シンクロトロンおよびそれを用いた粒子線治療装置
【課題】シンクロトロンの小型化が可能なビーム取り出し方法、ならびにそれを用いた小型粒子線治療システムを提供する。
【解決手段】上記課題を解決する本発明の特徴は、第１番目の出射用偏向器と第２番目の出射用偏向器を出射ビームの変位符号が同じ領域に設置し、第２番目の出射用偏向器の偏向方向を第１番目の出射用偏向器と逆方向とする。第２番目の出射用偏向器で偏向された出射ビームは周回軌道を交差し、変位の符号は逆転する。出射ビームは第１番目の出射用偏向器出口での軌道変位とは逆符号側で、十分なセパレーションがとれる位置に設置した第３目の出射用偏向器によってシンクロトロンから取り出す。
【解決手段】上記課題を解決する本発明の特徴は、第１番目の出射用偏向器と第２番目の出射用偏向器を出射ビームの変位符号が同じ領域に設置し、第２番目の出射用偏向器の偏向方向を第１番目の出射用偏向器と逆方向とする。第２番目の出射用偏向器で偏向された出射ビームは周回軌道を交差し、変位の符号は逆転する。出射ビームは第１番目の出射用偏向器出口での軌道変位とは逆符号側で、十分なセパレーションがとれる位置に設置した第３目の出射用偏向器によってシンクロトロンから取り出す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシンクロトロンの小型化に好適なビーム取り出し方法とそれを用いたシンクロトロン、及び当該シンクロトロンを用いた粒子線治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の高齢化社会を反映し、がん治療法の一つとして、低侵襲で体に負担が少なく、治療後の生活の質が高く維持できる放射線治療が注目されている。その中でも、シンクロトロンで加速した陽子や炭素などの荷電粒子ビームを用いた粒子線治療システムが、患部への優れた線量集中性のため特に有望視されている。粒子線治療システムはシンクロトロンにビームを供給する入射器と荷電粒子ビームを光速近くまで加速するシンクロトロンと、シンクロトロンから取り出した荷電粒子ビームを患部の位置や形状に合わせて患者に照射する照射装置を備える。粒子線治療システムの普及を進めるうえでこれらの装置の小型化・低コスト化が望まれている。
【０００３】
前記シンクロトロンからビームを取り出す方法の一つに遅い取り出し法（共鳴取り出し法）と呼ばれる取り出し方法がある。遅い取り出し法を用いれば、荷電粒子ビームがシンクロトロンを１周する間にすべてのビームを取り出す速い取り出し法と異なり、複数周にわたってゆっくりと取り出すことができる。取り出したビームは粒子線治療や物理学実験で主に利用される。
【０００４】
図３に従来のシンクロトロンの１番目の例を示す。シンクロトロン２００は前段加速器１０１で事前に加速されたビームを入射するための入射用偏向装置２０１，入射したビームを偏向して周回させるための偏向電磁石２０２，ビームが安定して周回するように収束・発散させるための四極電磁石２０３，ビームを加速・減速する高周波加速空洞２０４，遅い取り出しを行う際にビーム振動（ベータトロン振動）の安定限界を形成するための共鳴励起用多極電磁石２０５，ビーム振動振幅を増大させ安定限界を超えさせるための出射用高周波装置２０６，加速・減速したビームを照射装置４００に導くためにビーム軌道を偏向しシンクロトロンからビームを取り出すための第１出射用偏向器２０７，第２出射用偏向器２０８，第３出射用偏向器２０９を備え、シンクロトロン制御装置２１１で制御され、各機器は電源２０１ａ〜２０９ａによって励磁，励振される。このシンクロトロンから遅い取り出し方法でビームを取り出す際、共鳴励起用多極電磁石２０５により共鳴を励起し、安定周回限界（セパラトリックス）を形成し、出射用高周波装置２０６によりビームの振幅を増大させ前記安定周回限界の外側にビームを導く。安定周回限界の外側に導かれたビームはさらに振幅を増し、第１出射用偏向器２０７に入る。第１出射用偏向器２０７に入った出射ビームは電場によって周回ビームから遠ざける方向に偏向される。
【０００５】
図５に第１出射用偏向器２０７で偏向したビームの軌道変化を模式的に示す。ビームの軌道は模式的には正弦波であらわされる。Ａ点：基準点θ＝０°（第１出射用偏向器２０７の位置）で偏向された出射ビームの軌道変位は偏向された位置から徐々に大きくなり、Ｂ点：θ＝９０°で最大になる。その後再び小さくなり、出射ビームと周回ビームはＣ点：θ＝１８０°で交差して今度は逆方向に変位が大きくなる。その後再びＤ点：θ＝２７０°で最大値変位に到達し減少に転じる。このようにある１点で偏向された出射ビームは周回軌道のまわりを振動する。
【０００６】
１番目の例に戻り、第１出射用偏向器２０７で偏向された取り出しビームの振動を模式的に示すと図６のようになる。第１出射用偏向器２０７で正方向に偏向されたビームの変位は偏向された位置から正方向に徐々に広がる。取り出しビームと周回ビームのセパレーションが必要量とれた所に第２出射用偏向器２０８を設置し第１出射用偏向器と同じ方向（正方向）に偏向し、さらにセパレーションを大きくする。さらに必要に応じて第３出射用偏向器２０９で第１出射用偏向器と同じ方向（正方向）に偏向させシンクロトロンから取り出される。この例の場合、第１〜３出射用偏向器２０７〜２０９は出射ビームの変位が同一の符号（正）である領域に配置され、同一の方向（正方向）に偏向する。（例えば、公知文献１参照）。
【０００７】
図４に従来のシンクロトロン構成の２番目の例を示す。またこのときの出射ビームの振動を模式的に図７に示す。第１出射用偏向器２０７にビームが入るまでは第１番目の例と同じである。この例では第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８の間に四極電磁石，偏向電磁石を設置している（例えば、特許文献１参照）。これにより第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８の距離が長くでき、かつその位相差を９０度近傍になるように設計することで第２出射用偏向器２０８でのビームセパレーションを効果的に大きくすることができる。この場合も第１番目の例と同じく第１出射用偏向器２０７で正方向に偏向し周回ビームと出射ビームのセパレーションを作り、第２出射用偏向器２０８で第１出射用偏向器２０７と同じ方向（正方向）に偏向し、シンクロトロンからビームを取り出す。この例の場合もすべての出射用偏向器は出射ビームの変位が同一の符号である領域に配置され、同一の方向に偏向する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０―１６２９９９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】“AN ION SYNCHROTRON FOR MULTI-PURPOSES USE OF ENERGY RESEARCH CENTER，WAKASA BAY”，Proceedings of APAC 1998, Japan
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来例１の場合、高エネルギーのビームは偏向されにくいため、出射エネルギーを高くする場合、出射用偏向器が大型化する。そのため直線部を長くする必要がある。例２の場合は第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８までの位相進みを９０度＋１８０度×ｎ近傍とする必要がある。ここでｎは０，１，２・・・であり、例２ではｎ＝０に相当する。また第２出射用偏向器２０８，第３出射用偏向器２０９はシンクロトロンの構成機器である四極電磁石や偏向電磁石等に当たらないようにビームを取り出すため、大きく偏向させる必要がある。すなわち磁場を強くする必要があり、そのためにはセプタム厚を厚くしなければならなかった。結果、取り出しビームと周回ビームのセパレーションを大きくする必要があるため、第１出射用偏向器２０７の必要偏向角も大きくなり、第１出射用偏向器２０７の負荷が増えていた。第１出射用偏向器２０７はビームロスを低減するためセプタム厚を薄くする必要があり、静電デフレクタと呼ばれる装置が使用される。しかし静電デフレクタの単位長さ当たりの蹴り角はセプタム電磁石と比較すると小さく、必要な偏向角を得るには長い静電デフレクタが必要となり、出射用偏向器の小型化，シンクロトロンの小型化に限界があった。本発明では出射偏向器の小型化が可能で、かつ出射偏向器の配置の自由度を増したビーム取り出し法ならびにその取り出し法を用いた小型シンクロトロンと当該シンクロトロンを用いた粒子線治療システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の特徴は、第１出射用偏向器２０７で出射ビームを偏向して周回ビームとのセパレーションを取ったのち、第１出射用偏向器２０７出口における出射ビーム変位と符号が同じ領域に設置した第２出射用偏向器２０８で第１出射用偏向器２０７とは逆方向に偏向する。偏向された出射ビームは周回ビームと交差して変位の符号は逆転する。出射ビームは第１出射用偏向器２０７出口での軌道変位とは逆符号側で十分なセパレーションがとれる位置に設置した第３出射用偏向器２０９によってシンクロトロンから取り出す。また偏向電磁石２０２の端部面の傾き（エッジ角）を矩形型偏向電磁石とは逆方向とした偏向電磁石を用いる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１出射用機器で周回ビームとのセパレーションを取ったのち、より偏向角の大きな、例えばセプタム電磁石のような第２出射用機器で第１出射用機器とは逆方向に偏向させることにより、出射用機器が小型化でき、かつ出射用機器配置の自由度が増すことでシンクロトロンの小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の好適な一実施例（実施例１）であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【図２】この発明の好適な一実施例（実施例２）であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【図３】従来技術の第１の例であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【図４】従来技術の第２の例であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【図５】シンクロトロンにおけるビームの振動を模式的に示した図である。
【図６】従来技術の第１の例であるシンクロトロンの構成下における出射ビームの振動を模式的に示した図である。
【図７】従来技術の第２の例であるシンクロトロンの構成下における出射ビームの振動を模式的に示した図である。
【図８】この発明の好適な一実施例（実施例１）であるシンクロトロンの構成下における出射ビームの振動を模式的に示した図である。
【図９】この発明の好適な一実施例（実施例２）であるシンクロトロンの構成下における出射ビームの振動を模式的に示した図である。
【図１０】この発明の好適な一実施例（実施例３）であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【図１１】従来技術の偏向電磁石の平面形状を示した図である。
【図１２】この発明の効果をさらに強める偏向電磁石の平面形状を示した図である。
【図１３】この発明の効果をさらに強める偏向電磁石の平面形状を示した図である。
【図１４】この発明の効果をさらに強める偏向電磁石の平面形状を示した図である。
【図１５】この発明の好適な一実施例（実施例４）であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
以下、図１ならびに図８を用いて、本発明の第１の実施形態によるシンクロトロンの構成ならびにビーム取り出し方法について説明する。
【００１６】
粒子線治療システムは入射に適したエネルギーまで荷電粒子ビーム（以下、ビーム）を加速する前段加速器と加速したビームを輸送する輸送系から構成される入射系１００と、入射されたビームを所望のエネルギーまで加速するシンクロトロン２００と、加速後、取り出したビームを照射装置まで輸送する高エネルギービーム輸送系３００と照射対象にビームを照射する照射装置４００を備える。また前記入射系１００，シンクロトロン２００，高エネルギービーム輸送系３００，照射装置４００を制御する制御系（入射系制御装置１１１，シンクロトロン制御装置２１１，高エネルギービーム輸送系制御装置３１１，照射系制御装置４１１）と治療システム全体を制御する中央制御装置５００を備える。
【００１７】
入射系１００は、イオン源（図示せず），前段加速器１０１及び第１のビーム輸送系を有する。第１のビーム輸送系は、ビーム経路に沿って偏向電磁石１０２及び四極電磁石１０３を有する。
【００１８】
シンクロトロン２００は、ビームを入射する入射用偏向装置２０１，入射したビームを偏向する偏向電磁石２０２，ビームを収束・発散させる四極電磁石２０３，ビームを加速する高周波加速空洞２０４，ビーム振動（ベータトロン振動）の安定限界（セパラトリクス）を形成するための共鳴励起用多極電磁石２０５，ビーム振動振幅を増大させ安定限界を超えさせるための出射用高周波装置２０６，ビーム軌道を偏向しシンクロトロンからビームを取り出すための第１出射用偏向器２０７，第２出射用偏向器２０８，第３出射用偏向器２０９を備える。
【００１９】
高エネルギービーム輸送系３００は、四極電磁石３０１, 偏向電磁石３０２, 照射装置３０３を有する。四極電磁石３０１は、通過するビームに四極磁場を印加し、ビームを収束又は発散させる。偏向電磁石３０２は、通過するビームを偏向してビーム軌道を変更する。四極電磁石３０１及び偏向電磁石３０２を通過したビームが照射装置４００に輸送される。照射装置３０３は、高エネルギービーム輸送系３００から入射された荷電粒子ビームを照射対象に出射する。
シンクロトロンから遅い取り出し方法でビームを取り出す際、共鳴励起用多極電磁石２０５により共鳴を励起し、安定周回限界（セパラトリックス）を形成し、出射用高周波装置２０６によりビームの振幅を増大させ前記安定周回限界の外側にビームを導く。安定周回限界の外側に導かれたビームはさらに振幅を増し、第１出射用偏向器２０７に入る。図８に第１出射用偏向器２０７以降の出射ビーム軌道を模式的に示す。第１出射用偏向器２０７で出射ビームは周回ビームから遠ざける方向に偏向される。本実施例ではｘ方向負側に偏向する。
第１出射用偏向器２０７は周回ビームと出射ビームを切り分ける作用を持つため、できるだけセプタム厚を薄くし、ビームロスを低減する必要がある。そのため本実施例１では第１出射用偏向器２０７として静電デフレクタを用いる。ただし、静電デフレクタの場合、単位長さ当たりに偏向できる角度はセプタム電磁石と比較して小さいため、第１出射用偏向器２０７を小型化するには偏向角をできるだけ小さくする必要がある。そこで本実施例では第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８を出射ビーム変位の符号が同一の領域に配置し、第２出射用偏向器２０８は第１出射用偏向器２０７のとは逆方向（ｘ方向正側）に偏向する。本実施例では第２出射用偏向器２０８は第１出射用偏向器２０７の下流側に四極電磁石２０３を挟んで配置する。第２出射用偏向器２０８によって偏向されたビームは周回ビームと交差したのち、ｘ方向正側でセパレーションが十分取れた位置に配置した第３出射用偏向器２０９によってｘ方向正側に取り出す。このように第２出射用偏向器２０８と第３出射用偏向器２０９を配置することにより、従来、第２出射用偏向器２０８と第３出射用偏向器２０９を近接して設置していた場合と比較して、第２出射用偏向器２０８による偏向で生じるセパレーションを効果的に利用できる。すなわち第２出射用偏向器２０８の偏向角を小さくしても第３出射用偏向器２０９で必要なセパレーションを確保できる。第２出射用偏向器２０８の偏向角が小さいということはセプタム厚を薄くでき、第２出射用偏向器２０８位置で必要なセパレーションを小さくできる。結果、第１出射用偏向器２０７の偏向角は小さくてよく、「第１出射用偏向器２０７の偏向角を小さくする」という目的が達成できる。この例のように第１出射用偏向器２０７，第２出射用偏向器２０８を近接させて配置した場合、第３出射用偏向器２０９の設置する位置は第１出射用偏向器２０７から１２０°下流側近傍となる。またこれは第１〜３出射用偏向器の配置と第１，２出射用偏向器の偏向角によって調整が可能である。これにより従来のように第１出射用偏向器２０７と第３出射用偏向器２０９の位相差を９０度＋１８０度×ｎ近傍に取る必要がなくなり、シンクロトロン設計ならびに出射機器配置の自由度が増す。以上、出射機器の小型化と出射機器配置の自由度向上によりシンクロトロンの小型化が可能となる。さらには第２出射用偏向器２０８で逆方向に偏向し、周回ビームと交差させた後に反対側でビームを取り出すため、出射ビームが通過する領域の機器のアパーチャが広がらず、シンクロトロンを構成する機器の小型化が可能となる。
【００２０】
本実施例では第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８を四極電磁石２０３を挟んで近接して配置した。収束用四極電磁石を挟んだ場合にはこの四極電磁石による偏向を利用することができ、第２出射用偏向器２０８の偏向角を軽減する効果がある。また発散用四極電磁石とした場合には第２出射用偏向器２０８でのセパレーションを大きくすることができ、第２出射用偏向器２０８の偏向角を大きくできる効果がある。しかし、四極電磁石を挟まない場合であっても出射機器の小型化と出射機器配置の自由度向上に関して同様の効果を得ることができる。
【００２１】
また第１出射用偏向器２０７として１台の静電セプタム、第２出射用偏向器２０８として１台のセプタム電磁石の例を示したが、それぞれが複数の機器で構成されていても効果は同じである。また複数の機器が静電デフレクタとセプタム電磁石の組み合わせで構成されていてもよい。
【００２２】
また第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８に挟まれる四極電磁石が複数であってもよい。
【００２３】
さらに、本実施例ではビームを取り出す方向をｘ方向正側としたが、これを負側に取り出しもよい。この場合、第１出射用偏向器ではｘ方向正側に偏向し、続く第２出射用偏向器は負側に偏向、第３出射用偏向器も負側に偏向すればよい。
【実施例２】
【００２４】
以下、図２ならびに図９を用いて、本発明の第２の実施形態によるシンクロトロンの構成ならびにビーム取り出し方法について説明する。
【００２５】
シンクロトロン２００の基本構成は符号２０１〜２０６までは実施例１と同じである。
また遅い取り出し法で第１出射用偏向器２０７に出射ビームが導かれるまでも実施例１と同様である。第１出射用偏向器２０７に導かれた出射ビームは周回ビームから遠ざける方向に偏向される。図９に第１出射用偏向器２０７以降の出射ビーム軌道を模式的に示す。
本実施例では第１出射用偏向器２０７はｘ方向、負側に出射ビームを偏向する。第１出射用偏向器２０７は静電デフレクタを用いる。第２出射用偏向器２０８は第１出射用偏向器２０７で偏向されたビームの変位符号が同一の領域で振幅が最大となる近傍に設置し、第１出射用偏向器２０７とは逆方向（ｘ方向正側）に偏向する。第２出射用偏向器２０８によって偏向されたビームは周回ビームと交差したのち、ｘ方向正側でセパレーションが十分取れた位置に配置した第３出射用偏向器２０９によってｘ方向正側に取り出される。この方法であれば第２出射用偏向器２０８と第３出射用偏向器２０９が近接して置かれている場合と比べて、第２出射用偏向器２０８による偏向で生じるセパレーションを効果的に利用でき、第３出射用偏向器２０９でのビームセパレーションが取りやすい。したがって、第２出射用偏向器２０８の偏向角は小さくてよく、結果第２出射用偏向器２０８のセプタム厚を薄くできる。第２出射用偏向器２０８のセプタム厚が薄いため、その点でのセパレーションも小さくてよい。すなわち第１出射用偏向器２０７の偏向角も小さくでき、第１出射用偏向器２０７の小型化が可能となる。以上から個々の出射用偏向器が小型化でき、かつ第１出射用偏向器２０７と第３出射用偏向器２０９の位相差を１８０°近傍に取ることができ、設計の自由度が増すことで小型のシンクロトロンが実現できる。さらには第２出射用偏向器２０８で逆方向に偏向し、周回ビームと交差させた後に反対側でビームを取り出すため、出射ビームが通過する領域の機器のアパーチャが広がらず、シンクロトロンを構成する機器の小型化が可能となる。
【００２６】
本実施例では第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８の間に、四極電磁石が複数台設置されていてもよい。また偏向電磁石が設置されていても効果は同じである。
【００２７】
また実施例１と同様、第１出射用偏向器２０７，第２出射用偏向器２０８が、それぞれ複数の機器で構成されていても効果は同じである。また複数の機器が静電デフレクタとセプタム電磁石の組み合わせで構成されていてもよい。
【００２８】
さらに、本実施例ではビームを取り出す方向をｘ方向正側としたが、これを負側に取り出しもよい。この場合、第一出射機器ではｘ方向正側に偏向し、続く第二偏向器は負側に偏向，第三偏向器も負側に偏向すればよい。
【実施例３】
【００２９】
以下、図１０〜１４を用いて、本発明の第３の実施形態によるシンクロトロンの構成について説明する。
【００３０】
図１０に示すシンクロトロン２００の基本構成ならびに遅い取り出し法でビームをシンクロトロンから取り出す手法は実施例１と同様である。本実施例では偏向電磁石の端面の傾き（エッジ角）により水平方向に収束力をもたせた偏向電磁石２０２を用いる。従来の偏向電磁石の平面図を図１１に示す。従来の偏向電磁石には図１１（ａ）に示すセクター型と呼ばれる扇形偏向電磁石と図１１（ｂ）に示すレクタンギュラ型と呼ばれる矩形型偏向電磁石がある。ここで磁極面のなす角度εを扇型偏向電磁石の場合をε＝０とし、扇型偏向電磁石から矩形型偏向電磁石に近づく方向を正（ε＞０）とすると、前記扇型偏向電磁石はビームの入口側エッジ角εｉ、出口側エッジ角εｏはεｉ＝εｏ＝０となる。また、前記矩形型偏向電磁石は入口側エッジ角εｉ、出口側エッジ角εｏはεｉ＝εｏ＝θ／２＞０と表せる。ここでθは偏向電磁石の偏向角である。図１１（ｂ）中で＋，−の符号は中心軌道に対し磁場領域が長い場合を＋、短い場合を−で示している。図１１（ａ）の扇形偏向電磁石に平行ビームが入射した場合、ビームの水平方向サイズは偏向電磁石通過後も変化しないが、図１１（ａ）の矩形型偏向電磁石の場合は、外側（ｘ（水平）方向正側）のビームは磁場の影響を受ける領域が中心軌道（設計軌道）と比較すると短いため曲げられる角度が小さくなる。また内側（ｘ（水平）方向負側）のビームは磁場の影響を受ける領域が長いため曲げ角は大きくなる。結果、ビームは偏向電磁石を通過した後、水平方向に発散する（拡がる）。一方、図１２に示す偏向電磁石２０２の特徴は図１１（ｂ）に示すレクタンギュラ型偏向電磁石とは逆方向に端面の傾き（エッジ）を切っている点である。すなわちエッジ角はεｉ＜０，εｏ＜０となる。このときεｉ＝εｏであっても、εｉ≠εｏであってもよい。このようにエッジを切ることによって、外側のビームは中心軌道と比較すると大きく曲げられ、内側のビームは曲げ角が小さくなり、結果として偏向電磁石通過後、ビームは水平方向に収束される。
【００３１】
すなわち、このような偏向電磁石を用いることにより、収束用四極電磁石の台数を減らしたり、もしくは収束用四極電磁石の負荷（励磁量）を軽減することが可能となる。すなわち、収束用四極電磁石のサイズを小さくすることができ、結果、シンクロトロンの小型化が可能となる。同様に図１３に示すようにεｉ＝０，εｏ＜０としてもよいし、図１４に示すようにεｉ＞０，εｏ＜０としてもよい。この場合も｜εｉ｜＝｜εｏ｜であっても、｜εｉ｜≠｜εｏ｜であってもよい。
【００３２】
この偏向電磁石２０２を用いることにより図１０に示すように偏向電磁石２０２で挟まれた四極電磁石２０３が不要となり実施例１で示したシンクロトロンをさらに小型化できる。当然、入口と出口を逆にした場合も、同様の効果を得ることができる。ここでは図１２〜図１４で示す偏向電磁石２０２の効果として四極電磁石２０３を削減できる場合について説明したが、それぞれの四極電磁石２０３の励磁量を減らし四極電磁石２０３の磁極長さを短くでき、実施例１で示したシンクロトロンを小型化する効果を得ることができる。
さらにはこれらの偏向電磁石２０２を用いればビームを収束，発散させる効果を持つ要素が分散して配置されることになり、ビームサイズの広がりを抑えやすくなる。これによりシンクロトロンを構成する各機器のサイズを小さくし、シンクロトロンの小型化が可能となる。
【実施例４】
【００３３】
図１５を用いて、本発明の第４の実施形態によるシンクロトロンの構成について説明する。
【００３４】
図１５に示すシンクロトロン２００の基本構成ならびに遅い取り出し法でビームをシンクロトロンから取り出す手法は実施例２と同様である。この場合においても実施例３と同様に図１２，１３，１４の偏向電磁石２０２を用いることにより、四極電磁石２０３の励磁量を低減し、電磁石の長さを短くできる。もしくは四極電磁石２０３の台数削減の効果を得ることができる。これによりシンクロトロンの小型化が可能となる。
【符号の説明】
【００３５】
１００ 入射系
１０１ 前段加速器
１０１ａ 前段加速器電源
１０２ ビーム輸送系偏向電磁石
１０２ａ ビーム輸送系偏向電磁石電源
１０３ ビーム輸送系四極電磁石
１０３ａ ビーム輸送系四極電磁石電源
１１１ 入射系御装置
２００ シンクロトロン
２０１ 入射用偏向装置
２０１ａ 入射用偏向装置用電源
２０２ 偏向電磁石
２０２ａ 偏向電磁石用電源
２０３ 四極電磁石
２０３ａ 四極電磁石用電源
２０４ 高周波加速空胴
２０４ａ 高周波加速空胴用電源
２０５ 共鳴励起用多極電磁石
２０５ａ 共鳴励起用多極電磁石用電源
２０６ 出射用高周波装置
２０６ａ 出射用高周波装置用電源
２０７ 第１出射用偏向器
２０７ａ 第１出射用偏向器用電源
２０８ 第２出射用偏向器
２０８ａ 第２出射用偏向器用電源
２０９ 第３出射用偏向器
２０９ａ 第３出射用偏向器用電源
２１１ シンクロトロン制御装置
３００ 高エネルギービーム輸送系
３０１ 高エネルギービーム輸送系四極電磁石
３０１ａ 高エネルギービーム輸送系四極電磁石電源
３０２ 高エネルギービーム輸送系偏向電磁石
３０２ａ 高エネルギービーム輸送系偏向電磁石電源
３１１ 高エネルギービーム輸送系制御装置
４００ 照射装置
４００ａ 照射装置電源
４１１ 照射系制御装置
５００ 中央制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明はシンクロトロンの小型化に好適なビーム取り出し方法とそれを用いたシンクロトロン、及び当該シンクロトロンを用いた粒子線治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の高齢化社会を反映し、がん治療法の一つとして、低侵襲で体に負担が少なく、治療後の生活の質が高く維持できる放射線治療が注目されている。その中でも、シンクロトロンで加速した陽子や炭素などの荷電粒子ビームを用いた粒子線治療システムが、患部への優れた線量集中性のため特に有望視されている。粒子線治療システムはシンクロトロンにビームを供給する入射器と荷電粒子ビームを光速近くまで加速するシンクロトロンと、シンクロトロンから取り出した荷電粒子ビームを患部の位置や形状に合わせて患者に照射する照射装置を備える。粒子線治療システムの普及を進めるうえでこれらの装置の小型化・低コスト化が望まれている。
【０００３】
前記シンクロトロンからビームを取り出す方法の一つに遅い取り出し法（共鳴取り出し法）と呼ばれる取り出し方法がある。遅い取り出し法を用いれば、荷電粒子ビームがシンクロトロンを１周する間にすべてのビームを取り出す速い取り出し法と異なり、複数周にわたってゆっくりと取り出すことができる。取り出したビームは粒子線治療や物理学実験で主に利用される。
【０００４】
図３に従来のシンクロトロンの１番目の例を示す。シンクロトロン２００は前段加速器１０１で事前に加速されたビームを入射するための入射用偏向装置２０１，入射したビームを偏向して周回させるための偏向電磁石２０２，ビームが安定して周回するように収束・発散させるための四極電磁石２０３，ビームを加速・減速する高周波加速空洞２０４，遅い取り出しを行う際にビーム振動（ベータトロン振動）の安定限界を形成するための共鳴励起用多極電磁石２０５，ビーム振動振幅を増大させ安定限界を超えさせるための出射用高周波装置２０６，加速・減速したビームを照射装置４００に導くためにビーム軌道を偏向しシンクロトロンからビームを取り出すための第１出射用偏向器２０７，第２出射用偏向器２０８，第３出射用偏向器２０９を備え、シンクロトロン制御装置２１１で制御され、各機器は電源２０１ａ〜２０９ａによって励磁，励振される。このシンクロトロンから遅い取り出し方法でビームを取り出す際、共鳴励起用多極電磁石２０５により共鳴を励起し、安定周回限界（セパラトリックス）を形成し、出射用高周波装置２０６によりビームの振幅を増大させ前記安定周回限界の外側にビームを導く。安定周回限界の外側に導かれたビームはさらに振幅を増し、第１出射用偏向器２０７に入る。第１出射用偏向器２０７に入った出射ビームは電場によって周回ビームから遠ざける方向に偏向される。
【０００５】
図５に第１出射用偏向器２０７で偏向したビームの軌道変化を模式的に示す。ビームの軌道は模式的には正弦波であらわされる。Ａ点：基準点θ＝０°（第１出射用偏向器２０７の位置）で偏向された出射ビームの軌道変位は偏向された位置から徐々に大きくなり、Ｂ点：θ＝９０°で最大になる。その後再び小さくなり、出射ビームと周回ビームはＣ点：θ＝１８０°で交差して今度は逆方向に変位が大きくなる。その後再びＤ点：θ＝２７０°で最大値変位に到達し減少に転じる。このようにある１点で偏向された出射ビームは周回軌道のまわりを振動する。
【０００６】
１番目の例に戻り、第１出射用偏向器２０７で偏向された取り出しビームの振動を模式的に示すと図６のようになる。第１出射用偏向器２０７で正方向に偏向されたビームの変位は偏向された位置から正方向に徐々に広がる。取り出しビームと周回ビームのセパレーションが必要量とれた所に第２出射用偏向器２０８を設置し第１出射用偏向器と同じ方向（正方向）に偏向し、さらにセパレーションを大きくする。さらに必要に応じて第３出射用偏向器２０９で第１出射用偏向器と同じ方向（正方向）に偏向させシンクロトロンから取り出される。この例の場合、第１〜３出射用偏向器２０７〜２０９は出射ビームの変位が同一の符号（正）である領域に配置され、同一の方向（正方向）に偏向する。（例えば、公知文献１参照）。
【０００７】
図４に従来のシンクロトロン構成の２番目の例を示す。またこのときの出射ビームの振動を模式的に図７に示す。第１出射用偏向器２０７にビームが入るまでは第１番目の例と同じである。この例では第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８の間に四極電磁石，偏向電磁石を設置している（例えば、特許文献１参照）。これにより第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８の距離が長くでき、かつその位相差を９０度近傍になるように設計することで第２出射用偏向器２０８でのビームセパレーションを効果的に大きくすることができる。この場合も第１番目の例と同じく第１出射用偏向器２０７で正方向に偏向し周回ビームと出射ビームのセパレーションを作り、第２出射用偏向器２０８で第１出射用偏向器２０７と同じ方向（正方向）に偏向し、シンクロトロンからビームを取り出す。この例の場合もすべての出射用偏向器は出射ビームの変位が同一の符号である領域に配置され、同一の方向に偏向する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０―１６２９９９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】“AN ION SYNCHROTRON FOR MULTI-PURPOSES USE OF ENERGY RESEARCH CENTER，WAKASA BAY”，Proceedings of APAC 1998, Japan
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来例１の場合、高エネルギーのビームは偏向されにくいため、出射エネルギーを高くする場合、出射用偏向器が大型化する。そのため直線部を長くする必要がある。例２の場合は第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８までの位相進みを９０度＋１８０度×ｎ近傍とする必要がある。ここでｎは０，１，２・・・であり、例２ではｎ＝０に相当する。また第２出射用偏向器２０８，第３出射用偏向器２０９はシンクロトロンの構成機器である四極電磁石や偏向電磁石等に当たらないようにビームを取り出すため、大きく偏向させる必要がある。すなわち磁場を強くする必要があり、そのためにはセプタム厚を厚くしなければならなかった。結果、取り出しビームと周回ビームのセパレーションを大きくする必要があるため、第１出射用偏向器２０７の必要偏向角も大きくなり、第１出射用偏向器２０７の負荷が増えていた。第１出射用偏向器２０７はビームロスを低減するためセプタム厚を薄くする必要があり、静電デフレクタと呼ばれる装置が使用される。しかし静電デフレクタの単位長さ当たりの蹴り角はセプタム電磁石と比較すると小さく、必要な偏向角を得るには長い静電デフレクタが必要となり、出射用偏向器の小型化，シンクロトロンの小型化に限界があった。本発明では出射偏向器の小型化が可能で、かつ出射偏向器の配置の自由度を増したビーム取り出し法ならびにその取り出し法を用いた小型シンクロトロンと当該シンクロトロンを用いた粒子線治療システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の特徴は、第１出射用偏向器２０７で出射ビームを偏向して周回ビームとのセパレーションを取ったのち、第１出射用偏向器２０７出口における出射ビーム変位と符号が同じ領域に設置した第２出射用偏向器２０８で第１出射用偏向器２０７とは逆方向に偏向する。偏向された出射ビームは周回ビームと交差して変位の符号は逆転する。出射ビームは第１出射用偏向器２０７出口での軌道変位とは逆符号側で十分なセパレーションがとれる位置に設置した第３出射用偏向器２０９によってシンクロトロンから取り出す。また偏向電磁石２０２の端部面の傾き（エッジ角）を矩形型偏向電磁石とは逆方向とした偏向電磁石を用いる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１出射用機器で周回ビームとのセパレーションを取ったのち、より偏向角の大きな、例えばセプタム電磁石のような第２出射用機器で第１出射用機器とは逆方向に偏向させることにより、出射用機器が小型化でき、かつ出射用機器配置の自由度が増すことでシンクロトロンの小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の好適な一実施例（実施例１）であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【図２】この発明の好適な一実施例（実施例２）であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【図３】従来技術の第１の例であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【図４】従来技術の第２の例であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【図５】シンクロトロンにおけるビームの振動を模式的に示した図である。
【図６】従来技術の第１の例であるシンクロトロンの構成下における出射ビームの振動を模式的に示した図である。
【図７】従来技術の第２の例であるシンクロトロンの構成下における出射ビームの振動を模式的に示した図である。
【図８】この発明の好適な一実施例（実施例１）であるシンクロトロンの構成下における出射ビームの振動を模式的に示した図である。
【図９】この発明の好適な一実施例（実施例２）であるシンクロトロンの構成下における出射ビームの振動を模式的に示した図である。
【図１０】この発明の好適な一実施例（実施例３）であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【図１１】従来技術の偏向電磁石の平面形状を示した図である。
【図１２】この発明の効果をさらに強める偏向電磁石の平面形状を示した図である。
【図１３】この発明の効果をさらに強める偏向電磁石の平面形状を示した図である。
【図１４】この発明の効果をさらに強める偏向電磁石の平面形状を示した図である。
【図１５】この発明の好適な一実施例（実施例４）であるシンクロトロンの構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
以下、図１ならびに図８を用いて、本発明の第１の実施形態によるシンクロトロンの構成ならびにビーム取り出し方法について説明する。
【００１６】
粒子線治療システムは入射に適したエネルギーまで荷電粒子ビーム（以下、ビーム）を加速する前段加速器と加速したビームを輸送する輸送系から構成される入射系１００と、入射されたビームを所望のエネルギーまで加速するシンクロトロン２００と、加速後、取り出したビームを照射装置まで輸送する高エネルギービーム輸送系３００と照射対象にビームを照射する照射装置４００を備える。また前記入射系１００，シンクロトロン２００，高エネルギービーム輸送系３００，照射装置４００を制御する制御系（入射系制御装置１１１，シンクロトロン制御装置２１１，高エネルギービーム輸送系制御装置３１１，照射系制御装置４１１）と治療システム全体を制御する中央制御装置５００を備える。
【００１７】
入射系１００は、イオン源（図示せず），前段加速器１０１及び第１のビーム輸送系を有する。第１のビーム輸送系は、ビーム経路に沿って偏向電磁石１０２及び四極電磁石１０３を有する。
【００１８】
シンクロトロン２００は、ビームを入射する入射用偏向装置２０１，入射したビームを偏向する偏向電磁石２０２，ビームを収束・発散させる四極電磁石２０３，ビームを加速する高周波加速空洞２０４，ビーム振動（ベータトロン振動）の安定限界（セパラトリクス）を形成するための共鳴励起用多極電磁石２０５，ビーム振動振幅を増大させ安定限界を超えさせるための出射用高周波装置２０６，ビーム軌道を偏向しシンクロトロンからビームを取り出すための第１出射用偏向器２０７，第２出射用偏向器２０８，第３出射用偏向器２０９を備える。
【００１９】
高エネルギービーム輸送系３００は、四極電磁石３０１, 偏向電磁石３０２, 照射装置３０３を有する。四極電磁石３０１は、通過するビームに四極磁場を印加し、ビームを収束又は発散させる。偏向電磁石３０２は、通過するビームを偏向してビーム軌道を変更する。四極電磁石３０１及び偏向電磁石３０２を通過したビームが照射装置４００に輸送される。照射装置３０３は、高エネルギービーム輸送系３００から入射された荷電粒子ビームを照射対象に出射する。
シンクロトロンから遅い取り出し方法でビームを取り出す際、共鳴励起用多極電磁石２０５により共鳴を励起し、安定周回限界（セパラトリックス）を形成し、出射用高周波装置２０６によりビームの振幅を増大させ前記安定周回限界の外側にビームを導く。安定周回限界の外側に導かれたビームはさらに振幅を増し、第１出射用偏向器２０７に入る。図８に第１出射用偏向器２０７以降の出射ビーム軌道を模式的に示す。第１出射用偏向器２０７で出射ビームは周回ビームから遠ざける方向に偏向される。本実施例ではｘ方向負側に偏向する。
第１出射用偏向器２０７は周回ビームと出射ビームを切り分ける作用を持つため、できるだけセプタム厚を薄くし、ビームロスを低減する必要がある。そのため本実施例１では第１出射用偏向器２０７として静電デフレクタを用いる。ただし、静電デフレクタの場合、単位長さ当たりに偏向できる角度はセプタム電磁石と比較して小さいため、第１出射用偏向器２０７を小型化するには偏向角をできるだけ小さくする必要がある。そこで本実施例では第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８を出射ビーム変位の符号が同一の領域に配置し、第２出射用偏向器２０８は第１出射用偏向器２０７のとは逆方向（ｘ方向正側）に偏向する。本実施例では第２出射用偏向器２０８は第１出射用偏向器２０７の下流側に四極電磁石２０３を挟んで配置する。第２出射用偏向器２０８によって偏向されたビームは周回ビームと交差したのち、ｘ方向正側でセパレーションが十分取れた位置に配置した第３出射用偏向器２０９によってｘ方向正側に取り出す。このように第２出射用偏向器２０８と第３出射用偏向器２０９を配置することにより、従来、第２出射用偏向器２０８と第３出射用偏向器２０９を近接して設置していた場合と比較して、第２出射用偏向器２０８による偏向で生じるセパレーションを効果的に利用できる。すなわち第２出射用偏向器２０８の偏向角を小さくしても第３出射用偏向器２０９で必要なセパレーションを確保できる。第２出射用偏向器２０８の偏向角が小さいということはセプタム厚を薄くでき、第２出射用偏向器２０８位置で必要なセパレーションを小さくできる。結果、第１出射用偏向器２０７の偏向角は小さくてよく、「第１出射用偏向器２０７の偏向角を小さくする」という目的が達成できる。この例のように第１出射用偏向器２０７，第２出射用偏向器２０８を近接させて配置した場合、第３出射用偏向器２０９の設置する位置は第１出射用偏向器２０７から１２０°下流側近傍となる。またこれは第１〜３出射用偏向器の配置と第１，２出射用偏向器の偏向角によって調整が可能である。これにより従来のように第１出射用偏向器２０７と第３出射用偏向器２０９の位相差を９０度＋１８０度×ｎ近傍に取る必要がなくなり、シンクロトロン設計ならびに出射機器配置の自由度が増す。以上、出射機器の小型化と出射機器配置の自由度向上によりシンクロトロンの小型化が可能となる。さらには第２出射用偏向器２０８で逆方向に偏向し、周回ビームと交差させた後に反対側でビームを取り出すため、出射ビームが通過する領域の機器のアパーチャが広がらず、シンクロトロンを構成する機器の小型化が可能となる。
【００２０】
本実施例では第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８を四極電磁石２０３を挟んで近接して配置した。収束用四極電磁石を挟んだ場合にはこの四極電磁石による偏向を利用することができ、第２出射用偏向器２０８の偏向角を軽減する効果がある。また発散用四極電磁石とした場合には第２出射用偏向器２０８でのセパレーションを大きくすることができ、第２出射用偏向器２０８の偏向角を大きくできる効果がある。しかし、四極電磁石を挟まない場合であっても出射機器の小型化と出射機器配置の自由度向上に関して同様の効果を得ることができる。
【００２１】
また第１出射用偏向器２０７として１台の静電セプタム、第２出射用偏向器２０８として１台のセプタム電磁石の例を示したが、それぞれが複数の機器で構成されていても効果は同じである。また複数の機器が静電デフレクタとセプタム電磁石の組み合わせで構成されていてもよい。
【００２２】
また第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８に挟まれる四極電磁石が複数であってもよい。
【００２３】
さらに、本実施例ではビームを取り出す方向をｘ方向正側としたが、これを負側に取り出しもよい。この場合、第１出射用偏向器ではｘ方向正側に偏向し、続く第２出射用偏向器は負側に偏向、第３出射用偏向器も負側に偏向すればよい。
【実施例２】
【００２４】
以下、図２ならびに図９を用いて、本発明の第２の実施形態によるシンクロトロンの構成ならびにビーム取り出し方法について説明する。
【００２５】
シンクロトロン２００の基本構成は符号２０１〜２０６までは実施例１と同じである。
また遅い取り出し法で第１出射用偏向器２０７に出射ビームが導かれるまでも実施例１と同様である。第１出射用偏向器２０７に導かれた出射ビームは周回ビームから遠ざける方向に偏向される。図９に第１出射用偏向器２０７以降の出射ビーム軌道を模式的に示す。
本実施例では第１出射用偏向器２０７はｘ方向、負側に出射ビームを偏向する。第１出射用偏向器２０７は静電デフレクタを用いる。第２出射用偏向器２０８は第１出射用偏向器２０７で偏向されたビームの変位符号が同一の領域で振幅が最大となる近傍に設置し、第１出射用偏向器２０７とは逆方向（ｘ方向正側）に偏向する。第２出射用偏向器２０８によって偏向されたビームは周回ビームと交差したのち、ｘ方向正側でセパレーションが十分取れた位置に配置した第３出射用偏向器２０９によってｘ方向正側に取り出される。この方法であれば第２出射用偏向器２０８と第３出射用偏向器２０９が近接して置かれている場合と比べて、第２出射用偏向器２０８による偏向で生じるセパレーションを効果的に利用でき、第３出射用偏向器２０９でのビームセパレーションが取りやすい。したがって、第２出射用偏向器２０８の偏向角は小さくてよく、結果第２出射用偏向器２０８のセプタム厚を薄くできる。第２出射用偏向器２０８のセプタム厚が薄いため、その点でのセパレーションも小さくてよい。すなわち第１出射用偏向器２０７の偏向角も小さくでき、第１出射用偏向器２０７の小型化が可能となる。以上から個々の出射用偏向器が小型化でき、かつ第１出射用偏向器２０７と第３出射用偏向器２０９の位相差を１８０°近傍に取ることができ、設計の自由度が増すことで小型のシンクロトロンが実現できる。さらには第２出射用偏向器２０８で逆方向に偏向し、周回ビームと交差させた後に反対側でビームを取り出すため、出射ビームが通過する領域の機器のアパーチャが広がらず、シンクロトロンを構成する機器の小型化が可能となる。
【００２６】
本実施例では第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８の間に、四極電磁石が複数台設置されていてもよい。また偏向電磁石が設置されていても効果は同じである。
【００２７】
また実施例１と同様、第１出射用偏向器２０７，第２出射用偏向器２０８が、それぞれ複数の機器で構成されていても効果は同じである。また複数の機器が静電デフレクタとセプタム電磁石の組み合わせで構成されていてもよい。
【００２８】
さらに、本実施例ではビームを取り出す方向をｘ方向正側としたが、これを負側に取り出しもよい。この場合、第一出射機器ではｘ方向正側に偏向し、続く第二偏向器は負側に偏向，第三偏向器も負側に偏向すればよい。
【実施例３】
【００２９】
以下、図１０〜１４を用いて、本発明の第３の実施形態によるシンクロトロンの構成について説明する。
【００３０】
図１０に示すシンクロトロン２００の基本構成ならびに遅い取り出し法でビームをシンクロトロンから取り出す手法は実施例１と同様である。本実施例では偏向電磁石の端面の傾き（エッジ角）により水平方向に収束力をもたせた偏向電磁石２０２を用いる。従来の偏向電磁石の平面図を図１１に示す。従来の偏向電磁石には図１１（ａ）に示すセクター型と呼ばれる扇形偏向電磁石と図１１（ｂ）に示すレクタンギュラ型と呼ばれる矩形型偏向電磁石がある。ここで磁極面のなす角度εを扇型偏向電磁石の場合をε＝０とし、扇型偏向電磁石から矩形型偏向電磁石に近づく方向を正（ε＞０）とすると、前記扇型偏向電磁石はビームの入口側エッジ角εｉ、出口側エッジ角εｏはεｉ＝εｏ＝０となる。また、前記矩形型偏向電磁石は入口側エッジ角εｉ、出口側エッジ角εｏはεｉ＝εｏ＝θ／２＞０と表せる。ここでθは偏向電磁石の偏向角である。図１１（ｂ）中で＋，−の符号は中心軌道に対し磁場領域が長い場合を＋、短い場合を−で示している。図１１（ａ）の扇形偏向電磁石に平行ビームが入射した場合、ビームの水平方向サイズは偏向電磁石通過後も変化しないが、図１１（ａ）の矩形型偏向電磁石の場合は、外側（ｘ（水平）方向正側）のビームは磁場の影響を受ける領域が中心軌道（設計軌道）と比較すると短いため曲げられる角度が小さくなる。また内側（ｘ（水平）方向負側）のビームは磁場の影響を受ける領域が長いため曲げ角は大きくなる。結果、ビームは偏向電磁石を通過した後、水平方向に発散する（拡がる）。一方、図１２に示す偏向電磁石２０２の特徴は図１１（ｂ）に示すレクタンギュラ型偏向電磁石とは逆方向に端面の傾き（エッジ）を切っている点である。すなわちエッジ角はεｉ＜０，εｏ＜０となる。このときεｉ＝εｏであっても、εｉ≠εｏであってもよい。このようにエッジを切ることによって、外側のビームは中心軌道と比較すると大きく曲げられ、内側のビームは曲げ角が小さくなり、結果として偏向電磁石通過後、ビームは水平方向に収束される。
【００３１】
すなわち、このような偏向電磁石を用いることにより、収束用四極電磁石の台数を減らしたり、もしくは収束用四極電磁石の負荷（励磁量）を軽減することが可能となる。すなわち、収束用四極電磁石のサイズを小さくすることができ、結果、シンクロトロンの小型化が可能となる。同様に図１３に示すようにεｉ＝０，εｏ＜０としてもよいし、図１４に示すようにεｉ＞０，εｏ＜０としてもよい。この場合も｜εｉ｜＝｜εｏ｜であっても、｜εｉ｜≠｜εｏ｜であってもよい。
【００３２】
この偏向電磁石２０２を用いることにより図１０に示すように偏向電磁石２０２で挟まれた四極電磁石２０３が不要となり実施例１で示したシンクロトロンをさらに小型化できる。当然、入口と出口を逆にした場合も、同様の効果を得ることができる。ここでは図１２〜図１４で示す偏向電磁石２０２の効果として四極電磁石２０３を削減できる場合について説明したが、それぞれの四極電磁石２０３の励磁量を減らし四極電磁石２０３の磁極長さを短くでき、実施例１で示したシンクロトロンを小型化する効果を得ることができる。
さらにはこれらの偏向電磁石２０２を用いればビームを収束，発散させる効果を持つ要素が分散して配置されることになり、ビームサイズの広がりを抑えやすくなる。これによりシンクロトロンを構成する各機器のサイズを小さくし、シンクロトロンの小型化が可能となる。
【実施例４】
【００３３】
図１５を用いて、本発明の第４の実施形態によるシンクロトロンの構成について説明する。
【００３４】
図１５に示すシンクロトロン２００の基本構成ならびに遅い取り出し法でビームをシンクロトロンから取り出す手法は実施例２と同様である。この場合においても実施例３と同様に図１２，１３，１４の偏向電磁石２０２を用いることにより、四極電磁石２０３の励磁量を低減し、電磁石の長さを短くできる。もしくは四極電磁石２０３の台数削減の効果を得ることができる。これによりシンクロトロンの小型化が可能となる。
【符号の説明】
【００３５】
１００ 入射系
１０１ 前段加速器
１０１ａ 前段加速器電源
１０２ ビーム輸送系偏向電磁石
１０２ａ ビーム輸送系偏向電磁石電源
１０３ ビーム輸送系四極電磁石
１０３ａ ビーム輸送系四極電磁石電源
１１１ 入射系御装置
２００ シンクロトロン
２０１ 入射用偏向装置
２０１ａ 入射用偏向装置用電源
２０２ 偏向電磁石
２０２ａ 偏向電磁石用電源
２０３ 四極電磁石
２０３ａ 四極電磁石用電源
２０４ 高周波加速空胴
２０４ａ 高周波加速空胴用電源
２０５ 共鳴励起用多極電磁石
２０５ａ 共鳴励起用多極電磁石用電源
２０６ 出射用高周波装置
２０６ａ 出射用高周波装置用電源
２０７ 第１出射用偏向器
２０７ａ 第１出射用偏向器用電源
２０８ 第２出射用偏向器
２０８ａ 第２出射用偏向器用電源
２０９ 第３出射用偏向器
２０９ａ 第３出射用偏向器用電源
２１１ シンクロトロン制御装置
３００ 高エネルギービーム輸送系
３０１ 高エネルギービーム輸送系四極電磁石
３０１ａ 高エネルギービーム輸送系四極電磁石電源
３０２ 高エネルギービーム輸送系偏向電磁石
３０２ａ 高エネルギービーム輸送系偏向電磁石電源
３１１ 高エネルギービーム輸送系制御装置
４００ 照射装置
４００ａ 照射装置電源
４１１ 照射系制御装置
５００ 中央制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周回する荷電粒子ビームを加速・減速するシンクロトロンと、
前記シンクロトロンを制御する加速器制御装置とを備え、
前記シンクロトロンは、加速・減速した前記荷電粒子ビームを取り出すための複数の出射用偏向器を備え、
取り出しビームの変位が同じ符号である領域に配置した複数の前記出射用偏向器の少なくとも一つの出射用偏向器の偏向方向が他の出射用偏向器の偏向方向とは逆方向であることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項２】
前記出射用偏向器は
少なくとも１台の静電デフレクタと、
少なくとも１台のセプタム電磁石を有し、
前記セプタム電磁石の少なくとも１台は、静電デフレクタで偏向された出射ビームの変位の符号が同じ領域に配置され、
前記セプタム電磁石の偏向方向は前記静電デフレクタの偏向方向とは逆方向であることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項３】
請求項２に記載のシンクロトロンにおいて、
前記静電デフレクタのうち、ビーム進行方向の最も下流側に配置される静電デフレクタと、前記静電デフレクタで偏向されたビームの変位符号と同じ符号の領域に配置された前記セプタム電磁石のうち、ビーム進行方向の最も上流側に配置されるセプタム電磁石を隣接させて配置したことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項４】
請求項２に記載のシンクロトロンにおいて、
前記静電デフレクタのうち、ビーム進行方向の最も下流側に配置される静電デフレクタと、前記静電デフレクタで偏向されたビームの変位符号と同じ符号の領域に配置された前記セプタム電磁石のうち、ビーム進行方向の最も上流側に配置されるセプタム電磁石を、四極電磁石を挟んで隣接させて配置したことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項５】
請求項２に記載のシンクロトロンにおいて、
前記静電デフレクタのうち、ビーム進行方向の最も下流側に配置される静電デフレクタと、前記静電デフレクタで偏向されたビームの変位符号と同じ符号の領域に配置された１台以上のセプタム電磁石のうち、ビーム進行方向の最も上流側に配置されるセプタム電磁石を、前記静電デフレクタで偏向した出射ビームと周回ビームのセパレーションが最大となる場所の近傍に設置したことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンクロトロンにおいて、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付けた偏向電磁石を用いることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンクロトロンにおいて、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方はエッジ角をつけないセクター型とした偏向電磁石を用いることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンクロトロンにおいて、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方は通常の矩形型偏向電磁石と同じ方向にエッジ角をつけた偏向電磁石を用いることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項９】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンクロトロンにおいて、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付けた偏向電磁石、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方はエッジ角をつけないセクター型とした偏向電磁石、
及び前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方は通常の矩形型偏向電磁石と同じ方向にエッジ角をつけた偏向電磁石のうち、少なくとも２つの偏向電磁石を備えることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項１０】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンクロトロンにおいて、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付けた偏向電磁石と、偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方はエッジ角をつけないセクター型とした偏向電磁石と、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方は通常の矩形型偏向電磁石と同じ方向にエッジ角をつけた偏向電磁石を組み合わせたことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項１１】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のシンクロトロンと、
前記シンクロトロンから出射された前記荷電粒子ビームを照射装置まで輸送するビーム輸送系と照射対象に照射する照射装置を備えることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項１】
周回する荷電粒子ビームを加速・減速するシンクロトロンと、
前記シンクロトロンを制御する加速器制御装置とを備え、
前記シンクロトロンは、加速・減速した前記荷電粒子ビームを取り出すための複数の出射用偏向器を備え、
取り出しビームの変位が同じ符号である領域に配置した複数の前記出射用偏向器の少なくとも一つの出射用偏向器の偏向方向が他の出射用偏向器の偏向方向とは逆方向であることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項２】
前記出射用偏向器は
少なくとも１台の静電デフレクタと、
少なくとも１台のセプタム電磁石を有し、
前記セプタム電磁石の少なくとも１台は、静電デフレクタで偏向された出射ビームの変位の符号が同じ領域に配置され、
前記セプタム電磁石の偏向方向は前記静電デフレクタの偏向方向とは逆方向であることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項３】
請求項２に記載のシンクロトロンにおいて、
前記静電デフレクタのうち、ビーム進行方向の最も下流側に配置される静電デフレクタと、前記静電デフレクタで偏向されたビームの変位符号と同じ符号の領域に配置された前記セプタム電磁石のうち、ビーム進行方向の最も上流側に配置されるセプタム電磁石を隣接させて配置したことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項４】
請求項２に記載のシンクロトロンにおいて、
前記静電デフレクタのうち、ビーム進行方向の最も下流側に配置される静電デフレクタと、前記静電デフレクタで偏向されたビームの変位符号と同じ符号の領域に配置された前記セプタム電磁石のうち、ビーム進行方向の最も上流側に配置されるセプタム電磁石を、四極電磁石を挟んで隣接させて配置したことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項５】
請求項２に記載のシンクロトロンにおいて、
前記静電デフレクタのうち、ビーム進行方向の最も下流側に配置される静電デフレクタと、前記静電デフレクタで偏向されたビームの変位符号と同じ符号の領域に配置された１台以上のセプタム電磁石のうち、ビーム進行方向の最も上流側に配置されるセプタム電磁石を、前記静電デフレクタで偏向した出射ビームと周回ビームのセパレーションが最大となる場所の近傍に設置したことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンクロトロンにおいて、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付けた偏向電磁石を用いることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンクロトロンにおいて、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方はエッジ角をつけないセクター型とした偏向電磁石を用いることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンクロトロンにおいて、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方は通常の矩形型偏向電磁石と同じ方向にエッジ角をつけた偏向電磁石を用いることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項９】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンクロトロンにおいて、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付けた偏向電磁石、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方はエッジ角をつけないセクター型とした偏向電磁石、
及び前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方は通常の矩形型偏向電磁石と同じ方向にエッジ角をつけた偏向電磁石のうち、少なくとも２つの偏向電磁石を備えることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項１０】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンクロトロンにおいて、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付けた偏向電磁石と、偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方はエッジ角をつけないセクター型とした偏向電磁石と、
前記偏向電磁石の入口，出口エッジ角の一方を矩形型偏向電磁石とは逆方向に付け、もう一方は通常の矩形型偏向電磁石と同じ方向にエッジ角をつけた偏向電磁石を組み合わせたことを特徴とするシンクロトロン。
【請求項１１】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のシンクロトロンと、
前記シンクロトロンから出射された前記荷電粒子ビームを照射装置まで輸送するビーム輸送系と照射対象に照射する照射装置を備えることを特徴とする粒子線治療システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２２７７６（Ｐ２０１２−２２７７６Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５７４３４（Ｐ２０１０−１５７４３４）
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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