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WO2018096648A1 - 加速器および粒子線照射装置 - Google Patents

加速器および粒子線照射装置 Download PDF

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WO2018096648A1
WO2018096648A1 PCT/JP2016/084969 JP2016084969W WO2018096648A1 WO 2018096648 A1 WO2018096648 A1 WO 2018096648A1 JP 2016084969 W JP2016084969 W JP 2016084969W WO 2018096648 A1 WO2018096648 A1 WO 2018096648A1
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WO
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accelerator
ion source
magnetic pole
magnetic
ion
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2016/084969
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English (en)
French (fr)
Inventor
孝義 関
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.)
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K5/00—Irradiation devices
    • G21K5/04—Irradiation devices with beam-forming means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/02—Synchrocyclotrons, i.e. frequency modulated cyclotrons
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/04—Synchrotrons
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/08—Arrangements for injecting particles into orbits

Definitions

  • the present invention relates to an accelerator for accelerating ions such as protons and carbon and a particle beam irradiation apparatus including the accelerator.
  • Patent Document 1 describes the use of an ion source installed outside in a cyclotron accelerator. This Patent Document 1 describes a device configuration from when an ion beam is incident on a cyclotron from an external ion source.
  • Patent Document 1 described above describes a cyclotron accelerator having an external ion source type incident system for injecting an ion beam from the outside.
  • the arrangement of the ion source described in Patent Document 1 requires many lens mechanisms on the beam line. For this reason, there has been a problem that the apparatus becomes complicated and large.
  • An object of the present invention is to provide an external ion source type accelerator that can shorten a beam line and does not use a large-scale apparatus, and a particle beam irradiation apparatus including the accelerator.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above-described problems.
  • an ion source having at least a discharge chamber, a coil, and a magnetic path, and an ion beam extracted from the ion source are accelerated.
  • a high-frequency accelerating electrode and a magnetic pole for generating a magnetic field formed so as to generate a circular orbit of the ion beam, wherein the discharge chamber and the magnetic path of the ion source have the magnetic pole in a vertical direction.
  • the magnetic pole is arranged inside the outer peripheral surface of the magnetic pole.
  • an ion source having at least a discharge chamber, a coil, and a magnetic path, and a high-frequency acceleration electrode for accelerating an ion beam extracted from the ion source are disposed so as to face each other, and a magnetic field is generated.
  • a pair of magnetic poles formed in between, the magnetic pole has a depression on the opposite side of the surface facing the other magnetic pole, and the discharge chamber and the magnetic path of the ion source are the It is arranged in the recess of the magnetic pole.
  • an external ion source type accelerator that can shorten the beam line and does not use a large-scale apparatus and a particle beam irradiation apparatus including the accelerator are provided.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the whole structure of the particle beam irradiation apparatus of Example 1 of this invention. It is a figure which shows the side surface cross section of the accelerator shown in FIG. It is a figure which shows the cross section of the accelerator shown in FIG. It is a figure which shows the outline of the side surface around the ion source of the accelerator of Example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the magnetic field analysis result of the ion source installation part in Example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the analysis result of the longitudinal magnetic field in the center position of the ion source installation part in Example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the cross section of the accelerator of Example 2 of this invention. It is a figure which shows the side surface cross section of the accelerator shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of the particle beam irradiation apparatus of the present embodiment.
  • the particle beam irradiation apparatus 100 includes a cyclotron accelerator 50, a beam transport system 52, an irradiation apparatus 54, a treatment table 40, and a control apparatus 56.
  • ions generated by the ion source 3 are accelerated by an accelerator 50 to be an ion beam.
  • the accelerated ion beam is emitted from the accelerator 50 and transported to the irradiation device 54 by the beam transport system 52.
  • the transported ion beam is shaped by the irradiation device 54 so as to match the shape of the affected area, and a predetermined amount is irradiated to the target of the patient 45 lying on the treatment table 40.
  • each device and equipment in the particle beam irradiation apparatus 100 including the accelerator 50 is controlled by the control device 56.
  • FIG. 2 is a side sectional view of the accelerator of the present embodiment
  • FIG. 3 is a transverse sectional view.
  • the cyclotron accelerator 50 includes a main magnetic pole 1, an annular coil 2, a vacuum vessel 6, a high-frequency acceleration electrode 7, an ion source 3, a beam extraction / focusing unit 4, and an inflector 5. Is done.
  • the main magnetic pole 1 is a pair of magnetic bodies installed so as to face each other, and is made of, for example, iron.
  • the main magnetic pole 1 is provided with a convex magnetic pole 10 between the opposing magnetic poles so as to generate a circular orbit 9 of the beam, and an isochronous magnetic field is generated therebetween.
  • the magnetic pole B0 is generated by the convex magnetic pole 10, and the focusing force of the circulating ion beam is increased, contributing to stable circulation.
  • Opposing upper and lower surfaces between the magnetic pole gaps where the magnetic field B0 is generated are symmetrical.
  • the vacuum vessel 6 is sandwiched between the main poles 1 and forms a single vacuum vessel as a whole and constitutes a magnetic circuit.
  • the vacuum vessel 6 is a nonmagnetic material.
  • the annular coil 2 is installed on the atmosphere side from the vacuum vessel 6 and generates a magnetic field between the pair of upper and lower main magnetic poles 1.
  • the annular coil 2 can generate a magnetic field in the same manner whether it is a coil made of a normal conducting material or a coil made of a superconducting material.
  • the annular coil 2 may be installed in the vacuum vessel 6 and is not particularly defined.
  • a depression 1B is formed on the outer peripheral surface 1A side opposite to the surface of the main magnetic pole 1 facing the other main magnetic pole 1, and the ion source 3 and the beam extraction and focusing section 4 are formed. Is disposed inside the recess 1B. That is, the main components constituting the ion source 3 and the beam extraction and focusing unit 4 are located inside the main magnetic pole 1 from the outer peripheral surface 1A and outside the convex magnetic pole 10 when the main magnetic pole 1 is viewed from the vertical cross section. Is arranged. Ions generated by the beam extraction and focusing unit 4 are extracted from the ion source 3. Details of the ion source 3 and the beam extraction focusing unit 4 will be described later.
  • the ion source 3 and the beam extraction and focusing unit 4 can be restrained from beam divergence by arranging them as close to the orbit 9 as possible, no other means for shaping the beam is required and the number of components is reduced. Can do.
  • the vertical distance (mainly the convex magnetic pole 10) from the beam extraction unit 120 (see FIG. 4) of the beam extraction and focusing unit 4 to the inflector 5 is obtained.
  • a set of focusing lenses 200 (see FIG. 4) is arranged according to the gap).
  • the converging lens 200 need not be provided when the vertical distance from the beam extraction unit 120 (see FIG. 4) to the inflector 5 is sufficiently small. Often it is sufficient, but two or more can be provided.
  • the ion source 3 and the beam extraction / condensing unit 4 can be arranged so as to be accommodated on the inner peripheral surface side of the main magnetic pole 1 in the depression provided in the lower main magnetic pole 1.
  • the ion beam extracted by the beam extraction and focusing section 4 is deflected from the vertical to the horizontal direction by the inflector 5 arranged at the center of the orbit 9.
  • the inflector 5 is a device that deflects an ion beam using an electric field so as not to disturb the main magnetic field B0.
  • the ion beam deflected in the horizontal direction by the inflector 5 is accelerated by the high frequency acceleration electrode 7 and accelerated while drawing a spiral orbit 9 by the action of the magnetic field of the convex magnetic pole 10 and the electric field of the high frequency acceleration electrode 7. Is extracted from the orbit 9 and output to the outside.
  • FIG. 4 is a diagram showing details of the ion source 3 and the beam extraction and focusing unit 4 of FIG.
  • the ion source 3 is a microwave ion source using a microwave 130 for plasma generation, and includes a waveguide 101, a magnetic path 103, a coil 102, a discharge chamber 105, an introduction window 109, and an extraction electrode 110. , Flange 111 and insulator 104.
  • the ion source 3 is disposed on the inner side of the recess 1B formed on the outer peripheral surface 1A side of the main magnetic pole 1 as described above.
  • the discharge chamber 105 and the portion of the magnetic path 103 that shields the discharge chamber 105 may be disposed inside the main magnetic pole 1. Is not necessarily arranged inside the main pole 1, but it is desirable that other configurations are also arranged inside the main pole 1.
  • the beam extraction focusing unit 4 includes a beam extraction unit 120 including a deceleration electrode 107, an insulator 106, and a ground electrode 108, and a focusing lens 200 including a lens electrode 201 and an exit hole 202.
  • the microwave 130 is introduced into the vacuum discharge chamber 105 from the waveguide 101 through the introduction window 109, and the source gas is introduced from the gas supply source (not shown), and the introduced gas is converted into the microwave.
  • Plasma is generated by being ionized by an electric field and a magnetic field generated by the coil 102.
  • the waveguide 101 is a tube that supplies a microwave supplied from a microwave transmission source (not shown) to the inside of the ion source 3, and is made of iron.
  • the waveguide 101 may be aluminum or copper, but is preferably made of iron because it is connected to the ion source 3 disposed inside the main magnetic pole 1.
  • the frequency of the microwave 130 is, for example, 2.45 GHz (GHz).
  • the introduction window 109 is made of an insulating material having a low dielectric constant so as to reduce the reflection of the microwave 130, and is made of, for example, quartz, boron nitride (BN), aluminum nitride, or the like.
  • the discharge chamber 105 is made of a non-magnetic metallic material, and the inner peripheral side is a vacuum where plasma is generated.
  • the coil 102 is disposed around the discharge chamber 105, and a magnetic path 103 is formed so as to surround the coil 102.
  • the magnetic path 103 is a magnetic body shaped to cover the discharge chamber 105 and is made of, for example, iron. This magnetic path 103 prevents the magnetic field leaking from the main pole 1 from affecting the discharge chamber 105.
  • the coil 102 can be adjusted independently, and the magnetic field generated in the discharge chamber 105 is adjusted. Although two coils 102 are used in FIG. 4, a magnetic field can be generated with one or three coils. In the case of one, the magnetic field distribution in the discharge chamber 105 can be adjusted by appropriately forming the shape of the magnetic path 103. The coil 102 can be replaced with a permanent magnet.
  • FIG. 5 shows a two-dimensional magnetic field analysis result when a space for installing the ion source 3 is provided in the main magnetic pole 1 and the magnetic path 103 and the coil 102 are installed therein.
  • the current value of the annular coil 2 was determined and analyzed so that a magnetic field of about 1.3 Tesla (T) was generated in the gap between the magnetic poles of the main magnetic pole 1.
  • FIG. 6 shows the magnetic field distribution at the position of the central portion 160 shown in FIG.
  • the horizontal axis indicates the vertical position of the central portion 160, and the vertical axis indicates the vertical magnetic field strength at that position.
  • the insulator 104 insulates and supports the waveguide 101, the magnetic path 103, the coil 102, the discharge chamber 105, the introduction window 109, and the extraction electrode 110 in the ion source 3.
  • the insulator 104 is not particularly limited as long as it is an insulating material.
  • the extraction electrode 110 is an electrode disposed at the lower part of the discharge chamber 105 and is a magnetic material. By making the extraction electrode 110 magnetic, the magnetic field distribution in the discharge chamber 105 can be easily made effective for plasma generation.
  • a positive voltage for example, 30 to 60 kilovolts (kV) is applied to the flange 111 of the ion source 3 by the extraction power supply 300, and a negative voltage, for example, ⁇ 2 to ⁇ 10 kilovolts (kV) is applied to the deceleration electrode 107 by the deceleration power supply 301.
  • kV kilovolts
  • a negative voltage for example, ⁇ 2 to ⁇ 10 kilovolts (kV) is applied to the deceleration electrode 107 by the deceleration power supply 301.
  • the deceleration electrode 107 is disposed below the magnetic path 103, the coil 102, the discharge chamber 105 and the like that are insulated and supported by the insulator 104.
  • the deceleration electrode 107 and the like are fixed to the ground electrode 108 by the insulator 106, and further, the main magnetic pole. 1 is fixed.
  • a focusing lens (beam focusing portion) 200 including a lens electrode 201 and an exit hole 202 is attached to the ground electrode 108 in the beam extraction direction.
  • the focusing lens 200 focuses the ion beam extracted from the ion source 3.
  • the beam extraction focusing unit 4 is formed by integrating the focusing lens 200, the ground electrode 108, the deceleration electrode 107, and the like.
  • a voltage is applied to the lens electrode 201 by a lens power source 302.
  • the voltage is a positive value that does not exceed the voltage of the extraction power supply 300.
  • the ion beam extracted from the ion source 3 is focused by a focusing lens 200 having a lens electrode 201 and taken out from an exit hole 202, and then the beam is projected between the convex magnetic poles 10 facing the main magnetic pole 1 by the inflector 5. Introduced into the gap.
  • the beam can be focused before the ion beam extracted from the ion source 3 diverges, so that the voltage of the lens power supply 302 is kept low. Can also reduce the capacity of the power supply.
  • the above-described particle beam irradiation apparatus 100 includes the accelerator 50 and the irradiation apparatus 54 that irradiates the ion beam emitted from the accelerator 50.
  • the accelerator 50 generates an ion source 3 having at least a discharge chamber 105, a coil 102, and a magnetic path 103, a high-frequency acceleration electrode 7 for accelerating an ion beam extracted from the ion source 3, and a beam orbit 9. And a pair of main magnetic poles 1 disposed so as to face each other.
  • the main magnetic pole 1 has a recess 1B on the surface on the outer peripheral surface 1A side opposite to the surface facing the other main magnetic pole 1, and the discharge chamber 105 and the ion source 3
  • the magnetic path 103 is disposed inside the outer peripheral surface 1A of the main magnetic pole 1 when the main magnetic pole 1 is viewed from the vertical cross section, that is, is disposed in the recess 1B of the main magnetic pole 1.
  • the main configuration of the ion source 3 is arranged in the recess 1B on the inner side of the outer peripheral surface 1A of the main magnetic pole 1. Therefore, the beam line after extraction from the ion source 3 can be greatly shortened compared to the conventional external ion source type as described in Patent Document 1, although it is an external ion source type, so that it is complicated and large. It is possible to provide a small accelerator capable of reducing the number of components without using a simple device. Moreover, since it is an external ion source type, the effect that the access at the time of a maintenance, replacement
  • the ion source 3 has the magnetic path 103 and the discharge chamber 105 and the magnetic path 103 are disposed in the recess 1B on the inner side of the outer peripheral surface 1A of the main magnetic pole 1, the ion source is provided in the main magnetic pole 1. Even when 3 is installed, the influence of the leakage magnetic field of the main magnetic pole 1 can be blocked. Therefore, it is possible to prevent a problem that has been found by the inventor's examination that the ion source cannot be sufficiently generated simply by disposing the ion source on the inner side of the outer peripheral surface 1A of the main magnetic pole 1.
  • the main magnetic pole 1 has a convex magnetic pole 10, and since the discharge chamber 105 and the magnetic path 103 in the ion source 3 are arranged outside the convex magnetic pole 10, it is difficult to access during maintenance such as replacement.
  • the arrangement of the ion source of the external ion source type that is easy to access without the arrangement close to the internal ion source type is more easily obtained, and the effect that the maintenance is easy while shortening the beam line is more reliably obtained. be able to.
  • the beam can be focused even if the beam diverges after the beam is extracted from the ion source 3.
  • the ion source 3 is a microwave ion source, it can be a long-life ion source, and further improvement in maintainability such as reduction in replacement frequency can be achieved.
  • the waveguide 101 is further connected to the ion source 3 and the waveguide 101 is made of iron, the magnetic field generated by the coil 102 can be concentrated in the discharge chamber 105 and the main magnetic pole can be concentrated. 1 can further suppress the leakage magnetic field from entering the inside of the discharge chamber 105, and the ion generation efficiency in the ion source 3 can be improved.
  • a synchrocyclotron accelerator that uses a magnetic field that is not an isochronous magnetic field can be used instead of the cyclotron accelerator that uses an isochronous magnetic field as described above.
  • the synchrocyclotron accelerator is a type of accelerator that is an improvement of the cyclotron. It accelerates repeatedly by applying a high-frequency electric field to charged particles that move circularly between large magnetic poles. At high speed, the mass of the accelerated particle increases due to relativistic effects, and the period of the circular motion of the charged particle in the magnetic field increases in proportion to the mass. The shift of the period from the high frequency voltage caused by this is removed by modulating the frequency.
  • the ion source 3 and the beam extraction / focusing section 4 can be arranged in the main magnetic pole 1 and the same effect can be obtained.
  • FIG. 7 is a diagram showing a cross section of the accelerator
  • FIG. 8 is a diagram showing a cross section AA of FIG.
  • the accelerator 90 includes an ion source 73, a high-frequency acceleration electrode 77, a main magnetic pole 71, a local magnetic field generator 83, a vacuum vessel 76, and an annular coil 72. And a take-out septum 81.
  • a high-frequency acceleration electrode 77 having a hollow inside is disposed symmetrically on the concave magnetic pole 80c so that a high-frequency power is applied from the outside by a high-frequency power source. Using the electric field generated by the high frequency, the high frequency acceleration electrode 77 accelerates the ion beam extracted from the ion source 73.
  • the vacuum vessel 76 is arranged so as to be sandwiched between the main magnetic poles 71, and forms a single vacuum vessel as a whole and forms a main magnetic field B0 in the magnetic pole gap by forming a magnetic circuit.
  • the vacuum container 76 is a nonmagnetic material.
  • the annular coil 72 is installed on the atmosphere side of the vacuum vessel 76 and is a coil for causing the main magnetic pole 71 to generate the main magnetic field B0 in the magnetic pole gap between the main magnetic poles 71.
  • the annular coil 72 may be a coil made of a normal conducting material or a coil made of a superconducting material.
  • the main magnetic pole 71 has convex magnetic poles 80a 1 , 80a 2 , 80b 1 , 80b 2 and a concave magnetic pole 80c.
  • the main magnetic pole 71 has a convex magnetic pole 80a 1 and a convex magnetic pole 80a. 2 and are symmetrical, and the convex pole 80b 1 and the convex pole 80b 2 has a structure symmetrical.
  • the convex pole 80a 1 and the convex pole 80b 1 and is vertically asymmetrical
  • the convex pole 80a 2 and the convex pole 80b 2 has a structure Asymmetric.
  • the circulating frequency of the ion beam is, for example, 19.82 megahertz (MHz), and the main magnetic pole 71 is set to generate an isochronous magnetic field that makes one round at the same time regardless of the energy.
  • the magnetic field acting on the beam along the beam trajectory is formed by the convex magnetic poles 80a 1 , 80a 2 , 80b 1, and 80b 2 so as to be a low magnetic field in the concave portion and a high magnetic field in the convex portion.
  • the shape and height of the convex magnetic poles 80a 1 , 80a 2 , 80b 1 , 80b 2 are set to such an orientation and intensity as to suppress the divergence of the ion beam in the vertical direction and the circumferential direction.
  • the main magnetic pole 71 is a magnetic material such as iron.
  • the surface of the main magnetic pole 71 that faces the magnetic pole gap is symmetrical.
  • the center of the magnetic pole formed by the convex magnetic poles 80a 1 , 80a 2 , 80b 1 , 80b 2 , and the concave magnetic pole 80c is located at a position biased from the center of the main magnetic pole 71 to the beam extraction position 82, and the ion source 73 is arranged in the vicinity thereof.
  • the main magnetic pole 71 Due to such a biased arrangement structure, the main magnetic pole 71 generates a trajectory aggregation region 78 in the circular trajectory 79.
  • convex magnetic poles 80a 1 , 80a 2 , 80b 1 , 80b 2 are used, but there is no limitation as long as the number is two or more.
  • the convex magnetic poles 80a 1 , 80a 2 , 80b 1 , 80b 2 are provided with trim coils for fine adjustment of the magnetic field so that the isochronism and the stability of the betatron oscillation are ensured. It is also possible to adjust.
  • the “isochronous magnetic field” in the present invention means that the ion beam makes one round even if the energy of the accelerated ion beam increases and the radius of the beam orbit around the ion beam increases. It means a magnetic field that does not change time.
  • the “circular orbit” means a plurality of annular orbits until ions emitted from the ion source 73 are extracted from the extraction position 82.
  • the ion source 73 is also formed in a recess 71B formed in the outer peripheral surface 71A of the main magnetic pole 71 when the main magnetic pole 71 is viewed from the vertical cross section, and in the convex magnetic poles 80a 1 , 80a 2 , 80b. 1 and 80b 2 are arranged outside.
  • the discharge chamber and the portion of the magnetic path that shields the discharge chamber need only be disposed inside the main magnetic pole 71, and other configurations are not necessarily disposed inside the main magnetic pole 71. There is no need to be done.
  • Accelerator 90 configured as described above operates as follows.
  • the ion beam extracted from the ion source 73 by the beam extraction and converging unit 74 is deflected from the vertical to the horizontal direction by the inflector 75 disposed at the center of the circular orbit 79, and the convex magnetic poles 80a 1 , 80a 2 , 80b 1 , 80b 2 , Helical motion is performed by the main magnetic field B0 formed by the concave magnetic pole 80c.
  • Each time it passes through the high-frequency acceleration electrode 77 during the spiral motion it is accelerated by the electric field generated at the high-frequency acceleration electrode 77, the energy is increased, and the rotation radius is increased to move around the vacuum vessel 76.
  • the shape and height of the convex magnetic poles 80a 1 , 80a 2 , 80b 1 , 80b 2 are set to such an orientation and intensity that suppress the divergence of the beam in the vertical direction and the circumferential direction, and the ion beam
  • the energy is set to make one round in the same time.
  • the magnetic field acting on the beam along the beam trajectory is a low magnetic field in the concave portion and a high magnetic field in the convex portion due to the convex magnetic poles 80a 1 , 80a 2 , 80b 1 , and 80b 2 .
  • the strength of the magnetic field along the beam trajectory is added, and the average value of the magnetic field along the trajectory is proportional to the relativistic gamma factor ( ⁇ factor) of the beam.
  • the betatron oscillation is stably performed in the direction perpendicular to the orbital plane and the orbital plane of the beam.
  • the orbiting beam is deflected by the local magnetic field generated by the local magnetic field generator 83 that has reached the extraction energy.
  • the orbiting beam deviates from the orbit, moves to the extraction position 82, and is guided out of the accelerator 90 by the extraction septum 81.
  • the direction of the local magnetic field is determined by the energy in the same or opposite direction as the main magnetic field B0. Since the orbiting ion beam trajectory is gathered at the take-out position 82, deflection and take-out toward the take-out position 82 can be performed with a smaller local magnetic field compared to the trajectory that has not been gathered.
  • the main magnetic pole 71 is formed so as to generate the trajectory aggregation region 78 in the circular trajectory 79, the circulating ion beam trajectory is aggregated at the extraction position 82.
  • the beam can be deflected to the beam extraction position 82 with a smaller local magnetic field, and the extraction is very easy.
  • a predetermined magnetic field can be obtained by using a magnetic field generated by the local magnetic field generation unit 83.
  • the ion beam of energy can be deflected stably and easily toward the beam extraction position 82 on the trajectory aggregation region 78 side.
  • the ion source is not limited to the microwave ion source.
  • the present invention can be applied to a direct current type or high frequency type ion source as long as a magnetic path is provided so as to shield the discharge chamber.
  • Local magnetic field generator 100 Particle beam irradiation device 101 ... Waveguide 102 ... Coil 103 ... Magnetic path 104 ... Insulator 105 ... Discharge chamber 106 ... Insulator 107 ... Deceleration electrode 108 ... Ground electrode 109 ... Introduction window 110 ... Extraction electrode 111 ... Flange 120 ... Beam extraction part 130 ... My B wave 160 ... center 200 ... converging lens (beam focusing portion) 201 ... Lens electrode 202 ... Outlet hole 300 ... Drawer power supply 301 ... Deceleration power supply 302 ... Lens power supply

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Abstract

加速器５０において、主磁極１は、もう一つの主磁極１と対向する面の逆となる外周面１Ａ側の面に窪み１Ｂを有しており、イオン源３のうち、放電室１０５および磁路１０３が、主磁極１を鉛直方向断面から見たときに主磁極１の外周面１Ａより内側に配置、言い換えると主磁極１の窪み１Ｂの中に配置された。これにより、ビームラインを短縮することができ、大がかりな装置を用いることのない外部イオン源型の加速器とそれを備えた粒子線照射装置が提供される。

Description

加速器および粒子線照射装置
　本発明は、陽子や炭素等のイオンを加速する加速器とそれを備えた粒子線照射装置に関する。
　サイクロトロン型加速器において外部に設置されたイオン源を用いることが特許文献１に記載されている。この特許文献１には、外部イオン源からサイクロトロンへイオンビームが入射するまでの機器構成が記載されている。
米国特許第３７９４９２７号明細書
　上述した特許文献１には、外部からイオンビームを入射する外部イオン源型入射システムを持つサイクロトロン型加速器が記載されている。しかし、この特許文献１に記載されたイオン源の配置ではビームライン上に多くのレンズ機構が必要である。このため、装置が複雑かつ大がかりとなる、との問題があった。
　本発明の目的は、ビームラインを短縮することができ、大がかりな装置を用いることのない外部イオン源型の加速器とそれを備えた粒子線照射装置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、少なくとも放電室、コイルおよび磁路を有するイオン源と、前記イオン源から引き出されたイオンビームを加速する高周波加速電極と、前記イオンビームの周回軌道を発生させるように形成された、磁場を発生させる磁極と、を備え、前記イオン源のうち、前記放電室および前記磁路が、前記磁極を鉛直方向断面から見たときに前記磁極の外周面より内側に配置されたことを特徴とする。
　また、他の一例をあげるならば、少なくとも放電室、コイルおよび磁路を有するイオン源と、前記イオン源から引き出されたイオンビームを加速する高周波加速電極と、対向するように設置され、磁場を間に形成する一対の磁極と、を備え、前記磁極は、もう一つの磁極と対向する面の逆の面に窪みを有しており、前記イオン源のうち前記放電室および前記磁路が前記磁極の前記窪みの中に配置されたことを特徴とする。
　本発明によれば、ビームラインを短縮することができ、大がかりな装置を用いることのない外部イオン源型の加速器とそれを備えた粒子線照射装置が提供される。
本発明の実施例１の粒子線照射装置の全体構成を示す図である。 図１に示す加速器の側面断面を示す図である。 図１に示す加速器の横断面を示す図である。 実施例１の加速器のイオン源周りの側面の概略を示す図である。 実施例１におけるイオン源設置部の磁場解析結果を示す図である。 実施例１におけるイオン源設置部の中心位置における縦方向磁場の解析結果を示す図である。 本発明の実施例２の加速器の横断面を示す図である。 図７に示す加速器の側面断面を示す図である。
　以下に本発明の加速器および粒子線照射装置の実施例を、図面を用いて説明する。
　＜実施例１＞　
　本発明の実施例１の加速器および粒子線照射装置を、図１乃至図６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、本実施例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、サイクロトロン型の加速器５０、ビーム輸送系５２、照射装置５４、治療台４０、および制御装置５６を備える。
　粒子線照射装置１００では、イオン源３で発生させたイオンを加速器５０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５０から出射され、ビーム輸送系５２により照射装置５４まで輸送される。輸送されたイオンビームは照射装置５４で患部形状に合致するように整形され、治療台４０に横になった患者４５の標的に対して所定量照射される。
　これら加速器５０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５６によって制御される。
　次に加速器５０の構造について図２乃至図６を用いて説明する。図２は本実施例の加速器の側面の断面図で、図３は横断面図である。
　図２および図３に示すように、サイクロトロン型の加速器５０は、主磁極１、円環状コイル２、真空容器６、高周波加速電極７、イオン源３、ビーム引き出し集束部４、インフレクター５によって構成される。
　主磁極１は、対向するように設置された一対の磁性体であり、例えば鉄などからなる。主磁極１には、ビームの周回軌道９を発生させるように向かい合う磁極間に凸磁極１０が設けられており、等時性磁場をその間に発生させる。凸磁極１０によって磁場Ｂ０を発生させるとともに、周回するイオンビームの集束力を増加させ、安定周回に寄与する。磁場Ｂ０が発生する磁極ギャップ間の対向する上下面は対称形状である。
　真空容器６は主磁極１によって挟まれており、全体としてひとつの真空容器を形成するとともに磁気回路を構成する。真空容器６は非磁性体である。
　円環状コイル２は真空容器６より大気側に設置されており、上下一対の主磁極１間に磁場を発生させる。円環状コイル２は常電導材料によるコイルでも超電導材料によるコイルでも同様に磁場を発生可能である。なお、円環状コイル２は真空容器６内に設置してもよく、特に規定されるものではない。
　図２および図３に示すように、主磁極１のもう一つの主磁極１と対向する面とは逆の外周面１Ａ側に窪み１Ｂが形成されており、イオン源３およびビーム引き出し集束部４がその窪み１Ｂの中側に配置されている。すなわち、イオン源３を構成する主な構成要素やビーム引き出し集束部４が、主磁極１を鉛直方向断面から見たときに外周面１Ａより主磁極１の内側であり、かつ凸磁極１０より外側に配置されている。ビーム引き出し集束部４によって生成されたイオンをイオン源３から引き出している。イオン源３やビーム引き出し集束部４の詳細については後述する。
　イオン源３及びビーム引き出し集束部４は、できるだけ周回軌道９に近い位置に配置することでビームの発散を抑えることができるため、そのほかにビームを整形する手段が不要となり、構成機器を低減することができる。
　なお、イオン源３より引き出された直後のイオンビームは発散ビームとなるが、ビーム引き出し集束部４のビーム引き出し部１２０（図４参照）からインフレクター５までの鉛直方向距離（主に凸磁極１０のギャップ）に応じて一組の集束レンズ２００（図４参照）を配置する。このビーム引き出し集束部４のうち集束レンズ２００については、ビーム引き出し部１２０（図４参照）からインフレクター５までの鉛直方向距離が十分に小さいときは設ける必要はなく、設ける場合も一つあれば十分であることが多いが、２つ以上設けることもできる。
　なお、イオン源３及びビーム引き出し集束部４は、下側の主磁極１に設けられた窪みの主磁極１の内周面側に収まるように配置することもできる。
　ビーム引き出し集束部４によって引き出されたイオンビームは周回軌道９の中心に配置したインフレクター５により垂直から水平方向に偏向される。インフレクター５は主磁場Ｂ０を乱さないように電場を用いてイオンビームを偏向する機器である。
　インフレクター５によって水平方向に偏向されたイオンビームは、高周波加速電極７によって加速され、凸磁極１０の磁場および高周波加速電極７の電場の作用によって螺旋状の周回軌道９を描きながら加速され、十分に加速された後で周回軌道９から引き出されて外部へ出力される。
　次に図４～図６を用いて、イオン源３及びビーム引き出し集束部４の詳細を説明する。図４は図２のイオン源３及びビーム引き出し集束部４の詳細を示した図である。
　図４に示すように、イオン源３はプラズマ生成にマイクロ波１３０を利用したマイクロ波イオン源であり、導波管１０１、磁路１０３、コイル１０２、放電室１０５、導入窓１０９、引き出し電極１１０、フランジ１１１、絶縁物１０４で構成される。イオン源３は、上述のように主磁極１の外周面１Ａ側に形成された窪み１Ｂの中側に配置されている。
　なお、イオン源３のうち、放電室１０５と、磁路１０３のうち放電室１０５をシールドする部分が、主磁極１の内部に配置されていればよく、イオン源３を構成するその他の構成については必ずしも主磁極１の内部に配置される必要はないが、その他の構成についても主磁極１の内部に配置されることが望ましい。
　ビーム引き出し集束部４は、減速電極１０７、絶縁物１０６、接地電極１０８で構成されたビーム引き出し部１２０と、レンズ電極２０１および出口孔２０２で構成された集束レンズ２００と、から構成される。
　イオン源３では、導波管１０１から導入窓１０９を通してマイクロ波１３０を真空となる放電室１０５に導入するとともに、ガス供給源（図示省略）から原料ガスを導入して、導入したガスをマイクロ波電場とコイル１０２による磁場によってイオン化させることでプラズマを生成する。
　導波管１０１はマイクロ波発信源（図示省略）から供給されるマイクロ波をイオン源３の内部に供給する管であり、鉄製である。なお導波管１０１はアルミニウムや銅であってもよいが、主磁極１の内部に配置されたイオン源３に接続されるため、鉄製が好適である。
　マイクロ波１３０の周波数は例えば２．４５ギガヘルツ（ＧＨｚ）などである。
　導入窓１０９はマイクロ波１３０の反射が小さくなるように低誘電率の絶縁材料からなり、例えば石英やボロンナイトライド（ＢＮ）、窒化アルミなどでの材質である。
　放電室１０５は非磁性体の金属性の材料からなり、その内周側が真空となってプラズマが生成される箇所となる。
　コイル１０２は放電室１０５の周囲に配置されており、そのコイル１０２を囲むように磁路１０３が形成されている。
　磁路１０３は放電室１０５を覆うような形状をした磁性体であり、例えば鉄などからなる。この磁路１０３により、主磁極１から漏洩する磁場が放電室１０５に影響することを防止する。
　コイル１０２は独立に調整可能とし、放電室１０５内に発生する磁場を調整する。図４ではコイル１０２を２個使用しているが、１個あるいは３個でも磁場の発生は可能である。１個の場合は磁路１０３の形状を適切に形成することで放電室１０５内の磁場分布を調整可能である。このコイル１０２は永久磁石に置き換えることが可能である。
　図５は主磁極１にイオン源３設置用の空間を設け、そこに磁路１０３とコイル１０２を設置したときの２次元磁場解析結果である。主磁極１の磁極間ギャップには約１．３テスラ（Ｔ）の磁場が発生するように円環状コイル２の電流値を決定して解析した。
　この図５に示すように、主磁極１から漏洩する磁場は磁路１０３に流れ込むため、放電室１０５内への漏洩磁場の影響を低下できることが分かった。このため、コイル１０２によって生成される磁場が放電室１０５側に十分に形成されることが分かった。また、主磁極１から漏洩する磁場は導波管１０１にも流れ込むことから、導波管１０１の材質を適宜選択することによって放電室１０５内への漏洩磁場の影響をより低下できることも分かった。
　図６に、図５に示す中心部１６０位置での磁場分布を示す。横軸が中心部１６０の縦位置を示し、縦軸がその位置での縦方向磁場強度を示す。
　図６に示すように、イオン源３が主磁極１に配置されていない場合１５０は、数百ガウスの漏れ磁場がある。これに対し、磁路１０３を有するイオン源３がある場合１５１では、放電室１０５内の磁場が０に近くなる。さらに磁路１０３を有するイオン源３においてコイル１０２によりプラズマ生成用の磁場を発生させた場合１５２では、プラズマ生成に必要なサイクロトロン共鳴磁場強度０．０８７５テスラ以上の傾斜を持った磁場が形成できることが分かる。
　図４に戻って、絶縁物１０４は、イオン源３中の導波管１０１、磁路１０３、コイル１０２、放電室１０５、導入窓１０９、引き出し電極１１０を絶縁支持する。絶縁物１０４は絶縁性の材料であれば特に限定されない。
　引き出し電極１１０は放電室１０５の下部に配置された電極であり、磁性体である。引き出し電極１１０を磁性体にすることで、容易に放電室１０５内の磁場分布をプラズマ生成に有効な分布とすることができる。
　イオン源３のフランジ１１１には引き出し電源３００により正の電圧、例えば３０～６０キロボルト（ｋＶ）を印加し、減速電極１０７には減速電源３０１により負の電圧、例えば－２～－１０キロボルト（ｋＶ）を印加する。引き出し電源３００および減速電源３０１によって発生する引き出し電極１１０と減速電極１０７間の電場によって、放電室１０５内に生成したプラズマからイオンビームを引き出す。
　減速電極１０７は絶縁物１０４によって絶縁支持された磁路１０３、コイル１０２、放電室１０５等の下方に配置されており、減速電極１０７等は絶縁物１０６によって接地電極１０８に固定され、さらに主磁極１に固定されている。
　接地電極１０８には、ビーム引き出し方向にレンズ電極２０１、出口孔２０２で構成される集束レンズ（ビーム集束部）２００を取り付ける。集束レンズ２００は、イオン源３より引き出されたイオンビームを集束させる。この集束レンズ２００と接地電極１０８と減速電極１０７等とを一体構造としてビーム引き出し集束部４を形成する。
　レンズ電極２０１にはレンズ電源３０２によって電圧を印加する。電圧は引き出し電源３００の電圧を超えない正の値である。レンズ電極２０１はビーム引き出し方向に複数個設置して、それぞれ独立した電圧を印加することで、さらにビームを自由に整形可能となる。電圧は独立した電源で印加しても、抵抗分割などにより１台の電源で印加してもかまわない。
　イオン源３から引き出されたイオンビームは、レンズ電極２０１を有する集束レンズ２００で集束されて出口孔２０２から取り出された後、インフレクター５によってビームを主磁極１の対抗する凸磁極１０の間のギャップへ導入される。
　一体化したビーム引き出し集束部４をイオン源３の直後に取り付けることによって、イオン源３から引き出されたイオンビームが発散する前にビームを集束させることができるので、レンズ電源３０２の電圧を低く抑えることができ、電源の容量低減にもつながる。
　次に、本実施例の効果について説明する。
　上述した本発明の実施例１の粒子線照射装置１００は、加速器５０と、加速器５０から出射されたイオンビームを照射する照射装置５４と、を備えている。このうち、加速器５０は、少なくとも放電室１０５、コイル１０２および磁路１０３を有するイオン源３と、イオン源３から引き出されたイオンビームを加速する高周波加速電極７と、ビームの周回軌道９を発生させるように対向して設置された一対の主磁極１と、を備えている。このような加速器５０において、主磁極１は、もう一つの主磁極１と対向する面の逆となる外周面１Ａ側の面に窪み１Ｂを有しており、イオン源３のうち放電室１０５および磁路１０３が、主磁極１を鉛直方向断面から見たときに主磁極１の外周面１Ａより内側に配置、すなわち主磁極１の窪み１Ｂの中に配置されている。
　このような構成によって、外部イオン源型のイオン源３を備えたサイクロトロン型の加速器５０において、主磁極１の外周面１Ａより内部側の窪み１Ｂ内にイオン源３の主な構成が配置されるため、外部イオン源型でありながら、特許文献１に記載のような従来の外部イオン源型に比べてイオン源３からの引き出し後のビームラインを大幅に短縮することができるため、複雑かつ大がかりな装置を用いることなく、構成機器数を低減することが可能な小型の加速器を提供することができる。また、外部イオン源型であるため、メンテナンスや交換などの際のアクセスも容易である、との効果も得られるものとなっている。
　また、イオン源３が磁路１０３を有するものとし、また放電室１０５と磁路１０３とが主磁極１の外周面１Ａより内部側の窪み１Ｂ内に配置されたため、主磁極１内にイオン源３を設置した場合でも主磁極１の漏洩磁場の影響を遮断することができる。よって、単にイオン源を主磁極１の外周面１Ａより内部側に配置するだけではイオンの生成が十分にできない、という本発明者の検討によって判明した問題が生じることも防止されている。
　また、主磁極１は、凸磁極１０を有しており、イオン源３のうち放電室１０５および磁路１０３が、凸磁極１０より外側に配置されたため、交換などのメンテナンスの際にアクセスが困難な内部イオン源型に近い配置とならずに、アクセスが容易な外部イオン源型のイオン源の配置となり、ビームラインの短縮を図りつつ、メンテナンスが容易である、との効果をより確実に得ることができる。
　更に、イオン源３より引き出されたイオンビームを集束させる集束レンズ２００を少なくとも一つ以上備えたことで、イオン源３からのビーム引き出し後にビームが発散したとしてもビームを集束させることができる。
　また、イオン源３は、マイクロ波イオン源であることにより、長寿命のイオン源とすることができ、交換頻度の低減などのメンテナンス性の更なる向上を図ることができる。
　更に、イオン源３に接続された導波管１０１を更に有し、導波管１０１が鉄製であることで、コイル１０２で発生させた磁場を放電室１０５により集中させることができるとともに、主磁極１からの漏洩磁場が放電室１０５内部に入り込むことをより抑制することができ、イオン源３におけるイオン生成効率の向上を図ることができる。
　なお、加速器５０として、上述のような等時性磁場を用いるサイクロトロン型の加速器の替わりに、等時性磁場ではない磁場を用いるシンクロサイクロトロン型の加速器を用いることができる。
　シンクロサイクロトロン型の加速器とは、サイクロトロンを改良した加速器の一種であり、大型磁極間で円運動する荷電粒子に高周波電場を加えて繰返し加速する。また、高速では加速された粒子の質量が相対論的効果によって増加し、磁場内の荷電粒子の円運動の周期は質量に比例して増加する。これによって起こる高周波電圧との周期のずれを、周波数を変調することによって取り除いている。
　シンクロサイクロトロン型の加速器も構成がサイクロトロン型の加速器と同様の構成であることからイオン源３やビーム引き出し集束部４を主磁極１内に配置することができ、同様の効果が得られる。
　＜実施例２＞　
　本発明の実施例２の加速器および粒子線照射装置を図７および図８を用いて説明する。
　本実施例の粒子線治療装置は、加速器の構造が異なる以外は実施例１の粒子線治療装置と同じ構造であるため、加速器以外の説明は省略する。本実施例の粒子線装置に設けられた加速器９０の構造について図７および図８を用いて説明する。図７は加速器の横断面を示す図、図８は図７のＡ－Ａ断面を示す図である。
　図７および図８に示すように、本実施例の加速器９０は、イオン源７３と、高周波加速電極７７と、主磁極７１と、局所磁場発生部８３と、真空容器７６と、円環状コイル７２と、取り出しセプタム８１とを備えている。
　真空容器７６の内部には、内部が中空となる高周波加速電極７７が凹磁極８０ｃの部分に左右対称に配置されており、高周波電源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加速電極７７はイオン源７３から引き出されたイオンビームを加速する。
　真空容器７６は主磁極７１によって挟まれるように配置されており、全体としてひとつの真空容器を形成するとともに、磁気回路を構成することで磁極ギャップに主磁場Ｂ０を発生させる。真空容器７６は非磁性体である。
　円環状コイル７２は真空容器７６の大気側に設置されており、主磁極７１によって主磁極７１間の磁極ギャップに主磁場Ｂ０を発生させるためのコイルである。円環状コイル７２は常電導材料によるコイルでも超電導材料によるコイルでも構わない。
　主磁極７１は、図７に示すように、凸磁極８０ａ１，８０ａ２，８０ｂ１，８０ｂ２および凹磁極８０ｃを有しており、上面から見たときに、凸磁極８０ａ１と凸磁極８０ａ２とが左右対称、凸磁極８０ｂ１と凸磁極８０ｂ２とが左右対称の構造となっている。これに対し、凸磁極８０ａ１と凸磁極８０ｂ１とが上下非対称、凸磁極８０ａ２と凸磁極８０ｂ２とが上下非対称の構造となっている。イオンビームの周回周波数は例えば１９．８２メガヘルツ（ＭＨｚ）などで、主磁極７１はどのエネルギーでも同一時間で１周する等時性磁場を発生させるように設定されている。例えば、ビームの軌道に沿ってビームに作用する磁場は、凸磁極８０ａ１，８０ａ２，８０ｂ１，８０ｂ２により凹部では低磁場、凸部では高磁場となるように形成されている。凸磁極８０ａ１，８０ａ２，８０ｂ１，８０ｂ２の形状および高さは、鉛直方向と周回方向のイオンビームの発散を抑えるような向き、強度に設定される。主磁極７１は磁性体で、例えば鉄などである。主磁極７１の磁極ギャップに対向する面は対称形状である。凸磁極８０ａ１，８０ａ２，８０ｂ１，８０ｂ２、凹磁極８０ｃで形成される磁極の中心は主磁極７１中心からビームの取り出し位置８２に偏った位置にあり、その近傍にイオン源７３が配置されている。このような偏った配置構造により、主磁極７１は周回軌道７９中に軌道集約領域７８を発生させる。
　なお、本実施例では４個の凸磁極８０ａ１，８０ａ２，８０ｂ１，８０ｂ２を使用しているが、２極以上であれば制限はない。また、図示していないが凸磁極８０ａ１，８０ａ２，８０ｂ１，８０ｂ２には磁場の微調整用のトリムコイルを設け、等時性とベータトロン振動の安定を確保するようにトリムコイル電流を調整することも可能である。
　なお、本発明における「等時性磁場」とは、上述のように、加速されるイオンビームのエネルギーが増加してこのイオンビームが周回するビーム周回軌道の半径が大きくなってもイオンビームが一周する時間が変わらない磁場のことを意味する。
　また、「周回軌道」とは、イオン源７３から出射されたイオンが取り出し位置８２から取り出されるまでの複数の環状の軌道のことを意味する。
　イオン源７３も、図８に示すように、主磁極７１を鉛直方向断面から見たときに主磁極７１の外周面７１Ａに形成された窪み７１Ｂの中、かつ凸磁極８０ａ１，８０ａ２，８０ｂ１，８０ｂ２より外側に配置されている。なお、イオン源７３においても、放電室と、磁路のうち放電室をシールドする部分が、主磁極７１の内部に配置されていればよく、その他の構成については必ずしも主磁極７１の内部に配置される必要はない。
　上記により構成された加速器９０は以下のように動作する。
　ビーム引き出し集束部７４によってイオン源７３から引き出されたイオンビームは周回軌道７９の中心に配置したインフレクター７５により垂直から水平方向に偏向され、凸磁極８０ａ１，８０ａ２，８０ｂ１，８０ｂ２、凹磁極８０ｃで形成された主磁場Ｂ０により螺旋運動を行う。螺旋運動中に高周波加速電極７７を通過するごとに高周波加速電極７７で発生した電場によって加速され、エネルギーが増加し、回転半径を増加させて真空容器７６内を周回運動する。この際、凸磁極８０ａ１，８０ａ２，８０ｂ１，８０ｂ２の形状および高さは、鉛直方向と周回方向のビームの発散を抑えるような向き、強度に設定されており、またイオンビームがどのエネルギーでも同一時間で１周するように設定されている。また、ビームの軌道に沿ってビームに作用する磁場は凸磁極８０ａ１，８０ａ２，８０ｂ１，８０ｂ２により凹部では低磁場、凸部では高磁場となっている。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ガンマ・ファクター（γファクター）に比例させているため、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で安定にベータトロン振動する。
　周回するビームは、取り出しエネルギーに達したところの局所磁場発生部８３によって発生した局所磁場によって軌道が偏向される。これにより周回ビームは周回軌道から逸脱し、取り出し位置８２へと移動し、取り出しセプタム８１によって加速器９０外へと導かれる。局所磁場の向きはエネルギーによって主磁場Ｂ０と同方向・逆方向が決められる。周回するイオンビーム軌道が取り出し位置８２で集約していることから、集約していない軌道に比べ少ない局所磁場で取り出し位置８２に向けた偏向・取り出しが可能となる。
　その他の構成・動作は前述した実施例１の加速器および粒子線照射装置と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。
　本発明の実施例２の加速器および粒子線照射装置においても、前述した実施例１の加速器および粒子線照射装置とほぼ同様な効果が得られる。
　また、主磁極７１は、周回軌道７９中に軌道集約領域７８を発生させるように形成されたことにより、周回するイオンビーム軌道が取り出し位置８２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ビームの取り出し位置８２まで偏向させることができ、取り出しが非常に容易となる。特に、軌道集約領域７８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、局所磁場発生部８３で発生させる磁場等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軌道集約領域７８側のビームの取り出し位置８２に向けて安定、かつ容易に偏向させることができる。
　＜その他＞　
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えことが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　例えば、上述の実施例では、イオン源としてマイクロ波イオン源を用いる場合について説明したが、イオン源はマイクロ波イオン源に限られない。例えば、直流型や高周波型のイオン源であっても、放電室をシールドするように磁路が設けられているものであれば、本発明は適用することができる。
１，７１…主磁極
１Ａ，７１Ａ…外周面
１Ｂ，７１Ｂ…窪み
２，７２…円環状コイル
３，７３…イオン源
４，７４…ビーム引き出し集束部
５，７５…インフレクター
６，７６…真空容器
７，７７…高周波加速電極
９，７９…周回軌道
１０，８０ａ１，８０ａ２，８０ｂ１，８０ｂ２…凸磁極
４０…治療台
４５…患者
５０，９０…加速器
５２…ビーム輸送系
５４…照射装置
５６…制御装置
７８…軌道集約領域
８０ｃ…凹磁極
８１…取り出しセプタム
８２…取り出し位置
８３…局所磁場発生部
１００…粒子線照射装置
１０１…導波管
１０２…コイル
１０３…磁路
１０４…絶縁物
１０５…放電室
１０６…絶縁物
１０７…減速電極
１０８…接地電極
１０９…導入窓
１１０…引き出し電極
１１１…フランジ
１２０…ビーム引き出し部
１３０…マイクロ波
１６０…中心部
２００…集束レンズ（ビーム集束部）
２０１…レンズ電極
２０２…出口孔
３００…引き出し電源
３０１…減速電源
３０２…レンズ電源

Claims (9)

  1. 　少なくとも放電室、コイルおよび磁路を有するイオン源と、
    　前記イオン源から引き出されたイオンビームを加速する高周波加速電極と、
    　前記イオンビームの周回軌道を発生させるように形成された、磁場を発生させる磁極と、を備え、
    　前記イオン源のうち、前記放電室および前記磁路が、前記磁極を鉛直方向断面から見たときに前記磁極の外周面より内側に配置された
    　ことを特徴とする加速器。
  2. 　請求項１に記載の加速器において、
    　前記磁極は、磁極凸部を有しており、
    　前記イオン源のうち前記放電室および前記磁路が、前記磁極凸部より外側に配置された
    　ことを特徴とする加速器。
  3. 　請求項１に記載の加速器において、
    　更に、前記イオン源より引き出された前記イオンビームを集束させるビーム集束部を少なくとも一つ以上備えた
    　ことを特徴とする加速器。
  4. 　請求項１項記載の加速器において、
    　前記磁極は、前記周回軌道中に軌道集約領域を発生させるように形成された
    　ことを特徴とする加速器。
  5. 　請求項１項記載の加速器において、
    　前記イオン源は、マイクロ波イオン源である
    　ことを特徴とする加速器。
  6. 　請求項５に記載の加速器において、
    　前記イオン源に接続された導波管を更に有し、前記導波管が鉄製である
    　ことを特徴とする加速器。
  7. 　請求項１項記載の加速器において、
    　前記加速器が、シンクロサイクロトロンである
    　ことを特徴とする加速器。
  8. 　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イオン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。
  9. 　少なくとも放電室、コイルおよび磁路を有するイオン源と、
    　前記イオン源から引き出されたイオンビームを加速する高周波加速電極と、
    　対向するように設置され、磁場を間に形成する一対の磁極と、を備え、
    　前記磁極は、もう一つの磁極と対向する面の逆の面に窪みを有しており、
    　前記イオン源のうち前記放電室および前記磁路が前記磁極の前記窪みの中に配置された
    　ことを特徴とする加速器。
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