JP2023122453A - Accelerator and particle beam therapy system including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速器および加速器を備える粒子線治療システムに関する。 The present invention relates to an accelerator and a particle beam therapy system comprising the accelerator.
粒子線治療や物理実験などで使用する高エネルギのイオンビームは、加速器を用いて生成される。核子当たりの運動エネルギが200MeV前後のビームを得る加速器には、種類がいくつかある。例えば、サイクロトロンやシンクロトロン、特許文献1に記載されているようなシンクロサイクロトロン、特許文献2に記載されているような可変エネルギ加速器が知られている。サイクロトロンおよびシンクロサイクロトロンの特徴は、静磁場中を周回するビームを高周波電場で加速する点である。サイクロトロンおよびシンクロトロンでは、加速されるにつれてビームはその軌道の曲率半径を増し、外側の軌道に移動し、最高エネルギまで到達した後に取り出される。そのため取り出すビームのエネルギは、基本的には固定される。
High-energy ion beams used in particle beam therapy and physical experiments are generated using accelerators. There are several types of accelerators that obtain beams with a kinetic energy of around 200 MeV per nucleon. For example, a cyclotron, a synchrotron, a synchrocyclotron as described in
特許文献1のシンクロサイクロトロンでは、半径Rの略円形の断面を有する一対の強磁性体のポールが、中心軸を一致させて、正中面を挟んで上下に配置されている。一対のポールは、ギャップによって離隔され、このギャップは、正中面に対して実質的に対称なプロファイルを有するキャビティを形成している。ギャップの高さは、ポールの半径方向において変化している。ギャップの高さは、中心軸ではHcenterであり、中心軸から半径R2までの円形の部分では、半径が大きくなるにつれてHcenterから徐々に増大し、半径R2において最大値Hmaxとなる。半径R2より大きい環状の部分は、半径が大きくなるにつれて、そのギャップの高さが徐々に減少し、ポールの縁におけるギャップの高さは、Hedgeである。このようなギャップ形状のキャビティを備えるシンクロサイクロトロンは、ギャップ内の磁場を最小化する一方で、シンクロサイクロトロンのサイズを最小化することができると特許文献1には開示されている。
In the synchrocyclotron of
特許文献2には、小型で、かつ可変エネルギのビームの取出しが可能な加速器として、主磁場、および周波数変調した高周波電場によりビームを加速する周回軌道型加速器であって、周波数変調が可能であり、前記ビームを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、前記加速高周波とは周波数が異なり、ビームを取出すための取出し高周波を印加する取出し高周波印加装置と、2極以上の極数の磁場成分を含み、少なくとも4極磁場成分を含む高次磁場よりなる擾乱磁場領域を形成する擾乱磁場領域形成部と、磁性体のシム、およびセプタムコイルを有するセプタム電磁石と、を備えたことを特徴とする加速器が記載されている。
粒子線治療では、治療計画などで予め定められた照射線量の許容範囲を超過することなく、照射対象の腫瘍にビームを照射することが求められる。特許文献1のシンクロサイクロトロンを用いる粒子線治療装置では、シンクロサイクロトロンの一運転周期内で加速し取り出しの可能なビーム量を、照射線量の許容範囲に対して十分小さくする必要が有る。よって、特許文献1では、一運転周期に加速する電荷量が加速器の性能で決まる上限より小さくせざるを得ず、照射完了に時間がかかる。
In particle beam therapy, it is required to irradiate a tumor to be irradiated with a beam without exceeding an allowable range of irradiation dose predetermined in a treatment plan or the like. In the particle beam therapy system using the synchrocyclotron of
特許文献2の可変エネルギ加速器は、取り出しビームのエネルギが可変であるため、治療計画で定められた照射線量に合わせたエネルギのビームを出射できる。よって、可変エネルギ加速器は、シンクロサイクロトロンと比較して、粒子線治療のビーム照射時間を短縮できる。可変エネルギ加速器は、加速器サイズにおいても、サイクロトロンやシンクロサイクロトロンと同等であり、小型である。そのため、可変エネルギ加速器は、粒子線治療装置の加速器として、ビーム照射時間のさらなる短縮が期待されている。しかしながら、特許文献2に記載の加速器の運転方法において、加速器は数ms程度のサイクルで動作する。このサイクル中にイオン源から加速器にイオンを入射する期間と、イオンを加速する期間と、入射したイオンを全量照射してから再度入射するまでの期間などで、イオンビーム(以下、ビーム)を取り出すことができない。
Since the energy of the extracted beam is variable in the variable energy accelerator of
本発明はの目的は、効率よくビームを生成することができる加速器および加速器を備える粒子線治療システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an accelerator capable of efficiently generating beams and a particle beam therapy system equipped with the accelerator.
上記課題を解決すべく、本発明に従う加速器は、主磁場と周波数変調された高周波電場とにより、イオン源から供給されたイオンを加速してビームを生成する周回軌道型加速器であって、周波数変調が可能であり、イオンを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、加速高周波とは異なる周波数であって、ビームを取出すための取出し高周波を印加する取出し高周波印加装置と、擾乱磁場領域を形成する擾乱磁場領域形成部と、ビーム取り出し用のセプタム電磁石と、を備え、ビームの取り出し中において、イオン源から新たなイオンが供給されて加速される。 In order to solve the above problems, an accelerator according to the present invention is an orbital accelerator that accelerates ions supplied from an ion source to generate a beam by means of a main magnetic field and a frequency-modulated high-frequency electric field. An acceleration high-frequency applying device for applying an accelerating high-frequency wave for accelerating ions, an extraction high-frequency applying device for applying a high-frequency wave for extracting a beam at a frequency different from the accelerating high-frequency wave, and a disturbing magnetic field region. A stray magnetic field region forming portion to form and a septum electromagnet for beam extraction are provided, and new ions are supplied from the ion source and accelerated during beam extraction.
本発明によれば、効率よくビームを生成し、取り出すことができる。 According to the present invention, beams can be efficiently generated and extracted.
以下、図面に基づいて、加速器を説明する。本実施形態では、イオンを入射(イオンの出力)するプロセス、入射されたイオンを加速するプロセス、加速されたイオン(ビーム)を取り出すプロセス、減速プロセスという時間的に直列なプロセスを並列的に実行する。本実施形態では、入射プロセスおよび加速プロセスを繰り返して実行し、照射エネルギに対応するビームが常に加速器内に補充されている状態を維持する。これにより、本実施形態では、入射プロセス、加速プロセスおよび取り出しプロセスを同時並行して実行することができるため、ビームを照射できない時間を短くし、効率を高めることができる。 The accelerator will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, temporally serial processes of injection of ions (output of ions), acceleration of injected ions, extraction of accelerated ions (beam), and deceleration are executed in parallel. do. In this embodiment, the injection process and the acceleration process are repeatedly performed to maintain a state in which the beam corresponding to the irradiation energy is constantly replenished in the accelerator. As a result, in this embodiment, the injection process, the acceleration process, and the extraction process can be executed in parallel, so that the time during which the beam cannot be irradiated can be shortened and the efficiency can be improved.
さらに、本実施形態で述べる加速器を備える粒子線治療システムでは、加速器の制御の面で照射不可能な時間を削減することができ、ビームを照射可能な時間的割合を増加させて、治療時間を短縮することができる。 Furthermore, in the particle beam therapy system equipped with the accelerator described in this embodiment, it is possible to reduce the time during which irradiation is not possible in terms of accelerator control, increase the proportion of time during which beam irradiation is possible, and increase the treatment time. can be shortened.
本実施形態に係る加速器1は、図1~図13で後述するように、イオンを加速する加速用電場を形成する高周波加速空胴21と、加速用電場の周波数を変調するための回転式可変容量キャパシタ212と、磁極123が形成する磁場により周回するイオンに対して安定領域からのキック作用を与える付加磁場発生用シム311と、付加磁場発生用シム311によってキック作用が与えられたイオンを加速器1から取り出すための擾乱用電場を発生させる擾乱用電極313と、加速用電場を制御する低レベル高周波発生装置42と、擾乱用電場を制御する擾乱高周波制御装置47と、を備え、異なるエネルギのイオンがそれぞれ周回する環状の複数のイオンの周回軌道が集約する領域と離散する領域を有しており、異なるサイクルで入射されたイオンが同時に略同一のエネルギで周回させる。
1 to 13, the
図1~図13を用いて第1実施例を説明する。本実施例の加速器1は、周波数変調型の可変エネルギ加速器である。この加速器は時間的に一定な磁場を主磁場として持ち、主磁場中を周回する陽子を高周波電場によって加速する円形加速器である。その外観を図1に示す。
A first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 13. FIG. The
図1に示すように、加速器1は、上下に分割可能な電磁石11によって、加速・周回中のビームが通過する領域(以下、ビーム通過領域20(図2参照)と呼ぶ)内に主磁場を励起する。電磁石11は「一対の磁石」の例である。電磁石11の内側は、図示を省略した真空ポンプによって真空引きされている。
As shown in FIG. 1, the
電磁石11には、外部とビーム通過領域20とを接続するための貫通口が複数設けられている。例えば、加速されたビームを取り出す取り出しビーム用貫通口111、電磁石11内に配置されたコイル導体を外部に引き出すための引き出し用の貫通口112,113、高周波電力入力用貫通口114等の、各種貫通口が電磁石11の上下の分割接続面の面上に設けられている。
The
高周波電力入力用貫通口114を通じて、イオンを加速してイオンビームとするための加速用電場を形成する高周波加速空胴(加速電極)21が設置されている。「加速高周波印加装置」の例である高周波加速空胴21には、後述のように、加速用のディー電極221(図2参照)と、加速用電場の周波数を変調するための回転式可変容量キャパシタ(変調部)212とが設置されている。
A high-frequency acceleration cavity (acceleration electrode) 21 is installed through the high-frequency power input through-
電磁石11の上部の中心からずれた位置に、水素イオンを供給するためのイオン源12が設置されている。イオン源12は、ビーム入射用貫通口115および入射部130(図2参照)を通して、イオンを加速器1内部の電磁石11間に入射する。入射部130には、貫通口115を通じて、外部からビーム通過領域20へイオンを入射するのに必要な電力が供給されている。
An
加速器1の内部構造について図1および図2を用いて説明する。図2は、電磁石11を上下に分割した面を上から見たときの機器配置を示す図である。
The internal structure of the
図1に示すように、電磁石11の上下部それぞれは、円筒状のリターンヨーク121および天板122を有しており、その内部側には、図2に示すように、円柱状の磁極123を有している。上下対向した磁極123によって挟まれる円筒状の空間内に、上述のビーム通過領域20がある。この上下の磁極123が互いに対向している面を磁極面と定義する。また磁極面に挟まれた磁極面に平行かつ上下の磁極面から互いに等距離にある面を軌道面と呼ぶ。
As shown in FIG. 1, the upper and lower portions of the
磁極123とリターンヨーク121の間に形成される凹部には、円環状のコイル13が磁極123の外周側の壁に沿って設置されている。コイル13に電流を流すことによって上下対向する磁極123が磁化し、ビーム通過領域20に後述する所定の分布で磁場が励起される。
In the recess formed between the
高周波加速空胴21は、λ/4型の共振モードによって加速ギャップ223にイオンを加速するための加速用高周波電場を励起させる。高周波加速空胴21のうち、加速器1に対して固定的に設置された部分をディー電極221と定義する。高周波加速空胴21は、貫通口114を通じて、ビーム通過領域20の一部領域を囲むディー電極221を形成する。イオンは、ディー電極221とこのディー電極221に対向するように配置される接地電極222とによって挟まれる領域である加速ギャップ223により励起される高周波電場によって加速される。前述のビームの周回周波数に同期するために、高周波電場の周波数は、ビームの周回周波数の整数倍であることが必要である。加速器1では、高周波電場の周波数はビームの周回周波数の1倍としている。
The
磁極123には、磁場の微調整用のトリムコイル33が複数系統設けられている。トリムコイル33は、貫通口112,113を通じて外部電源に接続されている。各系統別に励磁電流を調整することで、後述の主磁場分布に近づけ、安定なベータトロン振動を実現するように、運転前にトリムコイル電流が調整される。
The
上述の加速器1では、イオン源12で生成されたイオンは、入射部130の引き出し電極に印加された電圧によって、低エネルギのイオンの状態でビーム通過領域20に引き出される。入射されたイオンは、高周波加速空胴21によって励起される高周波電場によって、加速ギャップ223を通過する毎に加速され、イオンビームとなる。
In the
図2に示すように、ビームを加速器1の外部へ取り出すために、四極磁場や六極以上の多極磁場を励磁する二か所の付加磁場発生用シム(キック部)311と高周波電場を印加する擾乱用電極(擾乱部)313とが、磁極面の一部に電気的に絶縁された状態で設置されている。磁極面の端部の一か所に取り出し用セプタム電磁石312の入射部が設置されている。
As shown in FIG. 2, in order to extract the beam from the
擾乱用電極313は、微小な振幅の高周波(RF)電場を印加することが可能であり、周回中の粒子を軌道面内方向にキックし、設計軌道から粒子を外れさせる。その軌道が設計軌道から外れた粒子は、付加磁場発生用シム311の近くを通過する。
The
付加磁場発生用シム311による磁場は、ビーム通過領域20中を周回するイオンビームに対して安定領域を制限し、安定領域外に出た粒子を取り出し用セプタム電磁石312へ導入する。一対の付加磁場発生用シム311は、それぞれ逆極性の磁場を磁極123が形成する主磁場に対して重畳励磁する。
The magnetic field generated by the additional magnetic
擾乱用電極313に適当な周波数の高周波電圧を印加することでビームに擾乱を与えると、後に述べる原理により、擾乱用電極313に印加されるRF電場のオン/オフに同期して、ビームのオン/オフ制御が可能となる。これら付加磁場発生用シム311および擾乱用電極313の詳細は後述する。
When the beam is disturbed by applying a high-frequency voltage of an appropriate frequency to the
軌道面において主磁場の面内成分がほぼ0となるように、上下の磁極123、コイル13、トリムコイル33、付加磁場発生用シム311、取り出し用セプタム電磁石312、擾乱用電極313の形状と配置が設計されており、軌道面に対して面対称の配置および電流分布となっている。磁極123、ディー電極221、コイル13、トリムコイル33、擾乱用電極313の形状は、図2に示すように、加速器1を上面側から見たときに、貫通口114の中心部と貫通口112の中心部とを結ぶ線分に対して、左右対称の形状となっている。
The upper and lower
加速器1内を周回するビームの軌道および運動について述べる。ビームは、ビーム通過領域20中を周回しながら加速される。加速器1から取り出し可能なビームの運動エネルギは、最小70MeV、最大235MeVである。運動エネルギが大きいほどビームの周回周波数は小さくなる。入射直後の運動エネルギのビームは76MHzで、運動エネルギ235MeVに達したビームは59MHzで、ビーム通過領域20中を周回する。これらのエネルギと周回周波数の関係は図3のようになる。図3の縦軸は周回周波数を示し、図3の横軸は運動エネルギを示す。
The trajectory and motion of the beam orbiting inside the
図5に示すように、形成される磁場は、ビームの軌道に沿って一様、かつエネルギが高くなるにつれ磁場が低下していくような分布を作る。つまり、径方向外側の磁場が低下するような磁場を形成する。このような磁場下においては、ビームの軌道面内の動径方向と軌道面とに対して垂直な方向のそれぞれに対して安定にベータトロン振動する。 As shown in FIG. 5, the formed magnetic field has a uniform distribution along the beam trajectory and the magnetic field decreases as the energy increases. That is, a magnetic field is formed such that the magnetic field on the radially outer side is reduced. Under such a magnetic field, the betatron oscillates stably in each of the radial direction in the orbital plane of the beam and the direction perpendicular to the orbital plane.
図4に各エネルギの軌道を示す。図4には複数の周回軌道が示されている。図4では、最も外側に最大エネルギ252MeVの軌道に対応した半径0.497mの円軌道が存在し、そこから、エネルギ0MeVまで磁気剛性率で51分割した計51本の円軌道が示されている。点線は、各軌道の同一の周回位相を結んだ線であり、この線を等周回位相線と呼ぶ。 FIG. 4 shows the trajectory of each energy. A plurality of orbits are shown in FIG. In FIG. 4, there is a circular orbit with a radius of 0.497 m corresponding to the orbit with the maximum energy of 252 MeV on the outermost side, and from there, a total of 51 circular orbits are shown, which are divided into 51 by the magnetic rigidity up to the energy of 0 MeV. . A dotted line is a line connecting the same orbital phases of each orbit, and this line is called an isometric phase line.
図4に示すように、加速器1では、ビームの加速に従って、ビームの軌道中心(設計軌道)が軌道面内で一方向に移動する。設計軌道が移動する結果、異なる運動エネルギの軌道が互いに近接している箇所(周回軌道が集約する領域)と、互いに遠隔している領域(周回軌道が離散する領域)とが存在する。つまりビームの設計軌道が偏心している。
As shown in FIG. 4, in the
最も設計軌道同士が近接している設計軌道の各点を結ぶと、すべての設計軌道に直交する線分となる。最も設計軌道同士が遠隔している設計軌道の各点を結ぶと、すべての設計軌道に直交する線分となる。これら二つの線分は、同一直線上に存在する。この直線を対称軸と定義すると、設計軌道の形状は対称軸を通り、軌道面に垂直な面に対して面対称となる。 A line segment orthogonal to all the design trajectories is obtained by connecting each point of the design trajectories where the design trajectories are closest to each other. A line segment orthogonal to all the design trajectories is obtained by connecting points of the design trajectories that are farthest apart from each other. These two line segments are on the same straight line. If this straight line is defined as the axis of symmetry, the shape of the design raceway passes through the axis of symmetry and is symmetrical with respect to a plane perpendicular to the raceway surface.
図4に示す等周回位相線は、集約領域から周回位相π/20ごとにプロットされている。ディー電極221とディー電極221に対向する接地電極222との間に形成される加速ギャップ223は、集約点から見て±90度周回した等周回位相線に沿って、設置されている。
The isochronous phase lines shown in FIG. 4 are plotted for each cyclic phase π/20 from the aggregated region. An
上記のような軌道構成と軌道周辺での安定な振動とを生じさせるために、加速器1では、設計軌道の偏向半径方向外側に行くにつれて、磁場の大きさが小さくなる主磁場分布としている。設計軌道に沿って磁場は、一定とする。よって、設計軌道は円形となり、ビームエネルギが高まるにつれて、その軌道半径・周回時間は増大する。
In order to generate the above-described orbit configuration and stable oscillation around the orbit, the
このような体系では、設計軌道から半径方向へ微小にずれた粒子は、設計軌道に戻すような復元力を受けると同時に、軌道面に対して鉛直な方向にずれた粒子も軌道面に戻す方向へ主磁場から復元力を受ける。すなわち、ビームのエネルギに対して適切に磁場を小さくしていけば、設計軌道からずれた粒子には、設計軌道に戻そうとする向きに常に復元力が働き、設計軌道の近傍を振動することになる。これにより、安定にビームを周回させ加速させることが可能である。この設計軌道を中心とする振動をベータトロン振動と呼ぶ。各エネルギのビームにおける磁場の値を図5に示した。磁場は、入射部130で最大の5Tとなり、最外周では4.91Tまで低下する。
In such a system, particles slightly deviated from the design trajectory in the radial direction receive a restoring force that returns them to the design trajectory, and at the same time, particles that deviate in the direction perpendicular to the orbital plane are also returned to the orbital plane. receives a restoring force from the main magnetic field. In other words, if the magnetic field is appropriately reduced with respect to the energy of the beam, the particles deviated from the designed trajectory will always have a restoring force acting in the direction of returning them to the designed trajectory, and will vibrate in the vicinity of the designed trajectory. become. This makes it possible to stably circulate and accelerate the beam. Oscillations centered on this design orbit are called betatron oscillations. FIG. 5 shows the value of the magnetic field in the beam of each energy. The magnetic field reaches a maximum of 5 T at the
上述の主磁場分布は、コイル13とそれを補助するトリムコイル33とに所定の励磁電流を流して、磁極123が磁化されることにより、励起される。イオンの入射部130で磁場を大きくし、外周に向かって磁場を小さくする分布を形成するために、磁極123が対向する距離(ギャップ)は入射部130において最も小さく、外周に向かって大きくなる形状となる。さらに、磁極123の形状は、ギャップ中心を通る平面(軌道面)に対して面対称の形状であり、軌道面上では軌道面に垂直な方向の磁場成分のみを持つ。さらに、磁場分布の微調整を、磁極面に設置されたトリムコイル33に印加する電流を調整することで行い、所定の磁場分布を励起させる。
The main magnetic field distribution described above is excited by magnetizing the
上述のように、高周波加速空胴21は、加速ギャップ223に電場を励起させる。そのために、外部高周波電源(図10の低レベル高周波発生装置42およびアンプ43を参照)から入力カプラ211を通じて高周波電力が導入され、ディー電極221と接地電極222の間の加速ギャップ223に高周波電場が励起される。
As described above,
一般に、ディー電極221が励起する電磁場は、電極形状によって定まる特定の共振周波数および空間分布の電磁場となる。特定の周波数と空間分布を持つ電磁場を固有モードと称する。固有モードには複数種類あり、加速のために励起するモードを基本モードと称する。基本モードの電磁場分布と表面電流分布を図6に示す。図6には、共振器の外形、太矢印にて電場の分布(E)、点線矢印で磁場の分布(B)、実線矢印で共振器表面の電流分布(j)の概形を示している。基本モードではギャップのいたるところで、ディー電極221から設置電極222に対して同じ向きの電場が生じる。
In general, the electromagnetic field excited by the
加速器1は、ビームの周回に同期して高周波電場を励起するために、電場の周波数を周回中のビームのエネルギに対応して変調させる。本実施例の共振モードを用いた高周波加速空胴21では、共振の幅よりも広い範囲で、高周波の周波数を掃引する必要がある。そのために、高周波加速空胴21の共振周波数も変更する必要が有る。その制御は、高周波加速空胴21の端部に設置された回転式可変容量キャパシタ212の静電容量を変化させることで実施する。回転式可変容量キャパシタ212は、回転軸213に直接接続された導体板と外部導体(いずれも図示せず)との間に生じる静電容量を、回転軸213の回転角によって制御する。すなわち、ビームの加速に伴って、回転軸213の回転角を変化させる。
The
加速器1のビーム入射から取り出しまでのビームの挙動を述べる。まずイオン源12から低エネルギのイオンが出力され、ビーム入射用貫通口115および入射部130を介してビーム通過領域20へ低エネルギのイオンビームが導かれる。
The behavior of the beam from the beam injection to the beam extraction of the
ビーム通過領域20に入射されたビームは、高周波電場による加速を受けながら、そのエネルギが増大するとともに、軌道の回転半径を増加させていく。その後ビームは、高周波電場による進行方向安定性を確保しながら加速される。
The beam incident on the
ビームの重心は、高周波電場が最大となる時刻に加速ギャップ223を通過するのではなく、時間的に高周波電場が減少しているときに加速ギャップ223を通過する。高周波電場の周波数とビームの周回周波数とはちょうど整数倍の比で同期させているため、所定の加速電場の位相で加速された粒子は、次のターンもほぼ同じ位相で加速を受ける。一方、加速位相より早い位相で加速された粒子は、加速位相で加速された粒子よりもその加速量が大きいため、次のターンでは遅れた位相で加速を受ける。逆に有るときに加速位相より遅い位相で加速された粒子は、加速位相で加速された粒子よりもその加速量が小さいため、次のターンでは進んだ位相で加速を受ける。
The center of gravity of the beam does not pass through the
このように、所定の加速位相からずれたタイミングの粒子は、加速位相に戻る方向に動き、この作用によって、運動量と位相からなる位相平面(進行方向)内においても安定に振動することができる。この振動をシンクロトロン振動と呼ぶ。すなわち、加速中の粒子はシンクロトロン振動をしながら、徐々に加速され、取り出しされる所定のエネルギまで達する。安定なシンクトロン振動をする間、個々の粒子は、位相平面上に高周波バケツと呼ばれる安定領域内で回転運動をする。 In this way, particles whose timing deviates from a predetermined acceleration phase move in the direction of returning to the acceleration phase, and by this action, they can oscillate stably even within the phase plane (advancing direction) consisting of momentum and phase. This oscillation is called synchrotron oscillation. That is, the accelerating particles are gradually accelerated while undergoing synchrotron oscillation and reach a predetermined energy to be taken out. During stable synchrotron oscillation, individual particles rotate on the phase plane within a stable region called a high-frequency bucket.
図7に位相平面上の高周波バケツBuの形状とその内部を動く粒子の軌跡との模式図を示す。この高周波バケツBuの運動両方向の幅は加速空胴に印加する電圧振幅の平方根に比例すること、および、高周波バケツBuの面積が単位時間当たりのビームのエネルギ増加(加速速度)に対して単調現象であることは、それぞれ知られている。 FIG. 7 shows a schematic diagram of the shape of the high-frequency bucket Bu on the phase plane and the trajectory of particles moving inside it. The width of the high-frequency bucket Bu in both directions of motion is proportional to the square root of the voltage amplitude applied to the acceleration cavity, and the area of the high-frequency bucket Bu is monotonic with respect to the beam energy increase (acceleration speed) per unit time. It is known that each
回転式可変容量キャパシタ212の回転速度によって決まる運転周期下では、加速速度は自然と決まる。したがって、ある電圧振幅以下では高周波バケツBuの面積が0となり、安定なシンクロトロン振動を実現できない。高周波バケツBuの面積が初めて0を超える電圧振幅を臨界電圧Vcと呼ぶことにすると
Under the operating cycle determined by the rotation speed of the rotary
臨界電圧Vcは、加速中のビームエネルギに対して単調増加となる。逆に一定の電圧振幅になるように高周波加速空胴21に対して高周波電力を入力したとき、ビームの加速に伴い、高周波バケツBuの面積は徐々に小さくなる。高周波バケツBuの面積が徐々に小さくなる状況下においては加速中のビームの運動量分散も小さくなる。
The critical voltage Vc monotonically increases with beam energy during acceleration. Conversely, when high-frequency power is input to the high-
所定の取り出しビームを目標のエネルギで取り出すために、高周波加速空胴21に印加されている高周波電場が徐々に低くなり目標エネルギに達したところで、高周波電場の振幅が0となるように、制御装置40は外部高周波電源からの出力を制御する。これにより、ビームは、目標エネルギにて安定に周回する。そして、擾乱用電極313に高周波が印加される。
In order to extract a predetermined extraction beam with a target energy, the high frequency electric field applied to the high
その高周波の周波数は、ビームのベータトロン振動の周波数に一致している。ビームは、その進行方向の位置、すなわち擾乱用電極313を通過する時刻に依存する擾乱を受ける。特定の粒子に着目すると、擾乱用電場と周回のベータトロン振動の周波数とが一致しているため、両者は共鳴し、ある粒子のベータトロン振動振幅が増大する。ベータトロン振動振幅が増大し続けると、設計軌道の外側に設置された付加磁場発生用シム311が励起するキック磁場の作用を受けて、急激にベータトロン振動が発散し、設計軌道から見て外側にビームが変位する。その結果、ビームは、取り出し用セプタム電磁石312に導入される。この安定領域と不安定領域との境界を、セパラトリクスと称する。
The frequency of the high frequency matches the frequency of the beam's betatron oscillations. The beam is disturbed depending on its position in the direction of travel, ie the time of passage through the
上記目標エネルギに達してから取り出されるまでの間、ビームを構成する個々の粒子は、付加磁場発生用シム311由来の四極磁場と六極以上の多極磁場とによって、ビームの水平方向の位置と傾きで定まる位相空間上において、安定に周回できる領域と不安定に軌道ずれが増大し続ける領域とに分けられた状態で、周回する。
From the time the target energy is reached until the beam is extracted, the individual particles that make up the beam are positioned in the horizontal direction of the beam by the quadrupolar magnetic field derived from the additional magnetic
セパラトリクスの内側に存在する粒子は、安定にベータトロン振動を続ける。セパラトリクスの外にいる粒子は、付加磁場発生用シム311によるキック作用が周回ごとに蓄積されるため、設計軌道に対して水平方向に大きな変位を生じる。水平方向に大きな変位を生じた粒子は、後述の擾乱用電極313による擾乱用電場と、あらかじめ設置された取り出し軌道322上の取り出し用セプタム電磁石312によって形成される磁場とによって、取り出し軌道322上を通り、加速器1の外へ取り出される。
Particles inside the separatrix continue betatron oscillation stably. Particles outside the separatrix undergo a large displacement in the horizontal direction with respect to the design trajectory because the kick action by the additional magnetic
擾乱用電極313に印加される電場が切られると、ビームのベータトロン振動振幅の増大が停止し、安定領域内でビームが周回する。これにより、ビームの取り出しを停止することができる。
When the electric field applied to the
上記ビームの取り出しのプロセスにおいて、周回中のビームの運動量分散を抑制することは、ビームの空間的な広がりを抑えることができ、セプタム電磁石312などに衝突して失われるビームの量を減らすのに有効である。したがって、前述の高周波バケツの面積は、加速終了時点でなるべく小さくし、周回中のビームの運動量分散を抑制することが望ましい。
In the process of extracting the beam, suppressing the momentum dispersion of the circulating beam can suppress the spatial spread of the beam and reduce the amount of the beam lost by colliding with the
しかも、加速電場の減衰には、高周波加速空胴21の共振のQ値に基づいて、ある程度の時間がかかる。典型的にはQ値は3000程度であり、高周波加速空胴21への電力入力を停止した時刻から3000周期程度の時間で高周波電圧振幅が小さくなり、高周波バケツが消失する。高周波電圧振幅の減衰中には、高周波バケツの収縮に伴い、高周波バケツからこぼれる時刻によって各粒子の到達エネルギがばらつく。高周波バケツの消失に時間をかけるほど、その時間に比例してその後の周回ビームの運動量分散が広がる。
Moreover, the attenuation of the accelerating electric field takes a certain amount of time based on the Q value of the resonance of the high-
以上より、加速中の高周波電圧振幅は、高周波バケツを形成できるように、そして加速できるビームの電荷量が充分確保できるならば、高周波バケツはなるべく小さく維持することが、取り出し効率の向上や結果的に照射時間の短縮に有効である。 From the above, if the high frequency voltage amplitude during acceleration can form a high frequency bucket and if the charge amount of the beam that can be accelerated can be secured sufficiently, the high frequency bucket should be kept as small as possible to improve the extraction efficiency and result. It is effective for shortening the irradiation time.
しかしながら、高周波振幅の電圧を過少にすると、加速途中で高周波バケツが消失し、ビームを目的のエネルギまで加速できないことも起きえる。たとえば、70MeVまで加速する際の最適な高周波電圧振幅の値が存在する。しかし、その高周波電圧振幅値で235MeVまで加速しようとしても、加速途中で高周波バケツが消失してしまうため、235MeVまで加速できない。 However, if the high-frequency amplitude voltage is too low, the high-frequency bucket may disappear during acceleration, making it impossible to accelerate the beam to the target energy. For example, there is an optimum RF voltage amplitude value for acceleration up to 70 MeV. However, even if an attempt is made to accelerate to 235 MeV with that high-frequency voltage amplitude value, the high-frequency bucket disappears during acceleration, so acceleration to 235 MeV is not possible.
すなわち、目標とする到達エネルギに応じて、取り出し効率あるいは照射時間の観点で最適な電圧振幅が存在する。その最適な電圧振幅で高周波を励起することで、取り出し効率の向上あるいは照射時間の短縮を実現できる。本実施例の加速器1は、上述した、到達エネルギと電圧振幅との対応関係を保持する電圧振幅計算装置45を備える。
That is, there is an optimum voltage amplitude in terms of extraction efficiency or irradiation time depending on the target energy to be reached. By exciting the high frequency with the optimum voltage amplitude, it is possible to improve the extraction efficiency or shorten the irradiation time. The
以上、1サイクル中の、ビームの入射から取り出しに関するビームのふるまいについて述べた。加速器1は、以降のサイクルも同様の動作を繰り返す。2サイクル目以降では、すでに加速されたビームが所定のエネルギでビーム通過領域20内を周回中である。この場合、加速済みのビームに対しても、2サイクル目のビームを加速する高周波電場が作用する。しかし、加速済みのビームにとっては、入射直後のビームを加速する高周波はその周波数が周回周波数とマッチしないため、エネルギが微小に振動するに過ぎない。よって、2サイクル目のビームが十分加速済みのビームのエネルギに近づくまでは、加速済みのビームは、ほとんどエネルギや運動の状態を変化させることなく安定に周回しながら一部は取り出されていく。既に周回中のビームを先行ビームと、その後に発生するビームを後続ビームと、呼ぶこともできる。
So far, the behavior of the beam during one cycle has been described with respect to beam entry and exit. The
2サイクル目のビーム(後続ビーム)のエネルギが加速済みのビーム(先行ビーム)のエネルギに近接すると、より具体的には位相空間上で2サイクル目のビームを内包する高周波バケツが加速済みのビームが存在している領域に重なり始めると、はじめて加速済みのビームに対して有意な影響が高周波から及ぼされる。 When the energy of the second cycle beam (subsequent beam) approaches the energy of the accelerated beam (previous beam), more specifically, the high-frequency bucket containing the second cycle beam in the phase space becomes the accelerated beam does not have a significant effect on the accelerated beam from the radio frequency until it begins to overlap the region where the is present.
図8は、このタイミングでの位相空間上の分布についての模式図である。図8のグレーに網掛けした領域A1が加速済みの周回ビームが存在する領域であり、ここに2サイクル目のビームを内包する高周波バケツBuが入る。 FIG. 8 is a schematic diagram of the distribution on the phase space at this timing. A region A1 shaded in gray in FIG. 8 is a region in which the circulating beam that has already been accelerated exists, and the high-frequency bucket Bu containing the beam of the second cycle is included therein.
前述の通り、高周波バケツは、運動量分散が小さくなるように適切な形状に制御されており、その運動量方向の高さは周回中のビームよりも小さい。高周波バケツと周回中のビームとが近接すると、周回中のビームは高周波バケツに入ることができず、高周波バケツに押しのけられるように位相空間上の別の位置に移動する。 As described above, the high-frequency bucket is controlled to have an appropriate shape so that the momentum dispersion is small, and its height in the momentum direction is smaller than that of the orbiting beam. When the high frequency bucket and the circulating beam approach each other, the circulating beam cannot enter the high frequency bucket and moves to another position in the phase space so as to be pushed away by the high frequency bucket.
図9に、2サイクル目のビームを加速完了した瞬間の位相空間におけるビームの分布を示す。図9に示す瞬間では、高周波バケツは、先行ビームがすでに周回している領域を通過し、その影響で先行ビームの分布が乱され、運動量分散が増加している。さらに2サイクル目ビーム(後続ビーム)が高周波バケツの収縮とともにバケツからこぼれ、位相空間上のある領域に配置される。加速済みのビームと新たに加速されたビームとの位相空間上の領域は、このタイミングでは明確な境界をもつ。図9では、加速済のビーム(先行ビーム)が存在する領域A2をドット柄で示し、新たに加速されたビーム(後続ビーム)の存在領域A3を斜線で示す。このように、周回ビームの運動量分散が増える代わりに、新たなビームを追加することが可能となる。 FIG. 9 shows the beam distribution in the phase space at the moment when the second cycle beam acceleration is completed. At the instant shown in FIG. 9, the high frequency bucket passes through a region where the leading beam is already circling, the effect of which is to disturb the distribution of the leading beam and increase the momentum dispersion. Furthermore, the second cycle beam (subsequent beam) spills out of the high-frequency bucket as it contracts, and is arranged in a certain area on the phase space. The region on the phase space between the accelerated beam and the newly accelerated beam has a clear boundary at this timing. In FIG. 9, the area A2 where the accelerated beam (preceding beam) exists is indicated by a dot pattern, and the area A3 where the newly accelerated beam (following beam) exists is indicated by oblique lines. In this way, it is possible to add a new beam at the expense of increasing the momentum dispersion of the circulating beam.
図10および図11を用いて、上述の原理によってビームを加速し、加速器1の外へ取り出すときの各機器の制御ダイアグラムと運転フローを説明する。図10に本実施例の加速器1の制御ブロック図を示す。
10 and 11, the control diagram and operation flow of each device when the beam is accelerated according to the principle described above and taken out of the
ビームを加速するための構成とその制御系としては、図10に示すような、高周波加速空胴21に付随する回転式可変容量キャパシタ212と、回転式可変容量キャパシタ212の回転軸213(図1参照)に接続されるサーボモータ214と、サーボモータ214を制御するモーター制御装置41とがある。さらに、高周波加速空胴21に高周波電力を入力するための入力カプラ211(図1参照)と、供給する高周波電力を生成する低レベル高周波発生装置42およびアンプ43がある。
As shown in FIG. 10, the configuration for accelerating the beam and its control system include a rotary
回転式可変容量キャパシタ212は、モータ制御装置41により制御される。モータ制御装置41は、全体制御装置40により制御される。全体制御装置40は、治療計画データベース60中の治療計画データにより予め定められた指示値に基づいて、モータ制御装置41を制御する。
The rotary
予め定められた回転速度でサーボモータ214が回転すると、これにより回転軸213が回転する。回転軸213の回転角が時間的に変化することで、静電容量を時間的に変調される。これにより、基本モードの共振周波数が変化する。
When the
低レベル高周波発生装置42によって発生させた高周波信号をアンプ43によって増幅することで、高周波加速空胴21に入力される高周波を作る。低レベル高周波発生装置42において作る高周波信号の周波数は、前記の基本モードの共振周波数に追従させる。高周波信号の振幅は、治療計画データベース60によって定められており、全体制御装置40より指示される。
A high frequency input to the high
高調波モード用の低レベル高周波を発生させる装置42によって発生させた高周波信号をアンプ43によって増幅することで、高周波加速空胴21へ入力される高周波電力を作る。高調波モード用低レベル高周波発生装置42により作られる高周波信号の周波数は、前記の高調波モードの共振周波数に追従させ、振幅は、治療計画データベース60によって定められたビームのエネルギを電圧振幅計算装置45が参照し、電圧振幅計算装置45の演算によって定められた振幅値を全体制御装置40より指定される。
A high-frequency power input to the high-
ビームを加速器1外に取り出すための構成とその制御系としては、図10に示す、擾乱用電極313に高周波電圧を印加するための高周波電源46と、この高周波電源46を制御する擾乱高周波制御装置47とがある。
The configuration and control system for extracting the beam out of the
高周波電源46から擾乱用電極313に出力される電圧値は、擾乱高周波制御装置47によって制御されている。高周波電源46から出力される電圧の指定値は、取り出しビームエネルギと取り出しビームの出力電流とから一意に定まる値として治療計画データベース60内に保存された治療計画データによって定められている。全体制御装置40は、その治療計画データから指定値を取得し、擾乱高周波制御装置47へ指示する。
A high-
図11および図12に基づいて、以上のような加速器1の制御系における、ある二種類のエネルギのビームを連続的に取り出す際の各機器の動作(運転方法)を説明する。図11は、各機器の動作のタイミングチャートである。図12は、運転の流れをフローチャートである。
Based on FIG. 11 and FIG. 12, the operation (operating method) of each device in the control system of the
図11のチャートの縦軸は、上から順に、(1)回転式可変容量キャパシタ212の回転軸213の回転角、(2)高周波加速空胴21の共振周波数、(3)高周波加速空胴21に入力される高周波の周波数、(4)加速ギャップ223における加速用高周波の振幅、(5)イオン源12が出力するビームの電流波形、(6)取り出し可能な周回中の電荷量、(7)擾乱用電極313に入力される擾乱高周波、(8)加速器1から出力されるビーム電流波形、を示している。図11に示すチャートの横軸はすべて時間である。
The vertical axis of the chart in FIG. 11 represents, from the top, (1) the rotation angle of the
図11に示すように、回転式可変容量キャパシタ212の回転軸213の回転角によって、高周波加速空胴21の共振周波数は周期的に変化する。それに合わせて、低レベル高周波発生装置42から出力され、高周波加速空胴21へ入力される高周波信号の周波数も同期して変化する。ここで、共振周波数が最大となる時刻から次に最大となる時刻までの期間を運転周期と定義する。
As shown in FIG. 11, the resonance frequency of the high-
図11(5)に示すように、運転周期の開始直後から、イオン源12からビームが出力される。ビームは、安定なシンクロトロン振動が可能な範囲に入射された場合、加速される。これに対し、シンクロトロン振動が安定しない粒子は、加速できずに加速器1内部の構造物に衝突し、失われる。ここまでが図12に示す入射プロセスである。入射プロセスは、加速電圧の印加を開始するステップS11と、イオン源からイオンを出力するステップS12を含む。
As shown in FIG. 11(5), a beam is output from the
図11に戻り、共振周波数が低下するにつれてビームは加速され、所定の取り出しエネルギ近くまで加速される。その後、高周波加速空胴21に入力される高周波の振幅を低下させ始める。この低下の開始タイミングは、イオンビームが目標エネルギになる前の所定のタイミングから開始するようにする。例えば、高周波電力の入力を切ってから加速ギャップ223に生じていた加速用電場が0になるまでに、目標エネルギに到達すると見込まれるエネルギに達するタイミングから低下を開始させることが望ましい。ここまでが図12における加速プロセスである。加速プロセスは、イオンビームを加速するステップS13と、加速電圧の印加を停止するステップS14を含む。
Returning to FIG. 11, the beam is accelerated as the resonance frequency decreases, and is accelerated to near the predetermined extraction energy. After that, the amplitude of the high frequency input to the high
図11に戻り、加速電場の振幅が十分小さくなった時点で、ビームは、所定の取り出しエネルギに達している。加速が完了した時点で、取り出し可能なビーム量はある値になり、これよりビーム取り出しが可能となる。ビームは、付加磁場発生用シム311によって定められたセパラトリクス内を満たすように周回することになる。
Returning to FIG. 11, when the amplitude of the accelerating electric field becomes sufficiently small, the beam has reached the predetermined extraction energy. When the acceleration is completed, the amount of beam that can be extracted reaches a certain value, and beam extraction becomes possible. The beam circulates to fill the separatrix defined by the additional magnetic
次いで、擾乱用電極313による擾乱高周波を印加する。ビームを取り出す時間はあらかじめ定められている。周回中の全電荷がすべて取り出されるか、所定の照射線量が照射されるまで擾乱高周波を印加し、ビームを取り出し続ける。
Next, a disturbing high frequency is applied by the
この間、高周波加速空胴21に付随のサーボモータ214は回転を続け、共振周波数は変動を続ける。入射の周波数と共振周波数とが一致したら、イオン源から再度ビームを出力し、上記同様にビームを加速しつつ、ビームの取り出しも並行して進める。加速終了のごくわずかな時間(加速高周波振幅が減衰中)のみは、擾乱用高周波をオフして照射ビームのエネルギ変動を抑制する。高周波加速空胴21が作る加速用高周波は、加速プロセス中においてビームの周回周波数と一致しないため、ビームに対する影響はほとんど生じない。よって、ビームは一定のエネルギで周回しながら、印加されている擾乱高周波によって順次取り出されていく。
During this time, the
擾乱高周波の強度によってではあるが、図11(6)に示すように、1回目の加速が終了して以降、加速高周波の振幅が減衰中の期間を除き、常に周回電荷量が追加されているため、いつでもビームのオン/オフの制御が可能である。以上が図12に示す照射プロセスである。 Although it depends on the intensity of the disturbance high frequency, as shown in FIG. 11(6), after the first acceleration is completed, the cyclic charge is always added except for the period during which the amplitude of the acceleration high frequency is attenuating. Therefore, it is possible to control the on/off of the beam at any time. The above is the irradiation process shown in FIG.
照射プロセスは、取り出し高周波の印加を開始させるステップS15と、取り出し高周波の印加を停止させるステップS16と、照射プロセスが完了したか判定するステップS17と、周回電荷量を測定するステップS18と、次サイクルまでに照射できる電荷量と基準値とを比較するステップS19を含む。ステップS17において、照射プロセスが完了したと判定されると、図12に示す照射制御処理は終了する。照射プロセスが完了していない場合(S17:NO)、ステップS18へ進む。ステップS19において、次サイクルまでに照射できる電荷量が基準値よりも大きいと判定されると(電荷量>基準値)、ステップS15へ戻る。次サイクルまでに照射できる電荷量が基準値以下であると判定されると(電荷量≦基準値)、ステップS11へ戻る。 The irradiation process includes a step S15 for starting application of the extraction high-frequency wave, a step S16 for stopping the application of the extraction high-frequency wave, a step S17 for determining whether the irradiation process has been completed, a step S18 for measuring the circulating charge amount, and a next cycle. It includes a step S19 of comparing the amount of charge that can be irradiated with a reference value. When it is determined in step S17 that the irradiation process has been completed, the irradiation control process shown in FIG. 12 ends. If the irradiation process has not been completed (S17: NO), the process proceeds to step S18. If it is determined in step S19 that the amount of charge that can be irradiated by the next cycle is greater than the reference value (amount of charge>reference value), the process returns to step S15. If it is determined that the charge amount that can be irradiated by the next cycle is equal to or less than the reference value (charge amount≦reference value), the process returns to step S11.
図11に戻る。ある一つのエネルギでの照射が終了すると、次の運転周期に到達するまでの間に、次の運転周期で取り出すべきイオンビームのエネルギに対応したパターンでの運転が開始される。上記のプロセスを繰り返すことで、任意のエネルギを任意の線量で照射可能な加速器1が実現する。
Return to FIG. When the irradiation with a certain energy ends, the operation is started in a pattern corresponding to the energy of the ion beam to be extracted in the next operation cycle until the next operation cycle is reached. By repeating the above process, the
図11に示した2回目の運転周期(後続するビームの運転周期)は、1回目の運転周期(先行するビームの運転周期)とは異なるエネルギを照射する場合のタイミングチャートを示す。 FIG. 11 shows a timing chart in the case of irradiating energy different from the first operation cycle (previous beam operation cycle) in the second operation cycle (subsequent beam operation cycle).
ここでは、後続ビームの照射エネルギは、先行ビームの照射エネルギと比較して、より大きい場合を説明する。図11(4)に示すように、後続ビームの運転が先行ビームの運転と異なるのは、加速高周波の振幅の値とその印加期間である。より大きなエネルギまで加速するには、高周波の印加時間をより長くすることで実現される。前述のとおり、加速後の周回ビームの運動量分散を小さく抑制するために、エネルギ毎に電圧振幅計算装置45によって計算される振幅値が定められている。これにより高周波バケツを不要に大きくすることを避け、周回ビームの運動量分散を抑制できる。さらに、ビームの取り出し効率の増加とビーム照射時間の短縮とを実現できる。
Here, a case will be described in which the irradiation energy of the subsequent beam is greater than the irradiation energy of the preceding beam. As shown in FIG. 11(4), the operation of the trailing beam differs from the operation of the leading beam in the amplitude value of the accelerating high frequency wave and its application period. Acceleration to higher energy is achieved by increasing the application time of the high frequency. As described above, the amplitude value calculated by the
上記の説明では、常に、イオンが入射可能なタイミングでイオンの入射を行うことを想定している。照射すべき電荷量と現に周回しているビーム量とを比較して、周回電荷量が十分に大きい場合は、新たなイオンの入射(イオン源12からのイオン出力)をしないことも考えられる。その場合は、加速器1にビーム量の監視手段として、電極型周回ビーム量モニタBM(図2参照)が設置される。ビーム量モニタBMは、ビーム軌道上の任意の場所に設置される電極であり、電極に励起される電圧および電荷量に比例する信号を取り出すことが可能である。あらかじめ定められた電荷量と比較して大きな電荷量が周回している場合は、イオンの入射をスキップさせる。
In the above explanation, it is assumed that ions are always injected at a timing when ions can be injected. The amount of charge to be irradiated is compared with the amount of beam actually circulating, and if the amount of circulating charge is sufficiently large, it is conceivable not to inject new ions (ion output from the ion source 12). In that case, the
ビーム量の監視手段は他の方式でもよい。直接ビーム量を計測する必要はない。ビームの取り出し量と擾乱用高周波振幅との比は、周回ビーム量に関連する量であるため、その比からビーム量を推測するなどの方法でもよい。 Other methods may be used for the beam amount monitoring means. There is no need to measure the beam amount directly. Since the ratio of the amount of extracted beam to the high-frequency amplitude for disturbance is an amount related to the amount of circulating beam, a method of estimating the amount of beam from the ratio may be used.
例えば、加速空胴のピックアップ信号取得用のループアンテナ、または、入力カプラからの反射波モニタなどによって、ビーム周回量を計測することも可能である。その場合、ビームの周回周波数とビームのバンチ構造とを考慮してあらかじめ校正されており、ビームのエネルギと加速停止からの経過時間とに基づいた校正テーブルが用意される。 For example, it is also possible to measure the beam circulation amount by using a loop antenna for acquiring a pick-up signal of the accelerating cavity, or a reflected wave monitor from the input coupler. In this case, calibration is performed in advance in consideration of the circulating frequency of the beam and the bunch structure of the beam, and a calibration table based on the energy of the beam and the elapsed time from acceleration stop is prepared.
図13に、ビーム量を計測する処理のフローチャートを示す。ビーム量計測処理は、例えば、加速電極のピックアップ信号を取得するステップS20、取得した信号の周波数を解析するステップS21、ビーム周波数に対応する信号強度を取得するステップS22、および、周波数特性と加速停止からの経過時間とでビーム量に換算するステップS23を含む。 FIG. 13 shows a flowchart of processing for measuring the beam amount. The beam amount measurement process includes, for example, a step S20 of acquiring a pick-up signal of the acceleration electrode, a step S21 of analyzing the frequency of the acquired signal, a step S22 of acquiring the signal intensity corresponding to the beam frequency, and frequency characteristics and acceleration stop. A step S23 is included in which the amount of beam is converted with the elapsed time from .
すなわち、ビーム量計測処理では、計測開始の後(S20)、モニタ信号の特定周波数成分の信号を取り出し(S21,S22)、校正テーブルから周回ビーム量に換算する(S23)。これにより、周回電荷量に基づいて、新たなイオンの入射をスキップさせるか否かを判定することができる。 That is, in the beam amount measurement process, after the measurement is started (S20), the signal of the specific frequency component of the monitor signal is taken out (S21, S22) and converted into the circulating beam amount from the calibration table (S23). Accordingly, it is possible to determine whether or not to skip the injection of new ions based on the circulating charge amount.
高周波加速空胴21は、上述の構成に限定されない。例えば、高周波空胴の変調機構として、回転式可変容量キャパシタ212による静電容量の変化に代えて、透磁率の変化を利用することもできる。空胴内部にフェライト磁性体を設置し、フェライト磁性体の性質である外部磁場による透磁率変化を利用することができる。
The high
その場合の高周波加速空胴21の構造を図14に示す。図14は、加速空胴の一端が同軸構造となった共振空胴であり、同軸構造部に内胴体と外導体で囲まれた間隙中にフェライト磁性体231が設置されている。フェライト磁性体231にはバイアス電流コイル232が巻かれており、外部の電源に接続されている。バイアス電流コイル232に印加する電流は、高周波周波数から決まる。フェライト磁性体231の透磁率がバイアス電流の値によって決まることから、あらかじめ共振周波数とバイアス電流の関係をテーブル化することが可能である。そこで、この類型の加速空胴を用いる場合、可変容量キャパシタを用いる変調と異なり、バイアス電流の制御によって高周波の周波数を制御する。
FIG. 14 shows the structure of the high
このように構成される本実施例によれば、イオン入射プロセス、イオン加速プロセス、イオンビームの取出しプロセス、減速プロセスという時間的に直列なプロセスを並列的に実行することができる。本実施例の加速器1は、入射プロセスおよび加速プロセスを繰り返して実行し、照射エネルギに対応するビームが常に加速器内に補充されている状態を維持する。したがって、本実施例の加速器1は、ビームを照射できない時間を短くし、ビーム取り出しの効率を高めることができる。
According to this embodiment configured in this way, it is possible to execute in parallel time-sequential processes of the ion injection process, the ion acceleration process, the ion beam extraction process, and the deceleration process. The
実施例2を説明する。本実施例を含む以下の実施例では、実施例1との相違を中心に述べる。実施例2は、図示を省略するが、当業者であれば理解でき、実施可能である。
Example 2 will be described. In the following examples including this example, differences from the first example will be mainly described.
実施例1では、加速核種を水素イオンとしたが、実施例2では、加速核種を炭素イオンとする。実施例2の加速器は、炭素イオンを、核子当り運動エネルギ140MeV~430MeVの範囲での取り出しが可能な周波数変調型の可変エネルギ加速器である。 In Example 1, hydrogen ions were used as accelerating nuclides, but in Example 2, carbon ions were used as accelerating nuclides. The accelerator of Example 2 is a frequency-modulated variable energy accelerator capable of extracting carbon ions with a kinetic energy per nucleon in the range of 140 MeV to 430 MeV.
実施例2の加速器の動作原理、その機器構成、その操作手順は、実施例1で述べたと同様であるため、詳細な説明は省略する。 Since the principle of operation of the accelerator of Example 2, its equipment configuration, and its operating procedure are the same as those described in Example 1, detailed description thereof will be omitted.
実施例2の加速器が実施例1の加速器1と異なるのは、軌道半径の大きさと磁場とエネルギの関係、周回周波数とエネルギの関係である。それらは、実施例1に示した加速器1から、ビームの磁気剛性率の比に軌道半径と磁場の積を比例させることで決定することができる。
The accelerator of the second embodiment differs from the
よって、実施例2の加速器においても、実施例1の加速器1と同様の構成および手法によって、実施例1と同様の作用効果を奏する。すなわち、実施例2の加速器は、周回ビームの運動量分散を抑制することができ、従来技術の運転方法に比べて、取り出し効率を向上でき、粒子線治療に用いた場合の照射時間を短縮できる。
Therefore, also in the accelerator of the second embodiment, the same configuration and method as those of the
図15を用いて、実施例3を説明する。実施例3は、実施例1で述べた加速器1、あるいは実施例2で述べた加速器を備える粒子線治療システム1000について説明する。図15は、粒子線治療システムの全体構成図である。
Example 3 will be described with reference to FIG. A third embodiment describes a particle
図15に示すように、粒子線治療システム1000は、患部の体表からの深さによって照射する陽子線あるいは炭素線(以下ではまとめてビームと呼ぶ)のエネルギを適切な値にして、患者に照射する装置である。
As shown in FIG. 15, the particle
粒子線治療システム1000は、加速器1、ビーム輸送系2、照射装置3、治療台4、全体制御装置40、照射制御装置50、治療計画データベース60、治療計画装置70を備える。
A particle
加速器1は、実施例1または実施例2で述べた。ビーム輸送系2は、加速器1で加速されたビームを照射装置3へ輸送する機構である。照射装置3は、ビーム輸送系2によって輸送されたビームを、治療台4に固定された患者5内の標的に照射する装置である。全体制御装置40は、加速器1、ビーム輸送系2および照射装置3を制御する。照射制御装置50は、標的に対するビーム照射を制御する。治療計画データベース60は、治療計画装置70により作成された治療計画を記憶する。治療計画装置70は、標的に対するビームの照射計画を作成する。
粒子線治療システム1000では、照射する粒子線のエネルギと線量が治療計画によって定められる。治療計画により定められた、粒子線のエネルギと照射量を全体制御装置40から照射制御装置50に順次入力する。これにより、粒子線治療システム1000は、適切な照射量を照射した時点で次のエネルギに移行し、再度粒子線を照射するという手順を実施する。
In the particle
このように構成される実施例3の粒子線治療システム1000によれば、実施例1の加速器1または実施例2の加速器の特性である、短時間で照射完了できる点を利用することができるため、照射時間の短いシステムを提供できる。
According to the particle
粒子線治療システム1000のビーム輸送系2は、固定式の照射装置に代えて、回転ガントリを用いることもできる。回転ガントリは、照射装置3ごと患者5の周りを回転し、ビームを照射することができる。さらに、固定式の照射装置3を複数設けてもよい。さらに、ビーム輸送系2を設けずに、加速器1から照射装置3へビームを直接輸送する構造としてもよい。
The
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。上述の実施形態において、添付図面に図示した構成例に限定されない。本発明の目的を達成する範囲内で、実施形態の構成や処理方法は適宜変更することが可能である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. Those skilled in the art can make various additions, modifications, etc. within the scope of the present invention. The above-described embodiments are not limited to the configuration examples illustrated in the attached drawings. The configuration and processing method of the embodiment can be changed as appropriate within the scope of achieving the object of the present invention.
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれる。さらに特許請求の範囲に記載された構成は、特許請求の範囲で明示している組合せ以外にも組み合わせることができる。 In addition, each component of the present invention can be selected arbitrarily, and the present invention includes an invention having a selected configuration. Furthermore, the configurations described in the claims can be combined in addition to the combinations specified in the claims.
1…加速器
2…ビーム輸送系
3…照射装置
11…電磁石
12…イオン源
13…コイル
20…ビーム通過領域
21…高周波加速空胴
33…トリムコイル
40…全体制御装置
41…モーター制御装置
42…低レベル高周波発生装置
43…アンプ
45…電圧振幅計算装置
46…高周波電源
47…擾乱高周波制御装置
50…照射制御装置
60…治療計画データベース
70…治療計画装置
111…取り出しビーム用貫通口
112,113…コイル接続用貫通口
114…高周波電力入力用貫通口
115…ビーム入射用貫通口
121…リターンヨーク
122…天板
123…磁極
130…入射部
211…入力カプラ
212…回転式可変容量キャパシタ
213…回転軸
214…サーボモータ
221…ディー電極
222…接地電極
223…加速ギャップ
231…フェライト磁性体
232…バイアス電流コイル
311…付加磁場発生用シム
312…取り出し用セプタム電磁石
313…擾乱用電極
322…取り出し軌道
1000…粒子線治療システム
Claims (5)
周波数変調が可能であり、イオンを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、
前記加速高周波とは異なる周波数であって、前記ビームを取出すための取出し高周波を印加する取出し高周波印加装置と、
擾乱磁場領域を形成する擾乱磁場領域形成部と、
ビーム取り出し用のセプタム電磁石と、を備え、
前記ビームの取り出し中において、前記イオン源から新たなイオンが供給されて加速される
加速器。 An orbital accelerator that accelerates ions supplied from an ion source to generate a beam with a main magnetic field and a frequency-modulated high-frequency electric field,
an accelerating high-frequency applying device capable of frequency modulation and applying an accelerating high-frequency wave for accelerating ions;
an extracting high-frequency applying device for applying an extracting high-frequency wave for extracting the beam, the extracting high-frequency applying device having a frequency different from the accelerating high-frequency wave;
a disturbance magnetic field region forming part for forming a disturbance magnetic field region;
a septum magnet for beam extraction;
An accelerator into which new ions are supplied from the ion source and accelerated during extraction of the beam.
周波数変調が可能であり、イオンを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、
前記加速高周波とは異なる周波数であって、前記ビームを取出すための取出し高周波を印加する取出し高周波印加装置と、
複数極数の磁場成分を含み、少なくとも4極磁場成分を含む高次磁場よりなる擾乱磁場領域を形成する擾乱磁場領域形成部と、
ビーム取り出し用のセプタム電磁石と、を備え、
あるサイクルで前記イオン源から供給されたイオンが、前記サイクルより前の他サイクルで供給されたイオンであって既に周回しているイオンと略同一のエネルギを持つまで加速される
加速器。 An orbital accelerator that accelerates ions supplied from an ion source to generate a beam with a main magnetic field and a frequency-modulated high-frequency electric field,
an accelerating high-frequency applying device capable of frequency modulation and applying an accelerating high-frequency wave for accelerating ions;
an extracting high-frequency applying device for applying an extracting high-frequency wave for extracting the beam, the extracting high-frequency applying device having a frequency different from the accelerating high-frequency wave;
a disturbed magnetic field region forming unit for forming a disturbed magnetic field region composed of a high-order magnetic field including magnetic field components with a plurality of poles and including at least four pole magnetic field components;
a septum magnet for beam extraction;
An accelerator in which ions supplied from the ion source in one cycle are accelerated until they have approximately the same energy as ions supplied in another cycle prior to the said cycle and already orbiting.
対向して配置される一対の磁石であって、その間に磁場を形成するための磁極を有する前記一対の磁石と、
イオンを前記一対の磁石間へ出力するイオン源と、
前記イオンを加速する加速用電場を形成する加速電極と、
前記加速用電場の周波数を変調するための変調部と、
前記一対の磁石の磁極間に配置され、前記磁極が形成する磁場により周回する前記イオンに対して安定領域からのキック作用を与えるキック部と、
前記イオンに動径方向の擾乱を与える擾乱用電場を発生させる擾乱部と、
前記加速用電場を制御する高周波電場制御部と、
前記加速用電場の振幅値を前記高周波電場制御部に入力する高周波電場振幅決定手段と、
前記擾乱用電場を制御する擾乱強度制御部と、
を備え、
前記一対の磁石によって形成される、異なるエネルギのイオンがそれぞれ周回する環状の複数のイオンの周回軌道が集約する領域と離散する領域を有しており、
前記変調部はある周期によって周期的に電場周波数を変調させ、
前記高周波電場振幅決定手段は、照射するビームのエネルギに応じて電圧振幅を定めるものであり、
前記イオン源は、前記加速用電場の周波数が特定の値となる期間にイオンを出力し、
前記イオンが出力される周波数の値は、取り出されるビームのエネルギに対応する周回周波数とずれており、
前記イオン源から出力されたイオンが、別のサイクルで出力されたイオンであって、既に周回している状態のイオンとエネルギが略同一となるまで加速される
加速器。 An accelerator for accelerating ions to produce a beam,
a pair of magnets arranged facing each other, the pair of magnets having magnetic poles for forming a magnetic field therebetween;
an ion source that outputs ions between the pair of magnets;
an accelerating electrode that forms an accelerating electric field that accelerates the ions;
a modulation unit for modulating the frequency of the accelerating electric field;
a kick portion disposed between the magnetic poles of the pair of magnets and providing a kick action from the stable region to the ions orbiting by the magnetic field formed by the magnetic poles;
a disturbance unit that generates a disturbance electric field that disturbances the ions in the radial direction;
a high-frequency electric field control unit that controls the electric field for acceleration;
high-frequency electric field amplitude determination means for inputting the amplitude value of the acceleration electric field to the high-frequency electric field control unit;
a disturbance intensity control unit that controls the electric field for disturbance;
with
Circular trajectories of a plurality of annular ions formed by the pair of magnets, in which ions of different energies respectively circulate, have an area where orbits are concentrated and an area where the orbits are discrete,
The modulating unit periodically modulates the electric field frequency according to a period,
The high-frequency electric field amplitude determining means determines the voltage amplitude according to the energy of the irradiated beam,
The ion source outputs ions during a period in which the frequency of the accelerating electric field is a specific value,
the value of the frequency at which the ions are output is deviated from the orbital frequency corresponding to the energy of the extracted beam;
An accelerator in which ions output from the ion source are ions output in another cycle and are accelerated until they have approximately the same energy as ions already in a circulating state.
前記ビーム量監視手段によって得られる周回ビーム量に基づいて、前記イオンを出力するか否かを判断する
請求項1に記載の加速器。 Furthermore, a beam amount monitoring means is provided,
2. The accelerator according to claim 1, wherein whether or not to output said ions is determined based on the circulating beam amount obtained by said beam amount monitoring means.
前記加速器および前記照射装置を制御する制御装置と、
を備える
粒子線治療システム。 an irradiation device for irradiating a target with ions accelerated by the accelerator according to any one of claims 1 to 4;
a control device that controls the accelerator and the irradiation device;
A particle beam therapy system with
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