加速器以及粒子束治疗系统技术方案

随着离子束被加速，旋转轨道的半径逐渐变大，且旋转轨道的中心沿空隙的预定的半径方向向靠近周缘部的方向移动后，旋转轨道的移动方向反转并进一步向所述空隙的中心移动。为了实现这一点，设计主磁场的轨道面内的强度分布。由此，作为小型且能够变更取出射束的能量的加速器，提高从外部离子源向加速器内的射束入射的效率，其结果，提高所射出的离子束的剂量率。提高所射出的离子束的剂量率。提高所射出的离子束的剂量率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】加速器以及粒子束治疗系统


[0001]本专利技术涉及对质子或碳离子等重离子进行加速的加速器和粒子束治疗系统以及加速器的运转方法。

技术介绍

[0002]使用加速器来生成粒子束治疗、物理实验等中使用的高能量的离子束。
[0003]粒子束治疗能够根据其粒子束的种类进行分类，有对患部照射质子束的质子束治疗和照射碳、氦等比质子重的原子核的重粒子束治疗。在质子束治疗中需要230MeV左右的每个核子的动能，在碳束的情况下需要430MeV左右的每个核子的动能。能够生成这些射束的加速器有几个种类。例如，已知有回旋加速器、同步加速器、专利文献1所记载的同步回旋加速器、专利文献2所记载的可变能量加速器。
[0004]回旋加速器及同步回旋加速器的特征在于，通过高频电场对在静磁场中旋转的射束进行加速，射束随着加速而增加其轨道的曲率半径，向外侧的轨道移动，达到最高能量之后被取出。因此，取出的射束的能量基本上被固定。
[0005]另一方面，同步加速器通过使射束偏转的电磁铁的磁场和加速的高频电场的频率随时间变化，射束在固定的轨道上环绕。因此，能够在达到设计上的最大能量之前取出射束，能够控制取出能量。
[0006]在专利文献1的同步回旋加速器中，具有半径R的大致圆形的截面的一对铁磁性体的磁极使中心轴一致，隔着正中面而上下配置。一对磁极被间隙(gap)隔离，该间隙形成具有相对于正中面实质上对称的轮廓(profile)的空隙(cavity)。间隙的高度在磁极的半径方向上变化。间隙的高度在中心轴为H
center<br/>，在从中心轴到半径R2的圆形的部分，随着半径变大而从H
center
逐渐增大，在半径R2处成为最大值H
max
。大于半径R2的环状部分随着半径变大，其间隙的高度逐渐减小，磁极边缘的间隙高度为H
edge
。专利文献1中公开了具备这种间隙形状的空隙的同步回旋加速器能够使间隙内的磁场最小化，另一方面能够使同步回旋加速器的尺寸最小化。
[0007]另一方面，在专利文献2中公开了能够射出能量不同的离子束的可变能量加速器。该加速器具备使离子束旋转的外周形成圆形的空隙(空间)的电磁铁。离子源向从圆形的空隙的中心轴向半径方向大幅偏离的接近外周的预定位置入射离子束。对入射的离子束照射高频，一边加速一边在空隙内旋转。低速的离子束在轨道半径小的轨道旋转，以轨道半径随着加速而逐渐变大的方式设计电磁铁的主磁场的磁场分布。
[0008]此时，在专利文献2的加速器中，以随着轨道半径变大而轨道的中心逐渐朝向圆形的空隙的中心轴移动的方式设计电磁铁的主磁场分布。由此，如专利文献2的图5所公开的那样，能够使所有轨道密集地穿过离子的入射位置与空隙的外周之间的狭窄区域。因此，通过在空隙的最外周配置磁场产生部，不仅对于最外周，对于其内侧的1个以上的轨道，也能够施加绕该轨道旋转的离子偏离轨道的方向的力。由此，能够使离子束产生远离旋转轨道的方向的波动，并进入向空隙外射出的射出轨道而向加速器外部射出。
[0009]这样，专利文献2的加速器不仅能够使最外周轨道的能量的离子束射出，还能够使其内侧的多个轨道的能量的离子束射出，因此能够使射出的离子束的能量变化。
[0010]现有技术文献
[0011]专利文献
[0012]专利文献1：日本特表2013
‑
541170号公报
[0013]专利文献2：日本特开2019
‑
96405号公报

技术实现思路

[0014]专利技术所要解决的课题
[0015]专利文献1中记载的同步回旋加速器是通过高频电场对在主磁场中旋转的射束进行加速的类型的加速器。在这种同步回旋加速器中，具有射束的旋转频率随着射束的能量增加而降低的特性，需要与射束的旋转频率同步地调制高频电场的频率。因此，入射低能量的射束后加速取出，进而再次入射射束为止成为一个运转周期。同步回旋加速器的运转周期由激发高频电场的空腔的谐振频率的扫描速度决定，一般为数毫秒左右。取出在该数毫秒的运转周期中以1次的比例旋转的射束的总量。并且，所取出的射束的能量基本上被固定。
[0016]在粒子束治疗中，要求不超过在治疗计划等中预先决定的照射剂量的允许范围地对照射对象的肿瘤照射射束。在同步回旋加速器中，在每个运转周期取出射束的总量，因此在使用同步回旋加速器的粒子束治疗系统中，需要将在同步回旋加速器的一个运转周期内能够加速/取出的射束量设定为相对于照射剂量的允许范围足够小。因此，存在如下课题：不得不使在一个运转周期加速的电荷量小于由加速器的性能决定的上限，照射完成花费时间。
[0017]并且，以往的回旋加速器中，为了使射束的旋转频率不依赖于能量而固定，需要等时性磁场的励磁，尤其难以将等时性磁场激发至碳射线治疗中所使用的能量区域而使射束加速。进而，回旋加速器无法变更取出射束的能量。另一方面，同步加速器虽然取出射束的能量可变，但现状是存在轨道的周长为50m以上这样的大型化的课题。
[0018]另一方面，专利文献2的加速器不仅能够使最外周的能量的离子束射出，还能够使最外周的内侧的1个以上的轨道的能量的离子束射出，但由于在空隙的外周部形成轨道密集的区域，因此从离子源入射离子束的位置成为靠近空隙的外周的位置。如专利文献2的图2所示，离子源搭载于电磁铁的上表面，在电磁铁的磁极等设置有射束入射用贯通孔115，离子束从离子源穿过射束入射用贯通孔115内而入射至空隙内。射束入射用贯通孔115以贯通靠近空隙的外周的位置、即靠近磁极的外周的位置的方式设置，成为横穿穿过磁极的磁力线的配置。因此，对在射束入射用贯通孔115的内部行进的离子束施加磁极内的磁力线的磁场，产生洛伦兹力而进行漂移运动。为了避免这种情况，例如需要如下结构：在射束入射用贯通孔115的附近配置一对电极，对离子束施加电场，使洛伦兹力与从电场受到的力平衡，使离子束在射束入射用贯通孔115内笔直地前进等。因此，专利文献2的加速器中，从离子源向空隙内的离子束的入射效率受到能够施加于离子入射用贯通孔的电压的大小的影响。
[0019]本专利技术的目的在于，在小型且能够变更取出射束的能量的加速器中，提高从外部离子源向加速器内的射束入射的效率，结果提高所射出的离子束的剂量率。
[0020]用于解决课题的手段
[0021]为了实现上述目的，本专利技术的加速器具有：电磁铁，其包括隔着使离子束旋转的轨道面对置的一对磁极，并形成在轨道面产生多个旋转轨道的主磁场；离子入射用贯通孔，其为了从外部将离子束导入到轨道面的预定的入射位置而形成于磁极；高频加速空腔，其被插入到在一对磁极间形成的空隙中，产生对绕轨道面旋转的离子束进行加速的高频；以及附加磁场产生部和取出通道，附加磁场产生部配置于空隙的外周，对在最外周和最外周内侧的一个以上的旋转轨道上移动中的离子束施加磁场而使移动方向偏离旋转轨道，取出通道将偏离旋转轨道的离子束向空隙外引导。主磁场的轨道面内的强度分布被设计成随着离子束被加速，旋转轨道的半径逐渐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种加速器，其特征在于，具有：电磁铁，其包括隔着使离子束旋转的轨道面对置的一对磁极，并形成在所述轨道面产生多个旋转轨道的主磁场；离子入射用贯通孔，其为了从外部将离子束导入到所述轨道面的预定的入射位置而形成于所述磁极；高频加速空腔，其被插入到在所述一对磁极间形成的空隙中，产生对绕所述轨道面旋转的离子束进行加速的高频；以及附加磁场产生部和取出通道，所述附加磁场产生部配置于所述空隙的外周，对在最外周和最外周的内侧的一个以上的所述旋转轨道上移动中的离子束施加磁场而使移动方向偏离所述旋转轨道，所述取出通道将偏离所述旋转轨道的离子束向所述空隙外引导，所述主磁场的所述轨道面内的强度分布被设计成随着所述离子束被加速，所述旋转轨道的半径逐渐变大，且在其中心沿着所述空隙的预定的半径方向向靠近周缘部的方向移动之后，使移动方向反转，进一步朝向所述空隙的中心移动。2.根据权利要求1所述的加速器，其特征在于，所述电磁铁的所述主磁场的所述强度分布被设计为，所述旋转轨道的中心沿着所述空隙的所述预定的半径方向向接近所述空隙的周缘部的方向移动，直至其半径达到预先决定的第一半径为止，在达到所述第一半径之后，沿着所述半径方向向所述空隙的中心移动。3.根据权利要求1所述的加速器，其特征在于，所述一对磁极分别为圆筒形，具有以隔着所述轨道面对称的方式配置的磁极面，所述离子入射用贯通孔设置于中心轴与所述轨道面垂直且与所述预定的半径方向正交的位置。4.根据权利要求1所述的加速器，其特征在于，所述离子入射用贯通孔的中心轴与所述空隙的中心的距离被设定在所述空隙的半径的长度的50％以内。5.根据权利要求3所述的加速器，其特征在于，在所述磁极面，在所述离子入射用贯...

【专利技术属性】
技术研发人员：青木孝道，关孝义，中岛裕人，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：