JP6899754B2 - Circular accelerator and particle beam therapy system - Google Patents
Circular accelerator and particle beam therapy system Download PDFInfo
- Publication number
- JP6899754B2 JP6899754B2 JP2017217881A JP2017217881A JP6899754B2 JP 6899754 B2 JP6899754 B2 JP 6899754B2 JP 2017217881 A JP2017217881 A JP 2017217881A JP 2017217881 A JP2017217881 A JP 2017217881A JP 6899754 B2 JP6899754 B2 JP 6899754B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- circular accelerator
- magnetic field
- accelerator
- ions
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims description 38
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 title claims description 12
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 59
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 39
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 28
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims description 27
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 8
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 8
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 6
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 claims 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 29
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 8
- 239000001064 degrader Substances 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 4
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 3
- -1 carbon ions Chemical class 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000011017 operating method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000001568 sexual effect Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N5/00—Radiation therapy
- A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
- H05H13/02—Synchrocyclotrons, i.e. frequency modulated cyclotrons
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Pathology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
- Radiation-Therapy Devices (AREA)
Description
本発明は陽子または炭素イオン等の重イオンを加速する加速器に関する。 The present invention relates to an accelerator that accelerates heavy ions such as protons or carbon ions.
本発明の背景技術として、特許文献1に「エネルギーが異なるイオンビームを効率良く出射できる加速器を提供する。」として、「加速器は、円形のリターンヨークを含む円形の真空容器を有する。入射用電極が、真空容器の中心軸よりも、リターンヨーク内のビーム出射経路の入口側に配置される。磁極が、リターンヨーク内で入射用電極の周囲において入射用電極ら放射状に配置される。凹部が、リターンヨークの周方向で磁極と交互に配置される。真空容器内において、入射用電極を中心とする複数のビーム周回軌道が存在する軌道同心領域、及びこの領域の周囲に、入射用電極から偏心した複数のビーム周回軌道が存在する軌道偏心領域が形成される。軌道偏心領域では、入射用電極とビーム出射経路の入口の間でビーム周回軌道が密になり、入射用電極を基点にしてビーム出射経路の入口の180°反対側でビーム周回軌道相互間の間隔が広くなる」という発明が開示されている。 As a background technique of the present invention, Patent Document 1 states, "Providing an accelerator capable of efficiently emitting ion beams having different energies." "The accelerator has a circular vacuum vessel including a circular return yoke. Incident electrode. Is arranged closer to the inlet side of the beam emission path in the return yoke than the central axis of the vacuum vessel. The magnetic poles are arranged radially around the incident electrode in the return yoke from the incident electrode. , Alternate with magnetic poles in the circumferential direction of the return yoke. In the vacuum vessel, in the orbital concentric region where there are multiple beam orbits centered on the incident electrode, and around this region, from the incident electrode An orbital eccentric region is formed in which a plurality of eccentric beam orbits exist. In the orbital eccentric region, the beam orbits become dense between the incident electrode and the entrance of the beam emission path, and the beam orbit is dense with the incident electrode as a base point. The invention that the distance between the beam orbits becomes wider on the 180 ° opposite side of the entrance of the beam emission path is disclosed.
特許文献1に記載の可変エネルギー加速器は主磁場中を周回するビームを高周波電場で加速する類型の加速器である。このような加速器は放射線医療分野における利用を期待されているが、医療施設における設置スペースを効率的に使う上では、小型であることが望ましい。そこで本発明は、小型化を図りやすい可変エネルギー加速器を提供することを課題とする。 The variable energy accelerator described in Patent Document 1 is a type of accelerator that accelerates a beam orbiting in a main magnetic field with a high-frequency electric field. Although such accelerators are expected to be used in the field of radiology, they are desirable to be small in order to efficiently use the installation space in medical facilities. Therefore, an object of the present invention is to provide a variable energy accelerator that can be easily miniaturized.
上記した目的を達成するにあたり代表的な本発明の円形加速器の一つは、イオンを加速させてイオンビームを生成する円形加速器において、前記イオンが加速される軌道面を内包した電磁石、前記イオンを加速させるための電場を形成する高周波空胴、加速後の前記イオンを取り出すための出射経路、を有し、前記電磁石は、前記軌道面の重心および前記出射経路の基端部との間において磁束密度が最大となり、前記磁束密度が最大となる点から前記軌道面の外縁に向けて磁束密度が漸減する磁場分布を前記軌道面上に形成し、前記高周波空胴は、前記電場を形成するための第1電極および前記第1電極に印加する電力の周波数を変調する周波数変調器を備えることを特徴とする。 One of the representative circular accelerators of the present invention in achieving the above object is an electromagnet including an orbital surface in which the ions are accelerated in a circular accelerator that accelerates ions to generate an ion beam, and the ions. It has a high-frequency cavity that forms an electric field for acceleration and an emission path for extracting the ions after acceleration, and the electromagnet has a magnetic flux between the center of gravity of the orbital surface and the base end of the emission path. To form a magnetic field distribution on the orbital surface in which the magnetic flux density gradually decreases toward the outer edge of the orbital surface from the point where the density becomes maximum and the magnetic flux density becomes maximum, and the high-frequency cavity forms the electric field. The first electrode and the frequency modulator for modulating the frequency of the electric field applied to the first electrode are provided.
本発明によれば、小型化を図りやすい可変エネルギー加速器を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a variable energy accelerator that can be easily miniaturized.
本発明の好適な一実施例である実施例1の加速器を図1〜図6を用いて以下に説明する。 The accelerator of Example 1, which is a preferred embodiment of the present invention, will be described below with reference to FIGS. 1 to 6.
本実施例の加速器1は周波数変調型可変エネルギー加速器である。この加速器1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。図1はその外観を示す。加速器1は上下に分割可能な電磁石11を有し、これら電磁石11によって、加速中のビームが通過する真空領域(以下、軌道面と呼ぶ)に主磁場を励起する。
The accelerator 1 of this embodiment is a frequency modulation type variable energy accelerator. This accelerator 1 is a circular accelerator that has a magnetic field constant with time as a main magnetic field and accelerates protons orbiting in the main magnetic field by a high-frequency electric field. Figure 1 shows its appearance. The accelerator 1 has
図1に基づき加速器1の大まかな外観を説明する。まず電磁石11の表面には、加速器1の内部と外部と連通させるための軌道面貫通口が複数設けられている。これらの貫通口は主に、加速器1の内部に設置される機器に対する電流供給線や、それらの機器に接続された信号線を外部空間へ引き出すために設けられるものと、加速されたビームを取り出す用途のために設けられているものがある。図1はその例を示しており、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のコイル13に接続される導体を外部に引き出すための貫通口112、113、高周波電力入力用貫通口114が設けられている。
A rough appearance of the accelerator 1 will be described with reference to FIG. First, on the surface of the
図1において貫通口114に接続されている機器は、周波数変調機能を有する高周波電源である。この高周波電源は貫通口114を介して、電磁石11の内空部に設置されるディー電極(第1電極)221に接続される。高周波電源は、電磁石11の内空部で周回するイオンを加速するために適切な周波数で電力を出力する機能を有しており、図1に示す例では回転式可変容量キャパシタ212を備えている。容量はサーボモータ214によって制御されるものを例示しているが、これに限られるものではない。なお回転式可変容量キャパシタ212に対して電力を供給するための供給線などは、図面上、省略している。
The device connected to the through
また電磁石11の上面部に設けられた貫通口115はイオンの導入経路であり、この貫通口115を介して加速すべきイオンが、電磁石11の内空部、より正確には、電磁石11の内空部に存在する加速の軌道によって定義される概ね円盤状の空間(軌道面20)へと供給される。イオンを導入する貫通口115の位置は、一般的な円形加速器と異なっており、後段にて詳細に説明する。
Further, the
また図1には加速器1の外観を説明するにあたり最低限の構成のみを示している。実際には、加速器1の内部を真空に維持するための真空ポンプや、温度条件を管理するために温調手段が設けられているが、これらは省略している。 Further, FIG. 1 shows only the minimum configuration for explaining the appearance of the accelerator 1. Actually, a vacuum pump for maintaining the inside of the accelerator 1 in a vacuum and a temperature control means for controlling the temperature condition are provided, but these are omitted.
次に、加速器1の内部構造について図2を用いて説明する。図2は、図1に示す加速器1の電磁石11を上下に分割し、下側となる電磁石11を上から見た図である。貫通口115の有無など一部は違いがあるものの、基本的には、図2の上側の電磁石11を下から見ると同様の構造を有する。また、以降の説明では、電磁石11について上側、下側等の区別は省略し、単に電磁石11と呼ぶ。
Next, the internal structure of the accelerator 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a view in which the
電磁石11は、主な構成として、リターンヨーク部121、天板部122、円柱状の磁極部123、コイル13を有する。
The
リターンヨーク部121は肉厚の円筒状の部材であり、上下の電磁石11を連結する際に、それぞれの一端が接触部となる。またこの接触部に対して反対側の端部は天板部122と連結されている。天板部122は、リターンヨーク部121の外径と実質的に一致する直径を有する円盤状の部材である。したがって、リターンヨーク部121と天板部122を締結した構造の外観は、片方の端部が閉じられた円筒状の構造体となる。
The
このような構造体において内筒に相当する空間に磁極部123が形成される。磁極部123は天板部122を基部とし、リターンヨーク部121の内筒側の空間に張り出す柱状の部材である。ただしリターンヨーク部121とは異なり、上下に対向配置された電磁石11を連結する際には、対向する磁極部123は互いに接触せず間隙を形成する程度に天板部122から張り出している。
In such a structure, the
これらリターンヨーク部121、天板部122、磁極部123は純鉄のインゴットから削り出し加工によって形成するが、それぞれの部位に対応する部材は、個別に削り出した後に連結してもよいし、加工装置や用意できるインゴットの大きさに応じて一体的に削り出してもよい。また当然ながら、大型の部材は、より小さいパーツを組み合わせて形成してもよい。
The
リターンヨーク部121と磁極部123との間にはコイル13が設置され、図2に示すようにコイル13の内径は磁極部123の外径におおむね一致している。コイル13とリターンヨーク部121との間、コイル13と磁極部123との間はそれぞれ絶縁されている。貫通口112、113からコイル13に接続された導体が引き出され、加速器1の外部に設けられた電源と接続され、コイル13に電流を流すことによって磁極部123が磁化し、軌道面20に後述する所定の分布で磁場を励起する。
A
また上下一対に配置された磁極部123の互いの対向面に相当する表面(磁極面124)には、コイル13および磁極部123によって生じる磁場を微調整するためのコイルとして、トリムコイル60が設けられる。本実施例におけるトリムコイル60の態様は、図2に示すように複数の径が異なるコイル群であって、大きな径のコイル内径側により小さな径のコイルが配置されたものである。またそれぞれのコイルは、図2に示すように一方向に中心が偏る配置をとる。トリムコイル60と磁極面124との間には図示しない絶縁部材によって絶縁され、磁極面124に対して非磁性の部材や接着剤を用いて固定されている。トリムコイル60を構成するそれぞれのコイルに通電される電流の大きさは個別調整可能であり、コイル13と同様に貫通口112、113を介して外部電源に接続される。各系統個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ている。
Further, a
このような機械的構造を有する加速器1により、イオン源12から供給されたイオンを加速しイオンビームは生成され、加速中のイオンの軌道によって軌道面20が定義される。軌道面20の位置は、先に述べたリターンヨーク部121を上下に連結した際に形成される空間内にあり、上下の磁極面124に対して等距離の関係にある。なお軌道面20は、厳密には平面ではなく厚みを有する円盤状の空間だが、説明の便宜上、リターンヨーク部121の内径よりも小さい直径の円状の領域として取り扱う。
The accelerator 1 having such a mechanical structure accelerates the ions supplied from the
軌道面20には、所望の加速のために必要となる磁場分布が形成される。円柱状の磁極部123を設けることで、軌道面20において必要な磁場強度の大部分、すなわち図5に示す例であれば軌道面20の全体にわたって4.9Tの磁場を発生させることができる。なお、軌道面20において発生させるべき磁場分布は、イオン源12から供給されるイオンが軌道面20の上に乗る際の位置(入射点)を最大として、その位置から軌道面20の外縁(すなわちコイル13の内径面)に向かうにつれて漸減するものであり、このような磁場強度の分布は後述するトリムコイル60によって実現される。
The
すなわちトリムコイル60を複数の径が異なるコイルによって構成し、各コイルにより生じる磁場を重畳させることで軌道面20における磁場に不均一性を生じさせる。本実施例のように入射点における磁場を最大としたい場合、入射点を中心軸が通過するように、トリムコイル60のうち最小径のコイルを配置することで、入射点の位置にトリムコイル60を構成する全コイル由来の磁場を重畳させ最大化することができる。ただしこの態様に限ることなく、磁極部123の形状を必要な磁場分布に応じたものとしてもよい。すなわち磁極面124が入射点に向かって突出するような円錐状または凸形状となるように加工してもよい。この場合、トリムコイル60を省略、またはコイルの配置数を少なくできるため工数等を低減できる。
That is, the
一方、本実施例のように円柱状の磁極部123とその表面に設けられたトリムコイル60の組み合わせは、リターンヨーク部121を上下で結合した際に、円柱状の磁極部123の対向面およびリターンヨーク部121の内径面から定められる空間を、磁極部123の形状を円錐状とする場合と比較して広く設けることができる。そのために後述するディー電極やキッカ磁場発生用コイル311の設置作業が容易となり、また配置の微調整などもしやすくなるという利点がある。本実施例は、磁極部123とトリムコイル60の組み合わせで磁場分布を形成しており、磁極部123の軌道面20に対する表面は、軌道面20に対して平行なものを採用した。
On the other hand, the combination of the columnar
続いて、本実施例においてイオンを加速させるための機器について説明する。 Subsequently, the device for accelerating the ions in this embodiment will be described.
ビームを生成するにあたり、まず入射部130から低エネルギーの状態でイオンが加速器1に入射される。入射部130はイオン源12が設置されおり、貫通口115を通じて外部からイオンの発生に必要な電力を供給されている。イオン源12で生成されたイオンは引き出し電極に印加された電圧によって軌道面20に引き出される。引き出されたイオンは高周波空胴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る。
In generating the beam, first, ions are incident on the accelerator 1 from the
高周波空胴21はλ/4型の共振モードによって加速ギャップ223に電場を励起させ、この電場によりイオンを加速する。高周波空胴21に関し、特に磁極部123の間であって、図1における鉛直方向から見た際に軌道面20と重なり、軌道面の一部を覆うように設置された部分をディー電極と定義する。
The high-
また高周波空胴21は、入射点側を先端とし反対側を後端とすると、後端側に、ディー電極221と接続され、リターンヨーク部121に設けられた貫通口114を通じて高周波電源と接続される接続部を有している。接続部は高周波空胴21の一部に相当し、ディー電極221の一部と捉えてもよいが、説明の簡単のために上記のように定義する。
Further, assuming that the incident point side is the front end and the opposite side is the rear end, the
ディー電極221は、その形状を軌道面20に投影した際に、入射点近傍を中心として中心角が鋭角かつ出射経路の基端部に対して反対側へ広がる略扇形となるように形成される。なお後述のように対称軸を基準とするとディー電極221ほぼ左右対称の構造である。
When the shape of the
ビーム(加速状態にあるイオンの集合)はディー電極221と対向する接地電極222によって挟まれる加速ギャップ223に励起される電場によって加速される。この電場はディー電極に接続された高周波電源より発生させられるものであって、前述のビームの周回周波数に同期するために、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。この加速器1では電場の周波数はビームの周回周波数の1倍としている。なお、この電場の周波数は数十MHzであり、以降では高周波電場と呼ぶ。
The beam (a collection of ions in an accelerated state) is accelerated by an electric field excited by an
接地電極222は、ディー電極221とある程度のギャップ(加速ギャップ223)を間においてディー電極221の端面と平行に設けられており、換言すると、ディー電極221を扇形状とすると半径に相当する線に対しておおむね平行となっている。
The
ディー電極221に印加された電圧と接地電極222の電位との差により高周波電場は形成され、ビームは入射点を中心に軌道面20を一周するにあたって加速ギャップ223を2度通過する。2度の通過それぞれで加速を受けるが、ディー電極221から接地電極222に向かう加速と、接地電極222からディー電極221へ向かう加速とでは電位差を逆転させる必要がある。電位差を逆転する際の態様は様々だが、本実施例では、接地電極222は0Vを維持し、ディー電極221は高周波電源によりプラスとマイナスの双方へ同程度に電位が変化するものとしている。なお接地電極222は加速期間(所望のエネルギーを得るまでに要する時間)に電位が一定に保たれ、ディー電極221に印加される電圧がこの電位を基準に上下同程度に変更するように構成してもよい。
A high-frequency electric field is formed by the difference between the voltage applied to the
また、ディー電極221と接地電極222とは配置を入れ替えてもよい。すなわち接地電極222の端面がディー電極221の端面、ディー電極221の端面に接地電極222が配置されるように構成してもよい。
Further, the arrangement of the
上記の構成により加速されるビームは所定のエネルギーを有するまで加速された後に、加速器1から取り出される。ビームを加速器1の外に取り出す際には、キッカ磁場発生用コイル311が励磁される、キッカ磁場発生用コイル311は、磁極面124に設置されており、このコイルに電流を流すことにより、コイル13および磁極部123によって形成される主磁場に対して後述するキッカ磁場が重畳励磁される。
The beam accelerated by the above configuration is accelerated to have a predetermined energy and then taken out from the accelerator 1. When the beam is taken out of the accelerator 1, the kicker magnetic
また、磁極面124の一か所に取り出し用のセプタム電磁石312が設けられるが、このセプタム電磁石312の他にも取り出しに適したものを採用してよい。電磁石11の内部空間から外部へとビームを取り出す経路を出射経路とすると、電磁石11の内部空間側に張り出したセプタム電磁石312の端部が、出射経路の基端部となる。この出射経路の基端部は、軌道面20の重心(軌道面20を二次元の有限領域とした場合の幾何中心)、イオンの入射点、基端部の順序で一直線上に並ぶように設けられている。また出射経路の基端部は、軌道面20を周回するビームとの干渉を避けるために、磁極部123の外縁に沿うように設けられている。
Further, a
軌道面20を周回するビームは、キッカ磁場の存在下では、設計軌道からずらされ、セプタム電磁石312へ入射するよう移動し、その後、セプタム電磁石312の磁場によって形成される取り出しチャネル322に沿ってビームは加速器1の外に取り出される。なおキッカ磁場発生用コイル311は、周回中のビームに対して上記のような移動を実現させるものであれば配置は図2と異なっていてもよい。図2の配置は、キッカ磁場が小さくとも、セプタム電磁石312に至るまでの距離を確保することで十分な位置の変化を得ることができる。
The beam orbiting the
また、軌道面20において主磁場は設計軌道に対する面内の偏差(軌道面20と平行な磁場成分)がほぼ0となるように、磁極部123、コイル13、トリムコイル60、キッカ磁場発生用コイル311、取り出し用セプタム電磁石312の形状と配置は軌道面20に対して面対称としている。磁極部123、ディー電極221、コイル13、トリムコイル60の形状は、入射点および軌道面20の重心を通る直線に対して左右が線対称の形状となっており、主磁場も該直線に関して対称性を有している。なお、以降では特に断らない限り、主磁場とは軌道面20に直交する磁場とする。
Further, in the
次に、本加速器1の内部を周回するビームの軌道について述べる。軌道面20中をビームは周回しながら加速される。取り出し可能なビームの運動エネルギー(以降では単にエネルギーと呼ぶ)は最小70MeVから最大235MeVとして以降を説明するが、これに限られることはなく必要に応じてエネルギーの範囲は設定してよい。ビームを加速するにあたって、エネルギーが大きいほどビームの周回周波数は小さくなる。これらのエネルギーと周回周波数の関係を図3に示している。入射直後のエネルギーでは76MHz,235MeVに達したビームは59MHzで周回する。
Next, the trajectory of the beam orbiting the inside of the accelerator 1 will be described. The beam is accelerated while orbiting in the
ビームは安定的に周回する必要があるため、この安定性を実現するにあたって、磁極部123によって、主磁場はビームの軌道に沿っては一様であり、かつエネルギーが高くなるにつれ磁場が低下する分布となる。このような磁場下においては、ビームは、軌道面20の動径方向と軌道面20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。
Since the beam needs to orbit stably, in order to achieve this stability, the
各エネルギーの軌道は図4に示す。周回軌道は最も外側に最大エネルギー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、0MeVまで磁気剛性率(運動量と電荷の比)で51分割した都合51本の円軌道を図示している。点線は各軌道の同一の周回位相を結んだ線であり、等周回位相線と呼ぶ。この加速器1はビームの加速に従って、それぞれのエネルギーに対応するビームの設計軌道の中心が軌道面20内で一方向、特に軌道面20の重心よりも出射経路の基端部側に移動する。
The orbit of each energy is shown in FIG. The orbit has 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 51 circular orbits are divided into 51 by the magnetic rigidity (ratio of momentum and charge) from there to 0 MeV. Is illustrated. The dotted line is a line connecting the same orbital phases of each orbit, and is called an equal orbital phase line. In this accelerator 1, as the beam accelerates, the center of the design trajectory of the beam corresponding to each energy moves in one direction in the
各設計軌道中心の移動の結果、異なる運動エネルギーの軌道が互いに近接している箇所と互いに遠隔している領域が存在する。軌道同士の最近点を結ぶと各軌道に直交する線分となり、また、軌道同士の最遠点を結ぶと軌道に直交する線分となり、この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、軌道の形状と主磁場の分布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。等周回位相線は集約領域から周回位相π/20ごとにプロットしている。ディー電極221と対向する接地電極222の間に形成される加速ギャップ223は、軌道同士の最近点を結ぶ線分を基準としたときに±90度周回した等周回位相線に沿って設置される。
As a result of the movement of the center of each design trajectory, there are areas where orbits of different kinetic energies are close to each other and areas far from each other. When the latest points of the orbits are connected, a line segment orthogonal to each orbit is formed, and when the farthest points of the orbits are connected, a line segment orthogonal to the orbit is formed, and these two line segments exist on the same straight line. If this straight line is defined as the axis of symmetry, the shape of the orbit and the distribution of the main magnetic field are axisymmetric with respect to the plane that passes through the axis of symmetry and is perpendicular to the orbital plane. The equi-circular phase lines are plotted every orbital phase π / 20 from the aggregation region. The
上記のような軌道構成と軌道周辺での安定なベータトロン振動を生じさせるために、本実施例の加速器1においては設計軌道の偏向半径方向外側に行くにつれ磁場の値が小さくなる主磁場分布を形成している。また、設計軌道に沿って磁場は一定である。よって、設計軌道は円形となり、ビームのエネルギーが高まるにつれその軌道半径・周回時間は増大する。このような体系では設計軌道から半径方向に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に主磁場から復元力を受ける。 In order to generate the above-mentioned orbital configuration and stable betatron vibration around the orbit, in the accelerator 1 of this embodiment, the main magnetic field distribution in which the value of the magnetic field decreases toward the outside in the radial direction of deflection of the design orbit is used. Is forming. In addition, the magnetic field is constant along the design trajectory. Therefore, the design trajectory becomes circular, and the radius and orbit time of the beam increase as the energy of the beam increases. In such a system, particles that deviate slightly in the radial direction from the design orbit receive a restoring force that returns them to the design orbit, and at the same time, particles that deviate in the direction perpendicular to the orbital plane also receive a main magnetic field in the direction of returning to the orbital plane. Receives resilience from.
なお、設計軌道とは、エネルギーに応じてビームが描く軌道のことを指し、すなわち0MeVから252MeVまで連続的に定義できる軌道(0MeVの場合は点)の集合体のうちいずれかのエネルギーに対応する軌道を意味し、特定のエネルギーに対応する軌道のみを示すものではない。したがって「設計軌道から半径方向(動径方向)にずれる」とは、あるエネルギーに対応する本来の軌道から、エネルギーはほぼ変化しないもののその軌道からずれることを意味している。また上記の「復元力」とは、このように本来の軌道からずれたビームが、エネルギーに応じた設計軌道に戻す向きに受ける力を意味する。 The design orbit refers to the orbit drawn by the beam according to the energy, that is, corresponds to the energy of any of the aggregates of orbits (points in the case of 0MeV) that can be continuously defined from 0 MeV to 252 MeV. It means an orbit and does not indicate only an orbit corresponding to a specific energy. Therefore, "deviation from the design trajectory in the radial direction (radial direction)" means that the energy deviates from the original trajectory corresponding to a certain energy, although the energy hardly changes. Further, the above-mentioned "restoring force" means a force that the beam deviated from the original orbit in this way receives in the direction of returning to the design orbit according to the energy.
上記のような復元力は、ビームのエネルギーが大きくなるにつれて適切に磁場を小さくしていけば、常に設計軌道からずれた粒子は設計軌道に戻そうとする向きに働き、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・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。各エネルギーのビームにおける磁場の値を図5に示した。磁場は入射点で最大の5Tとなり、最外周では4.91Tまで低下する。 If the magnetic field is appropriately reduced as the beam energy increases, the above-mentioned restoring force will always cause particles that deviate from the design orbit to return to the design orbit and vibrate in the vicinity of the design orbit. Will be done. This makes it possible to stably orbit and accelerate the beam. The vibration centered on this design trajectory is called betatron vibration. The value of the magnetic field in the beam of each energy is shown in FIG. The magnetic field reaches a maximum of 5T at the incident point and drops to 4.91T at the outermost circumference.
イオンの加速のためには、高周波電源210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。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ーに対応して変調させる。
For accelerating the ions, high frequency power is introduced from the high
共振モードを用いた高周波空胴21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。そのために空胴の共振周波数も変更する必要が有る。その制御はディー電極221に接続された回転式可変容量キャパシタ212の静電容量を変化せることで行う。回転式可変容量キャパシタ212は回転軸に直接接続された導体版と外部導体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、ビームの加速に伴い回転軸213の回転角を変化させる。
The high-
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から低エネルギーのビームが出力され、軌道面20にビームが導かれる。軌道面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、そのエネルギー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。すなわち、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時に加速ギャップ223を通過させる。
The behavior of the beam from the beam incident to the extraction of the accelerator 1 will be described. First, a low-energy beam is output from the
すると、高周波電場の周波数とビームの周回周波数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。また逆に有る時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。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。 Then, since the frequency of the high-frequency electric field and the orbital frequency of the beam are synchronized at a ratio of exactly an integral multiple, the particles accelerated in the phase of the predetermined accelerating electric field are accelerated in the same phase in the next turn. On the other hand, a particle accelerated in a phase earlier than the acceleration phase has a larger acceleration amount than a particle accelerated in the acceleration phase, and therefore receives acceleration in a delayed phase in the next turn. On the contrary, a particle accelerated in a phase slower than the acceleration phase at that time has a smaller acceleration amount than a particle accelerated in the acceleration phase, so that the particle is accelerated in the advanced phase in the next turn. In this way, the particles at the timing deviated from the predetermined acceleration phase move in the direction of returning to the acceleration phase, and by this action, the particles can oscillate stably even in the phase plane (traveling direction) composed of the momentum and the phase.
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ーまで達する。所定の取り出しビームを目標のエネルギーで取り出すために、キッカ磁場発生用コイル311のいずれか一つもしくは複数のコイルが目標エネルギーを元に選択され所定の励磁電流が流される。
This vibration is called synchrotron vibration. That is, the accelerating particles are gradually accelerated while synchrotron oscillating, and reach a predetermined energy to be taken out. In order to extract a predetermined extraction beam with a target energy, one or a plurality of coils of the kicker magnetic
目標エネルギーのビームはキッカ磁場発生用コイル311に電流が流されていない場合はその設計軌道に沿って周回するが、キッカ磁場発生用コイル311に電流が流されていると、目標エネルギーに達したビームはキッカ磁場発生用コイル311起因のキック磁場によって軌道からずれる。すなわち、キッカ磁場発生用コイル311によって軌道面内のベータトロン振動が励起される。キッカ磁場発生用コイル311によるキックの位置と集約点の位置が適切な位置関係にある時、キッカ磁場発生用コイル311によるキックによって集約点においてビームを半径方向外側に変位させることが可能である。
The beam of the target energy orbits along the design trajectory when no current is passed through the kicker magnetic
ビームが主磁場中を周回しながら加速する一連の動作において、前述の通り軌道に対して垂直な面内の振動であるベータトロン振動と運動量ずれと加速高周波の位相における振動であるシンクロトロン振動をする。この二種の振動によってビームは所定のエネルギーまでそのビームをロスすることなく安定に加速することができる。しかしながら、上述の原理によって生じるベータトロン振動は軌道を外れた粒子に対して軌道に戻す方向の力、すなわち収束力が確保されることが必要であった。 In a series of operations in which the beam accelerates while orbiting in the main magnetic field, as described above, betatron vibration, which is vibration in the plane perpendicular to the orbit, momentum deviation, and synchrotron vibration, which is vibration in the phase of accelerated high frequency, are generated. To do. By these two kinds of vibrations, the beam can be stably accelerated to a predetermined energy without losing the beam. However, the betatron vibration generated by the above-mentioned principle needs to secure a force in the direction of returning the particles that have deviated from the orbit, that is, a converging force.
軌道変位に対して比例して収束力が大きくなる体系では大きな変位でも安定にベータトロン振動することが可能であるが、本加速器を含め、一般的な加速器の磁場分布には六極以上の変位に対して非線形に変化する成分がある。非線形な分布は収束力を低下させ、ベータトロン振動の振幅に上限を生じさせる。上限を超えて変位した粒子は失われるため、ビーム量を確保するには磁場の非線形分布を減少させることと周回中のビームに対して与えられる擾乱を小さくする必要がある。この擾乱への対策として、主磁場を先に述べた分布になるよう形成している。 In a system in which the convergence force increases in proportion to the orbital displacement, it is possible to stably oscillate betatron even with a large displacement, but the magnetic field distribution of general accelerators including this accelerator has a displacement of 6 poles or more. There is a component that changes non-linearly with respect to. The non-linear distribution reduces the convergence force and raises an upper limit on the amplitude of the betatron oscillation. Since particles displaced beyond the upper limit are lost, it is necessary to reduce the non-linear distribution of the magnetic field and reduce the disturbance given to the orbiting beam in order to secure the beam amount. As a countermeasure against this disturbance, the main magnetic field is formed so as to have the distribution described above.
またビームに対して与えられる擾乱の一つに、高周波電場による加速に由来するものがある。ビームは加速を受けた時点ではその空間的な位置を変えないのに対し、加速によって運動エネルギーが増加する。すると、加速前に設計軌道上にいたイオンも運動エネルギーが変化したことによって設計軌道が外にずれ、設計軌道から見た変位として内側に移動する擾乱を受けたことになる。換言すると、加速前の設計軌道から加速後の設計軌道への遷移によって、加速前の設計軌道に対して安定的であったベータトロン振動が、加速後の設計軌道を基準とした際にこの設計軌道よりも内側にて生じているものとなる。これを加速に伴う擾乱と定義する。加速に伴う擾乱によって生じるベータトロン振動の振幅が大きくならないようにする工夫が本実施例の加速器1のディー電極221には施されている。
In addition, one of the disturbances given to the beam is derived from acceleration by a high-frequency electric field. The beam does not change its spatial position when it is accelerated, whereas the acceleration increases the kinetic energy. Then, the ions that were on the design orbit before the acceleration also moved outward due to the change in kinetic energy, and were disturbed by moving inward as a displacement seen from the design orbit. In other words, the transition from the pre-acceleration design trajectory to the post-acceleration design trajectory causes the betatron vibration, which was stable with respect to the pre-acceleration design trajectory, to be designed based on the post-acceleration design trajectory. It is generated inside the orbit. This is defined as the disturbance that accompanies acceleration. The
ディー電極221と接地電極222の間隙においてビームは加速されるが、一周当たりディー電極221に覆われた領域にビームが入る時とディー電極221から出るときの都合2回の加速を受ける。この2回の加速によって生じるビームの変位を、ディー電極221の形状を適正化することで互いに打ち消しあって小さくすることができる。その原理について図6を参照しつつ説明する。ベータトロン振動を記述するために規格化位相空間の概念を導入する。
The beam is accelerated in the gap between the
位相空間とは設計軌道から見た変位と設計軌道に対する傾きを軸として定められる平面であり、安定的なベータトロン振動をする粒子は位相空間上で周回運動をする。位相空間をさらに軌道の各点ごとのTwiss parameterによって表される規格化行列によって規格化したものを規格化位相空間といい、加速を受けていない状況では、粒子のベータトロン振動は規格化位相空間上での時計回りの円運動と見做すことができる(A)。図6に示すようにビームが軌道面20を1周すると規格化位相空間を2πνの角度だけ円運動する。ただしνはベータトロン振動数であり、水平方向のベータトロン振動数は1より微小に小さい0.99程度である。また実空間で考えると、x=0が設計軌道の位置に対応する。
The phase space is a plane defined by the displacement seen from the design trajectory and the inclination with respect to the design trajectory, and the particles having stable betatron vibration orbit in the phase space. The phase space is further normalized by the normalized matrix represented by the Twiss parameter for each point of the orbit, which is called the normalized phase space. In the unaccelerated situation, the betatron vibration of the particle is the normalized phase space. It can be regarded as a clockwise circular motion above (A). As shown in FIG. 6, when the beam goes around the
さて、規格化位相空間中で円運動する粒子に対して、加速の擾乱は規格化位相空間中の空間方向の移動と見ることができる。高周波との同期条件から二か所の加速ギャップは互いに周回軌道上で角度π離れる必要がある。すると、一方の加速ギャップから他方の加速ギャップへ向かう運動は規格化位相空間上では角度πνの円運動となる。 Now, for particles that move circularly in a normalized topological space, the disturbance of acceleration can be seen as a movement in the spatial direction in a normalized topological space. Due to the synchronization condition with high frequency, the two acceleration gaps need to be separated from each other by an angle of π on the orbit. Then, the motion from one acceleration gap to the other acceleration gap becomes a circular motion with an angle of πν on the normalized topological space.
ここで粒子が、ある加速ギャップを通過する瞬間を考えると、この通過で受けた加速に伴う擾乱により、規格化位相空間上において粒子は内側(x<0)に変位する(B)。つづいてνがほぼ1であることから、この粒子は、もう一方の加速ギャップに達するまでに規格化移動空間上で角度πνの円運動を終え、ほぼ変位が外向き(x>0)になった上で設計軌道にほぼ平行(x’≒0)になる(C)。そしてもう一方の加速ギャップを通過時に再度、加速に伴う擾乱を受ける。すると、本実施例の配置のように対称軸に対して、左右が線対称の加速ギャップ配置では、前者の擾乱と後者の擾乱がほぼ等しい大きさとなる(D)。結果、B・C・Dの一連の規格化位相空間上の軌跡をほぼ閉じさせる、すなわち一周する間にうける加速に伴う擾乱を小さくでき、ベータトロン振動の振幅の増加を抑えることができる。 Considering the moment when the particle passes through a certain acceleration gap, the particle is displaced inward (x <0) in the normalized topological space due to the disturbance accompanying the acceleration received by this passage (B). Next, since ν is almost 1, this particle finishes a circular motion at an angle of πν in the normalized moving space by the time it reaches the other acceleration gap, and the displacement is almost outward (x> 0). After that, it becomes almost parallel to the design trajectory (x'≈0) (C). Then, when it passes through the other acceleration gap, it receives disturbance due to acceleration again. Then, in the acceleration gap arrangement in which the left and right sides are line-symmetric with respect to the axis of symmetry as in the arrangement of the present embodiment, the former disturbance and the latter disturbance have almost the same magnitude (D). As a result, the trajectories on the series of normalized phase spaces of B, C, and D can be almost closed, that is, the disturbance due to the acceleration received during one round can be reduced, and the increase in the amplitude of the betatron vibration can be suppressed.
上述の加速に伴う擾乱による規格化位相空間上の変位量Δxは軌道における分散関数η、加速によって得られる運動量Δp、粒子の運動量p、Twiss parameter βを用いて式1
によって表される。
The displacement Δx in the normalized phase space due to the disturbance caused by the acceleration described above is given by Eq. 1 using the variance function η in the orbit, the momentum Δp obtained by the acceleration, the momentum p of the particles, and the Twiss parameter β.
Represented by.
軌道上の対称軸に対して互いに対称な2点ではある運動量pの軌道におけるη、βは互いに等しく、加速ギャップ形状で定まるΔpも等しいため上記のように加速に伴う擾乱を小さくできる。さらに、運動量pが小さい箇所ではディー電極に入る時の加速によるΔp/pと出るときのΔp/pに差が生じる場合も考えられる。 Since η and β in the orbit of momentum p, which are two points symmetrical with respect to the axis of symmetry on the orbit, are equal to each other and Δp determined by the acceleration gap shape is also equal, the disturbance due to acceleration can be reduced as described above. Further, in a place where the momentum p is small, there may be a difference between Δp / p due to acceleration when entering the D electrode and Δp / p when exiting.
その場合は加速ギャップ223の位置は左右対称に保ちつつ、加速ギャップ223の幅すなわち、ディー電極221と接地電極222の間隔をディー電極221に入る側で大きくとり、トランジットタイムファクターを落とすことでΔpを小さくすることができる。この場合は、左右対称のディー電極形状とするよりも、非対称の形状をとることでさらに加速に伴う擾乱を小さくでき、結果として加速可能なビーム量を増加できる。
In that case, while keeping the position of the
また、電極に入る時の加速に伴う擾乱と電極から出るときの加速に伴う擾乱の大きさを調整するには加速ギャップの位置を微小にずらすことで高周波の同期位相をずらすことや、ディー電極あるいは接地電極形状を適切に変え、電場分布を左右で変えることなどが考えられる。いずれにせよ、ビームが加速器中を1周する際に擾乱を受けるが、擾乱を受けた結果生じる規格化位相空間上の軌跡を閉じた軌跡とすることでベータトロン振動振幅の増加の抑制は達成され、ひいては取り出し可能なビーム量の大きな小型加速器を実現可能となる。 In addition, in order to adjust the magnitude of the disturbance caused by the acceleration when entering the electrode and the disturbance caused by the acceleration when exiting the electrode, the position of the acceleration gap can be slightly shifted to shift the high frequency synchronization phase, or the D electrode. Alternatively, it is conceivable to change the shape of the ground electrode appropriately and change the electric field distribution on the left and right. In any case, the beam is disturbed when it makes one round in the accelerator, but the suppression of the increase in betatron vibration amplitude is achieved by making the trajectory in the normalized topological space resulting from the disturbance a closed trajectory. As a result, it becomes possible to realize a small accelerator with a large amount of beam that can be taken out.
以上で説明した本実施例の加速器1によれば、従来のサイクロトロンであれば、エネルギー変更のためにディグレーダー(減衰部材)を必要とし、これを通過させる際にイオンビームの大きな割合が損失していた。しかし、本実施例の加速器1は、ディグレーダーの設置を省略、あるいはエネルギーの微調整のために設置するとしても従来のように広範なエネルギー領域に対応する必要が無いため、イオンビームの遮蔽性能が低いディグレーダーの設置が可能となり、イオンビームの利用効率を高めることができる。またディグレーダーの設置を省略等することで、イオンビームがディグレーダーを通過する際に生じる中性子等の発生も抑えられ、これらを遮蔽するための遮蔽部材の物量を低減できる。すなわち加速器の配置自由度が向上し、設置のために要するスペースの効率化にも寄与する。 According to the accelerator 1 of the present embodiment described above, in the case of the conventional cyclotron, a degrader (attenuation member) is required for energy change, and a large proportion of the ion beam is lost when passing through the degrader (attenuation member). Was there. However, the accelerator 1 of this embodiment does not need to correspond to a wide energy region as in the conventional case even if the installation of the degrader is omitted or is installed for fine adjustment of energy, so that the ion beam shielding performance It is possible to install a degrader with a low energy level, and it is possible to improve the utilization efficiency of the ion beam. Further, by omitting the installation of the degrader, the generation of neutrons and the like generated when the ion beam passes through the degrader can be suppressed, and the amount of the shielding member for shielding these can be reduced. That is, the degree of freedom in arranging the accelerator is improved, which also contributes to the efficiency of the space required for installation.
また従来の可変エネルギー加速器やサイクロトロンは、軌道上の平均磁場をビームの相対論的γファクターに比例させることで、周回の時間をエネルギーに依らず一定としている(この性質を持つ磁場分布を等時性磁場と呼ぶ)。等時性磁場下では軌道に沿って磁場を変調させることで軌道面内と軌道面に垂直な方向のビーム安定性を確保しているが、等時性とビームの安定性を両立するためには磁場の極大部(Hill)と極小部(Valley)が必要である。この分布のついた非一様な磁場は、磁極間の距離(ギャップ)をHill領域では狭く、Valley領域では広くとることで形成することができる。しかしながら、Hill磁場とValley磁場の差は強磁性体である磁極材料の飽和磁束密度程度が実用上限界である。すなわち、Hill磁場とValley磁場の差は2テスラ程度に制限される。 In addition, conventional variable energy accelerators and cyclotrons make the orbital average magnetic field proportional to the relativistic γ factor of the beam to keep the orbital time constant regardless of energy (the magnetic field distribution with this property is isochronous). Called a sexual magnetic field). Under an isochronous magnetic field, the magnetic field is modulated along the orbit to ensure beam stability in the orbital plane and in the direction perpendicular to the orbital plane, but in order to achieve both isochronism and beam stability. Requires a maximum (Hill) and a minimum (Valley) of the magnetic field. A non-uniform magnetic field with this distribution can be formed by making the distance (gap) between the magnetic poles narrow in the Hill region and wide in the Valley region. However, the difference between the Hill magnetic field and the Valley magnetic field is practically limited to the saturation magnetic flux density of the magnetic pole material which is a ferromagnet. That is, the difference between the Hill magnetic field and the Valley magnetic field is limited to about 2 Tesla.
一方、上述の従来加速器を小型化する場合、主磁場を高めて、ビーム軌道の偏向半径を小さくすることが必要であるが、主磁場と前述のHill磁場とValley磁場の差は比例関係にあり、前述の飽和磁束密度による限界が小型化を阻む要因となってしまうが、本実施例の加速器であれば、このような制限が緩和される構造を採用しているため小型化を図ることが可能となる。 On the other hand, when miniaturizing the above-mentioned conventional accelerator, it is necessary to increase the main magnetic field and reduce the deflection radius of the beam orbit, but the difference between the main magnetic field and the above-mentioned Hill magnetic field and Valley magnetic field is in a proportional relationship. However, the above-mentioned limit due to the saturation magnetic flux density becomes a factor that hinders miniaturization, but the accelerator of this embodiment adopts a structure in which such a limitation is relaxed, so that miniaturization can be achieved. It will be possible.
第2の実施例は第1の実施例において、加速核種を炭素イオンとしたものである。本加速器は炭素イオンを核子当り運動エネルギー140MeV〜430MeVの範囲での取り出しが可能な周波数変調型可変エネルギー加速器である。動作原理・機器構成・操作手順は第1の実施例と同一であるので省略する。異なるのは軌道半径の大きさと磁場とエネルギーの関係、周回周波数とエネルギーの関係であるが、実施例1に示した加速器から、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実現できる。よって、実施例1と同様の手法によってビームが加速器中を1周する際に擾乱を受けるが、擾乱を受けた結果生じる規格化位相空間上の軌跡を閉じた軌跡とすることでベータトロン振動振幅の増加の抑制は達成され、ひいては取り出し可能なビーム量の大きな小型加速器を実現可能となる。 In the second embodiment, the accelerated nuclide is a carbon ion in the first embodiment. This accelerator is a frequency-modulated variable energy accelerator capable of extracting carbon ions in the range of kinetic energy of 140 MeV to 430 MeV per nucleon. Since the operating principle, device configuration, and operating procedure are the same as those in the first embodiment, they are omitted. The differences are the magnitude of the orbital radius and the relationship between the magnetic field and energy, and the relationship between the orbital frequency and energy. From the accelerator shown in Example 1, the product of the orbital radius and the magnetic field is proportional to the ratio of the magnetic rigidity of the beam. It can be realized by. Therefore, the beam is disturbed when it makes one round in the accelerator by the same method as in Example 1, but the betatron vibration amplitude is set to a closed trajectory in the normalized topological space resulting from the disturbance. Suppression of the increase in the beam is achieved, and it becomes possible to realize a small accelerator with a large amount of beam that can be taken out.
第3の実施例として実施例1または実施例2に挙げた加速器を用いた粒子線治療システムについて説明する。図7は本実施例の概要図である。 As a third embodiment, the particle beam therapy system using the accelerator described in Example 1 or Example 2 will be described. FIG. 7 is a schematic view of this embodiment.
粒子線治療システム410は、粒子線(イオンビーム)を生成する加速器1を有し、加速器1から出射されたイオンビームはダクト400の内部を進む。ダクト400の内部を進むイオンビームは、偏向電磁石401の機能によって所望の方向へ偏向され、この偏向電磁石401が複数台設けられることで任意の位置まで導かれる。またイオンビームを輸送する経路(輸送経路)には複数台の四極電磁石402が設置され、四極電磁石402の収束または発散作用によってイオンビームの状態が調整される。偏向電磁石401や四極電磁石402の出力は通過するイオンビームのエネルギーによって調整されるように構成されており、その調整は制御装置408によって制御されている。また、一部の偏向電磁石401は、回転軸407を中心に回転可能に構成されており、この回転により、後述する照射野形成装置を、患者409を中心とした任意の回転角まで運ぶことができる。なお各偏向電磁石401が施設床面や壁面に固定具を介して固定され、照射野形成装置を定位置に保持してもよい。
The particle
このような輸送機器を介して治療エリア近傍まで運ばれたイオンビームは照射野形成装置を通り患部に対して照射される。照射野形成装置には様々なタイプが存在するが、図7は走査電磁石403を2台使用している例を挙げている。2台の走査電磁石403は生成する磁場が互いに直交するものであって、2つの直交する磁場の出力をそれぞれ制御することにより、所望の位置へ向かうようイオンビームを偏向することができる。
The ion beam carried to the vicinity of the treatment area via such a transport device passes through the irradiation field forming device and irradiates the affected area. There are various types of irradiation field forming devices, and FIG. 7 shows an example in which two
走査電磁石403の下流(走査電磁石403よりも患者側)にはイオンビームの通過位置を検出する位置モニタ404や、照射されるイオンビームの線量を計測する線量モニタ405が設置される。各モニタについては、例えば、位置モニタとして多線式比例計数箱(multi wire porpotional chamber)、線量モニタとして電離箱が利用できる。当然ながら適した機能を有する異なる種類のモニタを利用してよい。
A position monitor 404 that detects the passing position of the ion beam and a
なお照射野形成装置は、走査電磁石403の下流側に散乱体、コリメータ、レンジシフタ、リッジフィルタ等のビーム成型部材やエネルギー調整部材が設けられている形式のものであってもよい。また走査電磁石403が設置されず散乱体のみが設置されている照射野形成装置であってもよい。また位置モニタ404や線量モニタ405の設置位置も、図7の位置に限られず、ビームの輸送経路の途中に設置してもよい。
The irradiation field forming device may be of a type in which a beam forming member such as a scatterer, a collimator, a range shifter, or a ridge filter or an energy adjusting member is provided on the downstream side of the
走査電磁石403の下流側には、患者409を治療に適した位置にて保持するための支持台406が設けられている。図7では省略しているが、この支持台406は制御装置408の制御により移動可能に構成されている。また支持台406は患者409が仰臥またはうつ伏せの姿勢をとることができるベッドタイプ、あるいは患者409が座位姿勢をとることに適した椅子のような形状をもつタイプなど任意のものを採用してよい。
On the downstream side of the
またこれまでに挙げた偏向電磁石401、四極電磁石402、走査電磁石403、位置モニタ404、線量モニタ405や支持台406は制御装置408によって動作が制御される。制御装置408は図示しない入力インターフェースを有しており、医療者またはその補助者の操作指示を受け付けることが可能となっている。なお、本実施例では制御装置408を一つの機器として説明したが、これは一例であって、制御対象ごとに対応する制御装置を用意して、これらを組み合わせて制御装置408としてもよい。
Further, the operation of the
以上に挙げた機器を構成に有する粒子線治療システム410は、照射対象である患部を照射するにあたり、体表を基準としたときの患部の位置(深さ)によって照射する陽子線あるいは炭素線(以下ではまとめて粒子線と呼ぶ)のエネルギーを適切な値にして患者に照射する。照射する粒子線のエネルギーは治療計画によって定められるが、治療計画が定めた粒子線のエネルギーと照射量の情報は制御装置408に入力される。これを受け取った制御装置408は、指示されたエネルギーおよび照射量の粒子線が出射されるよう加速器1を制御する。より具体的にはイオン源12に対してイオンの供給動作を要求し、加速器1の高周波電源210に対しては、図3のグラフで示す初期周波数(E=0)から目標周波数(E=目標エネルギー)に向かって漸減する周波数の出力を要求する。
The particle
それらの制御により目標エネルギーに達したイオンビームが生成されると、キッカ磁場発生用コイル311を動作させて設計軌道からイオンビームを蹴り出し、セプタム電磁石312を動作させてイオンビームを加速器1から出射させる。出射したイオンビームは偏向電磁石401や四極電磁石402によって方向や状態を制御されながらダクト400の内部を進行し、走査電磁石403によって計画された位置に向かうよう制御される。イオンビームの照射量は線量モニタ405によって計測され、目標とする照射量に達すると制御装置408が加速器1のキッカ磁場発生用コイル311やイオン源12の動作を停止させる。以降は、治療計画に定められた次のエネルギー、照射量に対応するよう上記の制御が繰り返される。
When an ion beam that has reached the target energy is generated by these controls, the kicker magnetic
本実施例の粒子線治療システムによれば、治療に必要な幅広いエネルギーのイオンビームが加速器1から出射されるため、従来のサイクロトロンを採用する粒子線治療システムと比較して、イオンビームの利用効率を飛躍的に向上することができる。また取り出し可能なビーム量が大きいため照射時間の短縮も図ることができ、施設で照射可能な時間当たりの患者数の増加も可能である。また、先に挙げたように磁場の制限が小さいため小型化を図りやすく、粒子線治療システム全体の小型化にも寄与する。 According to the particle beam therapy system of this embodiment, an ion beam having a wide range of energy required for treatment is emitted from the accelerator 1. Therefore, the utilization efficiency of the ion beam is compared with the particle beam therapy system using a conventional cyclotron. Can be dramatically improved. In addition, since the amount of beam that can be taken out is large, the irradiation time can be shortened, and the number of patients per hour that can be irradiated at the facility can be increased. Further, as mentioned above, since the limitation of the magnetic field is small, it is easy to miniaturize the particle beam therapy system as a whole, which contributes to the miniaturization of the entire particle beam therapy system.
以上、本発明の円形加速器およびこれを利用した粒子線治療装置について実施例を挙げて説明した。なお、本発明は上記した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。例えば、上記した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が可能であり、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・置換をすることが可能である。 In the above, the circular accelerator of the present invention and the particle beam therapy apparatus using the same have been described with reference to examples. The present invention is not limited to the above-described examples, and includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
例えば、上述の実施例における電磁石は、常伝導の一般的なコイルを採用したものを想定したが、超伝導コイルを用いた超伝導磁石を採用してもよい。また周波数変調器として、回転式可変容量キャパシタを例に挙げたが、これを可変容量式ダイオードに変更してもよい。また加速するイオンも陽子に限らず、ヘリウムや炭素などを採用してもよく、加速するイオン種と必要となるエネルギーに応じて、磁場分布および高周波空胴に印加する高周波の周波数を調整するとよい。 For example, as the electromagnet in the above-described embodiment, it is assumed that a general coil of normal conduction is adopted, but a superconducting magnet using a superconducting coil may be adopted. Further, as the frequency modulator, a rotary variable capacitor is given as an example, but this may be changed to a variable capacitance diode. Further, the accelerating ions are not limited to protons, but helium or carbon may be adopted, and the magnetic field distribution and the high frequency frequency applied to the high frequency cavity may be adjusted according to the accelerating ion species and the required energy. ..
1 加速器
11 電磁石
111 取り出しビーム用貫通口
112〜113 コイル接続用貫通口
114 高周波入力用貫通口
115 ビーム入射用貫通口
12 イオン源
13 コイル
121 リターンヨーク部
122 天板部
123 磁極部
124 磁極面
130 入射部
20 軌道面(軌道面)
21 高周波空胴
221 ディー電極(第1電極)
222 接地電極(第2電極)
223 加速ギャップ
210 高周波電源
211 入力カプラ
212 回転式可変容量キャパシタ(周波数変調器)
213 回転軸
214 サーボモータ
311 キッカ磁場発生用コイル
312 セプタム電磁石
322 取り出しチャネル
60 トリムコイル
400 ダクト
401 偏向電磁石
402 四極電磁石
403 走査電磁石
404 位置モニタ
405 線量モニタ
406 支持台
407 回転軸
408 制御装置
409 患者
410 粒子線治療システム
1
21 High-
222 Ground electrode (second electrode)
223
213 Rotating shaft 214
Claims (7)
前記イオンが加速される軌道面を内包し、前記軌道面に対して突出する磁極部を有する電磁石、
前記イオンを加速させるための電場を形成する高周波空胴、
加速後の前記イオンを取り出すための出射経路、を有し、
前記電磁石は、前記軌道面の重心および前記出射経路の基端部との間において磁束密度が最大となり、前記磁束密度が最大となる点から前記軌道面の外縁に向けて磁束密度が漸減する磁場分布を前記軌道面上に形成し、
前記磁極部は、前記磁極部の前記軌道面に相対する表面に複数の径が異なるコイルが、大きな径のコイル内径側により小さな径のコイルが置かれるように設けられる、または前記磁極部の前記軌道面に相対する表面が前記軌道面に向かって突出する凸形状を有し、
前記高周波空胴は、前記電場を形成するための第1電極および前記第1電極に印加する電力の周波数を変調する周波数変調器を備え、
前記第1電極は、前記第1電極を前記軌道面に投影した際に、中心角が鋭角かつ前記出射経路の基端部の反対側へ広がる略扇形となるように形成され、
前記扇形の円弧に相当する部分に前記周波数変調器との接続部が形成される
ことを特徴とする円形加速器。 In a circular accelerator that accelerates ions to generate an ion beam,
An electromagnet containing a raceway surface on which the ions are accelerated and having a magnetic pole portion protruding with respect to the raceway surface.
A high frequency cavity, which forms an electric field to accelerate the ions.
It has an emission path, for taking out the ions after acceleration, and has.
The electromagnet has a maximum magnetic flux density between the center of gravity of the orbital surface and the base end of the exit path, and the magnetic flux density gradually decreases toward the outer edge of the orbital surface from the point where the magnetic flux density is maximum. A distribution is formed on the orbital surface,
The magnetic pole portion is provided so that a plurality of coils having different diameters are placed on the surface of the magnetic pole portion facing the raceway surface so that a coil having a smaller diameter is placed on the inner diameter side of the coil having a larger diameter, or the magnetic pole portion. The surface facing the raceway surface has a convex shape protruding toward the raceway surface, and has a convex shape.
The high-frequency cavity includes a first electrode for forming the electric field and a frequency modulator that modulates the frequency of power applied to the first electrode .
When the first electrode is projected onto the raceway surface, the first electrode is formed so as to have an acute angle and a substantially fan shape extending to the opposite side of the base end portion of the emission path.
A circular accelerator characterized in that a connection portion with the frequency modulator is formed in a portion corresponding to the fan-shaped arc.
略扇形の前記第1電極において半径に相当するそれぞれの辺に対してギャップを置いて対向するように設けられた第2電極を有し、
前記第2電極は、前記イオンの加速期間において略等電位に保たれる
ことを特徴とする。 The circular accelerator according to claim 1.
The substantially fan-shaped first electrode has a second electrode provided so as to face each other with a gap between the sides corresponding to the radius.
The second electrode is characterized in that it is maintained at a substantially equipotential potential during the acceleration period of the ions.
前記第1電極および前記第2電極は、前記出射経路の基端部と前記軌道面の重心とを結ぶ直線に対して前記ギャップの配置が略線対称となるように設置される
ことを特徴とする円形加速器 The circular accelerator according to claim 2.
The first electrode and the second electrode are characterized in that the arrangement of the gap is substantially line-symmetric with respect to a straight line connecting the base end portion of the emission path and the center of gravity of the raceway surface. Circular accelerator
前記第1電極および前記第2電極は、前記出射経路の基端部と前記軌道面の重心とを結ぶ直線に対して前記ギャップの大きさが非対称となるように設置される
ことを特徴とする円形加速器。 The circular accelerator according to claim 2.
The first electrode and the second electrode are installed so that the size of the gap is asymmetric with respect to a straight line connecting the base end portion of the emission path and the center of gravity of the raceway surface. Circular accelerator.
前記第1電極および前記第2電極は、前記軌道面において加速されるイオンが前記ギャップを通過する際に受ける擾乱について前記出射経路の基端部と前記軌道面の重心とを結ぶ直線に対して対称性を有するように設置される
ことを特徴とする円形加速器。 The circular accelerator according to claim 2.
The first electrode and the second electrode refer to a straight line connecting the base end of the exit path and the center of gravity of the orbital plane with respect to the disturbance received when the ions accelerated on the orbital plane pass through the gap. A circular accelerator characterized in that it is installed so as to have symmetry.
前記周波数変調器は回転式可変容量コンデンサを有する
ことを特徴とする円形加速器。 The circular accelerator according to any one of claims 1 to 5.
The frequency modulator is a circular accelerator characterized by having a rotary variable capacitance capacitor.
前記円形加速器にて生成されたイオンビームを輸送する輸送経路、
前記輸送経路を介して輸送されたイオンビームを偏向して所望の照射野を形成する照射野形成装置、
を備える粒子線治療装置。 The circular accelerator according to any one of claims 1 to 6.
A transportation path for transporting an ion beam generated by the circular accelerator,
An irradiation field forming device that deflects an ion beam transported through the transport path to form a desired irradiation field.
A particle beam therapy device comprising.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017217881A JP6899754B2 (en) | 2017-11-13 | 2017-11-13 | Circular accelerator and particle beam therapy system |
PCT/JP2018/039216 WO2019093110A1 (en) | 2017-11-13 | 2018-10-22 | Circular accelerator and particle beam treatment system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017217881A JP6899754B2 (en) | 2017-11-13 | 2017-11-13 | Circular accelerator and particle beam therapy system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019091553A JP2019091553A (en) | 2019-06-13 |
JP6899754B2 true JP6899754B2 (en) | 2021-07-07 |
Family
ID=66437721
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017217881A Active JP6899754B2 (en) | 2017-11-13 | 2017-11-13 | Circular accelerator and particle beam therapy system |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6899754B2 (en) |
WO (1) | WO2019093110A1 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7399127B2 (en) * | 2021-02-08 | 2023-12-15 | 株式会社日立製作所 | Accelerator and particle therapy systems |
JP2023084781A (en) * | 2021-12-08 | 2023-06-20 | 株式会社日立製作所 | Circular accelerator and particle beam therapy system |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000164399A (en) * | 1998-11-30 | 2000-06-16 | Mitsubishi Electric Corp | Cyclotron device |
EP1977632A2 (en) * | 2006-01-19 | 2008-10-08 | Massachusetts Institute Of Technology | High-field superconducting synchrocyclotron |
US10117320B2 (en) * | 2014-12-08 | 2018-10-30 | Hitachi, Ltd. | Accelerator and particle beam irradiation system |
-
2017
- 2017-11-13 JP JP2017217881A patent/JP6899754B2/en active Active
-
2018
- 2018-10-22 WO PCT/JP2018/039216 patent/WO2019093110A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2019093110A1 (en) | 2019-05-16 |
JP2019091553A (en) | 2019-06-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7002952B2 (en) | A circular accelerator, a particle beam therapy system equipped with a circular accelerator, and how to operate the circular accelerator | |
CN109923946B (en) | circular accelerator | |
WO2019097721A1 (en) | Particle beam therapy system, accelerator, and method for operating accelerator | |
US11097126B2 (en) | Accelerator and particle therapy system | |
JP7240262B2 (en) | Accelerator, particle beam therapy system and ion extraction method | |
JP6899754B2 (en) | Circular accelerator and particle beam therapy system | |
WO2020044604A1 (en) | Particle beam accelerator and particle beam therapy system | |
JP2019096404A (en) | Circular accelerator and particle therapy system | |
JP7359702B2 (en) | Particle beam therapy system, ion beam generation method, and control program | |
JP7319144B2 (en) | Circular Accelerator, Particle Beam Therapy System, Operation Method of Circular Accelerator | |
US20240306286A1 (en) | Accelerator and particle therapy system | |
JP2022026175A (en) | Accelerator and particle beam therapy device | |
WO2022130680A1 (en) | Accelerator and particle beam therapy device | |
JP7465042B2 (en) | Circular accelerator and particle beam therapy system | |
WO2018051425A1 (en) | Beam extraction method and circular accelerator using same | |
JP2025009170A (en) | Circular accelerator, particle beam therapy system, and method for controlling circular accelerator | |
WO2024004238A1 (en) | Accelerator and particle beam therapy device | |
JP6663618B2 (en) | Accelerator and particle beam irradiation device | |
JP2024055638A (en) | Circular accelerator, particle beam therapy device, and method of operating the circular accelerator | |
WO2023162640A1 (en) | Accelerator and particle beam treatment system comprising accelerator | |
JP2024092822A (en) | Accelerator and particle beam therapy system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200814 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210323 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210427 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210518 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210615 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6899754 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |