビームをＯＮし（環状加速器２００から荷電粒子ビームを出射し）、入射用バンプ電磁石２２１，２２２の励磁を停止したときに取り出しビームをＯＦＦする（環状加速器２００から出射する荷電粒子ビームを停止する）例を示す。 In the first embodiment, the extraction beam is turned off when the incident bump electromagnets 221 and 222 are excited (the charged particle beam emitted from the annular accelerator 200 is stopped). When the bump electromagnets 221 and 222 are excited, the extraction beam is turned on (a charged particle beam is emitted from the annular accelerator 200), and when the excitation of the incident bump electromagnets 221 and 222 is stopped, the extraction beam is turned off (annular accelerator). An example of stopping the charged particle beam emitted from 200) is shown.

本実施例の環状加速器２００の運転パターンを図５に示す。この場合、共鳴を励起するための手段である六極電磁石２６を励磁するとともに、動作チューンを図２に示すＡ点に設定する。六極電磁石２６を励磁した状態で、全体制御装置４００が、図５（ｃ）に示すように、ビーム出射開始を示す出射開始信号（ＯＮ信号）を加速器制御装置５００に出力すると、加速器制御装置５００は、この出射開始信号に従って、図５（ｄ）に示すように、所定のタイミングで出射用高周波装置２７を制御するとともに、図５（ｅ）に示すように、所定のタイミングで入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁してバンプ軌道を形成し、チューンを図２Ｂ点に近づける。これにより荷電粒子ビームは共鳴状態となり、ベータトロン振動の大きくなったものから順次、環状加速器２００から取り出される。荷電粒子ビームの取り出しを停止する際には、加速器制御装置５００が出射用高周波装置２７を制御して出射用高周波を停止（ＯＦＦ）するとともに、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を制御してバンプ軌道をさげることで、チューンを共鳴から遠ざける。 The operation pattern of the annular accelerator 200 of the present embodiment is shown in FIG. In this case, the hexapole electromagnet 26, which is a means for exciting resonance, is excited and the operation tune is set to the point A shown in FIG. When the overall control device 400 outputs an extraction start signal (ON signal) indicating the start of beam extraction to the accelerator control device 500 as shown in FIG. 5C with the hexapole electromagnet 26 excited, the accelerator control device. In accordance with this emission start signal, 500 controls the emission high-frequency device 27 at a predetermined timing as shown in FIG. 5 (d), and as shown in FIG. 5 (e), an incident bump at a predetermined timing. The electromagnets 221 and 222 are excited to form bump trajectories, and the tune is brought close to the point in FIG. 2B. As a result, the charged particle beam enters a resonance state, and is sequentially extracted from the annular accelerator 200 in the order from which the betatron oscillation is increased. When stopping the extraction of the charged particle beam, the accelerator controller 500 controls the extraction high-frequency device 27 to stop the extraction high-frequency (OFF), and controls the incident bump electromagnets 221 and 222 to control the bump trajectory. By moving the tune away from the resonance.

本実施例によれば、バンプ軌道を形成する軌道偏向電磁石とそのバンプ軌道内に少なくともひとつの六極電磁場成分発生装置を配置し、励磁中の六極電磁場成分発生装置の位置での周回ビーム軌道を軌道偏向電磁石により変位させることで荷電粒子ビームの取り出しをＯＮ／ＯＦＦ制御することが可能となる。ビーム取り出しのＯＮ／ＯＦＦを高速に行うには、軌道偏向電磁石を高速化すればよく、同等の応答時間を有する四極電磁場成分発生装置と比較して電極・磁極形状が単純であるため製作が容易であり、電磁場精度の確保も容易となる。そのため比較的安価にかつ高精度に荷電粒子ビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦの高速化が実現できる。 According to the present embodiment, an orbital deflection electromagnet that forms a bump trajectory and at least one hexapole electromagnetic field component generator in the bump trajectory are arranged, and the orbiting beam trajectory at the position of the hexapole electromagnetic field component generator being excited. Is displaced by an orbital deflection electromagnet, and the extraction of the charged particle beam can be controlled ON / OFF. In order to turn on / off the beam at high speed, it is only necessary to increase the speed of the orbital deflection electromagnet, and the electrode / magnetic pole shape is simple compared to a quadrupole electromagnetic field component generator having the same response time, making it easy to manufacture. Therefore, it is easy to ensure the accuracy of the electromagnetic field. Therefore, the charged particle beam extraction ON / OFF can be speeded up relatively inexpensively and with high accuracy.

本実施例によれば、環状加速器２００からの取り出しビームのＯＮ／ＯＦＦ時間を高速化できる。これによりビームＯＮ／ＯＦＦ時に照射される不要な線量を低減できる環状加速器ならびに粒子線治療システムを提供可能となる。また、ビームＯＮ／ＯＦＦ時間の高速化により時間分解能が向上するため、その他の工業用加速器システム、物理実験用加速器システム等においても有用となる。 According to this embodiment, the ON / OFF time of the extraction beam from the annular accelerator 200 can be increased. As a result, it is possible to provide an annular accelerator and a particle beam therapy system that can reduce an unnecessary dose irradiated when the beam is turned ON / OFF. In addition, since the time resolution is improved by increasing the beam ON / OFF time, it is useful in other industrial accelerator systems, accelerator systems for physical experiments, and the like.

本実施例によれば、バンプ軌道形成により荷電粒子ビームを共鳴状態に持っていくことで入射用バンプ電磁石２２１，２２２を励磁している場合に荷電粒子ビームを取り出し、入射用バンプ電磁石２２１，２２２が非励磁の場合に環状加速器２００から出射する荷電粒子ビーム（出射ビーム）をＯＦＦすることが可能となる。この場合、入射用バンプ電磁石２２１，２２２が励磁中のときのみ環状加速器２００から荷電粒子ビームを出射して患者に照射するため、さらに照***度が向上する。 According to the present embodiment, when the incident bump electromagnets 221 and 222 are excited by bringing the charged particle beam into a resonance state by forming the bump trajectory, the charged bump beam magnets 221 and 222 are extracted. It is possible to turn off the charged particle beam (outgoing beam) emitted from the annular accelerator 200 when is not excited. In this case, since the charged particle beam is emitted from the annular accelerator 200 and irradiated to the patient only when the incident bump electromagnets 221 and 222 are being excited, the irradiation accuracy is further improved.

本実施例では、図５に示すように、加速器制御装置５００は、共鳴励起用六極電磁石２６に励磁する極性を正（図５（ｂ））、入射用バンプ電磁石２２１，２２２に励磁する極性を負（図５（ｅ））に制御している。つまり、環状加速器２００からの荷電粒子ビームの出射を開始する際（図５（ｃ）に示すビームＯＮ信号が出力されると）、加速器制御装置５００は、共鳴励起用六極電磁石２６には正の磁場を励磁した状態で、入射用バンプ電磁石２２１，２２２に対しては共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が負なるように励磁する。この状態で環状加速器２００から荷電粒子ビームが出射される。また、環状加速器２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する際（図５（ｃ）に示すビームＯＦＦ信号が出力されると）、共鳴励起用六極電磁石２６には正の磁場を励磁した状態で、入射用バンプ電磁石２２１，２２２への励磁を停止することでチューンを共鳴から遠ざける。このように、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が負になるように励磁することによって、チューンを共鳴に近付けることで環状加速器２００からの荷電粒子ビームの出射を開始し、入射用バンプ電磁石２２１，２２２の励磁を停止することで、チューンを共鳴から遠ざけて環状加速器２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する。しかし、加速器制御装置５００は、本実施例（図５）と同様のタイミングで、共鳴励起用六極電磁石２６を負の極性に励磁し、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を共鳴励起用六極電磁石２６の位置での変位が正になるように励磁（本実施例とは逆の極性をもつ磁場を励磁）しても良い。このような場合も、本実施例と同様の効果を得ることができる。 In this embodiment, as shown in FIG. 5, the accelerator controller 500 has a positive polarity (FIG. 5B) for exciting the resonance excitation hexapole electromagnet 26 and a polarity for exciting the incident bump electromagnets 221 and 222. Is controlled to be negative (FIG. 5E). That is, when the emission of the charged particle beam from the annular accelerator 200 is started (when the beam ON signal shown in FIG. 5C is output), the accelerator control device 500 applies the positive polarity to the resonance excitation hexapole magnet 26. In this state, the incident bump electromagnets 221 and 222 are excited so that the displacement at the position of the resonance excitation hexapole electromagnet 26 is negative. In this state, a charged particle beam is emitted from the annular accelerator 200. Further, when the emission of the charged particle beam from the annular accelerator 200 is stopped (when the beam OFF signal shown in FIG. 5C is output), the resonance excitation hexapole magnet 26 is excited with a positive magnetic field. Thus, the excitation to the incident bump electromagnets 221 and 222 is stopped to move the tune away from the resonance. In this manner, the charged bumps 221 and 222 are excited so that the displacement at the position of the resonance excitation hexapole electromagnet 26 becomes negative, thereby bringing the tune closer to resonance, so that the charged particle beam from the annular accelerator 200 is obtained. Is started, and excitation of the incident bump electromagnets 221 and 222 is stopped, so that the tune is moved away from the resonance and the emission of the charged particle beam from the annular accelerator 200 is stopped. However, the accelerator control device 500 excites the resonance excitation hexapole electromagnet 26 to a negative polarity at the same timing as in the present embodiment (FIG. 5), and the incident bump electromagnets 221 and 222 become resonance excitation hexapole electromagnets. Excitation (a magnetic field having a polarity opposite to that of the present embodiment) may be performed so that the displacement at the position 26 becomes positive. In such a case, the same effect as in the present embodiment can be obtained.

実施例１，２では、複数の入射用バンプ電磁石２２１，２２２の間に、共鳴を励起するための手段である六極電磁石２６を設置する例を示したが、本実施例では、この六極電磁石２６に替えてクロマティシティ補正用の六極電磁石等の六極電磁場成分を有する機器（補正用六極電磁石）２６Ａを設置する例を示す。 In the first and second embodiments, an example in which the hexapole electromagnet 26 that is a means for exciting resonance is provided between the plurality of incident bump electromagnets 221 and 222 has been described. An example in which a device (a correcting hexapole electromagnet) 26A having a hexapole electromagnetic field component such as a hexapole electromagnet for correcting chromaticity is installed instead of the electromagnet 26 will be described.

本実施例の環状加速器２００の運転パターンを図６に示す。補正用六極電磁石２６Ａの典型的な運転パターンは図６（ｇ）に示すように入射から加速終了、取り出しの全期間に渡って励磁される。出射時に、励磁状態の補正用六極電磁石２６Ａと、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を制御してバンプ軌道の変位を制御することで実施例１，２と同様にチューンを変えることができ、荷電粒子ビームを高速にＯＮ／ＯＦＦすることが可能となる。 The operation pattern of the annular accelerator 200 of the present embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 6G, a typical operation pattern of the correcting hexapole electromagnet 26A is excited over the entire period from incidence to completion of acceleration and extraction. By controlling the excitation state correcting hexapole electromagnet 26A and the incident bump electromagnets 221 and 222 to control the displacement of the bump trajectory at the time of emission, the tune can be changed in the same manner as in the first and second embodiments. The particle beam can be turned on / off at high speed.

本実施例によれば、バンプ軌道を形成する軌道偏向電磁石とそのバンプ軌道内に少なくともひとつの補正用六極電磁石２６Ａを配置し、励磁中の補正用六極電磁石２６Ａの位置での周回ビーム軌道を軌道偏向電磁石により変位させることで荷電粒子ビームの取り出しをＯＮ／ＯＦＦ制御することが可能となる。この場合、ビーム取り出しのＯＮ／ＯＦＦを高速に行うには、軌道偏向電磁石を高速化すればよく、同等の応答時間を有する四極電磁場成分発生装置と比較して電極・磁極形状が単純であるため製作が容易であり、電磁場精度の確保も容易である。そのため比較的安価にかつ高精度に荷電粒子ビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦの高速化が実現できる。 According to the present embodiment, an orbital deflection electromagnet that forms a bump trajectory and at least one correction hexapole electromagnet 26A are arranged in the bump trajectory, and the orbiting beam trajectory at the position of the correction hexapole electromagnet 26A being excited. Is displaced by an orbital deflection electromagnet, and the extraction of the charged particle beam can be controlled ON / OFF. In this case, in order to perform beam extraction ON / OFF at high speed, it is only necessary to increase the speed of the orbital deflection electromagnet, and the electrode / magnetic pole shape is simpler than that of a quadrupole electromagnetic field component generator having an equivalent response time. Manufacture is easy and it is easy to ensure the accuracy of the electromagnetic field. Therefore, the charged particle beam extraction ON / OFF can be speeded up relatively inexpensively and with high accuracy.

実施例１〜３において、ビーム取り出し時の入射用バンプ電磁石２２１，２２２の励磁回数が１回の場合を示したが、本実施例では、入射用バンプ電磁石２２１，２２２を複数回ＯＮ／ＯＦＦするように制御する例を示す。本実施例によれば、１回の出射期間で複数のスポットを照射するディスクリートスポットスキャニングと呼ばれる照射法に適用可能となる。 In the first to third embodiments, the case where the number of excitations of the incident bump electromagnets 221 and 222 at the time of beam extraction is shown as one, but in this embodiment, the incident bump electromagnets 221 and 222 are turned ON / OFF a plurality of times. An example of such control will be shown. According to the present embodiment, the present invention can be applied to an irradiation method called discrete spot scanning that irradiates a plurality of spots in one emission period.

図７を用いてスポットスキャニング照射法について簡単に説明する。図７（ａ）に示すようにビーム照射装置にはビーム輸送系３００で導かれた荷電粒子ビームを患部４２の断面形状に合わせて２次元的に走査させるための手段である水平及び垂直走査電磁石３３ａ，３３ｂ、また必要に応じてビーム電流，形状，位置などを測定する計測器（例えば、ビームモニタ３３ｃ）が備えられている。患部４２は図７（ａ）に示すように、深さ方向に複数層に分割し、図７（ｂ）に示すように、さらに各層を２次元的に分割する。深さ方向には環状加速器（シンクロトロン）２００の取り出しビームのエネルギー変更などで照射ビームのエネルギーを変更して各層を選択的に照射する。各層内では、前記走査電磁石３３ａ，３３ｂで照射ビームを２次元的に走査して各照射スポットＳＰに所定の線量を与える。 The spot scanning irradiation method will be briefly described with reference to FIG. As shown in FIG. 7A, the beam irradiation apparatus includes a horizontal and vertical scanning electromagnet which is a means for two-dimensionally scanning the charged particle beam guided by the beam transport system 300 in accordance with the cross-sectional shape of the affected part 42. 33a, 33b, and a measuring instrument (for example, a beam monitor 33c) for measuring beam current, shape, position, and the like are provided as necessary. The affected part 42 is divided into a plurality of layers in the depth direction as shown in FIG. 7A, and each layer is further divided two-dimensionally as shown in FIG. 7B. In the depth direction, each layer is selectively irradiated by changing the energy of the irradiation beam by changing the energy of the extracted beam of the annular accelerator (synchrotron) 200 or the like. Within each layer, the scanning electromagnets 33a and 33b scan the irradiation beam two-dimensionally to give a predetermined dose to each irradiation spot SP.

次に、本実施例の環状加速器２００の運転パターンを図８に示す。ビーム取り出し開始までは実施例１と同様であるため、ここでは省略する。１つの照射スポットＳＰの線量が満了すると、全体制御装置４００が照射終了信号（ｃ）を加速器制御装置５００に出力し、加速器制御装置５００が出射用高周波装置２７への出射用高周波（ｄ）をＯＦＦ（停止）する。照射終了信号（ｃ）を受信した加速器制御装置５００は、それと同時もしくは所定のタイミングで、（ｅ）入射用バンプ電磁石を励磁する。これにより取り出しビーム（ｆ）がＯＦＦ（停止）できる。取り出しビームをＯＦＦした状態で次の照射スポットに前記走査電磁石３３ａ，３３ｂの設定値を変化させることで移動する。移動後、入射用バンプ電磁石２２１，２２２をＯＦＦすることにより次のスポットＳＰの照射が開始される。
同様にこれらの照射，停止を複数回行うことにより同一層内の複数スポットＳＰの照射を行う。 Next, an operation pattern of the annular accelerator 200 of the present embodiment is shown in FIG. Since it is the same as that of Example 1 until the start of beam extraction, it is omitted here. When the dose of one irradiation spot SP expires, the overall control device 400 outputs an irradiation end signal (c) to the accelerator control device 500, and the accelerator control device 500 outputs an extraction high frequency (d) to the extraction high frequency device 27. Turn off (stop). Upon receiving the irradiation end signal (c), the accelerator controller 500 excites the incident bump electromagnet (e) at the same time or at a predetermined timing. Thereby, the extraction beam (f) can be turned off (stopped). The extraction beam is moved to the next irradiation spot by changing the set value of the scanning electromagnets 33a and 33b with the extraction beam turned off. After the movement, the irradiation of the next spot SP is started by turning off the incident bump electromagnets 221 and 222.
Similarly, irradiation of a plurality of spots SP in the same layer is performed by performing these irradiations and stops a plurality of times.

本実施例によれば、バンプ軌道を形成する軌道偏向電磁石とそのバンプ軌道内に少なくともひとつの六極電磁場成分発生装置を配置し、励磁中の六極電磁場成分発生装置の位置での周回ビーム軌道を軌道偏向電磁石により変位させることで荷電粒子ビームの取り出しをＯＮ／ＯＦＦ制御することが可能となる。この場合、ビーム取り出しのＯＮ／ＯＦＦを高速に行うには、軌道偏向電磁石を高速化すればよく、同等の応答時間を有する四極電磁場成分発生装置と比較して電極・磁極形状が単純であるため製作が容易であり、電磁場精度の確保も容易である。そのため比較的安価にかつ高精度に荷電粒子ビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦの高速化が実現できる。 According to this embodiment, an orbital deflection electromagnet that forms a bump trajectory and at least one hexapole electromagnetic field component generator in the bump trajectory are arranged, and the orbiting beam trajectory at the position of the hexapole electromagnetic field component generator being excited. Is displaced by an orbital deflection electromagnet, and the extraction of the charged particle beam can be controlled ON / OFF. In this case, in order to perform beam extraction ON / OFF at high speed, it is only necessary to increase the speed of the orbital deflection electromagnet, and the electrode / magnetic pole shape is simpler than that of a quadrupole electromagnetic field component generator having an equivalent response time. Manufacture is easy and it is easy to ensure the accuracy of the electromagnetic field. Therefore, the charged particle beam extraction ON / OFF can be speeded up relatively inexpensively and with high accuracy.

本実施例によれば、取り出しビームのＯＮ／ＯＦＦ時間を高速化できる。これによりビームＯＮ／ＯＦＦ時に照射される不要な線量を低減できる環状加速器ならびに粒子線治療システムを提供可能となる。さらにビームＯＮ／ＯＦＦを複数回行うことによりスポットスキャニング照射法に適した時間構造をもった取り出しビームを供給できる環状加速器ならびに粒子線治療システムが提供可能となる。またビームＯＮ／ＯＦＦ時間の高速化により時間分解能が向上するため、その他の工業用加速器システム，物理実験用加速器システム等においても有用となる。 According to the present embodiment, the extraction beam ON / OFF time can be increased. As a result, it is possible to provide an annular accelerator and a particle beam therapy system that can reduce an unnecessary dose irradiated when the beam is turned ON / OFF. Furthermore, it is possible to provide an annular accelerator and a particle beam therapy system that can supply an extraction beam having a time structure suitable for the spot scanning irradiation method by performing beam ON / OFF a plurality of times. In addition, since the time resolution is improved by increasing the beam ON / OFF time, it is useful in other industrial accelerator systems, accelerator systems for physical experiments, and the like.

本実施例を用いた場合、前述の通り安価かつ簡便に上記のビーム取り出しＯＮ／ＯＦＦが可能なスポットスキャニング照射を実現できる。この方法では事前に散乱体等を使ってビームを広げ、患部形状に合わせて切り取り照射する方法と比較して、患者の患部を精細に照射することが可能となるため、正常組織への不要な照射を低減でき、高い治療効果を見込むことができる。さらにはビームの利用効率を高めることができるため治療時間を短縮でき、患者の負担を軽減することができる。 When this embodiment is used, spot scanning irradiation capable of turning on and off the beam can be realized at low cost and simply as described above. Compared with the method of spreading the beam using a scatterer in advance and cutting and irradiating it according to the shape of the affected area, this method can irradiate the affected area of the patient more precisely, so it is unnecessary for normal tissues Irradiation can be reduced and a high therapeutic effect can be expected. Furthermore, since the beam utilization efficiency can be increased, the treatment time can be shortened and the burden on the patient can be reduced.

１粒子線治療システム
１１イオン源
１２前段加速器
１３，３１ビーム輸送系偏向電磁石
１４，３２ビーム輸送系収束／発散用四極電磁石
２１入射用偏向装置（入射セプタ）
２３偏向電磁石
２４収束／発散用四極電磁石
２５高周波加速空胴
２６共鳴励起用六極電磁石
２６Ａ共鳴励起用六極電磁石電源
２７出射用高周波装置
２７Ａ出射用高周波電源
２８出射用偏向装置
３３照射装置
３３ａ走査電磁石１
３３ｂ走査電磁石２
３３ｃビームモニタ
４１患者
４２患部
５１制御装置
１００低エネルギービーム入射系
２００環状加速器（円形加速器）
２２１，２２２入射用バンプ電磁石
２２１Ａ，２２２Ａ入射用バンプ電磁石電源
３００ビーム輸送系
４００全体制御装置
５００加速器制御装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Particle beam therapy system 11 Ion source 12 Previous stage accelerators 13, 31 Beam transport system deflection electromagnets 14, 32 Beam transport system convergence / divergence quadrupole electromagnet 21 Incident deflection device (incident scepter)
23 Deflection electromagnet 24 Convergence / divergence quadrupole electromagnet 25 High frequency acceleration cavity 26 Resonance excitation hexapole electromagnet 26A Resonance excitation hexapole electromagnet power supply 27 Emission high frequency device 27A Emission high frequency power supply 28 Ejection deflection device 33 Irradiation device 33a Scanning Electromagnet 1
33b Scanning Electromagnet 2
33c Beam monitor 41 Patient 42 Affected part 51 Control device 100 Low energy beam injection system 200 Annular accelerator (circular accelerator)
221 and 222 Incident bump electromagnets 221A and 222A Incident bump electromagnet power supply 300 Beam transport system 400 Overall controller 500 Accelerator controller

Claims

周回する荷電粒子ビームを加速・減速する環状加速器と、
前記環状加速器を制御する加速器制御装置とを備え、
前記環状加速器は、
前記荷電粒子ビームのビーム軌道上に、少なくとも１台の六極電磁場成分発生装置と、
前記六極電磁場成分発生装置の設置位置での前記荷電粒子ビームのビーム軌道を変位させる少なくとも１台の軌道偏向電磁石とを有し、
前記加速器制御装置は、
前記六極磁場成分発生装置を励磁して前記環状加速器から前記荷電粒子ビームを取り出している期間に、前記軌道偏向電磁石の励磁を開始して前記荷電粒子ビームのビーム軌道を変位するように制御することを特徴とする環状加速器。 An annular accelerator that accelerates and decelerates the circulating charged particle beam;
An accelerator controller for controlling the annular accelerator,
The annular accelerator is
At least one hexapole electromagnetic field component generator on the beam trajectory of the charged particle beam;
And at least one orbital deflection electromagnet for displacing the beam trajectory of the charged particle beam at the installation position of the hexapole electromagnetic field component generator,
The accelerator control device comprises:
During excitation of the hexapole magnetic field component generator and extraction of the charged particle beam from the annular accelerator, excitation of the orbital deflection electromagnet is started to control the beam orbit of the charged particle beam to be displaced. An annular accelerator characterized by that.

前記六極電磁場成分発生装置が共鳴励起用六極電磁石であり、
前記軌道偏向磁石が入射用バンプ電磁石であり、
前記共鳴励起用六極電磁石は、前記入射用バンプ電磁石が形成したバンプ軌道内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の環状加速器。 The hexapole electromagnetic field component generator is a hexapole electromagnet for resonance excitation;
The orbital deflection magnet is an incident bump electromagnet,
The annular accelerator according to claim 1, wherein the resonance excitation hexapole electromagnet is disposed in a bump trajectory formed by the incident bump electromagnet.

前記共鳴励起用六極電磁石は、第１の入射用バンプ電磁石及び第２の入射用バンプ電磁石の間であって、前記入射用バンプ電磁石が形成したバンプ軌道内に配置されることを特徴とする請求項２に記載の環状加速器。 The resonance excitation hexapole magnet is disposed between a first incident bump electromagnet and a second incident bump electromagnet, and is disposed in a bump trajectory formed by the incident bump electromagnet. The annular accelerator according to claim 2.

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の環状加速器と、
前記環状加速器から出射された前記荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置と、
前記環状加速器と前記照射装置を接続し、加速された前記荷電粒子ビームを前記照射装置に輸送するビーム輸送系とを備えることを特徴とする粒子線治療システム。 An annular accelerator according to any one of claims 1 to 3,
An irradiation device for irradiating an irradiation target with the charged particle beam emitted from the annular accelerator;
A particle beam therapy system comprising: a beam transport system that connects the annular accelerator and the irradiation device and transports the accelerated charged particle beam to the irradiation device.