WO2019220714A1 - 粒子線加速器および粒子線治療システム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a particle beam accelerator and a particle beam therapy system including the particle beam accelerator.
- Patent Document 1 discloses a voltage source for sweeping a high-frequency voltage in a cavity to accelerate the particles from a particle source that is a plasma column, and a particle in the cavity. It is described that it is composed of a magnet that moves on an orbit, a regenerator, and a ferromagnetic device that is disposed in a cavity with a space from the regenerator and eliminates magnetic field bumps formed by the magnet.
- Patent Document 1 discloses a magnetic beam shape of a magnet device that generates a magnetic field necessary for a synchrocyclotron, particularly for a particle beam accelerator called a synchrocyclotron provided in a small particle beam therapy system.
- a particle beam accelerator called a circular accelerator is an ion device including an ion source, a magnet device that generates a main magnetic field to stably circulate the beam, an acceleration cavity that accelerates the beam by applying a high-frequency electric field, and the beam is balanced
- a beam displacement generating magnet for applying a magnetic field for intentionally shifting from the orbit and an exit channel for extracting the beam shifted from the balanced orbit to the outside of the accelerator are provided.
- the synchrocyclotron generates a static magnetic field with a magnet device and modulates the frequency of the high-frequency electric field according to the energy of the beam to match the timing at which the beam passes through the acceleration gap and the phase of the high-frequency electric field, so that the beam reaches the desired energy. It is a device that accelerates.
- the beam trajectory spreads as the energy increases.
- the beam accelerated to a predetermined energy by the accelerator is intentionally displaced from the equilibrium trajectory by feeling the magnetic field applied by the beam displacement generating magnet, reaches the exit channel, and is taken out of the accelerator.
- the output channel is often composed of a magnet called a septum.
- a septum By generating a magnetic field opposite to the main magnetic field with the septum, the orbit radius of the beam passing through the exit channel is expanded.
- the beam whose orbit radius has been expanded by the septum leaves the orbit, and is guided to the subsequent beam transport system and irradiation device.
- Such downsizing of the synchrocyclotron means an increase in the main magnetic field.
- the magnetic field that the septum must generate to extract the beam also increases.
- the main magnetic field becomes a high magnetic field of about 3T or more, it is generated using a superconducting coil.
- the septum is generally composed of a normal conductive magnet because of the limitation of the size of the installation space and the characteristics of the operation method of using it in a pulse manner instead of being constant in time.
- a magnetic field of 1 T or more is generated with a normal conducting magnet, there are various difficulties such as an increase in septum size, an increase in power supply capacity, and an increase in power consumption for coil cooling.
- the miniaturization of the accelerator is defined not by the main magnetic field strength but by the limit of the septum.
- a particle beam therapy system comprising:
- a particle beam accelerator includes an acceleration cavity capable of modulating the frequency of a high-frequency electric field for accelerating a beam, and a static magnetic field.
- a magnet device having a return yoke and a pair of magnetic poles fixed to the return yoke, wherein the pair of magnetic poles is in a space between the pair of magnetic poles.
- a magnet device having a return yoke and a pair of magnetic poles fixed to the return yoke, wherein the pair of magnetic poles is in a space between the pair of magnetic poles.
- concave portions and convex portions are alternately arranged along the beam circulation direction.
- the angular width of the convex portion narrows as the beam energy increases, and a beam accelerated to a predetermined energy is taken out of the particle beam accelerator to the outer peripheral region of the magnetic pole of the concave portion.
- the inlet of the morphism channel is provided.
- FIG. 1 It is a block diagram of the particle beam therapy system in Example 1 of this invention. It is a perspective view of the magnet apparatus arrange
- FIG. It is sectional drawing by the vertical plane of the magnet apparatus in Example 1.
- FIG. It is the top view which looked at the magnet apparatus in Example 1 from the intermediate plane. It is the top view to which one of the convex parts of the magnet device in Example 1 was expanded. It is the top view to which one of the convex parts of the magnet device in Example 1 was expanded. It is the top view to which one of the convex parts of the magnet device in Example 1 was expanded. It is the top view which one of the convex parts of the magnet device in Example 1 was expanded. It is the top view which looked at the magnet apparatus in Example 2 of this invention from the intermediate plane.
- Example 1 A particle beam accelerator and a particle beam therapy system according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
- FIG. 1 is a configuration diagram of a particle beam therapy system according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a perspective view of the magnet device disposed in the accelerator.
- FIG. 3 is a sectional view of the magnet device taken along a vertical plane.
- FIG. 4 is a plan view of the magnet device as seen from the middle plane, and
- FIGS. 5 to 7 are enlarged plan views of one of the convex portions of the magnet device.
- the particle beam therapy system 1001 is installed on the floor surface of a building (not shown).
- the particle beam therapy system 1001 includes an ion beam generator 1002, a beam transport system 1013, a rotating gantry 1006, an irradiation device 1007, and a control system 1065.
- the ion beam generator 1002 includes an ion source 1003 and an accelerator 1004 to which the ion source 1003 is connected. Details of the accelerator 1004 will be described later.
- the beam transport system 1013 has a beam path 1048 that reaches the irradiation device 1007, and a plurality of quadrupole electromagnets 1046, a deflection electromagnet 1041, and a plurality of quadrupole electromagnets are transmitted along the beam path 1048 from the accelerator 1004 toward the irradiation device 1007. 1047, the deflection electromagnet 1042, the quadrupole electromagnets 1049 and 1050, and the deflection electromagnets 1043 and 1044 are arranged in this order.
- a part of the beam path 1048 of the beam transport system 1013 is installed in the rotating gantry 1006, and the deflecting electromagnet 1042, the quadrupole electromagnets 1049 and 1050, and the deflecting electromagnets 1043 and 1044 are also installed in the rotating gantry 1006.
- the beam path 1048 is connected to an exit channel 1019 provided in the accelerator 1004.
- the rotating gantry 1006 is configured to be rotatable around a rotating shaft 1045 and is a rotating device that rotates the irradiation device 1007 around the rotating shaft 1045.
- the irradiation device 1007 includes two scanning electromagnets 1051 and 1052, a beam position monitor 1053, and a dose monitor 1054.
- the scanning electromagnets 1051 and 1052, the beam position monitor 1053, and the dose monitor 1054 are arranged along the central axis of the irradiation apparatus 1007, that is, along the beam axis. Scanning electromagnets 1051 and 1052, beam position monitor 1053, and dose monitor 1054 are arranged in a casing (not shown) of irradiation apparatus 1007.
- the beam position monitor 1053 and the dose monitor 1054 are arranged downstream of the scanning electromagnets 1051 and 1052.
- the scanning electromagnet 1051 and the scanning electromagnet 1052 respectively deflect the ion beam and scan the ion beam in directions orthogonal to each other in a plane perpendicular to the central axis of the irradiation device 1007.
- the beam position monitor 1053 measures the passing position of the irradiated beam.
- the dose monitor 1054 measures the dose of the irradiated beam.
- the irradiation device 1007 is attached to the rotating gantry 1006 and is arranged downstream of the deflection electromagnet 1044.
- the treatment table 1055 on which the patient 1056 lies is disposed on the downstream side of the irradiation apparatus 1007 so as to face the irradiation apparatus 1007.
- the control system 1065 includes a central controller 1066, an accelerator / transport system controller 1069, a scanning controller 1070, a rotation controller 1088, and a database 1072.
- the central controller 1066 has a central processing unit (CPU) 1067 and a memory 1068 connected to the CPU 1067.
- the accelerator / transportation system control device 1069, the scanning control device 1070, the rotation control device 1088, and the database 1072 are connected to a CPU 1067 in the central control device 1066.
- the particle beam treatment system 1001 further includes a treatment planning device 1073, and the treatment planning device 1073 is connected to the database 1072.
- the irradiation energy and irradiation angle of the particle beam are created as a treatment plan by the treatment planning device 1073 prior to the irradiation of the particle beam, and irradiation is executed based on this treatment plan.
- the CPU 1067 of the central controller 1066 reads various operation control programs related to irradiation of each device constituting the particle beam therapy system 1001 from the treatment plan stored in the database 1072, executes the read program, and executes the accelerator.
- the operation of each device in the particle beam therapy system 1001 is controlled by outputting a command via the transport system control device 1069, the scanning control device 1070, and the rotation control device 1088.
- each may be divided into several programs, and those combinations may be sufficient. Further, part or all of the program may be realized by dedicated hardware or may be modularized. Furthermore, various programs may be installed in each device by a program distribution server or an external storage medium.
- each control device may be an independent device connected by a wired or wireless network, or two or more may be integrated.
- the beam current measuring device 1098 includes a moving device 1017 and a position detector 1039.
- a high frequency power source 1036 inputs power through a waveguide 1010 to a high frequency acceleration cavity 1037 installed in the accelerator 1004 and excites a high frequency electric field that accelerates the beam between the electrode connected to the high frequency acceleration cavity 1037 and the ground electrode.
- the accelerator 1004 of the present embodiment it is necessary to modulate the resonance frequency of the high-frequency acceleration cavity 1037 in accordance with the beam energy. In order to modulate the frequency, the inductance or capacitance may be adjusted.
- a known method can be used for adjusting the inductance and capacitance.
- a variable capacitor is connected to the high-frequency acceleration cavity 1037 for control.
- the magnet device 1 has an upper return yoke 4 and a lower return yoke 5 that have a substantially disk shape when viewed from the vertical direction.
- the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5 have a shape that is substantially symmetrical with respect to the intermediate plane 2.
- the intermediate plane 2 generally passes through the center of the magnet device 1 in the vertical direction and substantially coincides with the orbital plane drawn by the accelerating ions.
- the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5 have a shape that is perpendicular to the intermediate plane 2 and that is generally plane-symmetric with respect to the vertical plane 3 that is a plane that passes through the center of the magnet device 1 with respect to the intermediate plane 2.
- the intersecting portion of the intermediate plane 2 with respect to the magnet device 1 is indicated by a one-dot chain line, and the intersecting portion of the vertical plane 3 with respect to the magnet device 1 is indicated by a broken line.
- An ion source 1003 is disposed on the upper return yoke 4.
- the coil 6 is arranged in plane symmetry with respect to the intermediate plane 2 in the space surrounded by the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5.
- an ion source 1003 is installed outside the magnet device 1 assuming an external ion source, and a through hole 24 is provided corresponding to the ion source 1003. However, the ion source 1003 is provided inside the magnet device 1. You may install in.
- the coil 6 is connected to the coil excitation power source 1057 by the coil lead-out wiring 1022 shown in FIG.
- a vacuum vessel 7 is provided inside the coil 6 in the space surrounded by the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5.
- the coil 6 is a superconducting coil, is installed inside a cryostat (not shown), and is cooled by a refrigerant such as liquid helium or heat transfer from a refrigerator (not shown).
- an upper magnetic pole 8 on the surface facing the lower return yoke 5 of the upper return yoke 4, and a lower magnetic pole 9 on the surface facing the upper return yoke 4 of the lower return yoke 5. They are arranged symmetrically with respect to the plane 2 and are connected to the upper return yoke 4 and the lower return yoke 5, respectively.
- upper return yoke 4, lower return yoke 5, upper magnetic pole 8, and lower magnetic pole 9 are made of, for example, pure iron with a reduced impurity concentration, low carbon steel, or the like.
- the vacuum vessel 7 is made of stainless steel or the like.
- the coil 6 is made of a superconductor such as NbTi.
- a space for circling and accelerating the ion beam is formed between the upper magnetic pole 8 and the lower magnetic pole 9.
- magnetic field correcting electromagnets 11, 12, 13, and 14 are arranged with respect to the intermediate plane 2.
- the magnetic field correcting electromagnets 11, 12, 13, and 14 are arranged symmetrically with respect to the intermediate plane 2, and are connected to the extracting electromagnet power source 1040 from the through hole 16 by the extracting electromagnet lead-out wiring 1023 shown in FIG. Has been.
- the exit channel 1019 includes an electromagnet (not shown) and is connected to the exit channel power supply 1082 shown in FIG. By supplying current to the electromagnet provided in the exit channel 1019 from the exit channel power supply 1082, the ion beam that reaches the exit channel 1019 is prepared and sent to the beam transport system 1013.
- FIG. 4 is a plan view of the facing surface 10 as seen from the intermediate plane 2. Since the magnet apparatus 1 has a structure that is plane-symmetric with respect to 2 in the intermediate plane, the detailed structure of the magnet apparatus 1 will be described below with reference to FIGS. 3 and 4.
- Concave portions 21a, 21b, 21c, and 21d and convex portions 22a, 22b, 22c, and 22d are formed on the surfaces of the upper magnetic pole 8 and the lower magnetic pole 9 that face the intermediate plane 2, respectively.
- 21 c and 21 d and convex portions 22 a, 22 b, 22 c and 22 d are alternately arranged along the circumferential direction of the beam trajectory 23.
- the concave portions 21a, 21b, 21c, 21d and the convex portions 22a, 22b, 22c, 22d may be formed integrally with the upper magnetic pole 8 and the lower magnetic pole 9, or after the upper magnetic pole 8 is manufactured as a separate member. Alternatively, it may be engaged with the surface of the lower magnetic pole 9 by a known method such as welding or bolting during assembly.
- the material is preferably the same as the upper magnetic pole 8 and the lower magnetic pole 9.
- the beam displacement generating magnet 31 (regenerator) is installed in the vicinity of the magnetic pole outer peripheral surface 25 of the convex portion 22a adjacent to the concave portion 21a in which the emission channel 1019 is provided.
- the beam displacement generating magnet 32 (peeler) is disposed in the vicinity of the magnetic pole outer peripheral surface 25 of the convex portion 22d adjacent to the concave portion 21a in which the emission channel 1019 is provided.
- the magnetic field distribution generated by the beam displacement generating magnet 31 is designed so that the main magnetic field strength increases in the radial direction.
- the magnetic field distribution generated by the beam displacement generating magnet 32 is preferably designed so that the main magnetic field strength decreases in the radial direction.
- the beam trajectory is displaced in the direction of the exit channel 1019 when the beam circulating in the space feels the magnetic field (disturbance magnetic field) generated by the beam displacement generating magnets 31 and 32.
- the beam displacement generating magnets 31 and 32 are not limited to magnets that generate a magnetic field, and may be electromagnets.
- a structure for generating a magnetic field for displacing the equivalent beam trajectory can be provided on the surfaces of the convex portions 22a and 22d.
- a magnetic material can be further added to the surfaces of the convex portions 22a and 22d, or the surface shapes of the convex portions 22a and 22d can be processed.
- the through-hole 18 is a through-hole for installing the beam transport system 1013, and the through-hole 19 is formed on the vertical plane 3 in order to increase the symmetry of the magnet device and increase the accuracy of the magnetic field generated by the magnet device. On the other hand, it is provided so as to be plane-symmetric with the through hole 18.
- the size of the magnet device 1 it is necessary to determine the magnetic field strength and the radius of the beam trajectory at the highest energy.
- the magnetic field at the incident point is set to 5 [T]
- the beam radius of the highest energy is set to 1 [m].
- the position of the incident point of the beam to be accelerated and the center O1 of the maximum beam energy trajectory are matched.
- the magnetic field is designed based on the principle of weak convergence in order to converge the beam in the direction perpendicular to the intermediate plane 2.
- Accelerators using the principle of weak convergence are generally quantities called n-index as shown in the following formula (1)
- the magnetic field distribution is designed so as to be greater than 0 and less than or equal to 0.2.
- B is the magnetic field in the intermediate plane 2
- ⁇ is the radius of curvature of the beam trajectory
- the magnetic field gradient ⁇ B / ⁇ r is the magnetic field in the direction in which the beam energy increases on the intermediate plane 2 perpendicular to the beam traveling direction. The derivative of is shown.
- Example 1 since the magnetic field strength is 5 [T] and the beam radius (maximum orbit radius) of the highest energy is 1 [m], ⁇ B / ⁇ r is ⁇ 1 [T / m] or more and from 0. Should be smaller. Here, ⁇ B / ⁇ r is set to ⁇ 0.5 [T / m]. Then, since the beam radius of the highest energy is 1 [m], the magnetic field on this orbit is 4.5 [T].
- the magnetic pole shape is often axisymmetric in order to generate an axially symmetric magnetic field distribution. Then, the magnetic field B becomes a constant value along the beam circulation direction.
- the principle of weak convergence does not necessarily require that B is constant in the beam rotation direction, and is valid even when B is an average magnetic field in the beam rotation direction. That is, the strength of the magnetic field may be distributed in the beam circulation direction.
- the four concave portions 21a, 21b, 21c and 21d and the four convex portions 22a, 22b, 22c and 22d distribute the strength of the magnetic field in the beam circulation direction, and the magnetic field average in the beam circulation direction. was designed to decrease according to equation (1) with increasing beam energy.
- the distance between the upper magnetic pole 8 and the lower magnetic pole 9 is shortened, so that the upper and lower concave portions 21a, 21b, 21c, and 21d are interposed.
- the magnetic field is larger than the area that was created.
- the narrowing of the angular widths ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 2 ,..., ⁇ n of the convex portions 22a, 22b, 22c, and 22d as seen from the center O1 of the beam orbit in this embodiment means that the angular width of the concave portions 21a, 21b, 21c, and 21d of the concave portion 21b increases as the beam energy increases.
- the magnetic fields in the regions sandwiched between the concave portions 21a, 21b, 21c, and 21d and the regions sandwiched between the convex portions 22a, 22b, 22c, and 22d are considered to be constant values, and are determined by Expression (1). What is necessary is just to adjust so that the angular width of convex part 22a, 22b, 22c, 22d may decrease according to the reduction
- ⁇ can be determined.
- the unit of ⁇ is radian, and B v ⁇ B (r) ⁇ B h .
- the magnetic field obtained in this way can have an average magnetic field for the highest energy beam of 4.5 [T], which is the same value as when the magnetic poles are axisymmetrical, so the size of the accelerator is the same.
- the magnetic field for the beam with the highest energy is uniformly 4.5 [T], but in this embodiment, the concave portion is less than 4.5 [T] and the convex portion is 4.5 [T]. Magnetic field exceeding T].
- the magnetic field that the exit channel 1019 should generate for beam extraction is set. It can be made smaller than the axially symmetric magnetic pole shape, and beam extraction can be facilitated.
- the particle beam therapy system 1001 includes an accelerator 1004.
- the accelerator 1004 includes a high-frequency accelerating cavity 1037 that can modulate the frequency of a high-frequency electric field that accelerates the beam, and the magnet device 1 that generates a static magnetic field.
- the magnet apparatus 1 has an upper return yoke 4, a lower return yoke 5, and a pair of upper magnetic pole 8 and lower magnetic pole 9 fixed to the upper return yoke 4 and lower return yoke 5.
- Concave portions 21a, 21b, 21c, and 21d and convex portions 22a, 22b, 22c, and 22d are alternately arranged along the beam circulation direction, and are accelerated to a predetermined energy in the outer peripheral regions of the upper magnetic pole 8 and the lower magnetic pole 9 of the concave portion 21a.
- An exit of an exit channel 1019 is provided for extracting the emitted beam out of the accelerator 1004.
- the convex portions 22a, 22b, 22c, and 22d have the angular width ⁇ of the convex portions 22a, 22b, 22c, and 22d narrowed as the beam energy increases as viewed from the center O1 of the beam orbit.
- the distance that the accelerated beam passes through one of the convex portions 22a, 22b, 22c, and 22d increases and then decreases as the beam energy increases.
- the angle between the tangent of the line increases after decreasing with increasing beam energy.
- the beam can be stably accelerated without increasing the size of the accelerator even when the main magnetic field is increased.
- the magnetic field strength in the outer peripheral region of the magnetic pole where the entrance of the exit channel 1019 serving as the exit for the accelerated beam is disposed can be weakened. Therefore, it is possible to provide a small accelerator equipped with a magnet device that allows easy beam extraction without using difficult methods such as high performance and large size of the septum.
- the magnetic field intensity in the outer peripheral region of the magnetic pole where the entrance of the exit channel 1019 is arranged is reduced. Therefore, the beam can be extracted more easily.
- the magnetic field strength in the outer peripheral region of the magnetic pole where the entrance of the exit channel 1019 is arranged is weaker than that of the conventional accelerator. Therefore, the accelerator is easier to extract the beam.
- beam displacement generating magnets 31 and 32 for applying a magnetic field for displacing the beam trajectory to the outer peripheral regions of the upper magnetic pole 8 and the lower magnetic pole 9 of the convex portions 22a and 22d adjacent to the concave portion 21a provided with the exit channel 1019 are provided.
- Such an accelerator is suitable for a particle beam therapy system that can achieve an irradiation dose rate and improve a patient's treatment throughput.
- Example 2 A particle beam accelerator and a particle beam therapy system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
- the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
- FIG. 8 is a plan view of the magnet device according to the second embodiment as viewed from the middle plane.
- 9 to 12 are enlarged plan views of one of the convex portions of the magnet device.
- the particle beam accelerator of the present embodiment is different from the particle beam accelerator of the first embodiment described above in that the shape of the opposed surfaces of the upper magnetic pole and the lower magnetic pole in the magnet device is different.
- description will be given with reference to FIG.
- ⁇ can be changed from a function of the radial distance r to a function of K.
- r ⁇ .
- the center of the beam trajectory does not coincide with the center of the magnetic pole, and the incident point of the beam to be accelerated.
- FIG. 8 is a plan view of the facing surface 10 in the second embodiment when viewed from the intermediate plane 2. About the structure similar to Example 1, the same number is diverted and indicated.
- the beam incident point is O2
- the trajectory center of the highest energy beam trajectory 126 is O4
- the trajectory center of the intermediate energy beam trajectory 127 is O3
- the center of the beam trajectory of energy accelerated from the middle are O5 and O6.
- the beam orbit center O4 of the highest energy does not coincide with the incident point O2, and the incident point O2 is shifted in the beam entrance direction of the exit channel 1019.
- the center of the beam trajectory can be brought closer to the entrance of the exit channel 1019, so that not only the beam accelerated to the maximum energy but also the energy beam between them can be easily transmitted from the exit channel 1019. Can be taken out.
- Example 2 the width 128 of the beam trajectory from the incident energy to the beam trajectory is set to 0.1 [m]. Then, as in Example 1, if ⁇ ⁇ B / ⁇ r is set to ⁇ 1.0 [T / m], the magnetic field for the highest energy is 4.9 [T].
- the angular widths ⁇ 1A , ⁇ 2A , ⁇ 3A ,..., ⁇ nA of the convex portion 122c when viewed from the centers O3, O5, O6, O4 of the beam orbit. Is narrowed with increasing beam energy ( ⁇ 1A > ⁇ 2A > ⁇ 3A >...> ⁇ nA ) in accordance with Equations (2) and (3).
- the angular widths ⁇ 1B , ⁇ 2B ,..., ⁇ nB of the convex portion 122d when viewed from the centers O3, O5, and O4 of the beam orbit are expressed by the equations (2) and ( According to 3), the beam energy narrows as the beam energy increases ( ⁇ 1B > ⁇ 2B >...> ⁇ nB ).
- the distances L 1A , L 2A ,..., L nA through which the accelerated beam passes through one convex part 122c are increased as the beam energy increases.
- the relationship starts to decrease (L 2A > L xA > L nA ).
- the angle between the tangent line of the boundary line between the convex part 122c and the concave part 121d and the tangent line between the convex part 122c on the opposite side and the boundary line of the concave part 121c is a beam.
- the relationship becomes smaller as the energy increases, then the two tangents become parallel, and then the angle increases ( ⁇ ′ 3A >...> ⁇ ′ nA ).
- the convex portion 122b having a symmetrical shape with respect to the convex portion 122c and the vertical plane 3 is the same as the convex portion 122c.
- the convex portion 122a having a symmetrical shape with respect to the convex portion 122d and the vertical plane 3 is the same as the convex portion 122d.
- the magnetic field obtained in this way can be set to the same value as 4.9 [T] when the magnetic poles are made axially symmetric when the average magnetic field along the beam circulatory direction. Is equivalent to
- the magnetic field for the beam with the highest energy is constant at 4.9 [T] along the beam circulation direction, but in the second embodiment, the magnetic field is 4.9 in the recesses 121a, 121b, 121c, and 121d.
- the magnetic field is less than [T]
- the convex portions 122a, 122b, 122c, and 122d have a magnetic field that exceeds 4.9 [T].
- the entrance of the exit channel 1019 for taking out the beam accelerated to a predetermined energy to the outside of the accelerator 1004 is installed in the vicinity of the magnetic pole outer peripheral surface 125 of the recess 121a, so that the exit channel 1019 can be used for beam extraction.
- the magnetic field to be generated can be made smaller than the axially symmetric magnetic pole shape, and beam extraction can be facilitated.
- the position of the incident point O2 of the accelerating beam different from the position of the center O1 of the maximum beam energy trajectory, a region where the beam orbit is dense is provided on the outer periphery of the magnetic pole where the entrance of the exit channel 1019 is installed. Can do.
- the magnetic field to be generated by the exit channel 1019 for beam extraction can be reduced as compared with the case where the magnetic pole shape is an axis target. Therefore, the beam accelerated to the predetermined energy can be extracted more easily from these effects.
- a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment.
- particles to be accelerated are not specified. That is, regardless of whether protons are supplied from the ion source 1003 or carbon ions are supplied from the ion source 1003, the frequency of the high-frequency acceleration cavity 1037 is adjusted according to each particle to be accelerated, thereby stably accelerating the beam. Can be made. Further, the particles to be accelerated are not limited to the protons and carbon ions described above, and can be heavy particle ions other than carbon ions such as helium ions.
- the number of the concave portions and the convex portions provided in the upper magnetic pole 8 and the lower magnetic pole 9 is four, but the number of the concave portions and the convex portions is not limited to four. If it is an integer of 3 or more, it is possible to generate a magnetic field that makes the beam go around stably.
- the particle beam therapy system 1001 includes the beam transport system 1013
- the particle beam therapy system directly connects the ion beam generator and the rotating gantry or irradiation apparatus without providing the beam transport system. Can do.
- the rotating gantry 1006 is used as an apparatus for irradiating a particle beam used for treatment
- a fixed irradiation apparatus can be used.
- the number of irradiation devices is not limited to one, and a plurality of irradiation devices can be provided.
- the scanning method using scanning electromagnets 1051 and 1052 has been described as an irradiation method. However, after expanding the particle beam distribution such as the wobbler method and the double scatterer method, the collimator and bolus are used to match the shape of the target. An irradiation method for forming a dose distribution can also be applied to the present invention.
- the use of the accelerator is not limited to particle beam therapy, and can be used for high energy experiments, generation of PET (Positron Emission Tomography) drugs, and the like.
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Abstract
磁石装置1のうち、上部磁極8,下部磁極9の中間平面2に対向する面には、ビーム周回方向に沿って凹部21a,21b,21c,21dと凸部22a,22b,22c,22dとが交互に配置されており、凸部22a,22b,22c,22dは、ビーム周回軌道の中心O1から見たときの凸部22a,22b,22c,22dの角度幅θがビームエネルギーの増大に従って狭まっていき、凹部21aの上部磁極8,下部磁極9外周領域に、所定エネルギーに加速されたビームを加速器1004の外に取り出す出射チャネル1019の入口が設けられている。
Description
本発明は、粒子線加速器およびそれを備えた粒子線治療システムに関する。
磁場フラッターを使用したシンクロサイクロトロン粒子加速器の一例として、特許文献1には、空洞内で高周波電圧を掃引して粒子をプラズマ柱である粒子源から加速するための電圧源と、粒子を空洞内で軌道上を移動させる磁石と、再生器と、再生器から空間を隔てて空洞内で配置され、磁石で形成される磁場バンプを解消する強磁性装置で構成されることが記載されている。
近年、放射線治療に用いられる粒子線治療システムの小型化が進行している。特許文献1には、小型の粒子線治療システムに備わるシンクロサイクロトロンと呼ばれる粒子線加速器について、特にシンクロサイクロトロンに必要な磁場を生成する磁石装置の磁極形状が開示されている。
一般に、円形加速器と呼ばれる粒子線加速器は、イオン源を含む入射装置、ビームを安定に周回させるための主磁場を生成する磁石装置、高周波電場を印加してビームを加速する加速空洞、ビームを平衡軌道から意図的にずらすための磁場を印加するビーム変位生成磁石、ならびに平衡軌道からずらされたビームを加速器外に取り出す出射チャネルを備えている。
円形加速器でビームを所望するエネルギーまで加速するためには、ビームが加速空洞を通過するタイミングと高周波電場の位相を合わせる必要がある。
シンクロサイクロトロンは、磁石装置で静磁場を生成し、高周波電場の周波数をビームのエネルギーに合わせて変調させることでビームが加速ギャップを通過するタイミングと高周波電場の位相を合わせ、ビームを所望のエネルギーまで加速していく装置である。
シンクロサイクロトロンは静磁場中をビームが加速されていくので、高エネルギーになるほどビームの描く軌道は広がっていく。そして、その加速器で所定のエネルギーまで加速されたビームは、ビーム変位生成磁石によって印加された磁場を感じることで平衡軌道から意図的に変位させられて出射チャネルに到達し、加速器外に取り出される。
出射チャネルは、セプタムと呼ばれる磁石で構成されることが多い。セプタムで主磁場と逆向きの磁場を生成することで、出射チャネルを通過するビームの軌道半径が拡大する。セプタムによって軌道半径が拡大したビームは周回軌道から離脱し、後段のビーム輸送系、照射装置へと導かれる。
このようなシンクロサイクロトロンの小型化は、主磁場の増大を意味する。しかしながら、主磁場が増大すると、ビームを取り出すためにセプタムが生成すべき磁場も増大することになる。特に、主磁場はおよそ3T以上の高磁場となると、超電導コイルを用いて生成される。
ここで、セプタムは、設置空間の大きさの制限、ならびに時間的に一定ではなくパルス的に使用するという運転方法の特徴から、常伝導磁石で構成することが一般的である。常伝導磁石では1T以上の磁場を生成しようとすると、セプタムのサイズ増、電源容量の増大、コイル冷却の消費電力の増大などの様々な困難がある。
従って、加速器の小型化は、主磁場強度ではなく、セプタムの限界で規定される。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、周波数変調が可能な加速空洞を備えたシンクロサイクロトロン型の粒子線加速器において、ビーム取出しが従来に比べて容易であり、かつ小型の粒子線加速器とそれを備えた粒子線治療システムを提供することである。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、粒子線加速器であって、ビームを加速する高周波電場の周波数を変調可能な加速空洞と、静磁場を生成する磁石装置と、を備え、前記磁石装置は、リターンヨークおよび前記リターンヨークに固定された一対の磁極を有し、前記一対の磁極は、前記一対の磁極に挟まれた空間にある中間平面に対して面対称な位置に配置され、前記磁極の前記中間平面に対向する面には、ビーム周回方向に沿って凹部と凸部とが交互に配置されており、前記凸部は、ビーム周回軌道の中心から見たときの前記凸部の角度幅がビームエネルギーの増大に従って狭まっていき、前記凹部の磁極外周領域に、所定エネルギーに加速されたビームを前記粒子線加速器の外に取り出す出射チャネルの入口が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、小型かつビーム取出しが容易な粒子線加速器を提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
以下に本発明の粒子線加速器および粒子線治療システムの実施例を、図面を用いて説明する。
<実施例1>
本発明の粒子線加速器および粒子線治療システムの実施例1について図1乃至図7を用いて説明する。
本発明の粒子線加速器および粒子線治療システムの実施例1について図1乃至図7を用いて説明する。
図1は本実施例1における粒子線治療システムの構成図である。図2は加速器内に配置された磁石装置の斜視図である。図3は磁石装置の垂直平面による断面図である。図4は磁石装置を中間平面からみた平面図、図5乃至図7は磁石装置の凸部の一つを拡大した平面図である。
まず、図1を用いて粒子線治療システムの全体構成を説明する。
図1において、粒子線治療システム1001は、建屋(図示省略)の床面に設置される。この粒子線治療システム1001は、イオンビーム発生装置1002、ビーム輸送系1013、回転ガントリー1006、照射装置1007および制御システム1065を備えている。
イオンビーム発生装置1002は、イオン源1003と、このイオン源1003が接続される加速器1004を有する。加速器1004の詳細は後述する。
ビーム輸送系1013は、照射装置1007に達するビーム経路1048を有しており、このビーム経路1048に、加速器1004から照射装置1007に向かって、複数の四極電磁石1046、偏向電磁石1041、複数の四極電磁石1047、偏向電磁石1042、四極電磁石1049,1050、および偏向電磁石1043,1044がこの順に配置されることで構成されている。
ビーム輸送系1013のビーム経路1048の一部は、回転ガントリー1006に設置されており、偏向電磁石1042、四極電磁石1049,1050および偏向電磁石1043,1044も回転ガントリー1006に設置されている。ビーム経路1048は、加速器1004に設けられた出射チャネル1019に接続されている。
回転ガントリー1006は、回転軸1045を中心に回転可能に構成されており、照射装置1007を回転軸1045の周りで旋回させる回転装置である。
照射装置1007は、2台の走査電磁石1051,1052、ビーム位置モニタ1053および線量モニタ1054を備えている。これら走査電磁石1051,1052、ビーム位置モニタ1053および線量モニタ1054は、照射装置1007の中心軸、すなわち、ビーム軸に沿って配置されている。走査電磁石1051,1052、ビーム位置モニタ1053および線量モニタ1054は照射装置1007のケーシング(図示省略)内に配置されている。
ビーム位置モニタ1053および線量モニタ1054は、走査電磁石1051,1052の下流に配置される。走査電磁石1051および走査電磁石1052は、それぞれイオンビームを偏向し、イオンビームを照射装置1007の中心軸に垂直な平面内において互いに直交する方向に走査する。ビーム位置モニタ1053は照射されるビームの通過位置を計測する。線量モニタ1054は照射されるビームの線量を計測する。
照射装置1007は、回転ガントリー1006に取り付けられており、偏向電磁石1044の下流に配置される。
照射装置1007の下流側には、患者1056が横たわる治療台1055が、照射装置1007に対向するように配置される。
制御システム1065は、中央制御装置1066、加速器・輸送系制御装置1069、走査制御装置1070、回転制御装置1088およびデータベース1072を有する。
中央制御装置1066は、中央演算装置(CPU)1067およびCPU1067に接続されたメモリ1068を有する。加速器・輸送系制御装置1069、走査制御装置1070、回転制御装置1088およびデータベース1072は、中央制御装置1066内のCPU1067に接続されている。
粒子線治療システム1001は更に治療計画装置1073を有しており、治療計画装置1073はデータベース1072に接続されている。粒子線治療システム1001では、粒子線の照射エネルギーや照射角度などが粒子線の照射に先立って治療計画装置1073で治療計画として作成されており、この治療計画に基づいて照射が実行される。
中央制御装置1066のCPU1067は、データベース1072に保存されている治療計画から粒子線治療システム1001を構成する各機器の照射に関係する各種の動作制御プログラムを読み込み、読み込んだプログラムを実行して、加速器・輸送系制御装置1069、走査制御装置1070、回転制御装置1088を介して指令を出力することで、粒子線治療システム1001内の各機器の動作を制御する。
なお、実行される動作の制御処理は、1つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに別れていてもよく、それらの組み合わせでもよい。また、プログラムの一部または全ては専用ハードウェアで実現してもよく、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや外部記憶メディアによって各装置にインストールされてもよい。
また、各制御装置は、各々が独立した装置で有線或いは無線のネットワークで接続されたものであっても、2つ以上が一体化していてもよい。
ビーム電流測定装置1098は、移動装置1017および位置検出器1039を含んでいる。
高周波電源1036は、加速器1004内に設置された高周波加速空洞1037に導波管1010を通じて電力を入力し、高周波加速空洞1037に接続された電極と接地電極の間にビームを加速する高周波電場を励起させる。本実施例の加速器1004では、高周波加速空洞1037の共振周波数をビームのエネルギーに対応して変調させる必要がある。周波数を変調させるためには、インダクタンスか静電容量を調整すればよい。
インダクタンスや静電容量の調整方法は公知の方法を用いることができ、たとえば静電容量を調整する場合は、高周波加速空洞1037に可変容量キャパシタを接続して制御する。
次いで、加速器1004を構成する磁石装置1の詳細について図2以降を用いて説明する。
磁石装置1は、主な構成として、図2に示すように鉛直方向から見て略円盤状の形状を成す上リターンヨーク4と下リターンヨーク5とを有している。
上リターンヨーク4と下リターンヨーク5は、中間平面2に対してほぼ上下対称な形状を有している。この中間平面2は、おおむね磁石装置1の鉛直方向中心を通り、加速中のイオンが描く軌道面にほぼ一致する。また上リターンヨーク4と下リターンヨーク5は、中間平面2に垂直かつおおむね磁石装置1の中間平面2に対する中心を通過する平面である垂直平面3に対して面対称な形状をしている。
なお、図2では中間平面2の磁石装置1に対する交差部分を一点鎖線、垂直平面3の磁石装置1に対する交差部分を破線で示している。
上リターンヨーク4にはイオン源1003が配置されている。
図3に示すように、上リターンヨーク4と下リターンヨーク5に囲まれた空間内にはコイル6が中間平面2に対して面対称に配置されている。
なお、実施例1では、外部イオン源を想定して磁石装置1の外側にイオン源1003を設置し、これに対応して貫通孔24を設けているが、イオン源1003は磁石装置1の内部に設置してもよい。
コイル6は、図1に示したコイル引出配線1022によってコイル励磁用電源1057に接続されている。上リターンヨーク4および下リターンヨーク5に囲まれた空間内のコイル6の内側には真空容器7が設けられている。
コイル6は、超電導コイルであり、クライオスタット(図示省略)の内部に設置されており、液体ヘリウムなどの冷媒、または冷凍機(図示省略)からの伝熱によって冷却される。
真空容器7の内部には、上リターンヨーク4の下リターンヨーク5に対向する面には上部磁極8が、下リターンヨーク5の上リターンヨーク4に対向する面には下部磁極9が、それぞれ中間平面2に対して面対称に配置されており、それぞれ上リターンヨーク4と下リターンヨーク5と結合されている。
これら上リターンヨーク4や下リターンヨーク5、上部磁極8、下部磁極9は、例えば、不純物濃度を低減させた純鉄や、低炭素鋼等によって構成する。真空容器7は、ステンレスなどによって構成する。コイル6は、NbTi等の超電導体で構成する。
イオンビームを周回させ加速させる空間は、これら上部磁極8と下部磁極9の間に形成される。
この空間には、中間平面2に対して磁場補正用電磁石11,12,13,14が配置されている。磁場補正用電磁石11,12,13,14は、中間平面2に対して面対称に配置されており、貫通孔16から図1に示した取り出し用電磁石引出配線1023によって取り出し用電磁石電源1040に接続されている。
出射チャネル1019は電磁石(図示省略)を備えており、貫通孔15から図1に示した出射チャネル用電源1082に接続されている。出射チャネル用電源1082から出射チャネル1019に備えられた電磁石に電流を通電することで、出射チャネル1019に到達したイオンビームが整えられ、ビーム輸送系1013へと送られる。
図4は、対向面10を中間平面2からみた平面図である。磁石装置1は中間平面に2に対して面対称な構造であるため、以下では、図3および図4を用いて、磁石装置1の詳細構造について説明する。
上部磁極8および下部磁極9の中間平面2に対向する面には、それぞれ、凹部21a,21b,21c,21d、凸部22a,22b,22c,22dが形成されており、これら凹部21a,21b,21c,21dと凸部22a,22b,22c,22dはビーム軌道23の周回方向に沿って交互に配置されている。
これら凹部21a,21b,21c,21dおよび凸部22a,22b,22c,22dとは、上部磁極8や下部磁極9と一体で形成されたものとしてもよいし、別部材として製作した後に上部磁極8や下部磁極9の表面に組み立ての際に溶接やボルト止めなどの公知の方法で係合してもよい。材料については上部磁極8や下部磁極9と同じとすることが望ましい。
ビーム変位生成磁石31(リジェネレータ)は、出射チャネル1019が設けられた凹部21aに隣接する凸部22aの磁極外周面25の近傍に設置されている。また、ビーム変位生成磁石32(ピーラー)は、出射チャネル1019が設けられた凹部21aに隣接する凸部22dの磁極外周面25の近傍に設置されている。
ビーム変位生成磁石31が発生させる磁場分布は径方向に向かって主磁場強度が増加するように設計することが望ましい。また、ビーム変位生成磁石32が発生する磁場分布は径方向に向かって主磁場強度が減少するように設計することが望ましい。
上述の空間内を周回するビームがこれらビーム変位生成磁石31,32によって生成される磁場(擾乱磁場)を感じることで、ビーム軌道は出射チャネル1019の方向へと変位を受ける。
なお、ビーム変位生成磁石31,32は、磁場を生成する磁石に限られず、電磁石であってもよい。
更には、ビーム変位生成磁石31,32を用いる替わりに、同等のビーム軌道を変位させるための磁場を生成する構造を凸部22a,22dの表面に設けることができる。構造の例としては、凸部22a,22dの表面に磁性体を更に付加する、あるいは凸部22a,22dの表面形状を加工することができる。
貫通孔18は、ビーム輸送系1013を設置するための貫通孔であり、貫通孔19は、磁石装置の対称性を高めて磁石装置の生成する磁場を高精度化するために、垂直平面3に対して貫通孔18と面対称になるように設けられている。
本実施例の構造の効果を説明するために、磁石装置1の設計手順について図5乃至図7を用いて以下説明する。
まず、磁石装置1の大きさを決めるために、磁場強度と最高エネルギーにおけるビーム軌道の半径を定める必要がある。磁石装置1が生成する磁場が大きいほど、ビーム軌道の広がりが小さくなり、加速器1004、ひいては粒子線治療システム1001を小型化することができる。
本実施例では、入射地点での磁場を5[T]、最高エネルギーのビーム半径を1[m]とすることにした。なお、本実施例では、加速するビームの入射点と最大ビームエネルギー軌道の中心O1との位置を一致させておく。
次に、ビームが安定に周回する理想磁場分布を求めなければならない。本実施例では、ビームを中間平面2に垂直な方向に対して収束させるために、弱収束の原理に基づいて磁場を設計した。
弱収束の原理を用いた加速器では、一般に、下記式(1)で示すようなnインデックスと呼ばれる量
本実施例1では、磁場強度を5[T]、最高エネルギーのビーム半径(最大軌道半径)を1[m]としたので、∂B/∂rは-1[T/m]以上で0より小さくすべきとなった。ここでは、∂B/∂rは-0.5[T/m]とすることにする。すると、最高エネルギーのビーム半径は1[m]だから、この軌道上における磁場は4.5[T]となる。
一般に、弱収束の原理によってビームを収束させる円形加速器では、軸対称な磁場分布を生成するために、磁極形状も軸対称とすることが多い。そうすると、磁場Bはビーム周回方向に沿って一定値となる。しかし、弱収束の原理は、必ずしもBがビーム周回方向に一定であることを要請せず、Bがビーム周回方向に対する平均磁場である場合でも成立する。すなわち、ビーム周回方向に磁場の強弱が分布していてよい。
そこで、本実施例では、4つの凹部21a,21b,21c,21dと4つの凸部22a,22b,22c,22dによってビーム周回方向に磁場の強弱が分布するようにし、かつビーム周回方向の磁場平均がビームエネルギーの増大に従って式(1)に従って減少するように設計した。
また、上下の凸部22a,22b,22c,22dで挟まれた領域では、上部磁極8および下部磁極9との間の距離が短くなることから、上下の凹部21a,21b,21c,21dで挟まれた領域よりも磁場が大きくなる。
そこで、図5に示すように、ビームエネルギーが増大して磁極外周面25に近づくに従って、ビーム周回軌道の中心O1から見たときの凸部22a,22b,22c,22dの角度幅θ1,θ2,θ2,…,θnが狭まっていく(θ1>θ2>θ3>…>θn)ようにした。
このように凸部22a,22b,22c,22dの角度幅θ1,θ2,θ2,…,θnを狭めていくことは、本実施例においては、ビーム周回軌道の中心O1からみたときの凹部21a,21b,21c,21dの角度幅はビームエネルギーの増大に従って広がっていくことを意味する。
第一近似としては、凹部21a,21b,21c,21dに挟まれた領域と凸部22a,22b,22c,22dに挟まれた領域の磁場は、それぞれ一定値と考え、式(1)で定まる平均磁場の減少に合わせて、凸部22a,22b,22c,22dの角度幅が減少していくように調整すればよい。
すなわち、凹部21a,21b,21c,21dに挟まれた領域における磁場をBv、凸部22a,22b,22c,22dに挟まれた領域における磁場をBhとすると、下記式(2)
このように設計した凸部22a,22b,22c,22dでは、図6に示すように、加速されるビームが1つの凸部22a,22b,22c,22dを通過する距離L1,L2,…,Lnが、ビームエネルギーの増加に伴って増加(Lx>L2>L1)した後に減少に転ずる(Lx>Ln)関係となる。なお、図6では、代表して凸部22cのみ示す。図7も同様である。
更には、凸部22a,22b,22c,22dでは、図7に示すように、凸部22cと凹部21dの境界線の接線と、その反対側の凸部22cと凹部21cの境界線の接線との間の角度がビームエネルギーの増大に従って小さくなる(θ’1>θ’2)。その後、2本の接線が平行になり、その後角度が大きくなる関係となっている。
このようにして得られる磁場は、最高エネルギーのビームに対する平均磁場は、磁極を軸対称形状にした場合と同じ値の4.5[T]とできるから、加速器のサイズは同等である。一方、軸対称の磁極形状では、最高エネルギーのビームに対する磁場は一様に4.5[T]であるが、本実施例では凹部では4.5[T]未満、凸部では4.5[T]を超える磁場となっている。
そこで、所定エネルギーに加速されたビームを加速器1004の外に取り出す出射チャネル1019の入口を凹部21aの磁極外周面25近傍に設置することで、出射チャネル1019がビーム取り出しのために生成すべき磁場を、軸対称の磁極形状よりも小さくすることができ、ビーム取出しを容易にすることができる。
次に、本実施例の効果について説明する。
上述した本発明の実施例1の粒子線治療システム1001は、加速器1004を備えている。このうち、加速器1004は、ビームを加速する高周波電場の周波数を変調可能な高周波加速空洞1037と、静磁場を生成する磁石装置1と、を備えている。磁石装置1は、上リターンヨーク4,下リターンヨーク5および上リターンヨーク4,下リターンヨーク5に固定された一対の上部磁極8,下部磁極9を有し、一対の上部磁極8,下部磁極9は、一対の上部磁極8,下部磁極9に挟まれた空間にある中間平面2に対して面対称な位置に配置され、上部磁極8,下部磁極9の中間平面2に対向する面には、ビーム周回方向に沿って凹部21a,21b,21c,21dと凸部22a,22b,22c,22dとが交互に配置され、凹部21aの上部磁極8,下部磁極9外周領域に、所定エネルギーに加速されたビームを加速器1004の外に取り出す出射チャネル1019の入口が設けられている。更には、凸部22a,22b,22c,22dは、ビーム周回軌道の中心O1から見たときの凸部22a,22b,22c,22dの角度幅θがビームエネルギーの増大に従って狭まっている。また、加速されるビームが1つの凸部22a,22b,22c,22dを通過する距離は、ビームエネルギーの増加に伴って増加した後に減少に転じている。更に、凸部22a,22b,22c,22dと凹部21a,21b,21c,21dの境界線の接線とその反対側の凸部22a,22b,22c,22dと凹部21a,21b,21c,21dの境界線の接線との間の角度がビームエネルギーの増大に従って小さくなった後で大きくなっている。
これによって、周波数変調が可能な高周波加速空洞1037を備えた加速器において、主磁場を増大させた場合でも、加速器を大型化することなくビームを安定して加速することができる。また、加速されたビームの取り出し口となる出射チャネル1019の入口が配置される磁極の外周領域の磁場強度を弱めることができる。このため、セプタムの高性能化・大型化等の困難な方法を用いることなく、ビーム取出しが容易な磁石装置を備えた小型の加速器を提供することができる。
また、磁石装置1が生成する磁場のビーム周回方向に沿った平均値は、ビームエネルギーの増大に伴って低下していくため、出射チャネル1019の入口が配置される磁極の外周領域の磁場強度をより弱めることができ、よってより容易にビームの取り出しを行うことができる。
更に、加速するビームの入射点と最大ビームエネルギー軌道の中心O1との位置が一致していても、出射チャネル1019の入口が配置される磁極の外周領域の磁場強度を従来の加速器に比べて弱めているため、ビームの取り出しがより容易な加速器となっている。
また、出射チャネル1019が設けられた凹部21aに隣接する凸部22a,22dの上部磁極8,下部磁極9外周領域に、ビーム軌道を変位させるための磁場を印加するビーム変位生成磁石31,32が設けられていることにより、取出したい特定エネルギーとなったビームに対して周回軌道面内のベータトロン振動を不安定化させることができるため、任意エネルギーのビームをより容易に取出すことができる、との効果が得られる。このような加速器は、照射線量率を実現して患者の治療スループットを向上させることができる粒子線治療システムに好適である。
<実施例2>
本発明の実施例2の粒子線加速器および粒子線治療システムについて図8乃至図12を用いて説明する。実施例1と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。
本発明の実施例2の粒子線加速器および粒子線治療システムについて図8乃至図12を用いて説明する。実施例1と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。
図8は本実施例2における磁石装置を中間平面からみた平面図である。図9乃至図12は磁石装置の凸部の一つを拡大した平面図である。
本実施例の粒子線加速器は、上述した実施例1の粒子線加速器との違いは、磁石装置内の上部磁極および下部磁極の対向面の形状が異なる。以下、図8以降を用いて説明する。
粒子線加速器では、ビームの運動エネルギーをK、静止エネルギーをE0、光速をc、荷電粒子の電荷数をqとおくと、下記式(3)
上記の式(3)と実施例1において説明した式(2)とを組み合わせると、θは径方向距離rの関数からKの関数に見直すことができる。特に、ビーム軌道の中心が磁極の中心と一致している場合はr=ρとなるが、実施例2では、ビーム軌道の中心が磁極の中心と一致しておらず、加速するビームの入射点O2と最大ビームエネルギー軌道の中心O4、および加速器のビームの周回軌道の中心O3,O5,O6との位置が異なる場合を示す。
図8は、実施例2における対向面10を中間平面2からみた平面図である。実施例1と同様の構造物等については、同じ番号を流用して指し示している。
図8において、ビーム入射点はO2であり、最高エネルギーのビーム軌道126の軌道中心はO4であり、その中間のエネルギーのビーム軌道127の軌道中心はO3、中間より加速したエネルギーのビーム軌道の中心はO5,O6である。
このように、最高エネルギーのビーム軌道中心O4と入射点O2が一致せず、入射点O2が出射チャネル1019のビーム入口方向へとずれている。このようにビーム軌道の中心をずらすと、低エネルギーのビーム軌道を出射チャネル1019の入口に近づけることができるので、最高エネルギーまで加速されたビームのみならず、その間のエネルギービームも出射チャネル1019から容易に取り出すことが可能となる。
実施例2では、入射エネルギーからビーム軌道までのビーム軌道の幅128を0.1[m]にすることとした。すると、実施例1と同様に∂B/∂rを-1.0[T/m]とすると、最高エネルギーに対する磁場は4.9[T]ということになる。
この実施例2においても、図9に示すように、ビーム周回軌道の中心O3,O5,O6,O4から見たときの凸部122cの角度幅θ1A,θ2A,θ3A,…,θnAは、式(2)および式(3)に従って、ビームエネルギーの増大に従って狭まっている(θ1A>θ2A>θ3A>…>θnA)。
同様に、図10に示すように、ビーム周回軌道の中心O3,O5,O4から見たときの凸部122dの角度幅θ1B,θ2B,…,θnBは、式(2)および式(3)に従って、ビームエネルギーの増大に従って狭まっている(θ1B>θ2B>…>θnB)。
このように設計した凸部122cでは、図11に示すように、加速されるビームが1つの凸部122cを通過する距離L1A,L2A,…,LnAが、ビームエネルギーの増加に伴って増加(L2A>L1A)した後に減少に転ずる(L2A>LxA>LnA)関係となる。
更には、図12に示すように、凸部122cでは、凸部122cと凹部121dの境界線の接線と、その反対側の凸部122cと凹部121cの境界線の接線との間の角度がビームエネルギーの増大に従って小さくなり、その後2本の接線が平行になり、その後角度が大きくなっていく(θ’3A>…>θ’nA)関係となっている。
図示は省略しているが、凸部122cと垂直平面3に対して対称な形状の凸部122bについても、凸部122cと同様である。また、凸部122dと垂直平面3に対して対称な形状の凸部122aについても、凸部122dと同様である。
このようにして得られる磁場は、ビーム周回方向に沿った平均磁場は、磁極を軸対称形状にした場合の4.9[T]と同じ値にできるから、加速器のサイズは軸対称形状の場合と同等である。
一方、軸対称の磁極形状では、最高エネルギーのビームに対する磁場はビーム周回方向に沿って4.9[T]と一定であるが、実施例2では凹部121a,121b,121c,121dでは4.9[T]未満、凸部122a,122b,122c,122dでは4.9[T]を超える磁場となっている。
そこで、本実施例においても、所定エネルギーに加速されたビームを加速器1004の外に取り出す出射チャネル1019の入口を凹部121aの磁極外周面125近傍に設置することで、出射チャネル1019がビーム取り出しのために生成すべき磁場を、軸対称の磁極形状よりも小さくすることができ、ビーム取出しを容易にすることができる。
その他の構成・動作は前述した実施例1の粒子線加速器および粒子線治療システムと略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。
本発明の実施例2の粒子線加速器においても、前述した実施例1の粒子線加速器とほぼ同様な効果が得られる。
また、加速するビームの入射点O2と最大ビームエネルギー軌道の中心O1との位置が異なることにより、出射チャネル1019の入口が設置される磁極外周部に、ビーム周回軌道が密になる領域を設けることができる。また、出射チャネル1019がビーム取り出しのために生成すべき磁場を、軸対象の磁極形状とする場合に比べて小さくすることができる。従って、これらの効果から、より容易に所定エネルギーに加速されたビームの取り出しを行うことができる。
<その他>
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
例えば、上記の実施例1,2の説明では、加速する粒子を特に指定していない。すなわち、陽子をイオン源1003から供給しても、炭素イオンをイオン源1003から供給しても、高周波加速空洞1037の周波数を加速する粒子それぞれにあわせて調整することによって、安定にビームを加速周回させることができる。また、加速する粒子は、上述した陽子や炭素イオンに限られず、ヘリウムイオン等の炭素イオン以外の重粒子イオンとすることができる。
また、上記の実施例1,2の説明では、上部磁極8や下部磁極9に設ける凹部と凸部の数をそれぞれ4つとしたが、凹部や凸部の数は4つに限るものではなく、3以上の整数であれば、ビームが安定周回するような磁場を生成することが可能である。
また、粒子線治療システム1001がビーム輸送系1013を備えている場合について説明したが、粒子線治療システムはビーム輸送系を設けずにイオンビーム発生装置と回転ガントリーや照射装置とを直接接続することができる。
また、治療に用いる粒子線を照射する装置として回転ガントリー1006を用いる場合について説明したが、固定された照射装置を用いることができる。また、照射装置は一つに限られず、複数設けることができる。
また、照射方法として走査電磁石1051,1052を用いるスキャニング方式の場合について説明したが、ワブラー法や二重散乱体法など粒子線の分布を広げた後、コリメータやボーラスを用いて標的の形状に合わせた線量分布を形成する照射法も本発明に適用することができる。
また、加速器が粒子線治療に用いられる場合について説明したが、加速器の用途は粒子線治療に限られず、高エネルギー実験やPET(Positron Emission Tomography)薬剤の生成等に用いるものとすることができる。
1…磁石装置
2…中間平面
3…垂直平面
4…上リターンヨーク
5…下リターンヨーク
6…コイル
7…真空容器
8…上部磁極
9…下部磁極
11,12,13,14…磁場補正用電磁石
15,16,18,19,24…貫通孔
20…対称軸
21a,21b,21c,21d,121a,121b,121c,121d…凹部
22a,22b,22c,22d,122a,122b,122c,122d…凸部
23,126,127…ビーム軌道
25,125…磁極外周面
128…ビーム軌道の幅
31,32…ビーム変位生成磁石
1001…粒子線治療システム
1004…加速器(粒子線加速器)
1019…出射チャネル
1037…高周波加速空洞
2…中間平面
3…垂直平面
4…上リターンヨーク
5…下リターンヨーク
6…コイル
7…真空容器
8…上部磁極
9…下部磁極
11,12,13,14…磁場補正用電磁石
15,16,18,19,24…貫通孔
20…対称軸
21a,21b,21c,21d,121a,121b,121c,121d…凹部
22a,22b,22c,22d,122a,122b,122c,122d…凸部
23,126,127…ビーム軌道
25,125…磁極外周面
128…ビーム軌道の幅
31,32…ビーム変位生成磁石
1001…粒子線治療システム
1004…加速器(粒子線加速器)
1019…出射チャネル
1037…高周波加速空洞
Claims (10)
- 粒子線加速器であって、
ビームを加速する高周波電場の周波数を変調可能な加速空洞と、
静磁場を生成する磁石装置と、を備え、
前記磁石装置は、リターンヨークおよび前記リターンヨークに固定された一対の磁極を有し、
前記一対の磁極は、前記一対の磁極に挟まれた空間にある中間平面に対して面対称な位置に配置され、
前記磁極の前記中間平面に対向する面には、ビーム周回方向に沿って凹部と凸部とが交互に配置されており、
前記凸部は、ビーム周回軌道の中心から見たときの前記凸部の角度幅がビームエネルギーの増大に従って狭まっていき、
前記凹部の磁極外周領域に、所定エネルギーに加速されたビームを前記粒子線加速器の外に取り出す出射チャネルの入口が設けられている
ことを特徴とする粒子線加速器。 - 請求項1に記載の粒子線加速器において、
前記磁石装置が生成する磁場のビーム周回方向に沿った平均値は、ビームエネルギーの増大に伴って低下していく
ことを特徴とする粒子線加速器。 - 請求項1に記載の粒子線加速器において、
加速するビームの入射点と最大ビームエネルギー軌道の中心との位置が異なる
ことを特徴とする粒子線加速器。 - 請求項1に記載の粒子線加速器において、
加速するビームの入射点と最大ビームエネルギー軌道の中心との位置が一致する
ことを特徴とする粒子線加速器。 - 請求項1に記載の粒子線加速器において、
前記出射チャネルが設けられた前記凹部に隣接する前記凸部の前記磁極外周領域に、ビーム軌道を変位させるための磁場を印加する磁石が設けられている
ことを特徴とする粒子線加速器。 - 粒子線加速器であって、
ビームを加速する高周波電場の周波数を変調可能な加速空洞と、
静磁場を生成する磁石装置と、を備え、
前記磁石装置は、リターンヨークおよび前記リターンヨークに固定された一対の磁極を有し、
前記一対の磁極は、前記一対の磁極に挟まれた空間にある中間平面に対して面対称な位置に配置され、
前記磁極の前記中間平面に対向する面には、ビーム周回方向に沿って凹部と凸部とが交互に配置されており、
前記凸部には、加速されるビームが1つの前記凸部を通過する距離は、ビームエネルギーの増加に伴って増加した後に減少するものがあり、
前記凹部の磁極外周領域に、所定エネルギーに加速されたビームを前記粒子線加速器の外に取り出す出射チャネルの入口が設けられている
ことを特徴とする粒子線加速器。 - 粒子線加速器であって、
ビームを加速する高周波電場の周波数を変調可能な加速空洞と、
静磁場を生成する磁石装置と、を備え、
前記磁石装置は、リターンヨークおよび前記リターンヨークに固定された一対の磁極を有し、
前記一対の磁極は、前記一対の磁極に挟まれた空間にある中間平面に対して面対称な位置に配置され、
前記磁極の前記中間平面に対向する面には、ビーム周回方向に沿って凹部と凸部とが交互に配置されており、
前記凸部は、前記凸部と前記凹部の境界線の接線とその反対側の前記凸部と前記凹部の境界線の接線との間の角度がビームエネルギーの増大に従って小さくなった後で大きくなり、
前記凹部の磁極外周領域に、所定エネルギーに加速されたビームを前記粒子線加速器の外に取り出す出射チャネルの入口が設けられている
ことを特徴とする粒子線加速器。 - 請求項1に記載の粒子線加速器を備えた
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項6に記載の粒子線加速器を備えた
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項7に記載の粒子線加速器を備えた
ことを特徴とする粒子線治療システム。
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