[go: up one dir, main page]

JP7485593B2 - Accelerators and particle beam therapy equipment - Google Patents

Accelerators and particle beam therapy equipment Download PDF

Info

Publication number
JP7485593B2
JP7485593B2 JP2020206572A JP2020206572A JP7485593B2 JP 7485593 B2 JP7485593 B2 JP 7485593B2 JP 2020206572 A JP2020206572 A JP 2020206572A JP 2020206572 A JP2020206572 A JP 2020206572A JP 7485593 B2 JP7485593 B2 JP 7485593B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
magnetic field
region
particle beam
charged particle
accelerator
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
Application number
JP2020206572A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022093859A (en
Inventor
裕人 中島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2020206572A priority Critical patent/JP7485593B2/en
Priority to PCT/JP2021/028894 priority patent/WO2022130680A1/en
Publication of JP2022093859A publication Critical patent/JP2022093859A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7485593B2 publication Critical patent/JP7485593B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00Radiation therapy
    • A61N5/10X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21KTECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K5/00Irradiation devices
    • G21K5/04Irradiation devices with beam-forming means
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/02Synchrocyclotrons, i.e. frequency modulated cyclotrons
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/10Arrangements for ejecting particles from orbits

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)

Description

本開示は加速器および粒子線治療装置に関わる。 This disclosure relates to accelerators and particle beam therapy devices.

がん治療法の一つである粒子線治療は、陽子や炭素イオンなどの荷電粒子ビームを患部に照射する。粒子線治療に用いる粒子線治療装置では、荷電粒子ビームのエネルギーと空間的な広がりとを調整し、患部形状に合わせた線量分布を形成する。 Particle beam therapy, a cancer treatment method, irradiates the affected area with a beam of charged particles such as protons or carbon ions. The particle beam therapy equipment used in particle beam therapy adjusts the energy and spatial spread of the charged particle beam to form a dose distribution that matches the shape of the affected area.

粒子線治療装置には、加速器、ビーム輸送系、および照射装置が含まれる。加速器は、荷電粒子ビームを、治療に用いるエネルギーとなるまで加速する装置である。粒子線治療に用いられる加速器として、シンクロトロン、サイクロトロン、シンクロサイクロトロンなどが挙げられる。 Particle beam therapy equipment includes an accelerator, a beam transport system, and an irradiation device. An accelerator is a device that accelerates a charged particle beam until it has the energy required for treatment. Examples of accelerators used in particle beam therapy include synchrotrons, cyclotrons, and synchrocyclotrons.

加速器の小型化によって粒子線治療装置の小型化が実現される。荷電粒子ビームを偏向するための電磁石として、超伝導磁石を用いることで、加速器の小型化が可能である。超伝導電磁石を適用した加速器の一例として、非特許文献1に記載のシンクロサイクロトロンがある。 By miniaturizing the accelerator, the particle beam therapy device can be made smaller. By using a superconducting magnet as the electromagnet for deflecting the charged particle beam, the accelerator can be made smaller. One example of an accelerator that uses a superconducting electromagnet is the synchrocyclotron described in Non-Patent Document 1.

シンクロサイクロトロンでは、超伝導コイルによって形成された静磁場中を粒子ビームが周回し、粒子ビームはその周回に同期した高周波加速電場によって加速される。シンクロサイクロトロンにおいては、ビームの加速に伴ってビームの周回周波数が減少していくため、高周波加速電場の周波数は、周回周波数の減少に合わせて変調される。 In a synchrocyclotron, a particle beam orbits in a static magnetic field formed by a superconducting coil, and is accelerated by a radio-frequency acceleration electric field synchronized with the orbit. In a synchrocyclotron, the orbital frequency of the beam decreases as the beam accelerates, so the frequency of the radio-frequency acceleration electric field is modulated in accordance with the decrease in the orbital frequency.

シンクロサイクロトロン中のビームの水平面内軌道はエネルギー毎の同心円状であり、設計された最大エネルギーに達したビームが出射チャネルより取り出される。出射されたビームを治療に用いるためには、患部深さに応じたエネルギーになるように散乱体でビームを減速する必要がある。 The beam's horizontal orbit in the synchrocyclotron is a concentric circle for each energy, and the beam that has reached the maximum designed energy is extracted from the extraction channel. In order to use the extracted beam for treatment, the beam must be decelerated by a scatterer so that the energy corresponds to the depth of the affected area.

このシンクロサイクロトンに対し、取り出されるビームのエネルギーを可変とした加速器として、特許文献1に記載の円形加速器がある。この円形加速器は、エネルギーが異なるビームの周回軌道を円形加速器の中心から径方向一方側に偏心させるように主磁場分布が形成されている。特許文献1の円形加速器は、このように主磁場に擾乱を発生させることで特定エネルギーのビームを取出すことを特徴としている。この構成により、散乱体などの減速体を用いずに、出射されるビームのエネルギーを変更することが可能となっている。 In contrast to the synchrocyclotron, there is a circular accelerator described in Patent Document 1, which is an accelerator that can vary the energy of the extracted beam. In this circular accelerator, the main magnetic field distribution is formed so that the orbits of beams with different energies are offset from the center of the circular accelerator to one side in the radial direction. The circular accelerator in Patent Document 1 is characterized by extracting a beam of a specific energy by generating a disturbance in the main magnetic field in this way. This configuration makes it possible to change the energy of the extracted beam without using a decelerator such as a scatterer.

出射されたビームを患部形状に合わせた線量分布に形成する方法として、特許文献1に記載されたスキャニング照射法がある。スキャニング照射法では、患部上流に設置された走査電磁石を用いてビームを走査することで所望の線量分布を形成する。 The scanning irradiation method described in Patent Document 1 is a method for forming an emitted beam into a dose distribution that matches the shape of the affected area. In the scanning irradiation method, the desired dose distribution is formed by scanning the beam using a scanning magnet installed upstream of the affected area.

特開2019-133745号公報JP 2019-133745 A

W. Kleeven, “The IBA Superconducting Synchrocyclotron Project S2C2”, Proceedings of Cyclotrons 2013W. Kleeven, “The IBA Superconducting Synchrocyclotron Project S2C2”, Proceedings of Cyclotrons 2013

上述したシンクロサイクロトロンのようにビームが静磁場中を周回して加速される加速器において、ビームを加速器の外部へと取り出すためには、ビームを加速したり周回させたりするために磁極によって形成された磁場領域(主磁場と呼称)より加速器の径方向の外側にビームを通過させ、加速器の内壁まで到達させる必要がある。 In an accelerator in which a beam is accelerated by circulating in a static magnetic field, such as the synchrocyclotron mentioned above, in order to extract the beam from the accelerator, it is necessary to pass the beam from the magnetic field region (called the main magnetic field) formed by the magnetic poles to accelerate and circulate the beam to the outside of the accelerator in the radial direction and reach the inner wall of the accelerator.

一般に、主磁場と加速器内壁との間では磁場が径方向の外側に向かって減衰していくため、径方向に対して磁場勾配がある。この磁場勾配は、ビームの1周当たりのベータトロン振動の振動数であるチューンを大きく変動させる。 In general, the magnetic field between the main magnetic field and the inner wall of the accelerator decays radially outward, so there is a magnetic field gradient in the radial direction. This magnetic field gradient significantly varies the tune, which is the frequency of betatron oscillations per revolution of the beam.

ビームの水平方向チューンと垂直方向チューンの一方が他方の整数倍及び半整数倍に一致する場合、共鳴が励起されベータトロン振動の振幅が増大する。ベータトロン振動の振幅の増大はビームが通過する領域の拡大につながり、その結果としてビームが加速器の内部にある機器と衝突することによるビームロスの要因となる。 When the horizontal and vertical tunes of the beam match integer and half-integer multiples of the other, resonances are excited and the amplitude of the betatron oscillations increases. The increase in the amplitude of the betatron oscillations leads to an expansion of the area through which the beam passes, which in turn causes beam losses due to collisions with equipment inside the accelerator.

本開示のひとつの目的は、磁場と加速器内壁の間におけるベータトロン振動によるビームロスを低減する技術を提供することである。 One objective of this disclosure is to provide a technology that reduces beam loss due to betatron oscillations between the magnetic field and the inner wall of the accelerator.

本開示のひとつの態様による加速器は、ヨークの内部に円筒状領域を構成し、前記円筒状領域に静磁場を形成する主電磁石と、荷電粒子ビームを前記主電磁石の内部から外部へ輸送するビーム出射経路と、前記静磁場中を周回する荷電粒子ビームを加速するための、周波数を変調した加速電場を印加する加速電場印加器と、前記加速電場により加速した荷電粒子ビームのベータトロン振動の振幅を増大させるキッカと、を有し、前記主電磁石は、前記キッカによりベータトロン振動の振幅が増大した荷電粒子ビームを前記ビーム出射経路に進入させるための第1磁場と、前記ヨーク内の前記静磁場の領域と前記ヨークの内壁の間における前記荷電粒子ビームの発散を抑制するための第2磁場とを作成する。 The accelerator according to one aspect of the present disclosure includes a main electromagnet that forms a cylindrical region inside a yoke and forms a static magnetic field in the cylindrical region, a beam extraction path that transports a charged particle beam from inside the main electromagnet to the outside, an acceleration electric field applicator that applies a frequency-modulated acceleration electric field to accelerate the charged particle beam circulating in the static magnetic field, and a kicker that increases the amplitude of betatron oscillation of the charged particle beam accelerated by the acceleration electric field, and the main electromagnet creates a first magnetic field for causing the charged particle beam, the amplitude of which has been increased by the kicker, to enter the beam extraction path, and a second magnetic field for suppressing divergence of the charged particle beam between the region of the static magnetic field inside the yoke and the inner wall of the yoke.

本開示のひとつの態様による粒子線治療装置は、上記加速器を備えている。 A particle beam therapy device according to one aspect of the present disclosure is equipped with the above accelerator.

本開示のひとつの態様によれば、主磁場と加速器内壁の間におけるベータトロン振動によるビームロスを低減することができる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to reduce beam loss due to betatron oscillations between the main magnetic field and the inner wall of the accelerator.

実施例1の円形加速器30の外観図である。FIG. 2 is an external view of the circular accelerator 30 of the first embodiment. 実施例1の円形加速器30を中心平面で切断した断面図である。1 is a cross-sectional view of the circular accelerator 30 of the first embodiment taken along a central plane. 実施例1の円形加速器30の鉛直方向の断面図である。1 is a vertical cross-sectional view of a circular accelerator 30 according to a first embodiment. 図2中に示されたr軸上の主磁場の分布を示すグラフである。3 is a graph showing the distribution of the main magnetic field on the r-axis shown in FIG. 2; 共鳴抑制磁場46を含む領域のr方向の磁場強度Bzの分布を示すグラフである。13 is a graph showing the distribution of magnetic field strength Bz in the r direction in a region including a resonance suppression magnetic field 46. 実施例2の円形加速器30の外観図である。FIG. 11 is an external view of a circular accelerator 30 according to a second embodiment. 実施例2の偏芯軌道型加速器を中心平面で切断した断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of the eccentric orbit accelerator of the second embodiment taken along a central plane. 実施例2の偏芯軌道型加速器の鉛直方向の断面図である。FIG. 11 is a vertical cross-sectional view of the eccentric orbit accelerator of the second embodiment. エネルギー毎の設計軌道の概念図を示す。A conceptual diagram of the design trajectory for each energy level is shown. エネルギー毎の水平方向ベータトロン振動の振幅βと位相φとの関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the amplitude βr and phase φ of horizontal betatron oscillation for each energy. エネルギー毎の垂直方向ベータトロン振動の振幅βzと位相φとの関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the amplitude βz and phase φ of vertical betatron oscillation for each energy. 実施例3の粒子線治療装置の全体構成図である。FIG. 11 is an overall configuration diagram of a particle beam therapy device according to a third embodiment.

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.

図1は、実施例1による円形加速器30の外観図である。図2は、円形加速器30を中心平面で切断した断面図である。図3は、円形加速器30の鉛直方向の断面図(図2のA-A’矢視図)である。 Figure 1 is an external view of the circular accelerator 30 according to the first embodiment. Figure 2 is a cross-sectional view of the circular accelerator 30 cut at the center plane. Figure 3 is a vertical cross-sectional view of the circular accelerator 30 (view taken along the A-A' arrow in Figure 2).

本実施例の円形加速器30は、粒子線治療装置に適用可能な荷電粒子を加速する加速器である。 The circular accelerator 30 in this embodiment is an accelerator that accelerates charged particles and can be used in a particle beam therapy device.

円形加速器30は、上下方向に分割可能な主電磁石40によってその外殻が形成されている。主電磁石40内部のビームを加速する領域(以下「加速領域」と称す)は真空に保たれている。主電磁石40の上部には、主電磁石40に入射するためのイオンのビームを生成するイオン源50が設置されている。 The outer shell of the circular accelerator 30 is formed by the main electromagnet 40, which can be separated in the vertical direction. The region inside the main electromagnet 40 where the beam is accelerated (hereinafter referred to as the "acceleration region") is kept in a vacuum. An ion source 50 is installed above the main electromagnet 40 to generate a beam of ions to be injected into the main electromagnet 40.

イオン源50で生成されたビームは、低エネルギービーム輸送系51を経由して、主磁極38の中心付近に設けられたイオン入射部52に達する。イオン入射部52に達したビームは、イオン入射部52により、主電磁石40内部の加速領域に入射される。イオン源50としては、ECRイオン源やレーザーイオン源などを適用できる。外部からビームを入射する場合、例えば、ビームは静電インフレクタ53を通じて加速領域へ入射される。イオン源50は、主電磁石40内部の真空引きされた加速領域内部に配置されても良い。その場合はPIG型イオン源などが好適である。 The beam generated by the ion source 50 passes through a low-energy beam transport system 51 and reaches an ion injection section 52 provided near the center of the main magnetic pole 38. The beam that reaches the ion injection section 52 is injected into the acceleration region inside the main electromagnet 40 by the ion injection section 52. An ECR ion source, a laser ion source, or the like can be used as the ion source 50. When the beam is injected from outside, for example, the beam is injected into the acceleration region through an electrostatic inflector 53. The ion source 50 may be placed inside the evacuated acceleration region inside the main electromagnet 40. In that case, a PIG-type ion source or the like is preferable.

主電磁石40は、主磁極35、ヨーク37、およびメインコイル38からなる。ヨーク37は、主電磁石40の外観を形成し、内部におよそ円筒状の領域を構成する。メインコイル38は、円環状のコイルであり、ヨーク37の内壁に沿って設置される。メインコイル38は超電導コイルである。メインコイル38の周囲にはクライオスタット36が設置される。クライオスタット36はメインコイル38を冷却する。メインコイル38の内周側には主磁極35が上下に対向して設置されている。通電したメインコイル38および主磁極35により形成される磁場を主磁場と呼称する。また、加速領域は、主磁場中のビームを加速するための領域である。 The main electromagnet 40 consists of a main magnetic pole 35, a yoke 37, and a main coil 38. The yoke 37 forms the exterior of the main electromagnet 40 and defines an approximately cylindrical region inside. The main coil 38 is an annular coil and is installed along the inner wall of the yoke 37. The main coil 38 is a superconducting coil. A cryostat 36 is installed around the main coil 38. The cryostat 36 cools the main coil 38. The main magnetic poles 35 are installed above and below the inner periphery of the main coil 38, facing each other. The magnetic field formed by the energized main coil 38 and main magnetic pole 35 is called the main magnetic field. The acceleration region is a region for accelerating the beam in the main magnetic field.

ヨーク37には貫通孔が複数ある。そのうち、ビーム用貫通孔44、コイル用貫通孔47、真空引き用貫通孔48、および高周波系用貫通孔49がヨーク37の接続面に設けられている。ビーム用貫通孔44は、加速されたビームを出射するための貫通孔である。コイル用貫通孔47は、ヨーク37内部の種々のコイル導体を外部に引き出すための貫通孔である。真空引き用貫通孔48は、ヨーク37内部を真空引きするための貫通孔である。高周波系用貫通孔49は、高周波加速空胴10を設けるための貫通孔である。 The yoke 37 has multiple through holes. Of these, the beam through hole 44, the coil through hole 47, the vacuum through hole 48, and the radio frequency system through hole 49 are provided on the connection surface of the yoke 37. The beam through hole 44 is a through hole for emitting an accelerated beam. The coil through hole 47 is a through hole for drawing out various coil conductors inside the yoke 37 to the outside. The vacuum through hole 48 is a through hole for drawing a vacuum inside the yoke 37. The radio frequency system through hole 49 is a through hole for providing the radio frequency acceleration cavity 10.

高周波加速空胴10は、λ/2共振型空胴であり、ディー電極12、ダミーディー電極13、内導体14、外導体15、回転コンデンサ31を有する。ディー電極12は、D字型の中空電極であり、内導体14とつながっている。ダミーディー電極13は、内導体14を外包する外導体15とつながる電極であり、接地電位となる。ダミーディー電極13は、ディー電極12との間に加速間隙11を形成する。ディー電極12とダミーディー電極13との間の加速間隙11には、回転コンデンサ31によって周波数変調された加速電圧が発生する。図2に例示された加速間隙11は、ハーモニクス数が1の場合、即ち周回周波数と加速周波数とが同じ場合のものである。また、加速間隙11の形状は、ビームの軌道形状に応じて設計される。 The radio frequency acceleration cavity 10 is a λ/2 resonant cavity, and has a dee electrode 12, a dummy dee electrode 13, an inner conductor 14, an outer conductor 15, and a rotating capacitor 31. The dee electrode 12 is a D-shaped hollow electrode, and is connected to the inner conductor 14. The dummy dee electrode 13 is an electrode connected to the outer conductor 15 that surrounds the inner conductor 14, and is at ground potential. The dummy dee electrode 13 forms an acceleration gap 11 between the dee electrode 12 and the dee electrode 13. An acceleration voltage that is frequency modulated by the rotating capacitor 31 is generated in the acceleration gap 11 between the dee electrode 12 and the dummy dee electrode 13. The acceleration gap 11 illustrated in FIG. 2 is for the case where the number of harmonics is 1, that is, the orbital frequency and the acceleration frequency are the same. The shape of the acceleration gap 11 is designed according to the orbital shape of the beam.

入力カプラ20は、高周波加速空胴10に高周波電力を供給するための機器であり、内導体14に対して静電結合式か磁気結合式により接続されている。加速高周波電源21より入力カプラ20に電力が供給され、入力カプラ20を通して内導体14に対して高周波電力が供給される。これにより、ディー電極12とダミーディー電極13との間の加速間隙11にビームを加速するための高周波加速電圧が発生し、その高周波加速電圧により高周波電場が発生する。 The input coupler 20 is a device for supplying radio frequency power to the radio frequency acceleration cavity 10, and is connected to the inner conductor 14 by electrostatic or magnetic coupling. Power is supplied to the input coupler 20 from the acceleration radio frequency power supply 21, and radio frequency power is supplied to the inner conductor 14 through the input coupler 20. This generates a radio frequency acceleration voltage for accelerating the beam in the acceleration gap 11 between the dee electrode 12 and the dummy dee electrode 13, and this radio frequency acceleration voltage generates a radio frequency electric field.

回転コンデンサ31は、高周波加速空胴10の共振周波数を変調するための機器であり、モータ32と、固定電極33と、その固定電極33に対向する回転電極34とを含む。固定電極33は、内導体14上に形成されている。また、回転電極34は、外導体15に隣り合い、外導体15と物理的に接続されていないものの、外導体15と静電容量を介して電気的に接続されている。なお、この構成は一例であり、他の構成として、固定電極33が外導体15上に形成され、回転電極34が内導体14に静電結合されてもよい。 The rotating capacitor 31 is a device for modulating the resonant frequency of the radio frequency acceleration cavity 10, and includes a motor 32, a fixed electrode 33, and a rotating electrode 34 facing the fixed electrode 33. The fixed electrode 33 is formed on the inner conductor 14. The rotating electrode 34 is adjacent to the outer conductor 15, and is not physically connected to the outer conductor 15, but is electrically connected to the outer conductor 15 via electrostatic capacitance. Note that this configuration is one example, and as another configuration, the fixed electrode 33 may be formed on the outer conductor 15, and the rotating electrode 34 may be electrostatically coupled to the inner conductor 14.

ここで、円形加速器30に入射されてから出射するまでのビームの挙動について説明する。イオン源50から円形加速器30に入射されたビームは、高周波電場により加速し、エネルギーを増しながら主磁場中を周回する。ビームの軌道は、ビームの加速に伴って曲率半径が増し、螺旋状となる。 Here, we will explain the behavior of the beam from when it enters the circular accelerator 30 until it is extracted. The beam injected from the ion source 50 into the circular accelerator 30 is accelerated by the high-frequency electric field, and orbits in the main magnetic field while increasing in energy. The radius of curvature of the beam's orbit increases as the beam accelerates, and it becomes spiral-shaped.

ここで、加速領域内において、ビームが加速を開始してから最大エネルギーになるまでに通る軌道を周回軌道と呼称する。周回軌道のうち最大エネルギーのビームが通過する軌道を最大エネルギービーム軌道80と呼称する。周回軌道が螺旋を描く面を軌道面と呼称する。 Here, within the acceleration region, the orbit that the beam follows from when it starts accelerating until it reaches maximum energy is called the circular orbit. The orbit through which the beam with maximum energy passes among the circular orbits is called the maximum energy beam orbit 80. The plane along which the circular orbit describes a spiral is called the orbital plane.

加速領域の中心を原点とし中心から半径外側方向の軸をr軸とする軌道面の2次元極座標系を定義すると、主磁場は、式(1)で表されるn値が0より大きく、かつ1未満となるビーム安定化条件を満たす。 If we define a two-dimensional polar coordinate system for the orbital plane with the center of the acceleration region as the origin and the axis radially outward from the center as the r-axis, the main magnetic field satisfies the beam stabilization condition in which the n value expressed by equation (1) is greater than 0 and less than 1.

Figure 0007485593000001
Figure 0007485593000001

式(1)において、ρは設計上の理想的な軌道(以下「設計軌道」と称す)の偏向半径であり、Bzは磁場強度であり、∂Bz/∂rはr方向の磁場勾配である。 In equation (1), ρ is the deflection radius of the ideal orbit (hereafter referred to as the "design orbit"), Bz is the magnetic field strength, and ∂Bz/∂r is the magnetic field gradient in the r direction.

設計軌道から径方向に微小にずれたビームは設計軌道に戻す方向に復元力を受ける。また、軌道面に対し鉛直な方向にずれたビームも軌道面に戻す方向に主磁場から復元力を受ける。これらにより生じるビームの振動をベータトロン振動といい、ベータトロン振動の振動数をベータトロン振動数という。 A beam that is slightly displaced radially from the design orbit experiences a restoring force in a direction that returns it to the design orbit. Also, a beam that is displaced perpendicular to the orbital plane experiences a restoring force from the main magnetic field in a direction that returns it to the orbital plane. The beam oscillation that results from these factors is called betatron oscillation, and the frequency of the betatron oscillation is called the betatron frequency.

ビームが設計軌道の近傍をベータトロン振動しながらも安定的にビームを周回させ加速させることができるように、主磁場の∂Bz/∂rが設計される。 The ∂Bz/∂r of the main magnetic field is designed so that the beam can be stably orbited and accelerated while undergoing betatron oscillations near the designed orbit.

また、周回一周あたりの振動数をチューンといい、周回一周あたりの軌道面外側へのビームのr軸上変位をターンセパレーションという。また、軌道面内かつビームの軌道と直交する方向のベータトロン振動を水平方向ベータトロン振動といい、水平方向ベータトロン振動のチューンを水平方向チューンという。ビームの適切な高周波電圧を印加すると共鳴によりベータトロン振動の振幅が増大する。ビームのエネルギーの全範囲について、水平方向チューンνrは1に近い値に設定される。 The number of oscillations per revolution is called the tune, and the displacement of the beam on the r-axis outside the orbital plane per revolution is called the turn separation. Betatron oscillation in the orbital plane and perpendicular to the beam orbit is called the horizontal betatron oscillation, and the tune of the horizontal betatron oscillation is called the horizontal tune. When an appropriate radio frequency voltage is applied to the beam, the amplitude of the betatron oscillation increases due to resonance. For the entire range of beam energies, the horizontal tune ν r is set to a value close to 1.

上述の主磁場の磁場分布(以下「主磁場分布」と称す)は、主磁極38、および主磁極38の表面に設置するトリムコイルおよび/または磁極片によって形成される。主磁場分布を形成するこれらの構成要素は、軌道平面に対して対称に配置される。そのため、主磁場は、軌道面上においては、軌道面と垂直な方向の磁場成分のみを持つ。 The magnetic field distribution of the main magnetic field described above (hereinafter referred to as the "main magnetic field distribution") is formed by the main pole 38 and the trim coils and/or pole pieces installed on the surface of the main pole 38. These components that form the main magnetic field distribution are arranged symmetrically with respect to the orbital plane. Therefore, on the orbital plane, the main magnetic field has only a magnetic field component in a direction perpendicular to the orbital plane.

本実施例の円形加速器30は、ビームを出射するための機器として、高周波キッカ81、セプタムコイル41、および高エネルギービーム輸送系45を有する。 The circular accelerator 30 in this embodiment has a radio frequency kicker 81, a septum coil 41, and a high energy beam transport system 45 as equipment for emitting a beam.

円形加速器30にて加速されたビームは、ビーム出射経路入口82から、加速領域の外に出射される。セプタムコイル41は、このビーム出射経路入口82に配置される。2つ以上のセプタムコイル41をビーム進行方向に沿って配置してもよい。 The beam accelerated by the circular accelerator 30 is emitted from the beam extraction path entrance 82 to the outside of the acceleration region. The septum coil 41 is disposed at this beam extraction path entrance 82. Two or more septum coils 41 may be disposed along the beam propagation direction.

高エネルギービーム輸送系45は、主電磁石40の内部から外部へ出射ビームを輸送するための輸送系である。この高エネルギービーム輸送系45が、セプタムコイル41の後段に、ビーム用貫通孔44を通って主電磁石40の外部にかけての位置に配置されている。 The high-energy beam transport system 45 is a transport system for transporting the extracted beam from inside the main electromagnet 40 to the outside. This high-energy beam transport system 45 is located behind the septum coil 41, passing through the beam through-hole 44 and extending to the outside of the main electromagnet 40.

高周波キッカ81は、その内部を通過するビームに高周波電圧を印加する機器である。セプタムコイル41は、ビームを水平方向外周側に偏向するためのコイルであり、2つのコイル導体(不図示)を有する。 The radio-frequency kicker 81 is a device that applies a radio-frequency voltage to the beam passing through it. The septum coil 41 is a coil for deflecting the beam horizontally toward the outer periphery, and has two coil conductors (not shown).

セプタムコイル41は加速領域の外周側にあり、一方のコイル導体が加速領域に接している。2つのコイル導体に電流を流すことにより、セプタムコイル41の内部には、ビームの周回軌道に対して鉛直方向の磁場が発生する。セプタムコイル41の内部に進入したビームは、その磁場により偏向され、高エネルギービーム輸送系45へと輸送される。 The septum coil 41 is located on the outer periphery of the acceleration region, with one coil conductor in contact with the acceleration region. By passing a current through the two coil conductors, a magnetic field perpendicular to the beam's orbit is generated inside the septum coil 41. The beam that enters the septum coil 41 is deflected by the magnetic field and transported to the high-energy beam transport system 45.

また、主電磁石40の内部には、二極磁場または多極磁場からなる擾乱磁場であるピーラ磁場領域42とリジェネレータ磁場領域43とが形成される。 In addition, inside the main electromagnet 40, a pole magnetic field region 42 and a regenerator magnetic field region 43 are formed, which are disturbance magnetic fields consisting of a bipolar magnetic field or a multipolar magnetic field.

本実施例では、ビーム出射経路入口82および高周波キッカ81を挟み、ビームが周回する軌道における上流側にピーラ磁場領域42が配置され、下流側にリジェネレータ磁場領域43が配置されている。 In this embodiment, the peeler magnetic field region 42 is located on the upstream side of the orbit in which the beam travels, sandwiching the beam emission path entrance 82 and the high-frequency kicker 81, and the regenerator magnetic field region 43 is located on the downstream side.

ビームを出射するために、上述した高周波キッカ81、セプタムコイル41、および高エネルギービーム輸送系45に加え、これらピーラ磁場領域42およびリジェネレータ磁場領域43が用いられる。 To emit the beam, in addition to the above-mentioned radio frequency kicker 81, septum coil 41, and high energy beam transport system 45, the peeler magnetic field region 42 and regenerator magnetic field region 43 are used.

高周波加速電圧が印加された加速間隙11にてビームが最大エネルギーまで加速されると、加速間隙11への周波加速電圧の印加が停止される。それにより、ビームは、最大エネルギービーム軌道80上を周回する。 When the beam is accelerated to maximum energy in the acceleration gap 11 to which the radio frequency acceleration voltage is applied, the application of the radio frequency acceleration voltage to the acceleration gap 11 is stopped. As a result, the beam orbits on the maximum energy beam orbit 80.

最大エネルギービーム軌道80には、高周波キッカ81が設置されている。ビームが高周波キッカ81に入ると、高周波キッカ81による高周波電圧によりビームのベータトロン振動の振幅が増大する。ベータトロン振動振幅が増大したビームは、やがて、最大エネルギービーム軌道80の外周側に、最大エネルギービーム軌道80から所定の距離を置いて設置されたピーラ磁場領域42およびリジェネレータ磁場領域43に到達する。 A radio frequency kicker 81 is installed on the maximum energy beam orbit 80. When the beam enters the radio frequency kicker 81, the amplitude of the betatron oscillation of the beam increases due to the radio frequency voltage from the radio frequency kicker 81. The beam with the increased betatron oscillation amplitude eventually reaches the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43, which are installed on the outer periphery of the maximum energy beam orbit 80 at a predetermined distance from the maximum energy beam orbit 80.

ピーラ磁場領域42に到達したビームは、軌道面の外周側にキックされる。リジェネレータ磁場領域43に到達したビームは、軌道面の内周側にキックされる。ピーラ磁場領域42の四極磁場成分によるキックで、ビームのベータトロン振動の振幅が更に増大し、ビームのターンセパレーションが増大していく。また、リジェネレータ磁場領域43の磁場により、ビームの水平方向チューンが急激に変動するのが抑制され、円形加速器30からビームが出射されるまでに、水平方向と直交する垂直方向にベータトロン振動が発散してビームが失われるのが防止される。 The beam that reaches the peeler magnetic field region 42 is kicked toward the outer periphery of the orbital plane. The beam that reaches the regenerator magnetic field region 43 is kicked toward the inner periphery of the orbital plane. The kick from the quadrupole magnetic field component of the peeler magnetic field region 42 further increases the amplitude of the betatron oscillation of the beam, increasing the turn separation of the beam. In addition, the magnetic field of the regenerator magnetic field region 43 suppresses sudden fluctuations in the horizontal tune of the beam, preventing the beam from being lost due to the betatron oscillation diverging in the vertical direction perpendicular to the horizontal direction before the beam is emitted from the circular accelerator 30.

十分なターンセパレーションが得られると、ビームがセプタムコイル41に進入し、セプタムコイル41により軌道面の外側にキックされる。セプタムコイル41によりキックされたビームは、高エネルギービーム輸送系45を通り、円形加速器30の外側に出射される。 When sufficient turn separation is obtained, the beam enters the septum coil 41, which kicks it outside the orbital plane. The beam kicked by the septum coil 41 passes through the high-energy beam transport system 45 and is emitted outside the circular accelerator 30.

上述したターンセパレーションの増大として、高周波キッカ81により生じる分より、ピーラ磁場領域42とリジェネレータ磁場領域43とにより生じる分の方がはるかに大きい。そのため、高周波キッカ81により印加する高周波電圧を調整することで、最大エネルギービーム軌道80上を周回するビームのうち、ピーラ磁場領域42とリジェネレータ磁場領域43とに到達するビームの量を調整することができる。その結果、ビーム出射途中で高周波キッカ81への高周波電圧の印加を停止すれば、ピーラ磁場領域42とリジェネレータ磁場領域43とにビームが到達しないようにすることができ、円形加速器30からのビームの出射を中断できる。また、高周波キッカ81への高周波電圧の印加を再開すれば、ビームの出射を再開することもできる。さらに、高周波キッカ81に印加する高周波電圧の強さ、振幅、位相、周波数の1つ以上を制御することにより、円形加速器30から出射するビームの強さを制御することもできる。 The increase in turn separation described above is much greater due to the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43 than due to the radio frequency kicker 81. Therefore, by adjusting the radio frequency voltage applied by the radio frequency kicker 81, the amount of the beam that reaches the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43 among the beams orbiting on the maximum energy beam orbit 80 can be adjusted. As a result, if the application of the radio frequency voltage to the radio frequency kicker 81 is stopped during the beam extraction, the beam can be prevented from reaching the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43, and the extraction of the beam from the circular accelerator 30 can be interrupted. In addition, if the application of the radio frequency voltage to the radio frequency kicker 81 is resumed, the extraction of the beam can be resumed. Furthermore, the intensity of the beam extracted from the circular accelerator 30 can be controlled by controlling one or more of the intensity, amplitude, phase, and frequency of the radio frequency voltage applied to the radio frequency kicker 81.

ピーラ磁場領域42とリジェネレータ磁場領域43は、そこを通るビームに作用する多極磁場が存在する領域である。この多極磁場には少なくとも4極磁場成分が含まれる。この多極磁場には更に4極以上の多極磁場あるいは2極磁場が含まれていてもよい。ピーラ磁場領域42は、径方向外周側に向かって主磁場が弱まるような磁場勾配となっている。リジェネレータ磁場領域43は、逆に、径方向外周側に向かって主磁場が強まるような磁場勾配となっている。ピーラ磁場領域42として、磁極端部で主磁場が減少する領域を利用することもできる。 The peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43 are regions where a multipole magnetic field exists that acts on the beam passing through them. This multipole magnetic field includes at least a quadrupole magnetic field component. This multipole magnetic field may further include a quadrupole or more multipole magnetic field or a bipole magnetic field. The peeler magnetic field region 42 has a magnetic field gradient such that the main magnetic field weakens toward the radially outer periphery. Conversely, the regenerator magnetic field region 43 has a magnetic field gradient such that the main magnetic field strengthens toward the radially outer periphery. The peeler magnetic field region 42 can also be a region where the main magnetic field decreases at the pole end.

ピーラ磁場領域42とリジェネレータ磁場領域43は、最大エネルギービーム軌道80の外周側に、ビーム出射経路入口82を挟んで所定の方位角の領域にそれぞれ配置される。また、高周波キッカ81によりベータトロン振動の振幅が増大する前のビームがピーラ磁場領域42またはリジェネレータ磁場領域43に進入ないよう、ピーラ磁場領域42およびリジェネレータ磁場領域43は、最大エネルギービーム軌道80から、ベータトロン振動の共鳴前の振幅よりも大きい幅だけ外周側にある位置に配置されることが望ましい。また、ビーム出射経路入口82に対してビーム進行方向の上流側にピーラ磁場領域42が配置され、下流側にリジェネレータ磁場領域43が配置されることが望ましいが、その逆でもよい。 The peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43 are each located on the outer periphery of the maximum energy beam orbit 80, in a region of a predetermined azimuth angle on either side of the beam extraction path entrance 82. In addition, it is desirable that the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43 are located at a position on the outer periphery side of the maximum energy beam orbit 80 by a width greater than the amplitude of the betatron oscillation before resonance, so that the beam before the amplitude of the betatron oscillation increases due to the high frequency kicker 81 does not enter the peeler magnetic field region 42 or the regenerator magnetic field region 43. It is also desirable that the peeler magnetic field region 42 is located upstream of the beam extraction path entrance 82 in the beam propagation direction, and the regenerator magnetic field region 43 is located downstream, but the reverse is also possible.

ピーラ磁場領域42およびリジェネレータ磁場領域43の近辺には、磁性体製の複数の磁極片またはコイルあるいはその両者が非磁性材によりヨーク37に固定配置され、所望の多極磁場を形成する。たとえば、ピーラ磁場領域42およびリジェネレータ磁場領域43のそれぞれについて、複数の磁極片で多極磁場を、コイルで2極磁場を形成する。複数の磁極片とコイルは、互いに近接して配置することもでき、また空間的に離れた位置に配置することもできる。 In the vicinity of the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43, multiple magnetic pole pieces and/or coils made of a magnetic material are fixed to the yoke 37 by a non-magnetic material to form the desired multipole magnetic field. For example, for each of the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43, multiple magnetic pole pieces form a multipole magnetic field, and coils form a bipole magnetic field. The multiple magnetic pole pieces and coils can be positioned close to each other, or can be positioned at spatially separated positions.

図4は、図2中に示されたr軸上の主磁場の分布を示すグラフである。 Figure 4 is a graph showing the distribution of the main magnetic field on the r-axis shown in Figure 2.

主磁場の磁場強度Bzは、r軸上、加速領域の中心から最大エネルギービーム軌道80までは、僅かに減少する磁場勾配∂Bz/∂rを示している。この領域では、式(1)のn値が安定化条件を満たし、ビームが安定に周回する。しかし、軌道上にリジェネレータ磁場領域43が存在するr軸上の範囲では、主磁場の磁場強度Bzが急激に上昇するような磁場勾配∂Bz/∂rを示している。この領域では、ビームは安定せず、軌道面における内周側にキックされる。また、図示しないが、軌道上にピーラ磁場領域42が存在する範囲のr方向の主磁場の分布では、ピーラ磁場領域42において、リジェネレータ磁場領域43とは逆に、磁場強度Bzが急激に下降する磁場勾配∂Bz/∂rを示す。このピーラ磁場領域42でもリジェネレータ磁場領域43と同様にビームは安定せず、またリジェネレータ磁場領域43とは逆にビームは軌道面外周側にキックされる。 The magnetic field strength Bz of the main magnetic field shows a slightly decreasing magnetic field gradient ∂Bz/∂r on the r-axis from the center of the acceleration region to the maximum energy beam orbit 80. In this region, the n value of formula (1) satisfies the stabilization condition, and the beam orbits stably. However, in the range on the r-axis where the regenerator magnetic field region 43 exists on the orbit, the magnetic field gradient ∂Bz/∂r shows that the magnetic field strength Bz of the main magnetic field rises sharply. In this region, the beam is unstable and is kicked toward the inner circumference of the orbital plane. In addition, although not shown, the distribution of the main magnetic field in the r-direction in the range where the peeler magnetic field region 42 exists on the orbit shows a magnetic field gradient ∂Bz/∂r in which the magnetic field strength Bz drops sharply in the peeler magnetic field region 42, opposite to the regenerator magnetic field region 43. In this peeler magnetic field region 42, the beam is unstable as in the regenerator magnetic field region 43, and opposite to the regenerator magnetic field region 43, the beam is kicked toward the outer circumference of the orbital plane.

なお、ここでは、高周波キッカ81によるベータトロン振動の振幅の増大がピーラ磁場領域42およびリジェネレータ磁場領域43による振幅の増大に比べて小さいため、円形加速器30からビームを出射させるのにピーラ磁場領域42およびリジェネレータ磁場領域43を用いる構成を例示した。しかし、この構成に限定されることはない。他の構成として、ピーラ磁場領域42およびリジェネレータ磁場領域43を用いず、高周波キッカ81がベータトロン振動の振幅を増大させる効果により、円形加速器30からビームを出射することにしてもよい。 Here, the increase in the amplitude of the betatron oscillation caused by the high frequency kicker 81 is smaller than the increase in amplitude caused by the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43, so a configuration is shown in which the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43 are used to emit a beam from the circular accelerator 30. However, this configuration is not limited to this. As another configuration, the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43 are not used, and the high frequency kicker 81 can be used to increase the amplitude of the betatron oscillation to emit a beam from the circular accelerator 30.

高周波キッカ81を配置する位置は最大エネルギービーム軌道80上であればよく、特に限定されないが、ここでは一例として、図2に示すように、高周波キッカ81をビーム出射経路入口82の近傍に配置する。 The position of the high-frequency kicker 81 may be on the maximum energy beam orbit 80 and is not particularly limited, but as an example, the high-frequency kicker 81 is placed near the entrance 82 of the beam emission path as shown in FIG. 2.

ここで、ベータトロン振動は、チューン又はチューンの小数部のいずれか一方とビームの周回周波数との積が、印加される高周波電圧の周波数と略同一であるとき、振幅が共鳴的に増大する性質をもつ。そこで、本実施例では、高周波キッカ81により印加される高周波電圧の周波数fextが、最大エネルギービームの水平方向チューンνrの小数部Δνrと、最大エネルギービームの周回周波数frevとの積Δνr×frevと略同一となるようにしておく。その結果、水平方向ベータトロン振動の振幅は共鳴的に増大し続け、やがてビームがピーラ磁場領域42とリジェネレータ磁場領域43に到達する。なお、高周波キッカ81により印加される高周波電圧の周波数fextが、最大エネルギービームの水平方向チューンνrと、最大エネルギービームの周回周波数frevとの積νr×frevと等しくなるようにしてもよい。 Here, the betatron oscillation has a property that the amplitude increases resonantly when the product of either the tune or the fractional part of the tune and the rotation frequency of the beam is approximately equal to the frequency of the applied high frequency voltage. Therefore, in this embodiment, the frequency f ext of the high frequency voltage applied by the high frequency kicker 81 is set to be approximately equal to the product Δν r ×f rev of the fractional part Δν r of the horizontal tune ν r of the maximum energy beam and the rotation frequency f rev of the maximum energy beam. As a result, the amplitude of the horizontal betatron oscillation continues to increase resonantly, and the beam eventually reaches the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43. Note that the frequency f ext of the high frequency voltage applied by the high frequency kicker 81 may be set to be equal to the product ν r ×f rev of the horizontal tune ν r of the maximum energy beam and the rotation frequency f rev of the maximum energy beam.

ビームは、ピーラ磁場領域42を通過すると外周側にキックされ、リジェネレータ磁場領域43を通過すると逆に内周側にキックされる。ピーラ磁場領域42とリジェネレータ磁場領域43とは共に径方向に磁場勾配を有するので、複数回ビームが周回するうちに、キック量が次第に増えていき、ターンセパレーションが増大する。つまり、2νr=2のベータトロン振動の共鳴条件を利用することで、ターンセパレーションを増大させることができる。 The beam is kicked toward the outer periphery when it passes through the peeler magnetic field region 42, and is kicked toward the inner periphery when it passes through the regenerator magnetic field region 43. Since both the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43 have a magnetic field gradient in the radial direction, the amount of kicking gradually increases as the beam makes multiple revolutions, and the turn separation increases. In other words, the turn separation can be increased by utilizing the resonance condition of the betatron oscillation of 2ν r =2.

上述したように、ビーム出射経路入口82にはセプタムコイル41が設置されている。やがて、ビームがセプタムコイル41の内周側に設置されているコイル導体の厚みを大きく超えるほどのターンセパレーションが得られるようになると、ビームは、セプタムコイル41内部へと導かれ、セプタムコイル41により十分に偏向され、高エネルギービーム輸送系45へ導かれ、円形加速器30から出射される。 As described above, the septum coil 41 is installed at the entrance 82 of the beam extraction path. When the beam reaches a turn separation that greatly exceeds the thickness of the coil conductor installed on the inner circumference side of the septum coil 41, the beam is guided into the septum coil 41, where it is sufficiently deflected, guided to the high-energy beam transport system 45, and extracted from the circular accelerator 30.

このとき、出射時の水平方向チューンνrと垂直方向チューンνzの線形結合が半整数あるいは整数と一致する場合、共鳴と呼ばれるベータトロン振動の共振現象が励起され、ビーム発散が生じる。特に、式(1)のn値が安定化条件を満たす円形加速器においては、Walkinshaw共鳴と呼ばれる共鳴によるビーム発散を抑制することでビーム電流の増大が可能になる。 In this case, if the linear combination of the horizontal tune νr and the vertical tune νz at the time of extraction is equal to a half integer or an integer, a resonant phenomenon of betatron oscillation called resonance is excited, causing beam divergence. In particular, in a circular accelerator where the n value in equation (1) satisfies the stabilization condition, it is possible to increase the beam current by suppressing the beam divergence caused by the resonance called Walkinshaw resonance.

Walkinshaw共鳴は、式(2)で表される条件を水平方向チューンνrと垂直方向チューンνzが満たす場合に生じる。 Walkinshaw resonance occurs when the horizontal tune v r and the vertical tune v z satisfy the condition expressed by equation (2).

Figure 0007485593000002
Figure 0007485593000002

また、共鳴には共鳴幅と呼ばれる共鳴が励起される幅があり、実際には式(2)の右辺が所定の共鳴幅δ以下であれば共鳴が発生する。共鳴幅δは、式(3)で表される。 In addition, there is a width in which resonance is excited, called the resonance width, and in reality, resonance occurs if the right-hand side of equation (2) is equal to or smaller than a certain resonance width δ. The resonance width δ is expressed by equation (3).

Figure 0007485593000003
Figure 0007485593000003

式(3)において、Jは設計軌道を原点とした水平方向の粒子座標を正準変換した作用である。Gは、式(4)で表される複素数であり、driving termと呼ばれる。 In formula (3), Jr is the function of canonical transformation of the horizontal particle coordinates with the design trajectory as the origin, and G is a complex number expressed by formula (4) and is called the driving term.

Figure 0007485593000004
Figure 0007485593000004

ここで、式(4)において、jは虚数単位である。ξは任意の位相である。sはビーム進行方向の座標である。ψrとψzはそれぞれ水平方向と垂直方向のベータトロン振動の位相進みである。θは進行方向座標sにおける角度方向の座標である。kは、式(5)に示すように、Bのr方向2階微分をBρで割ったものであり、六極磁場成分の大きさを表している。 Here, in equation (4), j is the imaginary unit. ξ is an arbitrary phase. s is the coordinate in the beam propagation direction. ψr and ψz are the phase advances of the betatron oscillation in the horizontal and vertical directions, respectively. θ is the angular coordinate in the propagation direction coordinate s. k2 is the second derivative of Bz in the r direction divided by Bρ, as shown in equation (5), and represents the magnitude of the sextupole magnetic field component.

Figure 0007485593000005
Figure 0007485593000005

driving termの大きさを0にすることで、共鳴幅δは0になり、式(2)を満たす場合にのみ共鳴が生じるようにできるため、共鳴により発散するビームを低減することができる。 By setting the magnitude of the driving term to 0, the resonance width δ becomes 0, and resonance occurs only when equation (2) is satisfied, thereby reducing the beam divergence due to resonance.

式(4)より、最大エネルギービーム軌道80の外周のs方向の任意の区間に、kを補正する共鳴抑制磁場46を印加することにより、driving termの大きさを0あるいはその近傍にすることが可能になると言える。ヨーク37内部に静磁場が形成された円筒状領域と内壁との間に、ビームをビーム出射経路に進入させるための磁場(ピーラ磁場およびリジェネレータ磁場)とは別個に、ビームが発散するのを抑制するための磁場(共鳴抑制磁場46)を配置することにより、ヨーク37内での円筒状領域と内壁との間でのベータトロン振動の振幅の増大によるビームロスを低減することができる。本実施例では、共鳴抑制磁場46は、径方向で見ると、ビームが加速中に通過する領域の外側に作成される。周回して加速されたビームをヨーク37の内壁に到達させるためにベータトロン振動の振幅が増大するのを効果的に抑制することができる。また、共鳴抑制磁場46は、軌道方向で見ると、ビームが周回する軌道におけるピーラ磁場領域42の上流側かつ加速間隙11の下流側に配置されている。共鳴抑制磁場46に含まれる多極磁場成分は、例えば、4極以上の多極磁場成分であってよい。多極磁場成分を印加することにより、driving termの大きさをゼロに近づけ、共鳴幅をゼロに近づけることができる。 From formula (4), it can be said that the magnitude of the driving term can be set to 0 or close to 0 by applying the resonance suppression magnetic field 46 that corrects k2 to any section in the s direction on the outer periphery of the maximum energy beam orbit 80. By disposing a magnetic field (resonance suppression magnetic field 46) for suppressing the beam from diverging, separate from the magnetic fields (peer magnetic field and regenerator magnetic field) for making the beam enter the beam extraction path, between the cylindrical region in which the static magnetic field is formed inside the yoke 37 and the inner wall, it is possible to reduce beam loss due to an increase in the amplitude of betatron oscillation between the cylindrical region and the inner wall in the yoke 37. In this embodiment, the resonance suppression magnetic field 46 is created outside the region through which the beam passes during acceleration when viewed in the radial direction. It is possible to effectively suppress an increase in the amplitude of betatron oscillation in order to make the accelerated beam reach the inner wall of the yoke 37. Moreover, the resonance suppression magnetic field 46 is disposed upstream of the peeler magnetic field region 42 and downstream of the acceleration gap 11 in the orbit in which the beam orbits. The multipole magnetic field component included in the resonance suppressing magnetic field 46 may be, for example, a four-pole or more multipole magnetic field component. By applying the multipole magnetic field component, the magnitude of the driving term can be made close to zero, and the resonance width can be made close to zero.

主電磁石40は共鳴抑制磁場46を作成する作成器を備え、その作成器は、例えば、主磁極38の表面に設置されるコイルまたは磁極片またはその両方であってもよい。コイルにより共鳴抑制磁場46を形成すれば、調整の自由度が増し、ロバストな装置を実現できる。あるいは、共鳴抑制磁場46を作成する作成器は、主磁極38の表面に設置される鉄片であってもよい。共鳴抑制磁場46を鉄片により形成するので、使用の度に励磁をする必要がなく、容易で迅速な装置の使用を実現できる。 The main electromagnet 40 is equipped with a generator that creates the resonance suppression magnetic field 46, which may be, for example, a coil or a pole piece, or both, that is placed on the surface of the main magnetic pole 38. Forming the resonance suppression magnetic field 46 with a coil increases the degree of freedom for adjustment, making it possible to realize a robust device. Alternatively, the generator that creates the resonance suppression magnetic field 46 may be a piece of iron that is placed on the surface of the main magnetic pole 38. Because the resonance suppression magnetic field 46 is formed with a piece of iron, there is no need to excite the device each time it is used, making it possible to easily and quickly use the device.

図5は、共鳴抑制磁場46を含む領域のr方向の磁場強度Bzの分布を示すグラフである。図5に示された磁場強度Bzは共鳴抑制磁場46により補正されている。 Figure 5 is a graph showing the distribution of magnetic field strength Bz in the r direction in a region including the resonance suppression magnetic field 46. The magnetic field strength Bz shown in Figure 5 has been corrected by the resonance suppression magnetic field 46.

また、本実施例では、図2に示したように、共鳴抑制磁場46は一か所のみに印加されている。しかし、これに限定されることはない。他の例として、共鳴抑制磁場46はs方向の任意の領域に複数あってもよい。 In addition, in this embodiment, as shown in FIG. 2, the resonance suppression magnetic field 46 is applied to only one location. However, this is not limited to this. As another example, the resonance suppression magnetic field 46 may be multiple in any region in the s direction.

また、式(4)では、一例として、水平方向ベータトロン振動振幅βrの1乗と、垂直方向ベータトロン振動振幅βの2乗の積を用いている。式(4)において、水平方向ベータトロン振動の振幅と垂直方向ベータトロン振動の振幅の2乗との積が大きい領域で六極磁場成分の大きさとdriving termが大きくなるので、その水平方向ベータトロン振動の振幅と垂直方向ベータトロン振動の振幅の2乗との積が大きい領域で、六極磁場成分の大きさを小さくするような第2磁場を設けることで、共鳴幅を小さくすることができる。ただし、これに限定されることはない。他の例として、水平方向ベータトロン振動振幅βrの実数乗と、垂直方向ベータトロン振動振幅βの実数乗の積を用いることができる。 In addition, in formula (4), as an example, the product of the first power of the horizontal betatron vibration amplitude βr and the square of the vertical betatron vibration amplitude βz is used. In formula (4), the magnitude and driving term of the sextupole magnetic field component are large in the region where the product of the horizontal betatron vibration amplitude and the square of the vertical betatron vibration amplitude is large, so that the resonance width can be reduced by providing a second magnetic field that reduces the magnitude of the sextupole magnetic field component in the region where the product of the horizontal betatron vibration amplitude and the square of the vertical betatron vibration amplitude is large. However, this is not limited to this. As another example, the product of the real power of the horizontal betatron vibration amplitude βr and the real power of the vertical betatron vibration amplitude βz can be used.

以上の説明は、Walkinshaw共鳴の共鳴幅を低減することに関する説明であるが、他の種類の共鳴についてもこれと同様に、driving termの大きさを0にするように多極磁場成分を印加することで、共鳴幅を0にすることができる。 The above explanation is about reducing the resonance width of Walkinshaw resonance, but the resonance width of other types of resonance can also be reduced to zero by applying a multipole magnetic field component that sets the magnitude of the driving term to zero.

実施例2の円形加速器について図面を用いて説明する。ここでは、本実施例のうち、実施例1と同じ構成については説明を省略し、実施例1と異なる構成についてのみ説明する。 The circular accelerator of Example 2 will be described with reference to the drawings. Here, the description of the configuration of this example that is the same as that of Example 1 will be omitted, and only the configuration that differs from Example 1 will be described.

本実施例の円形加速器は、出射するビームのエネルギーを70MeVから235MeVの間で任意に変更できるようにするため、ビームの軌道をビーム出射経路入口82の側に偏芯させるように主磁場を形成した偏芯軌道型加速器である。 The circular accelerator of this embodiment is an eccentric orbit accelerator in which the main magnetic field is formed to eccentrically orbit the beam toward the entrance 82 of the beam extraction path so that the energy of the extracted beam can be freely changed between 70 MeV and 235 MeV.

図6は、実施例2の円形加速器30の外観図である。図7は、実施例2の偏芯軌道型加速器を中心平面で切断した断面図である。図8は、実施例2の偏芯軌道型加速器の鉛直方向の断面図(図7のA-A’矢視図)である。 Figure 6 is an external view of the circular accelerator 30 of the second embodiment. Figure 7 is a cross-sectional view of the eccentric orbit accelerator of the second embodiment cut at the center plane. Figure 8 is a vertical cross-sectional view of the eccentric orbit accelerator of the second embodiment (view taken along the A-A' arrow in Figure 7).

実施例2の円形加速器30では、ビームが周回する軌道は、ビームが加速するのに応じて半径が大きくなり、半径が大きくなるに従って軌道の中心が所定方向(図7中では右方向)に移動する。その軌道の中心が移動する方向の逆方向(図7中では左方向)に、速度に応じた軌道が密となる領域があり、その領域の近傍にビーム出射経路入口82が配置されている。ビーム出射経路入口82の近傍で軌道が密となるので、所望のエネルギーのビームを容易に出射できる。 In the circular accelerator 30 of Example 2, the radius of the orbit around which the beam travels increases as the beam accelerates, and as the radius increases, the center of the orbit moves in a specified direction (to the right in FIG. 7). In the opposite direction to the direction in which the center of the orbit moves (to the left in FIG. 7), there is a region where the orbit becomes dense according to the speed, and the beam extraction path entrance 82 is located near this region. Because the orbit becomes dense near the beam extraction path entrance 82, a beam of the desired energy can be easily emitted.

図7および図8に示した偏芯軌道型加速器における、図2および図3に示した実施例1の円形加速器からの構造上の変更点として、ディー電極12およびダミーディー電極13の形状と、それらの間に形成される加速間隙11の形状とがある。 The structural changes in the eccentric orbit accelerator shown in Figures 7 and 8 from the circular accelerator of Example 1 shown in Figures 2 and 3 are the shapes of the dee electrode 12 and dummy dee electrode 13, and the shape of the acceleration gap 11 formed between them.

ここで、回転コンデンサ31の回転軸と加速領域の円の中心を通る線を中心線とする。イオン入射部52は中心線上で加速領域の中心よりもビーム出射経路入口82側に寄った位置に配置されている。また、図示はしないが、後述する主磁場を形成するために主磁極38の上下対向する面の形状も実施例1のものと大きく異なる。高周波キッカ81の構成も複数のエネルギー軌道へ高周波電場を印加するため、実施例1のものと構造が異なる。 Here, the line passing through the rotation axis of the rotating condenser 31 and the center of the circle of the acceleration region is defined as the center line. The ion injection section 52 is positioned on the center line closer to the entrance 82 of the beam extraction path than the center of the acceleration region. In addition, although not shown, the shapes of the upper and lower opposing surfaces of the main magnetic pole 38 for forming the main magnetic field described below are also significantly different from those in Example 1. The configuration of the radio frequency kicker 81 also differs in structure from that in Example 1 in order to apply a radio frequency electric field to multiple energy orbits.

図9に、エネルギー毎の設計軌道の概念図を示す。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。等周回位相線は、集約領域に周回位相φ=0を設定し、それを含めて周回位相π/4ごとにプロットされている。ディー電極12とそれに対向するダミーディー電極13との間に形成される加速間隙11は、等周回位相線に沿って設置される。 Figure 9 shows a conceptual diagram of the design orbit for each energy. The dotted lines connect the same orbital phases of each orbit, and are called iso-orbital phase lines. The iso-orbital phase lines are plotted for every orbital phase π/4, including the orbital phase φ = 0 set in the concentration region. The acceleration gap 11 formed between the dee electrode 12 and the opposing dummy dee electrode 13 is installed along the iso-orbital phase line.

より具体的には、ディー電極12は、最低出射エネルギー軌道83の中心付近を先端とし、その先端から等周回位相線に沿って円周に到達する2本の曲線と、それら2本の曲線が到達した円周上の点同士を結ぶ弧とで囲われた扇形のような中空の形状をしている。また、ダミーディー電極13は、ディー電極12の上記2本の曲線にそれぞれ対向する2本の曲線を外形に有する形状をしている。 More specifically, the dee electrode 12 has a hollow sector-like shape surrounded by two curves that extend from the tip near the center of the minimum emission energy orbit 83 to the circumference along an iso-rotating phase line, and an arc connecting the points on the circumference reached by the two curves. The dummy dee electrode 13 has an outer shape that has two curves that respectively face the two curves of the dee electrode 12.

ビームのエネルギーが低い領域では、ビームの軌道は、サイクロトロン同様にイオン入射部52の付近を中心とする同心軌道に近いものとなる。しかし、エネルギーがより大きな領域では、ビームの軌道は、ビーム出射経路入口82の付近で密に集約しており、逆に内導体14の付近では各エネルギーの軌道が互いに離れている。 In regions where the beam energy is low, the beam trajectory is close to a concentric trajectory centered near the ion injection section 52, similar to that of a cyclotron. However, in regions where the beam energy is higher, the beam trajectory is tightly concentrated near the entrance 82 of the beam exit path, and conversely, the trajectories of each energy are separated from each other near the inner conductor 14.

この軌道が密に集まっている領域を集約領域と呼び、離散した領域を離散領域と呼ぶ。集約領域付近からビームを取出す構成とすることで、ビームを取り出すために必要となるキック量を小さくでき、所望のエネルギーを選択してビームを出射することが容易になっている。 The area where these orbits are densely packed is called the concentrated area, and the area where they are dispersed is called the dispersed area. By configuring the beam to be extracted from near the concentrated area, the amount of kick required to extract the beam can be reduced, making it easier to select the desired energy and emit the beam.

上述したような軌道の構成と軌道の周辺での安定な振動を生じさせるために、本実施例の加速器では、径方向外周側に行くにつれ主磁場の磁場強度が小さくなるような磁場分布を、主磁極38の形状と、その表面に設置するトリムコイルおよび/または磁極片とにより形成する。また、設計軌道に沿った線上では主磁場は一定値である。よって、各エネルギーにおける設計軌道は円形となる。 To create the orbit configuration described above and generate stable vibrations around the orbit, the accelerator of this embodiment creates a magnetic field distribution in which the magnetic field strength of the main magnetic field decreases toward the radially outer periphery by using the shape of the main pole 38 and the trim coils and/or pole pieces installed on its surface. In addition, the main magnetic field is a constant value on a line along the design orbit. Therefore, the design orbit at each energy is circular.

次にビームの出射方法について説明する。 Next, we will explain how the beam is emitted.

円形加速器30からビームを出射するために、すべてのエネルギーのビームの軌道が集約している集約領域付近に設置する高周波キッカ81と、その両脇に配置するピーラ磁場領域42およびリジェネレータ磁場領域43と、セプタムコイル41と、高エネルギービーム輸送系45とが用いられる。 To emit a beam from the circular accelerator 30, a high-frequency kicker 81 is installed near the concentration region where the trajectories of all energy beams are concentrated, and a peeler magnetic field region 42 and a regenerator magnetic field region 43 are placed on either side of it, a septum coil 41, and a high-energy beam transport system 45 are used.

本実施例では、出射に用いられる上記構成要素のうち、高周波キッカ81の構成が実施例1のものと異なる。ビームを出射するための手順は、基本的に実施例1で説明したものと同一である。しかし、加速間隙11に印加する高周波の加速電圧を遮断するタイミングと、高周波キッカ81への高周波電圧の印加を開始するタイミングとを前にずらせば、任意のエネルギーのビームを出射できるようになる。高周波電圧の印加を開始することで、その所望のエネルギーのビームのベータトロン振動の振幅が高周波キッカ81により増大する。やがて、そのビームがピーラ磁場領域42とリジェネレータ磁場領域43とに到達し、円形加速器30から出射される。 In this embodiment, among the above components used for extraction, the configuration of the radio frequency kicker 81 is different from that of the first embodiment. The procedure for extracting the beam is basically the same as that described in the first embodiment. However, if the timing for cutting off the radio frequency acceleration voltage applied to the acceleration gap 11 and the timing for starting the application of the radio frequency voltage to the radio frequency kicker 81 are shifted forward, a beam of any energy can be extracted. By starting the application of the radio frequency voltage, the amplitude of the betatron oscillation of the beam of the desired energy is increased by the radio frequency kicker 81. Eventually, the beam reaches the peeler magnetic field region 42 and the regenerator magnetic field region 43, and is extracted from the circular accelerator 30.

本実施例の円形加速器30も、実施例1のものと同様、式(1)のn値が安定化条件を満たす円形加速器である。Walkinshaw共鳴と呼ばれる共鳴によりビームが発散するのを抑制することでビームの電流を増大させることが可能になる。実施例1の円形加速器と同様に、実施例2でも、driving termの大きさを0にすることで、共鳴により発散するビームを低減することができる。また、式(4)より、最大エネルギービーム軌道80の外周のs方向の任意の区間に、kを補正するための共鳴抑制磁場46を印加することで、driving termの大きさを0またはその近傍にすることが可能になる。 The circular accelerator 30 of this embodiment is also a circular accelerator in which the n value in formula (1) satisfies the stabilization condition, as in the first embodiment. It is possible to increase the beam current by suppressing the beam divergence due to the resonance called Walkinshaw resonance. As in the first embodiment, the second embodiment can also reduce the beam divergence due to the resonance by setting the magnitude of the driving term to 0. In addition, according to formula (4), it is possible to set the magnitude of the driving term to 0 or close to 0 by applying the resonance suppression magnetic field 46 for correcting k2 to any section in the s direction on the outer periphery of the maximum energy beam orbit 80.

ここで、エネルギー毎の水平方向ベータトロン振動の振幅βと位相φとの関係を図10に示す。また、エネルギー毎の垂直方向ベータトロン振動の振幅βと位相φとの関係を図11に示す。なお、振幅βと振幅βは、位相φ=πに対して対称となっている。 The relationship between the amplitude βr and phase φ of the horizontal betatron oscillation for each energy is shown in Fig. 10. The relationship between the amplitude βz and phase φ of the vertical betatron oscillation for each energy is shown in Fig. 11. The amplitudes βr and βz are symmetrical with respect to the phase φ = π.

図10に示した振幅βは位相φ=π/2、3π/2のときに最大となる。一方、図11に示した振幅βは、位相φ=0において最大となり、φ=πにおいて最小となる。 The amplitude βr shown in Fig. 10 is maximum when the phase φ=π/2, 3π/2, while the amplitude βz shown in Fig. 11 is maximum when the phase φ=0 and is minimum when φ=π.

式(4)より、振幅βrおよび振幅βが大きな値を取るs方向の座標において、kによるdriving termへの寄与の度合いが大きくなると言える。従って、本実施例の円形加速器30においては、振幅βzは位相φに対して比較的平坦なので、位相φによる変動の大きい振幅βrが最大となる位相φ=π/2の等周回位相線の近傍および/または3π/2の等周回位相線の近傍に共鳴抑制磁場46が印加される。位相がπ/2(90度)、3π/2(270度)の近傍で水平方向ベータトロン振動振幅が最大となるので、その近傍に、六極磁場成分の大きさを小さくするような第2磁場を設けることで、共鳴幅を小さくすることができる。 From equation (4), it can be said that the degree of contribution of k2 to the driving term becomes large in the s-direction coordinate where the amplitude βr and the amplitude βz are large. Therefore, in the circular accelerator 30 of this embodiment, since the amplitude βz is relatively flat with respect to the phase φ, the resonance suppression magnetic field 46 is applied near the iso-periodic phase line of phase φ=π/2 and/or near the iso-periodic phase line of 3π/2 where the amplitude βr, which varies greatly with the phase φ, is maximized. Since the horizontal betatron oscillation amplitude is maximized near the phases π/2 (90 degrees) and 3π/2 (270 degrees), the resonance width can be reduced by providing a second magnetic field in the vicinity thereof that reduces the magnitude of the sextupole magnetic field component.

本実施例の円形加速器30は、実施例1の円形加速器30と同様に、共鳴抑制磁場46はs方向の任意の領域に複数あってもよい。また、本実施例ではWalkinshaw共鳴について説明したが、他の種類の共鳴についてもこれと同様に、driving termの大きさを0にするように多極磁場成分を印加することで、共鳴幅を0にすることができる。 In the circular accelerator 30 of this embodiment, similar to the circular accelerator 30 of the first embodiment, the resonance suppression magnetic field 46 may be present in multiple regions in any s-direction. In addition, although the Walkinshaw resonance has been described in this embodiment, the resonance width can be set to 0 for other types of resonance in the same manner by applying a multipole magnetic field component so that the magnitude of the driving term is set to 0.

実施例3として、円形加速器を用いた粒子線治療装置について説明する。 As a third embodiment, we will explain a particle beam therapy device that uses a circular accelerator.

図12は、実施例3の粒子線治療装置の全体構成図である。粒子線治療装置は、実施例1もしくは実施例2に示した円形加速器30、回転ガントリ90、走査電磁石を含む照射装置92、治療台101およびそれらを制御する制御装置91を有する。 Figure 12 is a diagram showing the overall configuration of a particle beam therapy device according to the third embodiment. The particle beam therapy device includes the circular accelerator 30 shown in the first or second embodiment, a rotating gantry 90, an irradiation device 92 including a scanning magnet, a treatment table 101, and a control device 91 for controlling them.

円形加速器30から出射されたビームは、回転ガントリ90により照射装置92まで輸送される。照射装置92に輸送されたイオンビームは、照射装置92でのビームエネルギーの調整により患部に合わせて形成され、治療台101に横たわる患者100の患部に対して所定量照射される。 The beam emitted from the circular accelerator 30 is transported to the irradiation device 92 by the rotating gantry 90. The ion beam transported to the irradiation device 92 is shaped to match the affected area by adjusting the beam energy in the irradiation device 92, and a predetermined amount is irradiated to the affected area of the patient 100 lying on the treatment table 101.

照射装置92は、線量モニタを内包しており、患者100への照射スポット毎に照射された線量を監視している。この線量データを元に、治療制御装置91は各照射スポットへの要求線量を算出し、加速器制御装置93への入力データとする。加速器制御装置93は、円形加速器30における荷電粒子ビームの、入射、加速、出射を制御する。 The irradiation device 92 includes a dose monitor and monitors the dose irradiated to each irradiation spot on the patient 100. Based on this dose data, the treatment control device 91 calculates the required dose for each irradiation spot and uses this as input data for the accelerator control device 93. The accelerator control device 93 controls the entrance, acceleration, and exit of the charged particle beam in the circular accelerator 30.

10…高周波加速空胴、11…加速間隙、12…ディー電極、13…ダミーディー電極、14…内導体、15…外導体、20…入力カプラ、21…加速高周波電源、30…円形加速器、31…回転コンデンサ、32…モータ、33…固定電極、34…回転電極、35…主磁極、36…クライオスタット、37…ヨーク、38…メインコイル、38…主磁極、40…主電磁石、41…セプタムコイル、42…ピーラ磁場領域、43…リジェネレータ磁場領域、44…ビーム用貫通孔、45…高エネルギービーム輸送系、46…共鳴抑制磁場、47…コイル用貫通孔、48…真空引き用貫通孔、49…高周波系用貫通孔、50…イオン源、51…低エネルギービーム輸送系、52…イオン入射部、53…静電インフレクタ、80…最大エネルギービーム軌道、81…高周波キッカ、82…ビーム出射経路入口、83…最低出射エネルギー軌道、90…回転ガントリ、91…治療制御装置、91…制御装置、92…照射装置、93…加速器制御装置、100…患者、101…治療台 10...RF acceleration cavity, 11...acceleration gap, 12...Dee electrode, 13...dummy Dee electrode, 14...inner conductor, 15...outer conductor, 20...input coupler, 21...acceleration RF power supply, 30...circular accelerator, 31...rotating capacitor, 32...motor, 33...fixed electrode, 34...rotating electrode, 35...main magnetic pole, 36...cryostat, 37...yoke, 38...main coil, 38...main magnetic pole, 40...main electromagnet, 41...septum coil, 42...peer magnetic field region, 43...regenerator magnetic field region, 44...beam through hole, 45... High energy beam transport system, 46...resonance suppression magnetic field, 47...coil through hole, 48...vacuum through hole, 49...high frequency system through hole, 50...ion source, 51...low energy beam transport system, 52...ion injection section, 53...electrostatic inflector, 80...maximum energy beam trajectory, 81...high frequency kicker, 82...beam extraction path entrance, 83...minimum extraction energy trajectory, 90...rotating gantry, 91...treatment control device, 91...control device, 92...irradiation device, 93...accelerator control device, 100...patient, 101...treatment table

Claims (10)

ヨークの内部に円筒状領域を構成し、前記円筒状領域に静磁場を形成する主電磁石と、
荷電粒子ビームを前記主電磁石の内部から外部へ輸送するビーム出射経路と、
前記静磁場中を周回する荷電粒子ビームを加速するための、周波数を変調した加速電場を印加する加速電場印加器と、
前記加速電場により加速した荷電粒子ビームのベータトロン振動の振幅を増大させるキッカと、
を有し、
前記主電磁石は、前記キッカによりベータトロン振動の振幅が増大した荷電粒子ビームを前記ビーム出射経路に進入させるための第1磁場と、前記ヨーク内の前記静磁場の領域と前記ヨークの内壁の間における前記荷電粒子ビームの発散を抑制するための第2磁場とを作成する、ものであり、
前記第2磁場は、
前記荷電粒子ビームが加速中に通過する領域の外側に作成され、
4極以上の多極磁場成分を含み、
前記荷電粒子ビームの水平方向ベータトロン振動の振幅の実数乗と垂直方向ベータトロン振動の振幅の実数乗との積が極大となる領域の近傍に配置される、
加速器。
A main electromagnet that defines a cylindrical region inside the yoke and generates a static magnetic field in the cylindrical region;
a beam extraction path for transporting the charged particle beam from the inside to the outside of the main electromagnet;
an accelerating electric field applicator that applies a frequency-modulated accelerating electric field to accelerate the charged particle beam circulating in the static magnetic field;
a kicker for increasing the amplitude of betatron oscillation of the charged particle beam accelerated by the accelerating electric field;
having
the main electromagnet creates a first magnetic field for causing the charged particle beam, the amplitude of which has been increased by the kicker, to enter the beam extraction path, and a second magnetic field for suppressing divergence of the charged particle beam between a region of the static magnetic field in the yoke and an inner wall of the yoke,
The second magnetic field is
being produced outside a region through which the charged particle beam passes during acceleration;
Contains four or more multi-pole magnetic field components,
The charged particle beam is disposed in the vicinity of a region where the product of the real power of the amplitude of the horizontal betatron oscillation of the charged particle beam and the real power of the amplitude of the vertical betatron oscillation is maximized.
Accelerator.
前記第2磁場は、前記荷電粒子ビームの水平方向ベータトロン振動の振幅と垂直方向ベータトロン振動の振幅の2乗との積が極大となる領域近傍に配置される、
請求項に記載の加速器。
the second magnetic field is disposed in the vicinity of a region where the product of the amplitude of the horizontal betatron oscillation and the square of the amplitude of the vertical betatron oscillation of the charged particle beam is maximized;
The accelerator of claim 1 .
前記主電磁石は、
前記キッカと前記ビーム出射経路の入口とを挟み、前記荷電粒子ビームが周回する軌道における上流側に、前記ビームを前記軌道の外周側にキックするピーラ磁場領域を形成し、下流側に、前記荷電粒子ビームを前記軌道の内周側にキックするリジェネレータ磁場領域を形成し、
前記ピーラ磁場領域の上流側に前記第2磁場を形成する、
請求項1に記載の加速器。
The main electromagnet is
a peeler magnetic field region for kicking the beam toward the outer periphery of the orbit, formed on the upstream side of the orbit in which the charged particle beam circulates, between the kicker and an entrance of the beam extraction path, and a regenerator magnetic field region for kicking the charged particle beam toward the inner periphery of the orbit, formed on the downstream side;
forming the second magnetic field upstream of the peeler magnetic field region;
The accelerator of claim 1 .
前記加速電場印加器は、第1電極と第2電極を有し、前記第1電極と前記第2電極の間の間隙に前記加速電場を印加し、
前記主電磁石は、前記ピーラ磁場領域の上流側かつ前記間隙の下流側に前記第2磁場を形成する、
請求項に記載の加速器。
the accelerating electric field applicator has a first electrode and a second electrode, and applies the accelerating electric field to a gap between the first electrode and the second electrode;
The main electromagnet forms the second magnetic field upstream of the peeler magnetic field region and downstream of the gap.
The accelerator of claim 3 .
前記荷電粒子ビームの周回する軌道は、前記荷電粒子ビームの速度に応じて半径が大きくなり、前記半径が大きくなるに従って前記軌道の中心が所定方向に移動する、
請求項1からのいずれか一項に記載の加速器。
the radius of the orbit of the charged particle beam increases in accordance with the velocity of the charged particle beam, and the center of the orbit moves in a predetermined direction as the radius increases;
An accelerator according to any one of claims 1 to 4 .
前記所定方向の逆方向に、速度に応じた軌道が密となる領域があり、該領域の近傍に前記ビーム出射経路の入口が配置される、
請求項に記載の加速器。
a region in which the trajectory according to the speed becomes dense in a direction opposite to the predetermined direction, and an entrance of the beam extraction path is disposed in the vicinity of the region;
The accelerator of claim 5 .
ヨークの内部に円筒状領域を構成し、前記円筒状領域に静磁場を形成する主電磁石と、
荷電粒子ビームを前記主電磁石の内部から外部へ輸送するビーム出射経路と、
前記静磁場中を周回する荷電粒子ビームを加速するための、周波数を変調した加速電場を印加する加速電場印加器と、
前記加速電場により加速した荷電粒子ビームのベータトロン振動の振幅を増大させるキッカと、
を有し、
前記主電磁石は、前記キッカによりベータトロン振動の振幅が増大した荷電粒子ビームを前記ビーム出射経路に進入させるための第1磁場と、前記ヨーク内の前記静磁場の領域と前記ヨークの内壁の間における前記荷電粒子ビームの発散を抑制するための第2磁場とを作成する、ものであり、
前記荷電粒子ビームの周回する軌道は、前記荷電粒子ビームの速度に応じて半径が大きくなり、前記半径が大きくなるに従って前記軌道の中心が所定方向に移動し、
前記所定方向の逆方向に、速度に応じた軌道が密となる領域があり、該領域の近傍に前記ビーム出射経路の入口が配置され、
前記第2磁場は、最大エネルギーの軌道における、前記逆方向を0度とした周回位相が90度または270度である領域の近傍に配置される
速器。
A main electromagnet that defines a cylindrical region inside the yoke and generates a static magnetic field in the cylindrical region;
a beam extraction path for transporting the charged particle beam from the inside to the outside of the main electromagnet;
an accelerating electric field applicator that applies a frequency-modulated accelerating electric field to accelerate the charged particle beam circulating in the static magnetic field;
a kicker for increasing the amplitude of betatron oscillation of the charged particle beam accelerated by the accelerating electric field;
having
the main electromagnet creates a first magnetic field for causing the charged particle beam, the amplitude of which has been increased by the kicker, to enter the beam extraction path, and a second magnetic field for suppressing divergence of the charged particle beam between a region of the static magnetic field in the yoke and an inner wall of the yoke,
a radius of the orbit around which the charged particle beam moves increases in accordance with a velocity of the charged particle beam, and a center of the orbit moves in a predetermined direction as the radius increases;
a region in which the trajectory becomes dense according to the speed is present in a direction opposite to the predetermined direction, and an entrance of the beam extraction path is disposed in the vicinity of the region;
The second magnetic field is disposed in the vicinity of a region in the orbit of maximum energy where the rotation phase, with the reverse direction being 0 degrees, is 90 degrees or 270 degrees .
Accelerator .
前記主電磁石は、前記主電磁石において前記静磁場を形成する主磁極に設置されたコイルを含み、前記コイルにより前記第2磁場を作成する、請求項1に記載の加速器。 The accelerator of claim 1, wherein the main electromagnet includes a coil installed in a main pole that forms the static magnetic field in the main electromagnet, and the second magnetic field is created by the coil. 前記主電磁石は、前記主電磁石において前記静磁場を形成する主磁極に設置された鉄片を含み、前記鉄片により前記第2磁場を作成する、請求項1に記載の加速器。 The accelerator of claim 1, wherein the main electromagnet includes an iron piece disposed in a main pole that forms the static magnetic field in the main electromagnet, and the second magnetic field is created by the iron piece. 請求項1からのいずれか一項に記載の加速器を備える、粒子線治療装置。 A particle beam therapy system comprising the accelerator according to any one of claims 1 to 9 .
JP2020206572A 2020-12-14 2020-12-14 Accelerators and particle beam therapy equipment Active JP7485593B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020206572A JP7485593B2 (en) 2020-12-14 2020-12-14 Accelerators and particle beam therapy equipment
PCT/JP2021/028894 WO2022130680A1 (en) 2020-12-14 2021-08-04 Accelerator and particle beam therapy device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020206572A JP7485593B2 (en) 2020-12-14 2020-12-14 Accelerators and particle beam therapy equipment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022093859A JP2022093859A (en) 2022-06-24
JP7485593B2 true JP7485593B2 (en) 2024-05-16

Family

ID=82057536

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020206572A Active JP7485593B2 (en) 2020-12-14 2020-12-14 Accelerators and particle beam therapy equipment

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7485593B2 (en)
WO (1) WO2022130680A1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011019036A1 (en) 2009-08-11 2011-02-17 国立大学法人群馬大学 Method for extracting a charged particle beam using pulse voltage
WO2013098089A1 (en) 2011-12-28 2013-07-04 Ion Beam Applications S.A. Extraction device for a synchrocyclotron
JP2015181854A (en) 2014-03-26 2015-10-22 国立研究開発法人放射線医学総合研究所 Particle beam irradiation control apparatus and control method thereof
JP2016110941A (en) 2014-12-10 2016-06-20 株式会社東芝 Accelerator and particle beam medical treatment device
WO2018142495A1 (en) 2017-02-01 2018-08-09 株式会社日立製作所 Circular accelerator
US20190070438A1 (en) 2017-09-05 2019-03-07 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Fixed field alternating gradient ion accelerator for variable energy extraction
JP2019133745A (en) 2018-01-29 2019-08-08 株式会社日立製作所 Circular accelerator, particle beam therapy system with circular accelerator, and method of operating circular accelerator

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011019036A1 (en) 2009-08-11 2011-02-17 国立大学法人群馬大学 Method for extracting a charged particle beam using pulse voltage
WO2013098089A1 (en) 2011-12-28 2013-07-04 Ion Beam Applications S.A. Extraction device for a synchrocyclotron
JP2015181854A (en) 2014-03-26 2015-10-22 国立研究開発法人放射線医学総合研究所 Particle beam irradiation control apparatus and control method thereof
JP2016110941A (en) 2014-12-10 2016-06-20 株式会社東芝 Accelerator and particle beam medical treatment device
WO2018142495A1 (en) 2017-02-01 2018-08-09 株式会社日立製作所 Circular accelerator
US20190070438A1 (en) 2017-09-05 2019-03-07 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Fixed field alternating gradient ion accelerator for variable energy extraction
JP2019133745A (en) 2018-01-29 2019-08-08 株式会社日立製作所 Circular accelerator, particle beam therapy system with circular accelerator, and method of operating circular accelerator

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022093859A (en) 2022-06-24
WO2022130680A1 (en) 2022-06-23

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
JP2019133745A5 (en)
WO2018173240A1 (en) Circular accelerator
WO2019097721A1 (en) Particle beam therapy system, accelerator, and method for operating accelerator
JP7240262B2 (en) Accelerator, particle beam therapy system and ion extraction method
JP7359702B2 (en) Particle beam therapy system, ion beam generation method, and control program
WO2019097904A1 (en) Accelerator and particle beam therapy system
JP7319144B2 (en) Circular Accelerator, Particle Beam Therapy System, Operation Method of Circular Accelerator
JP7485593B2 (en) Accelerators and particle beam therapy equipment
JP6899754B2 (en) Circular accelerator and particle beam therapy system
JP7595544B2 (en) Rotating condenser, circular accelerator and particle beam therapy system
US20240306286A1 (en) Accelerator and particle therapy system
WO2024004238A1 (en) Accelerator and particle beam therapy device
JP2023106831A (en) Rotating Condenser, Circular Accelerator, and Particle Therapy System
JP2024055638A (en) Circular accelerator, particle beam therapy device, and method of operating the circular accelerator
JP2022026175A (en) Accelerator and particle beam therapy device
JP7465042B2 (en) Circular accelerator and particle beam therapy system
WO2023013458A1 (en) Circular accelerator and particle beam treatment system
US20230058735A1 (en) Accelerator and particle therapy system
WO2023112383A1 (en) Accelerator, particle beam therapy system, and control method
WO2023162640A1 (en) Accelerator and particle beam treatment system comprising accelerator
JP3027822B2 (en) Method and apparatus for micro-bunching of charged particle beam
JP2025009170A (en) Circular accelerator, particle beam therapy system, and method for controlling circular accelerator

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230605

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240220

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240325

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: 20240416

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240502

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7485593

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