JP6054336B2 - 可変エネルギーを有する荷電粒子を生成する粒子加速器 - Google Patents
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Description
本明細書では、陽子またはイオン医療システムなどの処置システムに用いられる粒子加速器の一例が説明される。例示的な粒子医療システムはガントリーに搭載された粒子加速器、この例においてはシンクロサイクロトロンを含む。ガントリーは、加速器を患者の位置の周りに、以下により詳細に説明するように回転させることが可能である。いくつかの実装形態において、ガントリーは鋼鉄製であり、患者の両側に置かれた2つのそれぞれのベアリング上で回転するために搭載された2つの脚部を有する。粒子加速器は、処置領域に渡されるのに十分長い鋼鉄製のトラスによって支持されており、処置領域には患者が横たわり、トラスは両端においてガントリーの回転する脚部に取り付けられている。患者の周囲のガントリーの回転によって、粒子加速器もまた回転する。
図2に示された例において、超伝導シンクロサイクロトロン502は、可変エネルギーを有する粒子ビームを出力する。可変エネルギーの範囲は、約200MeVから約300MeVまたはそれより高い上限を有することができ、例えば、200MeV、約205MeV、約210MeV、約215MeV、約220MeV、約225MeV、約230MeV、約235MeV、約240MeV、約245MeV、約250MeV、約255MeV、約260MeV、約265MeV、約270MeV、約275MeV、約280MeV、約285MeV、約290MeV、約295MeV、もしくは約300MeVまたはそれより高い。範囲はまた約100MeVまたはそれより低いエネルギーから約200MeVまでである下限を有することができ、例えば、約100MeV以下、約105MeV、約110MeV、約115MeV、約120MeV、約125MeV、約130MeV、約135MeV、約140MeV、約145MeV、約150MeV、約155MeV、約160MeV、約165MeV、約170MeV、約175MeV、約180MeV、約185MeV、約190MeV、約195MeV、約200MeVである。
いくつかの実装形態において、図2のシンクロサイクロトロン502のような加速器は、加速器内の磁場を変更することにより可変エネルギーレベルまで粒子または粒子ビームを加速し、磁場の変更は磁場を発生させるためのコイルに印加される電流を変更することによって達成することができる。図3、4、5、6及び7に示されるように、例示的なシンクロサイクロトロン1010(図2における502)は、粒子源90、高周波駆動システム91及びビーム引き出しシステム38を含む磁石システム1012を含む。磁石システム1012によって確立された磁場は、2つのセットのコイル40a及び40b並びに42a及び42bが発生可能である磁場の最大値の約5%から約35%で変更可能である。磁石システムによって確立された磁場は、2つのセットのコイル及び一対の成形された強磁性(例えば低炭素鋼鉄)の磁極面44、46の組み合わせを用いて含まれる陽子ビームの集束を維持するのに適切な形状を有している。
n=−(r/B)dB/dr
であり、この「弱」集束を維持するために正である必要がある。ここでrはビームの半径であり、Bは磁場である。さらに、磁場インデックスは0.2より小さい値に保たれる必要がある。なぜなら、この値において、ビームの半径方向の振動及び垂直方向の振動の周期性がvr=2vz共振に合致するからである。ベータトロン周波数はvr=(1−n)1/2及びvz=n1/2で画定される。磁極は強磁性体であり、強磁性体磁極面はコイルによって発生される磁場を形成するように設計され、それによって磁場インデックスnが所定の磁場において250MeVのビームに一致する最小直径において正に保たれ、かつ0.2よりも小さい。
図12に示されるように、ディープレート100は、陽子が磁石構造によって閉じ込められた空間の周囲の回転の半分の間に加速される空間107を閉じ込める2つの半円形表面103、105を有する中空金属構造である。空間107内に開口するダクト109は、ヨークを通って、真空ポンプ111が空間107及び加速が行われる真空チャンバー119内の残りの空間を排気するために取り付け可能である外部位置へ延設する。ダミーディー102は、ディープレートの露出された縁部に近接して空間を開けられた長方形の金属リングを含む。ダミーディーは真空チャンバー及び磁石ヨークに接地される。ディープレート100は、空間107内の電場を与えるための高周波伝達線の端部において印加される高周波信号によって駆動される。高周波電場は加速された粒子ビームが幾何中心からの距離を増加させるにつれて経時的に変化するようになされる。この目的のために有用な高周波波形発生器の例は、2005年7月21日に出願された「シンクロサイクロトロンのためのプログラム可能な高周波波形発生器」と題する特許文献4及び2004年7月21日に出願された同一題の特許文献5に記載されており、そのいずれも参照によって本明細書に組み込まれている。高周波電場は「共振キャビティの共振周波数の、入力電圧の周波数への整合」と題する特許文献6に記載された方法で制御されてもよく、その内容は参照によって本明細書に組み込まれている。
加速が行われる真空チャンバー119は、一般に円筒形の容器である。真空チャンバーは、RFプレート及び粒子源を収容し、真空ポンプ111によって排気される。高真空に保つことによって、加速イオンは気体分子に衝突して失われることがなくなり、RF電圧をアーク放電させることなくより高いレベルに保つことが可能となる。
12 加速器
14 ビーム
16 走査ユニット、散乱体
18 監視ユニット
20 エネルギー低減部
22、22’ 体
24、30 標的体積
26a〜26i 標的体積の層
28 照射方向
32 制御部
38 ビーム引き出しシステム
40a、40b、42a、42b コイル
44、46 磁極面
47 共通軸
48 ストランド
52 絶縁体
53 ワイヤー
54 エポキシ化合物
55 ヒーターブランケット
56 ボビン
60 復元力
72、74 ギフォード・マクマホンクライオ冷却器
76 低温端
77、79 ギフォード・マクマホンクライオ冷却器
78 頭端部
80 圧縮機
81、83 ヨークの半分の部分
82 ヨーク
84 帰還磁束
86 磁極面間の体積
90 粒子源
91 高周波駆動システム
94 電気ケーブル
95 電流源
99 水素供給部
100 高周波プレート
101 ガスライン
102 ダミーディープレート
103、105 半円形表面
107 空間
108 水冷配管
109 ダクト
111 真空ポンプ
113 熱交換器
116 間隔
117 強磁性体材料の層
119 真空チャンバー
122、124 カウンターウェイト
125 ビーム形成システム
144 磁気シールド
146 迷路部
148、150、152、154、156 壁
160 治療室
162 床
164 床空間
170 患者支持部
190、192 カソード
194 チューブ
200 磁場
402、404、406 支持ストラップ
500 荷電粒子放射医療システム
502、1010 ビーム生成粒子加速器
504 ガントリー
506 患者
508、510 脚部
512、514 ベアリング
516 トラス
518 処置領域
520 ガントリーの回転範囲
522 床
524 ボールト
530 壁
532 水平回転軸
534 診察用いすの回転範囲
540 アイソセンター
542 垂直軸
580、582 スパン
602 システム
604 シンクロサイクロトロン
605 回転ガントリー
606 患者支持部
1012 磁石システム
1035、1037 磁場を表す曲線
1300 内部導体
1302 外部導体
1304 結合デバイス
1306、1308 可変リアクタンス素子
1310 ブレード
1312 プレート
1314 プレート1312の移動する方向
1316 内部導体1300の表面
Claims (26)
- 粒子源からの、荷電粒子を含む粒子を加速するために、キャビティに高周波電圧(RF電圧)を提供するための電圧源と、
複数の値のうち1つを有する電流を通過させ、前記電流に対応する磁場を発生させる1つまたは複数のコイルであって、前記磁場が前記粒子を、前記電流に対応するエネルギーで前記キャビティ内で軌道に沿って運動させるためのものであり、前記磁場が少なくとも4テスラである、コイルと、
複数の磁極片であって、前記磁極片が、キャビティの周囲に配置され、前記磁極片が、前記キャビティ内の前記磁場を調整するために前記磁極片に対して移動可能である強磁性体材料を含む、磁極片と、
前記粒子を受け取り、前記粒子を前記キャビティから出力する引き出しチャネルであって、前記キャビティから出力された前記粒子が前記電流に対応するエネルギーを有する、引き出しチャネルと、を含む、シンクロサイクロトロンであって、
前記シンクロサイクロトロンが、前記電流の設定を前記複数の値のうち1つの値に設定することができるように構成され、前記複数の値のそれぞれが、粒子が前記キャビティから出力される異なるエネルギーに対応し、
前記キャビティから出力された前記粒子のエネルギーが、100MeVから300MeVの間の範囲であり、
前記電圧源が、異なる周波数範囲に渡って前記RF電圧を掃引するように構成され、異なる周波数範囲のそれぞれが、粒子が前記キャビティから出力される異なるエネルギーに対応する、シンクロサイクロトロン。 - 前記電流が、固定された第1の部分及び複数の値のうち1つに変化可能である第2の部分を含み、前記電流の前記第2の部分が、前記シンクロサイクロトロンの引き出し半径における前記磁場を、前記引き出し半径における前記磁場の値の5%から35%の間で変化させる範囲内である、請求項1に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記引き出し半径における前記磁場が、0.2テスラから1.4テスラの間で変化可能である、請求項2に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記引き出し半径における前記磁場が、0.6テスラから4.2テスラの間で変化可能である、請求項2に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記1つまたは複数のコイルがコイルの第1のセットとコイルの第2のセットとを含み、前記第1のセットが前記電流の固定部を受け取るように構成され、前記第2のセットが前記電流の複数の値のうち1つに変化可能である部分を受け取るように構成される、請求項1に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記電流の複数の値のうち1つに変化可能である前記部分が、前記シンクロサイクロトロンの引き出し半径における前記磁場を、前記引き出し半径における前記磁場の値の5%から35%の間だけ変化させる範囲内である、請求項5に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記引き出し半径における前記磁場が、0.2テスラから1.4テスラの間で、または0.6から4.2テスラの間で変化可能である、請求項6に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記1つまたは複数のコイルがコイルの1つ以上のセットを含み、前記コイルの少なくとも1つのセットが超伝導であり、前記コイルの少なくとも1つが200万アンペアターンから1000万アンペアターンの間の電流と巻き数の積を有する、請求項1に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記磁場が4テスラから20テスラの範囲を有する強度を有する、請求項5に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記キャビティから出力された前記粒子のエネルギーが115MeVから250MeVの間で連続的に変化可能である、請求項1に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記キャビティから出力された前記粒子のエネルギーが、最大で1秒間に20MeVの速度で変化可能である、請求項10に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記キャビティから出力された前記粒子のエネルギーが、115MeVから250MeVの間で不連続に変化可能である、請求項1に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記粒子のエネルギーが、10MeVから80MeVのステップの大きさで変化可能である、請求項12に記載のシンクロサイクロトロン。
- 1ステップの大きさで前記粒子の前記エネルギーを変化させることが、30分より短い時間を要する、請求項13に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記1つまたは複数のコイルが、超伝導コイルを含む、請求項1に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記各周波数範囲が下限及び上限を含み、前記下限が40MHzから250MHzの範囲内にあり、前記上限が56MHzから340MHzの範囲内にある、請求項1に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記下限が73MHzから150MHzの範囲内にあり、前記上限が131MHzから196MHzの範囲内にある、請求項16に記載のシンクロサイクロトロン。
- 周波数範囲に渡って前記RF電圧を掃引するための前記電圧源に結合された1つ以上のリアクタンス素子をさらに含む、請求項16に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記1つ以上のリアクタンス素子が、前記キャビティから出力される粒子の対応するエネルギーに関して前記周波数範囲を選択するように構成される、請求項18に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記1つ以上のリアクタンス素子が、可変キャパシタ又は可変インダクタを含む、請求項19に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記1つまたは複数のコイルが、コイルの第1のセット及びコイルの第2のセットを含み、コイルの前記第1のセットが超伝導であり前記電流の固定部を受け取るように構成され、コイルの前記第2のセットが超伝導または非超伝導であり前記電流の複数の値のうち1つに変化可能である部分を受け取るように構成された、請求項1に記載のシンクロサイクロトロン。
- 請求項1に記載のシンクロサイクロトロンと、
前記シンクロサイクロトロンが搭載され、患者の位置に対して回転可能であるガントリーと、を含む陽子医療システムであって、
前記粒子が陽子であり、前記陽子医療システムが、前記患者位置に前記シンクロサイクロトロンから陽子出力を出力するように構成された、陽子医療システム。 - 粒子源からの、荷電粒子を含む粒子を加速するために、キャビティに高周波電圧(RF電圧)を提供するための電圧源と、
コイルの第1のセット及びコイルの第2のセットを含むコイルであって、コイルの前記第1のセットが電流の第1の部分を通過させ、コイルの前記第2のセットが電流の第2の部分を通過させ、前記第1の部分が固定され、前記第2の部分が複数の値のうち1つに変化可能であり、前記コイルが磁場を発生して前記キャビティ内で軌道に沿って前記粒子を運動させ、前記磁場が少なくとも4テスラである、コイルと、
前記キャビティから前記粒子を受け取り、シンクロサイクロトロンから前記粒子を出力する引き出しチャネルと、を含み、
前記電圧源が、前記RF電圧を異なる周波数範囲に渡って掃引するように構成され、異なる周波数範囲のそれぞれが、粒子が前記キャビティから出力される異なるエネルギーに対応する、シンクロサイクロトロン。 - 前記電流の前記第2の部分が、前記シンクロサイクロトロンの引き出し半径における前記磁場を、前記引き出し半径における前記磁場の値の5%から35%の間だけ変化させる範囲内である、請求項23に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記引き出し半径における前記磁場が、0.2テスラから1.4テスラの間、または0.6テスラから4.2テスラの間で変化可能である、請求項24に記載のシンクロサイクロトロン。
- 前記磁場が、4テスラから20テスラの範囲を有する強度を有する、請求項23に記載のシンクロサイクロトロン。
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