JP3574334B2

JP3574334B2 - Charged particle transport device

Info

Publication number: JP3574334B2
Application number: JP24730898A
Authority: JP
Inventors: 学溝田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-09-01
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2018-09-01
Also published as: JP2000075099A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、荷電粒子、特に陽子や重粒子などのイオンからなるビームを輸送し物体や人体に照射する物理実験やがん治療装置などの荷電粒子照射装置等に用いて好適な荷電粒子輸送装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６、例えば「ＴｈｅＨｅａｖｙＩｏｎＭｅｄｉｃａｌＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ：ＦｉｎａｌＤｅｓｉｇｎＳｕｍｍａｒｙＪｕｎｅ１９８４，ＬａｗｒｅｎｃｅＢｅｒｋｅｌｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙＰＵＢ‐５１２２」に示された従来の荷電粒子輸送装置の一例を示す配置図である。
【０００３】
図において、１は荷電粒子の円形の加速器（シンクロトロン）であり、２は加速器１より取り出されたビームを輸送するビーム輸送系、３はビーム輸送系２の一部である水平面内にビームを偏向する偏向電磁石、４は四極電磁石である。この他にもビームの散乱を防ぐためにビーム軌道を真空に保つ真空ダクト、真空排気装置、ビーム診断機器、それぞれの電源、制御系機器等があるがここには示していない。
【０００４】
次に動作について説明する。
加速器１から取り出された荷電粒子（例えば、陽子、重イオン）のビームは、ビーム輸送系２により建屋内の各目的の場所へ所定の形状でビームを供給する。その各部屋の照射点に置かれた物や人に対してビームを照射することを目的としている。ビーム輸送系２を構成する偏向電磁石３はその電源（図示せず）により２極磁場を作り出し荷電粒子との相互作用によりビームの中心軌道を決定する働きをもつ。また同様に四極電磁石４はその電源（図示せず）により四極磁場を作り出し荷電粒子との相互作用によりビームの形状を整える働きを持つ。つまり光学系で言うところのレンズの働きをする。
【０００５】
加速器１から取り出された荷電粒子のビームは、加速器１の性質によって、取出したビームの水平方向および垂直方向のエミッタンス（発散の度合い）が決定されてビーム輸送系２をとおるビームの性質となる。ビーム輸送系２においては四極電磁石４によって形状（ビームサイズ）を整えながら輸送するが、その絶対量はエミッタンスの大小によって決まる。装置の設計にあたっては、ビームサイズの大きさからそれを含むビームダクトの形状が決められ、偏向電磁石３と四極電磁石４の必要な磁極間隔が決定される。
通常の建屋におけるビームを届ける各部屋の配置は水平面内に展開されており、従ってビーム輸送系２も水平面で展開され、分岐や偏向をつかさどる偏向電磁石３は殆どの場合水平面にビームを偏向する。
【０００６】
図７は、図６の荷電粒子輸送装置を模式的に示すもので、図７（ａ）はその鳥瞰図、図７（ｂ）はその平面図、図７（ｃ）はその側面図である。
図において、偏向電磁石３ａは、加速器１の偏向面と同じ面で偏向している。また、５は偏向電磁石３ａの上流側の輸送ラインであり、加速器１から取出されてきたビームが通るラインである。６ａは偏向電磁石３ａの下流側の輸送ラインであり、従ってこの輸送ライン６ａと加速器１のビームラインとは同じレベルでありこの下流側に輸送系が展開していく。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の荷電粒子輸送装置は以上のように構成されているので、加速器からのビームのエミッタンスが水平方向より垂直方向に大きいと、ビーム輸送系の全体にわたって垂直方向にビームサイズが大きくなり、水平面内にビームを引き回す偏向電磁石において磁極間隔を大きくする必要がある。このことは、偏向電磁石の形状を大きくし、また磁束密度を得るためにより大きな電源を必要とするという問題点があった。
【０００８】
一方、加速器からのビームのエミッタンスが水平方向に大きい場合は、偏向電磁石において有効磁場の領域を大きくする必要があり、これは磁極幅を大きくしなければならない設計上の影響を及ぼすが、磁極間隔を大きくする影響に比べると非常に容易であり製造コストとランニングコストへの影響も小さい。
【０００９】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、ビーム輸送系において偏向電磁石を小さくするとともに、その電源容量も小さく設計でき、製造コストおよびランニングコストを削減すること、あるいはその下流側にある照射系機器（例えば回転ガントリー）に適したビームの発散やサイズに調整することができる荷電粒子輸送装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る荷電粒子輸送装置は、荷電粒子を加速する円形加速器と、上記円形加速器により加速されて取り出されたビームを輸送するビーム輸送系と、上記ビーム輸送系に設けられた同じ偏向角を持つ複数個の偏向電磁石とを備え、該偏向電磁石は、上記ビーム輸送系の輸送方向に相当する軸に対して偏向面が回転されていると共に該偏向電磁石に入射するビームと該偏向電磁石から出射するビームとの水平高さが異なるものである。
また、請求項２の発明に係る荷電粒子輸送装置は、上記ビーム輸送系に設けられた偏向電磁石は、偏向面が互いに捩れの関係になる部分を持つものである。
【００１１】
請求項３の発明に係る荷電粒子輸送装置は、上記円形加速器には、ビームに高周波電場を印加する高周波ノックアウト法を用いてビームを取出すビーム取出し手段が設けられているものである。
【００１２】
請求項４の発明に係る荷電粒子輸送装置は、互いに異なる偏向面をつくる上記ビーム輸送系に設けられた偏向電磁石には、上記円形加速器の偏向電磁石と同じ仕様の電磁石が用いられているものである。
【００１３】
請求項５の発明に係る荷電粒子輸送装置は、上記ビーム輸送系の終端部に回転自在に接続され、該ビーム輸送系からのビームを回転照射する回転ガントリーを備えたものである。
【００１４】
請求項６の発明に係る荷電粒子輸送装置は、水平高さが異なる複数台の円形加速器と、これらの円形加速器からのビーム輸送系を１つのビーム輸送系に合流するビーム輸送系とを備え、上記複数の円形加速器のうちの１つはビーム輸送系の水平高さが一定である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
先ず、この発明の基本的概念を説明する。
この発明は、荷電粒子を加速する例えば円形の加速器と、それにより加速されて取り出されたビームを輸送するビーム輸送系を備えた装置において、円形加速器からの輸送系において取出し直後の偏向電磁石をその偏向面が水平面と角度をなすように設置し、（上流側のビーム軸を中心に回転した状態）、それに続く偏向電磁石もその上流の偏向電磁石の偏向面とある角度をなすように配置することにより、垂直方向と水平方向のエミッタンスを混合し、その下流側の輸送系において水平面内を引き回すビーム輸送系の偏向電磁石の磁極間隔を広げなくてすむようにしたり、その下流側に接続される照射系や回転ガントリーなどに最適となるようにビームのエミッタンスを調整するものである。
【００１７】
この荷電粒子輸送装置では、以下の性質を利用している。陽子や重粒子等のビームは円形加速器において加速された場合、円形加速器に入射された時のエミッタンスが加速されたエネルギーに応じて水平・垂直両方向とも同じ割合で小さくなるが、さらに取出し方法に依存して１方向のエミッタンスを変えることができる。例えば加速器においてはＲＦ（高周波）ノックアウト法を使用することにより水平方向において著しくエミッタンスを小さくすることができ、特にがん治療装置などに使われるビームのエネルギー領域では、垂直方向（円形加速器を水平においた場合）よりも水平方向のエミッタンスを小さく出来る。
【００１８】
一方、偏向面を水平から傾けた偏向電磁石を組み合わせることで、上流側のビームとは高低差がつくものの結果として出てくるビーム軸を水平にすることが出来る。この時、その偏向角の大きさ、曲率半径、偏向磁石間の間隔やその間に置いた四極電磁石の強さ等に依存して、水平方向と垂直方向のエミッタンスの混合する割合が決まる。このことより、続く水平面に展開したビーム輸送系の偏向電磁石の磁極間方向（垂直方向）のビームサイズを磁極面方向（水平方向）のビームサイズより全体的に小さくしたり、調整することができる。
【００１９】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す配置図であり、図１（ａ）はその鳥瞰図、図１（ｂ）はその平面図、図１（ｃ）はその側面図である。なお、図１において、図６および図７と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
図において、３ｂ１は図１（ａ）において上流側のライン５を中心に偏向磁石３ａ（図７）を実質的に回転したような配置の偏向電磁石である。従って偏向面はもはや加速器１と同じ面（例えば水平）ではない。その偏向磁石３ｂ１のつくる出口側の軌道は従ってななめに降りるライン７となる。３ｂ２はそのななめのライン７を入口とし、水平方向を出口の軌道とする偏向電磁石である。
従って、この偏向面も加速器１の軌道の面や偏向電磁石３ｂ１の偏向面とは異なる面にある。
【００２０】
またこの実施の形態１では簡単の為に四極電磁石や電磁石等の架台その他の機器は省いている。６ｂは３ｂ２から下流側の輸送系ラインであり、その端部には照射実験や治療照射の為の照射機器や、例えば回転ガントリー８（図２）等が接続されている。
【００２１】
この実施の形態１による荷電粒子輸送装置では、加速器１から出射されるビームは、加速器１の性能によって水平方向のエミッタンスと垂直方向のそれが異なっている。従来例のように、加速器１と同じ面内でビームを引回す場合は、水平と垂直方向のエミッタンスは輸送系の終端部まで変らない。しかし、本実施の形態のように偏向電磁石３ｂ１と３ｂ２を通ることにより、座標系が回転し、水平方向と垂直方向のエミッタンスが偏向電磁石３ｂ１と３ｂ２の配置や角度に応じて変換されて、図２（ａ）に示すように、垂直方向と水平方向の割合を変えることが出来る。
【００２２】
この配置と角度を加速器１から取出されたエミッタンスの水平と垂直の違いに応じて選んでやることにより偏向電磁石３ｂ２より以降の下流側の輸送系ライン６ｂでは、水平と垂直のエミッタンスの値を等しくし、図２（ｂ）に示すように、終端に回転自在に接続された回転ガントリー８に最適なビーム条件を与えることができる。
【００２３】
このように、この実施の形態１によれば、加速器の垂直方向のエミッタンスと水平方向のエミッタンスが異なって取出されたにも拘らず、下流側の輸送ライン６ｂにおいては等しくなっているので、下流側の輸送系全体にわたってエミッタンスが等しく下流側の輸送系の最終端に接続された回転ガントリー８に最適なビーム条件を与えることができる。この為従来エミッタンスを等しくするために用いられてきたコリメータを設ける必要がなく、またそのコリメータによってビームが削り取られる際に発生を余儀なくされる放射線が無くなり、ビーム利用率のアップとともに、放射線対策の設備費用が削減できる。
【００２４】
つまり、本実施の形体によれば、必要に応じて水平・垂直のエミッタンスの割合を換えることが出来る。また、このことにより垂直方向のエミッタンスを最少の値に調整でき、偏向磁石の磁極間隔を大きく製作することなくビーム輸送をすることができるので、全体的な偏向電磁石および架台と、その電源がコンパクトにでき、またランニングコストも大幅に削減される。また、後続する回転ガントリーなど照射系機器への最適なエミッタンスのビームとするために、従来はビームを削ることで対応してきたが、本実施の形態によれば磁石の組み合わせによりエミッタンスを調整することが可能となり、削ることによる有害な放射線の発生を無くし、利用効率の高いビームを供給することができる。
【００２５】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２を示す配置図であって、図３（ａ）はその断面図、図３（ｂ）はその平面図、図３（ｃ）はそのビーム断面と電磁石断面を示す図である。図３において、図１および図２と同一または相当部分には同一符号を付して説明する。
図において、加速器１はＲＦノックアウトなどの取出し方法により、水平方向のエミッタンスが垂直方向よりも小さくなっているものである。３ｂ１は９０度偏向角を持ったの偏向電磁石で構成され上流側の輸送系ラインライン５を偏向して真下にビームを曲げる偏向電磁石である。３ｂ２はその垂直なライン７を入口とし、水平方向を出口の軌道とする同じ９０度の偏向角度の偏向電磁石であるがその下流側の輸送系ライン６ｂは３ｂ２の上流側の輸送系５のラインとは捩じれの位置にあり平面上に投影した場合直角の角度をなしている。
【００２６】
この実施の形態２では、加速器１から出射されるビームは、ＲＦノックアウト法などのビーム取出し方法によって水平方向のエミッタンスが垂直方向よりも小さくなっている。従って、全般的に、偏向電磁石３ｂ１までの上流側の輸送ライン５では垂直方向のビームサイズが水平方向よりも大きい。しかし、偏向電磁石３ｂ１と３ｂ２を通ることにより、座標系が回転し、水平方向と垂直方向のエミッタンスが入れ替えることが出来る。これにより偏向電磁石３ｂ２より以降の下流側の輸送系ライン６ｂでは、取出したあとの上流側の輸送系ライン５よりも縦方向のビームサイズを小さくできる。
【００２７】
このように、この実施の形態２によれば、下流側の輸送系ライン６ｂにおいては、垂直方向のエミッタンスが水平方向のエミッタンスよりも小さくなっているので、下流側の輸送系全体にわたってビームサイズが垂直方向の方が小さく、下流側の輸送系を構成する偏向電磁石内の磁極間隔方向のビームサイズが小さく、その結果ビームを通すビームダクトの垂直方向の高さを小さくでき、偏向電磁石の磁極間隔を小さく設計できる。
これによって、その下流側の輸送系の偏向電磁石の小型化およびその電磁石電源類（図示せず）の仕様の低減が可能となり、また、ランニングコストも節約され、経済的に優れた装置を得ることが出来る。
【００２８】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３を示す配置図であって、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）はその結線図である。図４において、図１および図２と同一または相当部分には同一符号を付して説明する。
図において、３は加速器を構成する偏向電磁石であり、ここでは６０度の偏向電磁石６台を使った加速器となっている。３ｂ１と３ｂ２は本発明に係わる輸送系の偏向電磁石であり、加速器を構成する偏向電磁石３と同じ型の偏向電磁石である。３ｂ１の上流側の輸送系のライン５は長方形の建屋の１辺（縦）と平行に走っており、本発明に関る電磁石配置により偏向電磁石３ｂ２の下流側の輸送系ライン６ｂは加速器とレベルが異なるが、建屋のもう１辺（横）と平行に走っている。また、加速器の電磁石とこの偏向電磁石は直列励磁にしてあり、同時に同じ励磁をする。
【００２９】
この実施の形態３による荷電粒子輸送装置では、加速器１から出射されたラインが建屋の縦方向であるにも拘わらず、加速器と同じ６０度の偏向電磁石２台によって、輸送系のラインを建屋の横方向に平行に変えている。加速器と同じ平面に配置したのでは、１２０度の角度となり、目的の方向へ輸送系を導くことができない。このように、加速器と同じ磁石を使って目的の角度に曲げようとした場合に、偏向電磁石３ｂ１と３ｂ２のそれぞれをその偏向面が同一平面とは異なるように配置したことで目的の角度に曲げることが可能である。
【００３０】
このように、この実施の形態３によれば、直角方向に輸送系を曲げる際に２台の加速器と同じ型の６０度の偏向電磁石を用いることで目的を達成することができる。また、同じ型であることから加速器の電磁石と直列に接続して電源を共有することが可能となる。
これによって、輸送系の偏向磁石として新たに電磁石を設計製作すること無しに、加速器の電磁石を量産することで済み、量産効果が発揮される。また、電源を共有することができるので、経済的な装置を得ることが出来る。
またこの実施の形態３の配置では、２台の加速器と同じ偏向電磁石を用いたが３台以上で構成してより幅の広い偏向角度に対応することも可能である。
【００３１】
つまり、本実施の形態によれば、建屋等の配置により一定の角度にビームを偏向させる場合に、輸送系との間に高低差をつけることで、加速器に使用される偏向電磁石を輸送系の磁石にも利用して任意の角度にビーム方向を偏向させることができる。
【００３２】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４を示す配置図であり、図５（ａ）はその鳥瞰図、図５（ｂ）はその平面図、図５（ｃ）はその説明図である。なお、図５において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明する。
図において、１ａと１ｂは異なる垂直方向のエミッタンスをもった加速器であり、それぞれから取出されたビームは本発明に係わる偏向電磁石の３ｂ２の下流側において、この磁石の励磁と消磁を行うことにより、その下流側の共通な下流側の輸送系ライン６ｂをとおるようになっている。加速器１ａはＲＦノックアウト等の取出し方法により、水平方向のエミッタンスが垂直方向のそれより小さいものである。また、加速器１ｂの垂直方向のエミッタンスは加速器１ａのそれより小さいものである。
【００３３】
偏向電磁石３ｂ２を励磁・消磁する電源は、加速器１ａと１ｂの出射のタイミングに同期をとることにより、一方の加速器から出たビームパルスの間に他方のビームパルスを重ね合わせることが可能となっている。また、加速器１ａからのビームの垂直方向のエミッタンスが、本発明に関る偏向電磁石の系を通ることにより加速器１ｂからのビームの垂直方向のエミッタンスと一致するように、これらの偏向電磁石３ｂ１、３ｂ２が捩じれの配置となっている。
【００３４】
この実施の形態４による荷電粒子輸送装置では、加速器１ａから出射されたビームの垂直方向のエミッタンスが加速器１ｂのそれと異なって大きいにも拘らず、捩じれの位置にある本発明に係わる偏向電磁石２台によって、合流した地点より同じ値をとるようにすることが可能である。
【００３５】
このように、この実施の形態４によれば、従来の平面で合流する方式では、異なる垂直方向のエミッタンスを持つ加速器からのビームを合流する際に、そのうちの大きいエミッタンスに対応したビーム輸送系の製作、つまり偏向電磁石のギャップが大きくなるとともに電源定格の増加の必要があったが、本実施の形体では、両者の垂直方向のエミッタンスを最小化したものに対して、それをカバーするビーム輸送系を作ればよい。従って、偏向電磁石のギャップが削減され、それに応じてそれらの電源の定格の減少によって製作費およびランニングコストの削減を達成することができる。この例では、片方の加速器からのビームをそのまま下流側のビーム輸送系に持ってきたが、両方の加速器からのビームを本発明に関る捩じれの配置にある偏向電磁石系を通すことによって、それぞれ垂直方向のエミッタンスを最小化させることにより、より経済的な輸送系を得ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、荷電粒子を加速する円形加速器と、上記円形加速器により加速されて取り出されたビームを輸送するビーム輸送系と、上記ビーム輸送系に設けられた同じ偏向角を持つ複数個の偏向電磁石とを備え、該偏向電磁石は、上記ビーム輸送系の輸送方向に相当する軸に対して偏向面が回転されていると共に該偏向電磁石に入射するビームと該偏向電磁石から出射するビームとの水平高さが異なるものであるので、加速器の垂直方向のエミッタンスと水平方向のエミッタンスが異なって取出されたにも拘らず、下流側の輸送ラインにおいては等しくなり、下流側の輸送系全体にわたってエミッタンスが等しく下流側の輸送系の最終端に接続された回転ガントリーに最適なビーム条件を与えることができ、以って、従来エミッタンスを等しくするために用いられてきたコリメータを設ける必要がなく、またそのコリメータによってビームが削り取られる際に発生を余儀なくされる放射線が無くなり、ビーム利用率のアップとともに、放射線対策の設備費用が削減できるという効果がある。
また、請求項２の発明によれば、上記ビーム輸送系に設けられた偏向電磁石は、偏向面が互いに捩れの関係になる部分を持つものであるので、平面上に投影した場合に直角の角度をなすことができる。
【００３７】
請求項３の発明によれば、上記円形加速器には、ビームに高周波電場を印加する高周波ノックアウト法を用いてビームを取出すビーム取出し手段が設けられているものであるので、下流側の輸送系の偏向電磁石の小型化およびその電磁石電源類の仕様の低減が可能となり、また、ランニングコストも節約され、経済的に優れた装置を得ることが出来るという効果がある。
【００３８】
請求項４の発明によれば、互いに異なる偏向面をつくる上記ビーム輸送系に設けられた偏向電磁石には、上記円形加速器の偏向電磁石と同じ仕様の電磁石が用いられているので、加速器の電磁石と直列に接続して電源を共有することが可能となり、輸送系の偏向磁石として新たに電磁石を設計製作すること無しに、加速器の電磁石を量産することで済み、量産効果が発揮され、また、電源を共有することができるから経済的な装置を得ることが出来るという効果がある。
【００３９】
請求項５の発明によれば、上記ビーム輸送系の終端部に回転自在に接続され、該ビーム輸送系からのビームを回転照射する回転ガントリーを備えたものであるので、磁石の組み合わせによりエミッタンスを調整することが可能となり、以って、従来の後続する回転ガントリーなど照射系機器への最適なエミッタンスのビームとするためこのビームを削ることによる有害な放射線の発生を無くし、利用効率の高いビームを供給することができるという効果がある。
【００４０】
請求項６の発明によれば、水平高さが異なる複数台の円形加速器と、これらの円形加速器からのビーム輸送系を１つのビーム輸送系に合流するビーム輸送系とを備え、上記複数の円形加速器のうちの１つはビーム輸送系の水平高さが一定であるので、偏向電磁石のギャップが削減され、それに応じてそれらの電源の定格の減少によって製作費およびランニングコストの削減を達成することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す配置図である。
【図２】この発明の実施の形態１を示す配置図である。
【図３】この発明の実施の形態２を示す配置図である。
【図４】この発明の実施の形態３を示す配置図である。
【図５】この発明の実施の形態４を示す配置図である。
【図６】従来の荷電粒子輸送装置を示す配置図をである。
【図７】従来の荷電粒子輸送装置を模式的に示す配置図をである。
【符号の説明】
１，１ａ円型加速器、２ビーム輸送系、３，３ｂ１，３ｂ２偏向電磁石、５上流側の輸送系、６ａ，６ｂ下流側の輸送系、７ななめのライン、７ａ垂直なライン８回転ガントリー。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a charged particle transport apparatus suitable for use in a charged particle irradiation apparatus such as a physical experiment for transporting a beam composed of charged particles, particularly ions such as protons and heavy particles, and irradiating an object or a human body, or a cancer treatment apparatus. It is about.
[0002]
[Prior art]
Fig. 6, for example, is a layout diagram showing an example of a conventional charged particle transport apparatus shown in "The Heavy Ion Medical Accelerator: Final Design Summery June 1984, Lawrence Berkeley Laboratory PUB-5122".
[0003]
In the figure, 1 is a circular accelerator (synchrotron) of charged particles, 2 is a beam transport system for transporting a beam extracted from the accelerator 1, and 3 is a beam in a horizontal plane which is a part of the beam transport system 2. A bending electromagnet 4 for deflecting is a quadrupole electromagnet. In addition, there are a vacuum duct for keeping the beam trajectory at a vacuum in order to prevent beam scattering, a vacuum exhaust device, a beam diagnostic device, respective power supplies, control devices, and the like, but these are not shown here.
[0004]
Next, the operation will be described.
The beam of charged particles (for example, protons and heavy ions) extracted from the accelerator 1 is supplied by the beam transport system 2 to each target location in the building in a predetermined shape. The purpose is to irradiate an object or a person placed at an irradiation point in each room with a beam. The bending electromagnet 3 constituting the beam transport system 2 has a function of generating a bipolar magnetic field by its power supply (not shown) and determining the center trajectory of the beam by interaction with charged particles. Similarly, the quadrupole electromagnet 4 has a function of generating a quadrupole magnetic field by its power supply (not shown) and adjusting the shape of the beam by the interaction with the charged particles. In other words, it functions as a lens in an optical system.
[0005]
The beam of the charged particles extracted from the accelerator 1 has the properties of the beam passing through the beam transport system 2 due to the horizontal and vertical emittance (degree of divergence) of the extracted beam determined by the properties of the accelerator 1. In the beam transport system 2, transport is performed while adjusting the shape (beam size) by the quadrupole electromagnet 4, and the absolute amount is determined by the magnitude of the emittance. In designing the device, the shape of the beam duct including the beam size is determined from the size of the beam size, and the necessary magnetic pole interval between the bending electromagnet 3 and the quadrupole electromagnet 4 is determined.
The arrangement of each room for delivering a beam in a normal building is developed in a horizontal plane, and therefore, the beam transport system 2 is also developed in a horizontal plane, and the bending electromagnets 3 for branching and deflecting deflect the beam to the horizontal plane in most cases.
[0006]
7 schematically shows the charged particle transport device of FIG. 6, in which FIG. 7 (a) is a bird's-eye view, FIG. 7 (b) is a plan view thereof, and FIG. 7 (c) is a side view thereof.
In the figure, the bending electromagnet 3a deflects on the same plane as the deflecting plane of the accelerator 1. Reference numeral 5 denotes a transport line on the upstream side of the bending electromagnet 3a, through which a beam extracted from the accelerator 1 passes. Reference numeral 6a denotes a transport line on the downstream side of the bending electromagnet 3a. Therefore, the transport line 6a and the beam line of the accelerator 1 are at the same level, and the transport system develops on the downstream side.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the conventional charged particle transport device is configured as described above, if the emittance of the beam from the accelerator is greater in the vertical direction than in the horizontal direction, the beam size in the vertical direction increases throughout the beam transport system, It is necessary to increase the magnetic pole interval in a bending electromagnet that steers a beam in a horizontal plane. This has a problem that the shape of the bending electromagnet is increased and a larger power supply is required to obtain a magnetic flux density.
[0008]
On the other hand, when the emittance of the beam from the accelerator is large in the horizontal direction, it is necessary to increase the effective magnetic field region in the bending electromagnet, which has a design effect that the magnetic pole width must be increased. It is very easy and the impact on manufacturing and running costs is small compared to the effect of increasing.
[0009]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and it is possible to reduce the size of the bending electromagnet in the beam transport system and also to design the power supply capacity to be small, thereby reducing the manufacturing cost and the running cost, or It is an object of the present invention to provide a charged particle transport device capable of adjusting a beam divergence and a size suitable for a downstream irradiation system device (for example, a rotating gantry).
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Charged particle transport apparatus according to a first aspect of the invention, a circular accelerator for accelerating charged particles, a beam transport system for transporting the beam taken out are accelerated by the circular acceleration device, provided in the beam transport system A plurality of deflecting electromagnets having the same deflection angle, the deflecting electromagnet includes a beam having a deflecting surface rotated with respect to an axis corresponding to the transport direction of the beam transport system and a beam incident on the deflecting electromagnet. The horizontal height differs from the beam emitted from the bending electromagnet.
Further, in the charged particle transport apparatus according to the second aspect of the present invention, the deflection electromagnet provided in the beam transport system has portions whose deflection surfaces are in a torsional relationship with each other.
[0011]
Charged particle transport device according to the invention of claim 3, the upper Symbol circular accelerator, in which the beam extraction means for taking out the beam using a high-frequency knockout method for applying a radio frequency electric field to the beam is provided.
[0012]
Charged particle transport device according to the invention of claim 4, the bending magnet provided in the beam transport system to create different deflection surfaces to each other physician, the electromagnet of the same specifications as the bending magnets of the circular accelerator is used Things.
[0013]
Charged particle transport device according to the invention of claim 5 is rotatably connected to the end portion of the upper Symbol beam transport system, in which a rotating gantry that rotates irradiating a beam from said beam transport system.
[0014]
Charged particle transport device according to the invention of claim 6 includes a circular accelerator plurality of horizontal different heights, and a beam transport system for converging the bi chromatography beam transport system from these circular accelerator into one beam transport system In one of the plurality of circular accelerators, the horizontal height of the beam transport system is constant .
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the basic concept of the present invention will be described.
The present invention provides, for example, an apparatus having a circular accelerator for accelerating charged particles and a beam transport system for transporting a beam that has been accelerated and extracted therefrom. The deflecting surface should be positioned at an angle to the horizontal plane (rotated around the upstream beam axis), and the following deflecting electromagnets should also be positioned at an angle to the deflecting surface of the upstream deflecting electromagnet. By mixing the vertical and horizontal emittances, it is not necessary to widen the magnetic pole interval of the bending electromagnet of the beam transport system that circulates in the horizontal plane in the transport system on the downstream side, or irradiation connected to the downstream side It adjusts the emittance of the beam so that it is optimal for systems and rotating gantry.
[0017]
This charged particle transport device utilizes the following properties. When beams such as protons and heavy particles are accelerated by a circular accelerator, the emittance when they are incident on the circular accelerator decreases in both horizontal and vertical directions at the same rate according to the accelerated energy, but further depends on the extraction method. Thus, the emittance in one direction can be changed. For example, in an accelerator, the emittance in the horizontal direction can be significantly reduced by using an RF (high frequency) knockout method. ), The emittance in the horizontal direction can be reduced.
[0018]
On the other hand, by combining a bending electromagnet having a deflecting surface inclined from the horizontal, it is possible to make the resulting beam axis horizontal even though there is a height difference from the upstream beam. At this time, the mixing ratio of the horizontal and vertical emittance is determined depending on the magnitude of the deflection angle, the radius of curvature, the interval between the deflection magnets, the strength of the quadrupole electromagnet placed therebetween, and the like. As a result, the beam size in the direction between magnetic poles (vertical direction) of the bending electromagnet of the beam transport system developed on the subsequent horizontal plane can be made smaller or adjusted as a whole as compared with the beam size in the magnetic pole surface direction (horizontal direction). .
[0019]
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a layout diagram showing a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a bird's-eye view, FIG. 1B is a plan view thereof, and FIG. 1C is a side view thereof. In FIG. 1, the same or corresponding parts as those in FIGS. 6 and 7 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
In the drawing, reference numeral 3b1 denotes a bending electromagnet arranged such that the deflection magnet 3a (FIG. 7) is substantially rotated about the line 5 on the upstream side in FIG. 1A. Thus, the deflection surface is no longer in the same plane (eg, horizontal) as accelerator 1. The exit-side trajectory created by the deflecting magnet 3b1 is thus a smoothly descending line 7. Reference numeral 3b2 denotes a bending electromagnet having the slanted line 7 as an entrance and an orbit of the exit in the horizontal direction.
Accordingly, this deflecting surface is also different from the trajectory surface of the accelerator 1 and the deflecting surface of the bending electromagnet 3b1.
[0020]
In the first embodiment, a mount such as a quadrupole electromagnet and an electromagnet and other devices are omitted for simplicity. Reference numeral 6b denotes a transport system line on the downstream side from 3b2, and an irradiation device for irradiation experiment or treatment irradiation, for example, a rotating gantry 8 (FIG. 2) or the like is connected to an end thereof.
[0021]
In the charged particle transport device according to the first embodiment, the beam emitted from the accelerator 1 has different emittance in the horizontal direction and that in the vertical direction depending on the performance of the accelerator 1. When the beam is steered in the same plane as the accelerator 1 as in the conventional example, the emittance in the horizontal and vertical directions does not change to the end of the transport system. However, by passing through the bending electromagnets 3b1 and 3b2 as in this embodiment, the coordinate system is rotated, and the emittance in the horizontal and vertical directions is converted according to the arrangement and angle of the bending electromagnets 3b1 and 3b2. As shown in FIG. 2A, the ratio between the vertical direction and the horizontal direction can be changed.
[0022]
This arrangement and angle are selected according to the difference between the horizontal and vertical emittances taken out of the accelerator 1, so that the horizontal and vertical emittance values are equal in the downstream transport system line 6b after the bending electromagnet 3b2. However, as shown in FIG. 2B, the optimum beam condition can be given to the rotating gantry 8 rotatably connected to the end.
[0023]
As described above, according to the first embodiment, although the emittance in the vertical direction and the emittance in the horizontal direction of the accelerator are taken out differently, they are equal in the downstream transport line 6b. Optimal beam conditions can be given to the rotating gantry 8 connected to the final end of the downstream transport system, which has the same emittance throughout the entire transport system. Therefore, there is no need to provide a collimator that has been used to equalize the emittance, and radiation that must be generated when the beam is cut off by the collimator is eliminated. Costs can be reduced.
[0024]
That is, according to the present embodiment, the ratio of the horizontal and vertical emittance can be changed as necessary. In addition, this makes it possible to adjust the vertical emittance to a minimum value and to carry out beam transport without manufacturing a large gap between the magnetic poles of the deflecting magnet. And running costs are greatly reduced. In addition, in order to obtain an optimal emittance beam for an irradiation system device such as a rotating gantry to follow, conventionally, this has been dealt with by shaving the beam, but according to the present embodiment, the emittance is adjusted by a combination of magnets. It is possible to eliminate the generation of harmful radiation due to shaving, and to supply a highly efficient beam.
[0025]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 3 is a layout view showing Embodiment 2 of the present invention. FIG. 3 (a) is a sectional view, FIG. 3 (b) is a plan view, and FIG. 3 (c) is a beam section and an electromagnet section. FIG. In FIG. 3, the same or corresponding parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals and described.
In the figure, the accelerator 1 has a horizontal emittance smaller than that in the vertical direction due to an extraction method such as RF knockout. Reference numeral 3b1 denotes a bending electromagnet which is constituted by a bending electromagnet having a deflection angle of 90 degrees and deflects the upstream transport system line 5 to bend the beam directly below. Reference numeral 3b2 denotes a bending electromagnet having the vertical line 7 as an entrance and the horizontal direction as an exit trajectory and having the same 90 ° deflection angle, and its downstream transport system line 6b is a line of the transport system 5 upstream of 3b2. Is in a twisted position and forms a right angle when projected on a plane.
[0026]
In the second embodiment, the beam emitted from the accelerator 1 has a lower emittance in the horizontal direction than in the vertical direction by a beam extraction method such as an RF knockout method. Therefore, the beam size in the vertical direction is generally larger in the transport line 5 on the upstream side up to the bending electromagnet 3b1 than in the horizontal direction. However, by passing through the bending electromagnets 3b1 and 3b2, the coordinate system rotates and the emittance in the horizontal direction and the emittance in the vertical direction can be switched. This makes it possible to make the beam size in the vertical direction smaller in the transport system line 6b downstream from the bending electromagnet 3b2 than in the transport system line 5 upstream after the extraction.
[0027]
As described above, according to the second embodiment, in the transport system line 6b on the downstream side, the emittance in the vertical direction is smaller than the emittance in the horizontal direction, so that the beam size is reduced over the entire transport system on the downstream side. The beam size in the vertical direction is smaller, the beam size in the direction of the magnetic pole interval in the bending electromagnet constituting the downstream transport system is small, and as a result, the vertical height of the beam duct through which the beam passes can be reduced, and the magnetic pole interval of the bending electromagnet is reduced. Can be designed smaller.
This makes it possible to reduce the size of the bending electromagnet of the transport system on the downstream side and to reduce the specifications of the electromagnet power supplies (not shown), to save running costs, and to obtain an economically excellent apparatus. Can be done.
[0028]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 is a layout diagram showing a third embodiment of the present invention. FIG. 4 (a) is a plan view thereof, and FIG. 4 (b) is a connection diagram thereof. In FIG. 4, the same or corresponding parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals and described.
In the figure, reference numeral 3 denotes a bending electromagnet constituting an accelerator, which is an accelerator using six 60-degree bending electromagnets. 3b1 and 3b2 are deflection electromagnets of the transport system according to the present invention, which are the same type as the deflection electromagnets 3 constituting the accelerator. The line 5 of the transportation system on the upstream side of 3b1 runs parallel to one side (length) of the rectangular building, and the transportation system line 6b on the downstream side of the bending electromagnet 3b2 is connected to the accelerator and the level by the electromagnet arrangement according to the present invention. But running parallel to the other side (side) of the building. Further, the electromagnet of the accelerator and the bending electromagnet are serially excited, and simultaneously perform the same excitation.
[0029]
In the charged particle transport device according to the third embodiment, although the line emitted from the accelerator 1 is in the vertical direction of the building, the transport system line is connected to the building by two 60-degree bending electromagnets as in the accelerator. Changed to be parallel to the horizontal direction. If it is arranged on the same plane as the accelerator, the angle becomes 120 degrees, and the transport system cannot be guided in the target direction. As described above, when it is attempted to bend to a target angle using the same magnet as the accelerator, each of the bending electromagnets 3b1 and 3b2 is bent to the target angle by arranging them so that their deflecting surfaces are different from the same plane. It is possible.
[0030]
As described above, according to the third embodiment, the object can be achieved by using a 60-degree bending electromagnet of the same type as the two accelerators when bending the transport system in the perpendicular direction. In addition, since they are of the same type, they can be connected in series with the electromagnet of the accelerator to share a power source.
Thus, mass production of the electromagnet of the accelerator is sufficient without designing and manufacturing a new electromagnet as a deflection magnet of the transport system, and the mass production effect is exhibited. Further, since the power supply can be shared, an economical device can be obtained.
In the arrangement of the third embodiment, the same bending electromagnet as the two accelerators is used. However, it is possible to use three or more accelerators to cope with a wider deflection angle.
[0031]
That is, according to the present embodiment, when the beam is deflected to a certain angle by the arrangement of the building or the like, by providing a height difference with the transport system, the bending electromagnet used in the accelerator is used in the transport system. The beam direction can be deflected to an arbitrary angle by using a magnet.
[0032]
Embodiment 4 FIG.
5A and 5B are layout diagrams showing a fourth embodiment of the present invention. FIG. 5A is a bird's-eye view, FIG. 5B is a plan view thereof, and FIG. 5C is an explanatory diagram thereof. In FIG. 5, the same or corresponding parts as those in FIG.
In the figure, reference numerals 1a and 1b denote accelerators having different vertical emittances. Beams extracted from each of the accelerators are excited and demagnetized on the downstream side of the bending electromagnet 3b2 according to the present invention. A common downstream transportation system line 6b on the downstream side is taken. The accelerator 1a has an emittance in the horizontal direction smaller than that in the vertical direction by an extraction method such as RF knockout. The vertical emittance of the accelerator 1b is smaller than that of the accelerator 1a.
[0033]
The power supply for exciting and demagnetizing the bending electromagnet 3b2 can synchronize the timing of the emission of the accelerators 1a and 1b, thereby superimposing the other beam pulse between the beam pulses emitted from one accelerator. I have. Further, these deflection electromagnets 3b1, 3b2 are arranged such that the vertical emittance of the beam from the accelerator 1a matches the vertical emittance of the beam from the accelerator 1b by passing through the system of deflection electromagnets according to the present invention. Has a twisted arrangement.
[0034]
In the charged particle transport device according to the fourth embodiment, two bending electromagnets according to the present invention in the twisted position despite the vertical emittance of the beam emitted from the accelerator 1a being different from that of the accelerator 1b. It is possible to take the same value from the merged point.
[0035]
As described above, according to the fourth embodiment, when the beams from the accelerators having different vertical emittances are merged in the conventional plane merging method, the beam transport system corresponding to the larger emittance is used. The production, that is, the gap between the bending electromagnets became larger and the power supply rating had to be increased, but in this embodiment, the beam transport system that covers the two with the vertical emittance minimized Just make it. Thus, gaps in the bending electromagnets are reduced, and reductions in manufacturing and running costs can be achieved by reducing the ratings of their power supplies accordingly. In this example, the beam from one of the accelerators was brought directly to the downstream beam transport system, but the beams from both accelerators were passed through the bending electromagnet system in the twisted arrangement according to the present invention, respectively. By minimizing the vertical emittance, a more economical transport system can be obtained.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention of claim 1, a circular accelerator for accelerating charged particles, a beam transport system for transporting the beam taken out are accelerated by the circular acceleration device, in the beam transport system A plurality of deflection electromagnets having the same deflection angle provided, and the deflection electromagnet has a deflection surface rotated with respect to an axis corresponding to the transport direction of the beam transport system and enters the deflection electromagnet. Since the beam and the beam emitted from the bending electromagnet have different horizontal heights , despite the fact that the vertical emittance and the horizontal emittance of the accelerator were extracted differently, in the downstream transport line, Equality and equal emittance throughout the downstream transport system to provide optimal beam conditions for the rotating gantry connected to the final end of the downstream transport system. Therefore, it is not necessary to provide a collimator, which has been conventionally used to make the emittance equal, and there is no need to generate radiation when the beam is shaved off by the collimator. This has the effect of reducing equipment costs.
According to the second aspect of the present invention, since the deflection electromagnets provided in the beam transport system have portions whose deflection surfaces are in a torsional relationship with each other, an angle of right angle when projected on a plane is obtained. Can be made.
[0037]
According to the invention of claim 3, the upper Symbol circular accelerator, because those with the beam extraction means for taking out the beam using a high-frequency knockout method for applying a radio frequency electric field to the beam are provided, the downstream transport system The size of the bending electromagnet and the specification of the electromagnet power supplies can be reduced, the running cost can be reduced, and an economically excellent apparatus can be obtained.
[0038]
According to the invention of claim 4, the bending magnet provided in the beam transport system to create different deflection surfaces to each other physician, since the electromagnet of the same specifications as bending magnet of the circular accelerator is used, the accelerator The power supply can be shared by connecting it in series with the electromagnet, and mass production of the electromagnet of the accelerator is sufficient without designing and manufacturing a new electromagnet as a deflection magnet for the transportation system, and the mass production effect is exhibited. Since the power supply can be shared, an economical device can be obtained.
[0039]
According to the invention of claim 5 is rotatably connected to the end portion of the upper Symbol beam transport system, since those with a rotating gantry that rotates irradiating a beam from the beam transport system, emittance by a combination of magnets Can be adjusted, thereby eliminating the generation of harmful radiation due to shaving this beam in order to make the beam of the optimal emittance to the irradiation system equipment such as the conventional rotating gantry succeeding, and high utilization efficiency There is an effect that a beam can be supplied.
[0040]
According to the invention of claim 6, comprising a circular accelerator plurality of horizontal different heights, and a beam transport system for converging the bi chromatography beam transport system from these circular accelerator into one beam transport system, said plurality One of the circular accelerators has a constant horizontal height of the beam transport system , thereby reducing the gaps in the bending magnets and, accordingly, reducing the power supply rating to achieve lower manufacturing and running costs There is an effect that can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a layout diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a layout diagram showing the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a layout diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a layout diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a layout diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a layout view showing a conventional charged particle transport device.
FIG. 7 is a layout view schematically showing a conventional charged particle transport device.
[Explanation of symbols]
1,1a circular accelerator, 2 beam transport system, 3,3b1,3b2 bending electromagnet, 5 upstream transport system, 6a, 6b downstream transport system, 7 slant line, 7a vertical line 8 rotating gantry.

Claims

荷電粒子を加速する円形加速器と、
上記円形加速器により加速されて取り出されたビームを輸送するビーム輸送系と、
上記ビーム輸送系に設けられた同じ偏向角を持つ複数個の偏向電磁石と
を備え、
該偏向電磁石は、上記ビーム輸送系の輸送方向に相当する軸に対して偏向面が回転されていると共に該偏向電磁石に入射するビームと該偏向電磁石から出射するビームとの水平高さが異なることを特徴とする荷電粒子輸送装置。A circular accelerator for accelerating charged particles,
A beam transport system for transporting the beam taken out are accelerated by the circular acceleration device,
Comprising a plurality of bending electromagnets having the same deflection angle provided in the beam transport system ,
The deflection electromagnet has a deflection surface rotated with respect to an axis corresponding to a transport direction of the beam transport system, and a beam that enters the deflection electromagnet and a beam that exits from the deflection electromagnet have different horizontal heights. A charged particle transport device characterized by the above-mentioned.

上記ビーム輸送系に設けられた偏向電磁石は、偏向面が互いに捩れの関係になる部分を持つことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子輸送装置。2. The charged particle transport apparatus according to claim 1, wherein the deflection electromagnet provided in the beam transport system has portions whose deflection surfaces are in a torsional relationship with each other.

上記円形加速器には、ビームに高周波電場を印加する高周波ノックアウト法を用いてビームを取出すビーム取出し手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の荷電粒子輸送装置。 3. The charged particle transport apparatus according to claim 1, wherein the circular accelerator is provided with a beam extracting means for extracting the beam using a high-frequency knockout method for applying a high-frequency electric field to the beam.

互いに異なる偏向面をつくる上記ビーム輸送系に設けられた偏向電磁石には、上記円形加速器の偏向電磁石と同じ仕様の電磁石が用いられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の荷電粒子輸送装置。The bending magnet provided in the beam transport system make different deflecting surfaces, according to any one of claims 1-3, characterized in that the electromagnet of the same specifications as the bending magnets of the circular accelerator is used Charged particle transport device.

上記ビーム輸送系の終端部に回転自在に接続され、該ビーム輸送系からのビームを回転照射する回転ガントリーを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の荷電粒子輸送装置。The charged particle transport device according to any one of claims 1 to 4 , further comprising a rotating gantry rotatably connected to a terminal end of the beam transport system and rotatingly irradiating a beam from the beam transport system. .

水平高さが異なる複数台の円形加速器と、これらの円形加速器からのビーム輸送系を１つのビーム輸送系に合流するビーム輸送系とを備え、
上記複数の円形加速器のうちの１つはビーム輸送系の水平高さが一定であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の荷電粒子輸送装置。Comprising a plurality of circular accelerator horizontal heights are different, and a beam transport system for converging the bi chromatography beam transport system from these circular accelerator into one beam transport system,
The charged particle transport device according to any one of claims 1 to 4, wherein one of the plurality of circular accelerators has a constant horizontal height of a beam transport system .