WO2018092483A1

WO2018092483A1 - 加速器および粒子線照射装置、ならびにビームの取出し方法

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Publication number: WO2018092483A1
Application number: PCT/JP2017/037387
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Inventors: 隆光羽江; 孝道青木; 孝義関; 重充原
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Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2018-05-24
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Abstract

環状のコイル（１３）と、互いに対向して設置された、その間に磁場を形成する２つの主電磁石（１１）と、ビームを加速する高周波加速空洞（２１），（２２）およびディー電極（２５）と、ビームを外部に取り出すビーム取出し経路（１４０）と、ディー電極（２５）内に配置され、コイル（１３）の半径方向の複数の位置でビームをビーム周回軌道から離脱させてビーム取出し経路（１４０）へ導くための偏向磁場を発生させる内蔵コイル（２８），（２８Ａ）からなるビーム離脱装置と、を備えた。これにより、サイクロトロン型の加速器において、所定エネルギーのビームを所定のタイミングで連続的に取出すことができる加速器とそれを備えた粒子線照射装置、ならびにビームの取出し方法が提供される。

Description

加速器および粒子線照射装置、ならびにビームの取出し方法

　本発明は、陽子や炭素等のイオンを加速するための加速器とそれを備えた粒子線照射装置、ならびにビームの取出し方法に関する。

　一台の粒子加速器によって放射線治療用及びＲＩ製造用の各用途に応じた電流量の加速粒子を取り出すことを可能とし、その結果として、稼働率の向上を図り易くすることを目的として、特許文献１には、放射線治療用の陽子ビーム及びＲＩ製造用の陽子ビームのそれぞれをサイクロトロンから取り出すために、サイクロトロンに少なくとも二つ設けられた取出ポートと、サイクロトロン内を周回する負イオンを取出ポートに誘導するフォイルと、負イオンをサイクロトロンに供給するイオン源と、フォイルの進退量及びイオン源による負イオンの供給量の少なくとも一方を制御して取出ポートから取り出される陽子ビームの電流量を制御する制御装置を備える粒子加速システムが記載されている。

特開２０１０－２８７４１９号公報

　粒子線照射装置は、大きく分けて、加速器としてシンクロトロンを有する粒子線照射装置と、加速器としてサイクロトロンを有する粒子線照射装置が知られている。

　このうち、サイクロトロンを有する粒子線照射装置は、例えば、イオン源、サイクロトロン、ビーム輸送系、回転ガントリー及び照射装置を備える。サイクロトロンは、横断面が円形の一対の対向する鉄心で構成される真空容器、高周波加速装置及び取出し用電磁石を有する。ビーム輸送系は、取出し用電磁石が配置された、サイクロトロンの出射口に連絡されている。

　サイクロトロンを有する粒子線照射装置では、イオン源から出射されたイオン（例えば、陽イオンまたは炭素等の陽子より質量の重い重粒子イオン）が、サイクロトロンの鉄心の横断面の中心に入射され、高周波加速装置で加速される。加速されたイオンビームは、鉄心の中心からリターンヨークの内側の側面に向かって螺旋状に周回し、鉄心の周辺部に設けられた取出し用電磁石によりビーム輸送系に出射される。この出射されたイオンビームは、ビーム輸送系を通って照射装置から治療台上の患者の患部（がん）に照射される。

　このようなサイクロトロンの内部を周回するビームは、高エネルギーになるほど外周側の軌道へ移動し、最高エネルギーに到達すると加速器外へ取り出される。よって、取り出されるビームのエネルギーは一般に一定値となる。そこで、様々なエネルギーのビームを必要とする粒子線治療などにサイクロトロンを適用するためには、加速器外でデグレーダ（エネルギー吸収体）を用いてビームのエネルギーを減少させる方法が用いられてきた。

　しかし、エネルギー調節にデグレーダを使用すると、デグレーダを透過する際にビーム電流が減少しビームの利用効率が低下する、との問題がある。また、散乱によるビームサイズの増加、不要な２次粒子の増加などの問題がある。

　更に、デグレーダを用いたり、特許文献１の方法のようにフォイルを設けたりすると、任意のエネルギーのビームを取り出すために余分な構成をビーム軌道上に設ける必要があるとともに、高精度なビームエネルギー制御が難しいことから、所定エネルギーのビームを所定のタイミングでの取出すことが難しい、との問題がある。

　本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的は、サイクロトロン型の加速器において、所定エネルギーのビームを所定のタイミングで連続的に取出すことができる加速器とそれを備えた粒子線照射装置、ならびにビームの取出し方法を提供することにある。

　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、環状のメインコイルと、互いに対向して設置された、その間に磁場を形成する２つの鉄心と、ビームを加速する電極と、ビームを外部に取り出すビーム出射経路と、前記電極内に配置され、前記メインコイルの半径方向の複数の位置で前記ビームをビーム周回軌道から離脱させて前記ビーム出射経路へ導くための偏向磁場を発生させる内蔵コイルからなるビーム離脱装置と、を備えたことを特徴とする。

　本発明によれば、サイクロトロン型の加速器において、所定エネルギーのビームを所定のタイミングで連続的に取出すことができる。

本発明の実施例の粒子線照射装置の全体構成を示す図である。本発明の実施例の加速器の外観を示す図である。実施例の加速器の内部構造を示す図である。実施例の加速器の設計軌道を示す図である。実施例の加速器のビーム軌道に沿った磁場分布を示す図である。実施例の加速器の軌道面内の主磁場分布を示す図である。実施例の加速器の軌道面内方向およびそれと直交する垂直方向のチューンを示す図である。実施例の加速器の高周波加速空洞の内部構造を示す図である。実施例の加速器の高周波加速空洞のビーム軌道面からディー電極側を見た断面を示す図である。図８のＢ－Ｂ’線上における断面を示す図である。実施例の加速器のもう一方の高周波加速空洞のビーム軌道面からディー電極側を見た断面を示す図である。

　本発明の加速器および粒子線照射装置、ならびにビームの取出し方法の実施例を、図１乃至図１１を用いて説明する。

　最初に、粒子線照射装置の全体構成および関連する装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の粒子線照射装置の全体構成を示す図である。

　図１において、粒子線照射装置１００は、加速器１、ビーム輸送系６０、照射装置７０、治療台９０、および制御装置８０を備える。

　粒子線照射装置１００では、イオン源１２で発生させたイオンを加速器１で加速してイオンビームとする。加速されたイオンビームは加速器１から出射され、ビーム輸送系６０により照射装置７０まで輸送される。輸送されたイオンビームは照射装置７０で患部形状に合致するように整形され、治療台９０に横になった患者９５の標的に対して所定量照射される。

　これら加速器１をはじめとした粒子線照射装置１００内の各装置，機器の動作は、制御装置８０によって制御される。

　次に、本実施例の加速器の構造について図２乃至図１１を用いて以下に説明する。図２に実施例の加速器の外観を示す。

　図２に示す加速器１はエネルギー可変かつ連続的にビーム出力可能なエネルギー可変連続波加速器であり、時間的に一定の磁場中を一定の周波数（等時性）で周回する荷電粒子ビームを高周波電場によって加速する円形の加速器である。

　図２に示すように、加速器１は、互いに対向して設置され、その間に磁場を形成する上下に分割可能な主電磁石１１によってその外殻が形成されており、その内部は真空引きされている。主電磁石１１には貫通口が複数形成されており、それらのうち、加速されたビームを取り出す取出しビーム用貫通口１１１、内部のコイル１３（図３参照）の導線を外部に引き出すためのコイル接続用貫通口１１２、高周波電力入力用貫通口１１４が上下の主電磁石１１の接続面上に設けられている。

　主電磁石１１の上部にはイオン源１２が設置されており、ビーム入射用貫通口１１５を通してビームが加速器１内部に入射される。ビームが入射される位置は主電磁石１１の重心とは異なる位置に配置されている。なお、イオン源１２は、主電磁石１１内部の真空引きされた内部空間２０に配置しても良い。

　次に、加速器１の内部構造について図３を用いて説明する。図３に加速器の概略断面図を示す。

　図３に示すように、加速器１の内部は、コイル（メインコイル）１３と、リターンヨーク１４と、磁極凸部１２１，１２２，１２３，１２４と、取出し用セプタム電磁石４０と、ビーム取出し経路（ビーム出射経路）１４０と、高周波加速空洞２１，２２と、ビーム離脱装置としての内蔵コイル２８，２８Ａが設けられている。

　主電磁石１１の内部には円筒状内壁で形成される円筒状の内部空間２０があり、この内部空間２０内に円環状のコイル１３が円筒状内壁に沿って設置されている。コイル１３に電流を流すことによって主電磁石１１が磁化し、主電磁石１１の内部に所定の分布で磁場が励起される。

　コイル１３の外側には円筒状のリターンヨーク１４が設けられている。

　磁極凸部１２１，１２２，１２３，１２４はコイル１３の内側に形成されている。

　加速器１では、主電磁石１１の内部空間２０中をビームが周回し、加速する。取出しビームのエネルギーは最小７０ＭｅＶから最大２３５ＭｅＶであり、ビームの周回周波数は１９．８２ＭＨｚである。磁極凸部１２１，１２２，１２３，１２４によってビームの軌道に沿って４組の凹凸磁極が形成され、ビームに作用する磁場は凹部では低磁場、凸部では高磁場となる。このようにビーム軌道に沿って磁場の強弱をつけ、さらに軌道に沿った磁場の平均値をビームの相対論的γファクターに比例させることで、周回ビームの周回時間をエネルギーに依らず一定としつつ、ビームの軌道面内と軌道面に対して垂直な方向に対して安定にベータトロン振動する。

　本実施例の加速器１では、ビームはビーム入射用貫通口１１５の出口側である入射点１３０から３０ｋｅＶ程度のエネルギーで入射される。入射されたビームは後述する高周波加速空洞２１，２２の内部の加速ギャップ２３，２４（図８等参照）を通過する毎に加速される。この加速器１はビームの加速に従ってビームの軌道中心が同一面内上で一方向に移動するようにビーム軌道を定めている。従って、中心面において磁場は面内成分が０となるように、磁極形状とコイル配置は中心面に対して鏡面対称としている。また、磁場分布は中心面内の軸ＡＡ’に対して左右対称の分布とする必要があるため、この結果、図３に示すように、上面から見たときに、磁極凸部１２１と磁極凸部１２４とが、磁極凸部１２２と磁極凸部１２３とがそれぞれ左右対称の構造となっている。また、磁極凸部１２１と磁極凸部１２２とが、磁極凸部１２３と磁極凸部１２４とがそれぞれ上下非対称の構造となっている。このような磁極凸部の構成により、本実施例の加速器１のビーム周回軌道は、後述する図４等にも示すように、周回中心が加速器１の中心からずれた偏心軌道となっている。

　磁極凹部（バレー）には高周波電場を励起する高周波加速空洞２１，２２や、取出し用セプタム電磁石４０が備えられている。

　内部が中空となる高周波加速空洞２１は磁極凸部１２１と磁極凸部１２２との間に配置され、内部が中空となる高周波加速空洞２２は磁極凸部１２３と磁極凸部１２４との間に配置されている。高周波加速空洞２１，２２は軸ＡＡ’に対して左右対称に配置されており、高周波電源（図示省略）により外部から高周波を加えるようになっている。この高周波により発生した電場を用いて高周波電極３はイオン源４から引き出されたイオンビームを加速する。

　高周波加速空洞２１，２２は、またディー電極２５を内蔵している。更に、そのディー電極２５の内部にマスレスセプタム電磁石を構成する内蔵コイル２８，２８Ａをそれぞれ内蔵しており、加速用の高周波電場のほかに、ビーム軌道面に対し垂直な方向に磁場を発生させる。内蔵コイル２８，２８Ａは、コイル１３の半径方向の複数の位置でビームをビーム周回軌道から離脱させてビーム取出し経路１４０へ導くための偏向磁場を発生させるビーム離脱装置を構成する。

　各磁極凸部１２１，１２２，１２３，１２４には磁場の微調整用のトリムコイル（図示省略）が設けられており、等時性とベータトロン振動の安定を確保するように運転前にトリムコイルで磁場を調整する。

　取出し用セプタム電磁石４０は、ビームをビーム取出し経路１４０上の定められた設計軌道に乗せるのに必要な偏向をビームに対して与えるための電磁石である。具体的には、主電磁石１１が励磁する磁場を打ち消す方向の磁場を励起し、ビーム取出し経路１４０にビームを導いている。なお、取出し用セプタム電磁石４０に替えて、電場でビームを偏向する静電セプタムを用いることもできる。

　ビーム取出し経路１４０は、ビームを外部に取り出すための経路であり、主電磁石１１に形成された取出しビーム用貫通口１１１によって構成される。

　次に、本実施例の加速器１のビーム軌道の構成について述べる。各エネルギーのビームの軌道を図４に示す。図４では、周回軌道は最大エネルギー２３５ＭｅＶから磁気剛性率０．０４Ｔｍおきに５０エネルギー分の軌道を実線で示している。点線は各軌道の同一の周回位相を結んだ線であり、等時性線と呼ぶ。等時性線は集約領域から周回位相π／１８ごとにプロットしている。

　図４に示すように、本実施例の加速器１では、５０ＭｅＶ以下の低エネルギー領域で従来型のＡＶＦ（Ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ　Ｖａｒｙｉｎｇ　Ｆｉｅｌｄ：方位角方向変動磁場）サイクロトロン同様にイオンの入射点付近を中心とする軌道となっている。これに対し、５０ＭｅＶよりも大きなエネルギーの軌道は取出し用セプタム電磁石４０の入射点近くで最も密に集まっている。この軌道が密に集まっている領域を集約領域と呼ぶ。本実施例の加速器１では、加速ギャップは等時性線に沿って設置される。

　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は、ビームの軌道に沿って磁場の極小と極大が一周当たり４回現れる磁場分布を採用している。図５に軌道に沿った磁場分布を示す。図５はエネルギー２３５ＭｅＶ，２００ＭｅＶ，１５０ＭｅＶ，７０ＭｅＶ，７．５ＭｅＶの軌道に沿った磁場分布をそれぞれ示しており、横軸は各軌道において１周を２として規格化した軌道方向距離、縦軸は磁場である。

　図５に示すように、エネルギーに対して平均的な磁場を上げつつ、振幅を適切に定めることで本実施例の加速器１のような偏心した軌道配置においても等時性かつベータトロン振動する磁場分布を実現することができる。

　また、中心面上の磁場分布を等磁場線図として図６に示す。図６は最大磁場２．２Ｔ、最小磁場０．８６Ｔの間を３２段階に分けて等磁場線で表現している。図３、図４および図６の破線で示した円は半径１４９４ｍｍの円であり、この内部に全エネルギーの軌道が内包されている。

　以上の条件のもと、軌道周りのベータトロン振動数（チューン）の評価した結果を図７に示す。軌道上の磁場と前後のエネルギーの磁場から得られる磁場勾配を元にチューンを計算した。

　図７に示すように、低エネルギーにおいては水平チューンがほぼ１であり、加速とともに大きくなっていくことが分かった。また軌道面に垂直な方向のチューン（垂直チューン）は低エネルギーではほぼ０であり、全エネルギー領域で０以上０．５未満の範囲に存在することが分かった。

　これらの結果から、特にビームが低エネルギーであり水平チューンが１に近いときは、ビームをキックした位置から９０度離れた場所、つまり１／４周だけビームが周回したところでビームの水平方向変位が最大となることが分かる。そこで、ビームを取出す集約領域から９０度離れた２か所のバレーにそれぞれ設置する高周波加速空洞２１，２２の内部にビーム離脱装置としてマスレスセプタム電磁石を構成する内蔵コイル２８，２８Ａを配置することによって、内蔵コイル２８，２８Ａの発生する偏向磁場によってキックを受けたビームが集約領域において最大の変位が得られる状態となることが分かる。つまり、マスレスセプタム電磁石に必要となる起磁力が小さくて済むことが分かる。

　次に高周波加速空洞２１，２２の構造を図８乃至図１１を用いて説明する。図８は高周波加速空洞２２の内部構造を示す。

　高周波加速空洞２２に対して外部より高周波電力を供給することで、空洞外壁２９とディー電極２５の間に形成される加速ギャップ２３，２４に高周波電場が形成される。空洞外壁２９には加速ギャップ２３，２４の近辺においてビームの貫通孔が設けられている（図示省略）。ビームは加速ギャップ２３，２４を適切な高周波電場位相で通過することで加速される。ディー電極２５は、中空円筒形状のステム２６，２７により支持されている。高周波加速空洞２２はビーム軌道面に対して上下対称な構造である。

　高周波加速空洞２１も、高周波加速空洞２２と左右対称な構造となっており、ビーム軌道面に対して上下対称な構造である。高周波加速空洞２１でも、外部より高周波電力を供給することで空洞外壁２９とディー電極２５の間に加速ギャップ２３，２４が形成され、ビームが加速される。

　図９はビーム軌道面からディー電極２５側を見た高周波加速空洞２２の断面図である。図９に示すように、ディー電極２５の中には、内蔵コイル２８が配置されており、ディー電極２５とは絶縁体を介して接続されている。

　内蔵コイル２８は、たとえばホローコンダクタ（空芯の線）を用いて形成された複数の電流経路（コイル２８ａ，２８ｃ，２８ｅ，２８ｇ，２８ｉ，…）をビーム軌道に対してほぼ平行な方向に設置したものからなり、いわゆるマスレスセプタム電磁石を構成する。図９では図示の都合上５つのコイルを示しているが、設けるコイルの数は５つに限られず、所望の数のコイルを設けることができる。

　この複数のコイル２８ａ，２８ｃ，２８ｅ，２８ｇ，２８ｉ，…のうち任意のコイルに対して電流を流すことで、対応するエネルギーのビーム軌道近辺に局所的に偏向磁場を発生させることができる。これにより、磁場の印加領域を局在化し、特定のエネルギーのビームのみをキックして所定の設計軌道からビームをずらし、取出し用セプタム電磁石４０に効率よくビームを導入することができる。

　図１０は図８のＢ－Ｂ’断面図を示している。内蔵コイル２８の各々のコイル２８ａ，２８ｃ，２８ｅ，２８ｇ，２８ｉ，…の口出し線３０は、ステム２６，２７の内部を通して高周波加速空洞２２外部へと導かれ、電源および水冷装置に接続されている。内蔵コイル２８を形成するホローコンダクタはその内部に冷却水が流されていることで水冷されているため、内蔵コイル２８自身の発熱のみならず、ディー電極２５の発熱も冷却することができる。

　図１１に示すように、高周波加速空洞２１の内部にも、ディー電極２５の内側にホローコンダクタを用いて形成された複数の電流経路（コイル２８ｂ，２８ｄ，２８ｆ，２８ｈ，２８ｊ，…）をビーム軌道に対してほぼ平行な方向に設置した内蔵コイル２８Ａが配置されている。高周波加速空洞２１内に配置された内蔵コイル２８Ａが発生する偏向磁場の極性は高周波加速空洞２２内に配置された内蔵コイル２８が発生する偏向磁場の極性と逆にする。これにより、等時性磁場からのＢＬ積変動分が相殺され等時性がより長い時間保たれる。よって、偏向磁場強度が弱くとも、加速器１内を複数回周回させた後にキックすることでビームを取出すことができる。なお、図１１はビーム軌道面からディー電極２５側を見た高周波加速空洞２１の断面図であり、図示の都合上５つのコイルを示しているが、設けるコイルの数は５つに限られず、所望の数のコイルを設けることができる。

　内蔵コイル２８Ａの各々のコイル２８ｂ，２８ｄ，２８ｆ，２８ｈ，２８ｊ，…の口出し線３０も、ステム２６，２７の内部を通して高周波加速空洞２１外部へと導かれ、電源および水冷装置（いずれも図示省略）に接続されている。内蔵コイル２８Ａを形成するホローコンダクタもその内部を水冷することで、内蔵コイル２８Ａとディー電極２５の発熱を同時に冷却することができる。

　なお、図９に示す内蔵コイル２８と図１１に示す内蔵コイル２８Ａとでは、対応するエネルギーのビーム軌道は左右対称としてもよいし、コイル２８ｃとコイル２８ｂとが、コイル２８ｅとコイル２８ｄとが、コイル２８ｇとコイル２８ｆとが、コイル２８ｉとコイル２８ｈとが、それぞれ対応するような１つずつずれた左右非対称とすることも可能である。

　また、内蔵コイル２８，２８Ａは、主磁場分布を乱さないように空芯構造とするが、その場合は鉄心を入れた場合よりも偏向磁場３１の立上り時間が短くできるため、スキャニング照射など高速なエネルギー切替が要求されるケースに適している。しかし、内蔵コイル２８，２８Ａに通電する電流の立上り時間を短くするほどディー電極２５の表皮付近に大きな渦電流が発生し、偏向磁場３１の応答性に遅れが生じることが懸念される。このため、高周波電流を遮らずに渦電流のみを遮断するために、ディー電極２５の表面に加速器１の径方向に図３に示すようなスリット２５ａを入れることができる。このスリット２５ａはディー電極２５の表面に少なくとも一本設けることができる。

　ディー電極２５の内部は加速ギャップ２３，２４の近傍以外であれば高周波電磁場が遮蔽されるため、内蔵コイル２８，２８Ａを通じて高周波電流が高周波加速空洞２１，２２の外部に漏えいする量は僅少であり通常は問題とはならない。しかし、低周波のコイル電流は通すが加速ＲＦなどの高周波は通さない（外に漏らさない）ことを目的として、内蔵コイル２８，２８Ａの口出し線３０と電源との間に図１０に示すような高周波フィルタ３３を更に設けることで、高周波電流の漏えい量をさらに低減することができる。この高周波フィルタ３３は、直列インダクタ、あるいは直列インダクタと並列キャパシタの併用により構成される、ごく一般的なローパスフィルタとすることができる。

　次に、本実施例の効果について説明する。

　上述した本実施例の粒子線照射装置１００は、加速器１と、加速器１から出射されたビームを照射する照射装置７０と、を備えており、加速器１は、環状のコイル１３と、互いに対向して設置された、その間に磁場を形成する２つの主電磁石１１と、ビームを加速する高周波加速空洞２１，２２およびディー電極２５と、ビームを外部に取り出すビーム取出し経路１４０と、ディー電極２５内に配置され、コイル１３の半径方向の複数の位置でビームをビーム周回軌道から離脱させてビーム取出し経路１４０へ導くための偏向磁場を発生させる内蔵コイル２８，２８Ａからなるビーム離脱装置と、を備えたものである。そしてこのような加速器１から少なくとも１種類のエネルギーのビームを取り出す。

　このような構成であることで、高周波加速空洞２１，２２内のディー電極２５内に配置された内蔵コイル２８，２８Ａによって発生させる偏向磁場により所定のエネルギーのビームを連続的に取り出すことができる。そのため、デグレーダ等の余分な構成をビーム軌道上に設けることなく、所定エネルギーのビームが連続的に得られる。そのため、ビームの利用効率の低下やビームサイズ増加、不要な２次粒子の増加、加速器１の大型化などの問題がない加速器１が得られる。また、高周波加速空洞２１，２２部分がビームの加速と取出しの機能を兼用するため、加速器１の省スペース化にも寄与する、との効果も奏する。

　ここで、デグレーダや特許文献１のようなフォイルを用いずに様々なエネルギーのビームを取出す方法として、国際公開２０１６／０９２６２２号の方法が提案されている。この方法で用いる加速器は、凹凸形状の主電磁石磁極を有する点は従来型のＡＶＦサイクロトロンと同様であるが、イオン入射部位置を加速器の中心軸からずらして軌道を偏心させ、エネルギーが異なる複数のビーム周回軌道がビーム出射経路の入口において集束するように主磁場分布を調整している。そして、ビーム出射経路の入口の１８０度反対側に位置する主電磁石磁極凹部（バレー）にビーム離脱装置として偏向電磁石装置を設置し、特定エネルギーのビーム軌道にのみ偏向磁場が作用するよう制御している。

　国際公開２０１６／０９２６２２号に記載されたような加速器であれば、そのエネルギーのビームのみがビーム出射経路より取出される。このように軌道集束部分からビームを取出すため、従来型のサイクロトロンに対して、取出しの際にビームの水平方向移動量が少なくて済む、との利点がある。

　しかしながら、上述した国際公開２０１６／０９２６２２号の構成では、特に低エネルギー領域でビーム軌道面に平行な方向のベータトロン振動数（水平チューン）が１に近い値であるため、出射経路の入り口の１８０度反対側にあたる位置においてビームに摂動を与えたとしても、ビームの水平方向移動量が最大となるのはビーム出射経路の入り口のおおよそ９０度手前の位置となる。したがって、最大の移動量が得られる位置で取り出せないため、偏向電磁石の磁場強度が余分に必要となる、との問題がある。

　また、ビーム取出し用の偏向電磁石は、狭隘な主電磁石磁極のギャップに設置する必要があるため、大型化が難しく磁場強度が不足しがちとなる。このため、偏向電磁石を作動させたのちにビームを半周で取出すのは困難である。これに対し、複数回周回させながら偏向磁場で複数回キックすることで取出すほうが容易であり、そのような対策を取ることも考えられる。しかし、ビーム取出し用の偏向電磁石を１か所に設置するのでは、偏向磁場により等時性の条件が失われるため、複数回周回するうちにビームが加速されずに、所望のエネルギーのビームを得ることが難しくなる、との憾みがある。

　しかしながら、本実施例の加速器１では高周波加速空洞２１，２２内のディー電極２５内に配置された内蔵コイル２８，２８Ａによって所定のエネルギーのビームを取り出すため、少ない起磁力の偏向磁場コイルを用いても、取出し用の偏向磁場強度を低く抑えることができるとともに、等時性の条件を満たしつつ広い範囲のエネルギーのビームを連続的に高効率で取出すことができる。

　また、内蔵コイル２８，２８Ａは、空芯の線を用いたマスレスセプタム電磁石であるため、主磁場分布を乱さずに、鉄心を入れた場合よりも偏向磁場３１の立上り時間を短くすることができ、スキャニング照射など高速なエネルギー切替が要求される粒子線照射装置に好適な加速器とすることができる。また、その内部を水冷できるため、内蔵コイル２８自身の発熱のみならず、ディー電極２５の発熱も冷却することができ、効率的な冷却が可能となる。

　更に、内蔵コイル２８，２８Ａはディー電極２５内部に複数設置され、内蔵コイル２８，２８Ａの口出し線３０がディー電極２５を支持するステム２６，２７の内部を通して高周波加速空洞２２，２１の外部に導かれたことで、省スペースでありながら、デグレーダ等の余分な構成をビーム軌道上に設けることなく、より容易に所定エネルギーのビームを連続的かつ効率的に取出すことが可能となる。

　また、ビーム周回軌道は、周回中心が加速器１の中心からずれた偏心軌道であることにより、周回するビームの軌道が集約領域で集約されていることから、集約していない軌道に比べて少ない局所磁場で取出し用セプタム電磁石４０まで偏向させることができ、取出しが非常に容易となる。特に、集約領域ではビーム周回軌道相互の間隔は従来に比べて狭くなっているため、イオンビームのエネルギーが広範囲にわたっていても、内蔵コイル２８，２８Ａで発生させる磁場を用いることにより所定のエネルギーのイオンビームを集約領域側の取出し用セプタム電磁石４０に向けて安定、かつ容易に偏向させることができる。

　加速器では、高周波加速空洞やビーム出射経路の入口は、空間に余裕がある磁極凹部（バレー）に配置されることが一般的である。そこで、高周波加速空洞２２，２１等をビーム取出し経路１４０の入り口よりビーム進行方向に沿って９０度手前と９０度進んだ位置に配置することで高周波加速空洞２１，２２を左右対称に設置し、周回ビームをキックすることができ、水平チューンが１に近い値であるときに最大のビーム移動量が得られる位置でビームを取出すことができる。したがって、より少ない偏向磁場強度でもより効率的にビームを取出すことができる。

　また、高周波加速空洞２２内の内蔵コイル２８で発生される偏向磁場の極性と高周波加速空洞２１内の内蔵コイル２８Ａで発生させる偏向磁場の極性を逆とすることで、等時性磁場からのＢＬ積変動分が相殺され、等時性をより長く保つことができる。よって、偏向磁場強度が弱くとも複数回周回させてキックすることでビームを取出すことができる。

　また、ディー電極２５は、コイル１３の半径方向にスリット２５ａが設けられていることにより、ディー電極２５の表面に渦電流が生じたとしてもこれを遮断することができ、内蔵コイル２８，２８Ａに通電する電流の立上り時間を短くしても偏向磁場３１の応答性に遅れが生じることを抑制することができる。

　更に、内蔵コイル２８，２８Ａの電源と口出し線３０との間に、高周波フィルタ３３を更に設けたことで、内蔵コイル２８，２８Ａを通じて高周波加速空洞２１，２２の外部に漏えいする高周波電流の量をより低減することができる。

　また、偏向磁場の印加後にビームを加速器１内を複数回周回させた後に取出すことにより、偏向磁場強度が弱くても所定のエネルギーのビームをより容易に取り出すことができる。

　＜その他＞　
　なお、上記の実施例はあくまでも一例に過ぎず、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、発明の内容を上記具体的態様に限定する趣旨ではない。発明自体は、上記実施例以外にも種々の形態に変形させることが可能である。

　例えば、本実施例では計４個の磁極凸部１２１，１２２，１２３，１２４を使用している場合を例に説明したが、磁極は２極以上であれば制限はない。

　また、ビーム離脱装置は、ビームを加速する高周波加速空洞２１，２２内に配置されているが、ビーム離脱装置を更に加速器１内に配置することができる。例えば、磁極凸部１２２と磁極凸部１２３との間の磁極凹部にマスレスセプタム電磁石を更に配置することができ、更に他の箇所にマスレスセプタム電磁石を配置することができる。

１…加速器
１１…主電磁石
１２…イオン源
１３…コイル（メインコイル）
１４…リターンヨーク
２０…内部空間
２１，２２…高周波加速空洞
２３，２４…加速ギャップ
２５…ディー電極
２５ａ…スリット
２６，２７…ステム
２８，２８Ａ…内蔵コイル
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ，２８ｇ，２８ｈ，２８ｉ，２８ｊ…コイル
２９…空洞外壁
３０…口出し線
３１…偏向磁場
３３…高周波フィルタ
４０…取出し用セプタム電磁石
６０…ビーム輸送系
７０…照射装置
８０…制御装置
９０…治療台
９５…患者
１００…粒子線照射装置
１１１…取出しビーム用貫通口
１１２…コイル接続用貫通口
１１４…高周波電力入力用貫通口
１１５…ビーム入射用貫通口
１２１，１２２，１２３，１２４…磁極凸部
１３０…入射点
１４０…ビーム取出し経路（ビーム出射経路）

Claims

　環状のメインコイルと、
　互いに対向して設置された、その間に磁場を形成する２つの鉄心と、
　ビームを加速する電極と、
　ビームを外部に取り出すビーム出射経路と、
　前記電極内に配置され、前記メインコイルの半径方向の複数の位置で前記ビームをビーム周回軌道から離脱させて前記ビーム出射経路へ導くための偏向磁場を発生させる内蔵コイルからなるビーム離脱装置と、を備えた
　ことを特徴とする加速器。
　請求項１に記載の加速器において、
　前記内蔵コイルは、空芯の線を用いたマスレスセプタム電磁石である
　ことを特徴とする加速器。
　請求項２に記載の加速器において、
　前記電極は、高周波加速空洞とディー電極から構成され、
　前記内蔵コイルは、前記ディー電極の内部に複数設置され、
　前記内蔵コイルの口出し線が前記ディー電極を支持するステムの内部を通して前記高周波加速空洞の外部に導かれた
　ことを特徴とする加速器。
　請求項１に記載の加速器において、
　前記ビーム周回軌道は、周回中心が前記加速器の中心からずれた偏心軌道である
　ことを特徴とする加速器。
　請求項１に記載の加速器において、
　前記電極は、前記ビーム出射経路の入り口よりビーム進行方向に沿って９０度手前と９０度進んだ位置に配置された
　ことを特徴とする加速器。
　請求項５に記載の加速器において、
　前記電極内の前記内蔵コイルは、発生させる前記偏向磁場の極性が逆である
　ことを特徴とする加速器。
　請求項３に記載の加速器において、
　前記ディー電極は、前記メインコイルの半径方向にスリットが設けられている
　ことを特徴とする加速器。
　請求項３に記載の加速器において、
　前記内蔵コイルの電源と前記口出し線との間に、高周波フィルタを更に設けた
　ことを特徴とする加速器。
　請求項１に記載された加速器と、
　前記加速器から出射された前記ビームを照射する照射装置と、を備えた
　ことを特徴とする粒子線照射装置。
　加速器からのビームの取出し方法であって、
　請求項１に記載の加速器から少なくとも１種類のエネルギーのビームを取り出す
　ことを特徴とするビームの取出し方法。
　請求項１０に記載のビームの取出し方法において、
　前記偏向磁場の印加後に前記ビームを前記加速器内を複数回周回させた後に取出す
　ことを特徴とするビームの取出し方法。