JP2012009181A - ビーム出射装置ならびにその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一台のシンクロトロンからビームロスなく同時に二本以上の輸送ラインに出射ビームを供給し、ビーム利用要求に合わせて、単位時間当たりのシンクロトロンの利用効率を上げる。
【解決手段】本発明に関わるビーム出射装置は、粒子ビームがベータトロン振動しながら周回するシンクロトロン１と、該シンクロトロン１に備えられ粒子ビームをその進行方向と平行な縦方向高周波電場を印加することによって加速または減速する高周波加速空洞３と、シンクロトロン１に接続されシンクロトロン１から出射される粒子ビームが輸送されるビーム輸送ライン２とを備えるビーム出射装置Ｒであって、シンクロトロン１内を所定の定常状態で周回する前記粒子ビームに対して高周波加速空洞３による縦方向高周波電場の位相を１８０度ずらすように制御し、シンクロトロン１から出射される粒子ビームの運動量と出射角度を二極化する制御手段を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、加速器科学に係り、より詳細には重粒子などのビームを分割して出射するビーム出射装置ならびにその制御方法に関する。

従来、シンクロトロン内を周回する重粒子などのビームの遅い取り出し法によく用いられる方法として、下記のものがある。
第１の方法として、四極電磁石の励磁量変更によるベータトロン振動数制御を用いて、シンクロトロン内を周回するビームのサイズを広げてデフレクタ電極の電場によってシンクロトロンの外側にビームを蹴り出し、ビームを出射する。
第２の方法として、シンクロトロン内に設置されているＲＦ−ＫＯ電極に、ビームの進行方向とは垂直方向の電圧（ＲＦ−ＫＯ電圧）を印加することにより、ベータトロン振幅を増大させ、デフレクタ電極の電場によってシンクロトロンからビームを出射する(非特許文献１)。

ここで、シンクロトロン内のビーム進行方向に平行な縦方向高周波電場によりバンチングされシンクロトロン振動をしながら周回するビーム粒子に対して、ベータトロン振動共鳴による遅い取り出し法を用いると、リング(シンクロトロン)のクロマティシティによって、出射ビームの運動量分布はシンクロトロン振動の振幅、位相に依存する(非特許文献２)。

M.Tomizawa，et al.，"Slow beam extraction at TARN II"，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 326 (1993)399-406. T.Furukawa，et al.，"Contribution of synchrotron oscillation to spill ripple in RF-knockout slow-extraction"， Nuclear Instruments and Methods in・Physics Research A 539 (2005)44-53.

ところで、遅い取り出し法を用いたシンクロトロンからのビーム出射において、従来の方法では、シンクロトロン一台とシンクロトロンからの出射ビーム輸送ライン一本に就いて、出射されるビームも一つである。そのため、ビームロスなしに同時に、一台のシンクロトロンからビームを二つに分けたり、或いは、一本の出射ビーム輸送ラインを通るビームを二つ以上に分けることは大変困難である。
そのため、１台のビームポートからしかビームの供給ができず、ビームレイトの制限がかかると使いきれずにシンクロトロンに残ったビームが捨てられており、ビームが無駄になっている。

本発明は上記実状に鑑み、一台のシンクロトロンから、ビームロスなく同時に、二本以上の輸送ラインに出射ビームを供給することを可能にし、ビーム利用要求に合わせて、単位時間当たりのシンクロトロンの利用効率を上げることが可能なビーム出射装置ならびにその制御方法の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、第１の本発明に関わるビーム出射装置は、粒子ビームがベータトロン振動しながら周回するシンクロトロンと、該シンクロトロンに備えられ前記粒子ビームをその進行方向と平行な縦方向高周波電場を印加することによって加速または減速する高周波加速空洞と、前記シンクロトロンに接続され前記シンクロトロンから出射される粒子ビームが輸送されるビーム輸送ラインとを備えるビーム出射装置であって、前記シンクロトロン内を所定の定常状態で周回する前記粒子ビームに対して前記高周波加速空洞による縦方向高周波電場の位相を１８０度ずらすように制御し、前記シンクロトロンから出射される粒子ビームの運動量と出射角度を二極化する制御手段を備えている。

第２の本発明に関わるビーム出射装置の制御方法は、粒子ビームがベータトロン振動しながら周回するシンクロトロンと、該シンクロトロンに備えられ前記粒子ビームをその進行方向と平行な縦方向高周波電場を印加することによって加速または減速する高周波加速空洞と、前記シンクロトロンに接続され前記シンクロトロンから出射される粒子ビームが輸送されるビーム輸送ラインと、制御手段とを備えるビーム出射装置の制御方法であって、前記高周波加速空洞は、前記粒子ビームに前記縦方向高周波電場を印加して、所定の定常状態で前記粒子ビームを周回させ、前記制御手段は、前記高周波加速空洞による縦方向高周波電場の位相を１８０度ずらすように制御し、前記シンクロトロンから出射される粒子ビームの運動量と出射角度を二極化する。

本発明によれば、一台のシンクロトロンから、ビームロスなく同時に、二本以上の輸送ラインに出射ビームを供給することを可能にし、ビーム利用要求に合わせて、単位時間当たりのシンクロトロンの利用効率を上げることが可能となる。

典型的な粒子線照射装置を上方から見た図である。 横方向位相空間上でのベータトロン振動の三次共鳴と六極磁場の摂動を用いた粒子線のビームの遅い取り出しの様子を表す概念図である。 実施形態の粒子線照射装置を上方から見た図である。 実施形態のシンクロトロン内でビームの進行方向に平行な方向の縦方向高周波電場により加減速を行わずにバンチングされている粒子がもつ縦方向位相空間上での軌道を表す図であり、(ａ)はγ＜γ_ｔの場合の図であり、(ｂ)はγ＞γ_ｔの場合の図である。 (ａ)、(ｂ)および(ｃ)は、それぞれγ＜γ_ｔの場合のバンチングされた状態の図、高周波電場の位相を１８０度ずらした場合の初期状態の図および定常状態の図である。 (ａ)、(ｂ)および(ｃ)は、それぞれγ＞γ_ｔの場合のバンチングされた状態の図、高周波電場の位相を１８０度ずらした場合の初期状態の図および定常状態の図である。 図５(ｃ)の状態のビームをベータトロン振動の三次共鳴と六極磁場を用いて出射する場合に生じる出射ビーム運動量分布の二極化の様子を表す図であり、(ａ)はクロマティシティξ＜０の場合の図であり、(ｂ)はクロマティシティξ＞０の場合の図である。 出射ビームの運動量分布が二極化した場合に起きるビーム出射角の二極化を水平方向の位相空間上に表す図である。 二極化した運動量・ビームの出射角Ｘ´をもつビームが出射ビーム輸送ラインに設けた偏向電磁石の偏向角差や三枚板電極によって第１・第２ビームを引き離している様子を表す図３のＡ部拡大図である。 患者(照射対象)に第１ビームと第２ビームとを照射している状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、粒子線照射装置Ｔを上方から見た図である。
粒子線照射装置Ｔは、本発明を適用する典型的な粒子線照射装置であり、炭素イオンの原子核などの荷電粒子の粒子線をスキャニング照射などで照射対象の患部に所定線量照射する装置である。

粒子線照射装置Ｔは、荷電粒子を高エネルギまで加速し粒子線のビームとして周回させるシンクロトロン１と、シンクロトロン１から取り出した粒子線のビームを輸送する出射ビーム輸送ライン２とを具備している。
なお、実際の粒子線照射装置Ｔには、図１に示す機器に加え、シンクロトロン１の線量を測定するビームプロファイルモニタ、出射ビーム輸送ライン２の線量を測定するビームプロファイルモニタなどがあるが、図１では割愛している。

＜シンクロトロン１＞
シンクロトロン１は、環状に構成され、粒子線のビームに付与する加速高周波電場の周期を粒子回転周期に同期させることにより、炭素の原子核などの荷電粒子を高エネルギまで加速する。そのため、シンクロトロン１は「加速器」に相当する。

シンクロトロン１は、主要構成機器として、シンクロトロン１内の荷電粒子の粒子線のビームに与える高周波電場を発生させる高周波加速空洞３と、シンクロトロン１内を進む粒子線のビームを周回軌道に保つための偏向電磁石４と、周回軌道上における粒子線のビームの広がりを収束させる収束用四極電磁石５と、当該ビームの狭まりを発散させる発散用四極電磁石６と、当該ビームのベータトロン振動の三次共鳴を励起し、位相空間上で安定周回領域と共鳴領域を分割・形成するセパラトリクス生成用六極電磁石７と、リング(シンクロトロン１)のクロマティシティを調整するためのクロマティシティ補正用六極電磁石１２と、シンクロトロン１内を周回する粒子線のビームを出射ビーム輸送ライン２に取り出す際にＲＦ(Radio Frequency)−ＫＯ(Knockout)電圧を当該ビームに印加するＲＦ−ＫＯ電極８と、粒子線のビームを出射ビーム輸送ライン２に向けて出射するためのデフレクタ電極９とを備えている。なお、セパラトリクスとは、安定周回領域と共鳴領域の間のことである。

粒子線照射装置Ｔの制御は、図示しない制御手段によって行われる。制御手段は、コンピュータ、各種電源回路などの回路で構成される。
高周波加速空洞３は、シンクロトロン１内の粒子(荷電粒子)を加速または減速するための高周波電場を発生させる装置である。
高周波加速空洞３は、制御手段により、シンクロトロン１内に高周波電力を投入することにより、粒子(荷電粒子)が加速ギャップ(図示せず)に差し掛かった際に、丁度加速または減速されるように高周波加速空洞３内に発生させる高周波電圧の位相と粒子(荷電粒子)の位置とをうまく同期させて、粒子(荷電粒子)にエネルギを供給する。これにより、粒子(荷電粒子)にエネルギが供給され、粒子(荷電粒子)の加速または減速が行われる。

＜シンクロトロン１からの粒子線の取り出し＞
図１に示すシンクロトロン１内の周回軌道を周回している多数の粒子は、水平方向(図１の紙面に平行方向：Ｘ軸方向)又は鉛直方向(図１の紙面に垂直方向：Ｚ軸方向)に振動しながら周回している。この振動をベータトロン振動といい、ベータトロン振動は、収束用四極電磁石５、発散用四極電磁石６などにより制御することができる。なお、Ｓ軸方向とは、シンクロトロン１内を粒子線のビームが進行する方向(シンクロトロン１内を周回するビームの接線方向)であり、Ｘ軸方向はＳ軸方向に垂直であるとともに水平面(シンクロトロン１が延在する方向)における方向である。

シンクロトロン１内の粒子は、高周波加速空洞３によって加速され最大エネルギに達する。その後、粒子線のビームにＲＦ−ＫＯ電極８でＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加することによりベータトロン振幅を増大させる。そして、シンクロトロン１内で周回している多数の粒子の一部を、デフレクタ電極９を用いて、出射ビーム輸送ライン２へ向けて出射させる。出射ビーム輸送ライン２の下流には、照射室において照射対象に、取り出した粒子線を照射する照射装置(ポート(１３Ａ、１３Ｂ)(図１０参照))が接続されている。

具体的には、シンクロトロン１内の粒子線のビームをシンクロトロン１外の出射ビーム輸送ライン２に向けて取り出すため、シンクロトロン１の管の中心付近に分布する粒子線のビームに、その周回軌道に対し垂直かつ水平方向にＲＦ−ＫＯ電極８で挟んでＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加する。これにより、粒子線のビームサイズを水平方向に広げる。この粒子の出射は、シンクロトロン１内の周回軌道を進む粒子のベータトロン振動の共鳴を利用して行われる。

すなわち、ＲＦ−ＫＯ電極８は、シンクロトロン１の周回軌道を進むビームに対して、周回軌道に垂直かつ水平方向(図１のＸ軸方向)に、ベータトロン振動に共鳴する周波数変調および振幅変調されたＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、周回軌道を進む粒子線のビームの幅を広げる。これにより、粒子線のビームの一部をデフレクタ電極９の２枚の電極の中に入れる。

デフレクタ電極９の２枚の電極の中にビームが入ると、デフレクタ電極９内の電場によって、粒子線のビームは外側に蹴りだされ、出射ビーム輸送ライン２に向けて取り出されていく。なお、ＲＦ−ＫＯ電圧８がオフのときには、この粒子のビームサイズの増加が止まるために、粒子線のビームがデフレクタ電極９から取り出されなくなるので、照射を止めることが可能となる。

次に、典型的な粒子線照射装置Ｔのシンクロトロン１内を周回する粒子線のビームの出射ビーム輸送ライン２への遅い取り出しの方法について、具体的に詳述する。
図２は、横方向位相空間上でのベータトロン振動の三次共鳴とセパラトリクス生成用六極電磁石７による六極磁場の摂動を用いた粒子線のビームの遅い取り出しの様子を表す概念図である。図２の横方向位相空間とは、横軸が水平方向におけるビームの進行方向(Ｓ軸方向)に垂直な方向(Ｘ軸方向)であり、縦軸がＸ軸方向の変位Ｘをビームの進行方向Ｓの変位Ｓで微分した微分値(ｄＸ／ｄＳ)を示すＸ´軸である。

シンクロトロン１内を周回する多数の粒子のベータトロン振動の三次共鳴と、当該多数の粒子に対するセパラトリクス生成用六極電磁石７による六極磁場の摂動により、図２に示す横方向位相空間(横軸がＸ軸、縦軸がＸ´軸)上に見られるように、粒子線のビームは安定領域と共鳴領域とに分けられる。粒子線のビームにおける三角形で描かれた安定領域の外側は共鳴領域になるので、共鳴領域に入った粒子のベータトロン振幅は増大し、デフレクタ電極９によりシンクロトロン１から取り出される。

＜＜実施形態の粒子線照射装置Ｒ＞＞
図３に示す実施形態の粒子線照射装置Ｒは、典型的な粒子線照射装置Ｔに本発明を適用したものである。図３は、実施形態の粒子線照射装置Ｒを上方から見た図である。
実施形態の粒子線照射装置Ｒの基本構成は、図１に示す典型的な粒子線照射装置Ｔと同様であり、同様な構成要素には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
粒子線照射装置Ｒは、その各構成機器を制御するための制御手段(図示せず)を備えている。制御手段は、コンピュータ、各種電源回路などの回路で構成される。

以下、図３に示す粒子線照射装置ＲのＲＦ−ＫＯ電極８を用いて安定領域内の粒子のベータトロン振幅を増大させ、シンクロトロン１からビームを連続的に出射する方法(非特許文献１参照)を例にとり説明する。
図４(ａ)、(ｂ)は、シンクロトロン１内で粒子線のビームの進行方向に平行な方向の縦方向高周波電場により加減速を行わずにバンチングされている粒子(荷電粒子)の縦方向位相空間上での軌道(矢印を付した線)を、それぞれγ＜γ_ｔの場合、γ＞γ_ｔの場合を表している。上述したように、図４(ａ)、(ｂ)の矢印を付した線はシンクロトロン１内の粒子がたどる軌跡(軌道)である。

なお、図４(ａ)、(ｂ)における横軸φは高周波加速空洞３により発生させる縦方向高周波電場の位相であり、縦軸Ｐは粒子がもつ進行方向の運動量である。Ｐ_Ｓは縦方向高周波電場の周波数と位相に同期してシンクロトロン１を周回する粒子の進行方向の基準の運動量である。
γは、粒子の全エネルギに比例するローレンツファクターであり、次の式(１)で示される。

ここで、ｖは粒子の速度であり、ｃは光速度である。

また、γ_ｔは、トランジションエネルギである。トランジションエネルギγ_ｔは、既知のα(momentum compaction factor)を用いて次の式(２)で示される。

γ＜γ_ｔの場合、図４(ａ)に示すように、シンクロトロン１内の縦方向高周波電場が印加され所定の定常状態で周回する粒子は、Ｐ＝０であるφ＝０、２π、４π、……、−２π、−４π、……を中心とする楕円軌道内(図４(ａ)でＢeamと図示)に捉えられる(これはバンチングと称される)。図４(ａ)では、シンクロトロン１内の粒子が軌道に沿って周回する場合、速度が速い粒子ほど、速度が速い分長くなる軌道(速度が速いことにより外側の軌道を進む)より、その速度による移動距離が長いため、基準の粒子より早く軌道を廻って戻ってくる。

すなわち、γ＜γ_ｔの場合とは、ΔｖＴ＞２πΔｒの関係にある場合である。Δｖは、粒子がシンクロトロン１を周回する速度が基準粒子の速度より早い速度成分であり、Δｒとは、速度が早い分シンクロトロン１内の外側に向けての距離変動の平均であり、Ｔはシンクロトロン１において基準粒子が軌道を周回して戻る周期である。速度が速い粒子は、その速度により外側を廻るが周回軌道の変動分(２πΔｒ)より速い速度分Δｖの移動距離(ΔｖＴ)が長いので、基準の粒子より早く軌道を廻って戻ってくることになる。

一方、図４(ａ)のγ＜γ_ｔの状態から、γを上げていくとγ_ｔを超えて、図４(ｂ)に示す状態になる。
図４(ｂ)において、シンクロトロン１内の縦方向高周波電場が印加され所定の定常状態で周回する粒子は、Ｐ＝０であるφ＝π、３π、５π、……、−π、−３π、−５π、……を中心とする楕円軌道内に捉えられる(図４(ａ)と同様に、これはバンチングと称される)。

図４(ｂ)では、シンクロトロン１内の粒子が軌道に沿って周回する場合、速度が速い粒子ほど、速度が速い分長くなる軌道(速度が速いことにより外側の軌道を進む)より、図４(ａ)と異なり、その速度による移動距離が短いため、基準の粒子より遅く軌道を廻って戻ってくる。
すなわち、γ＜γ_ｔの場合とは、ΔｖＴ＜２πΔｒの関係にある場合である。つまり、速度が速い粒子は、その速い速度のため外側の軌道を廻るが、周回軌道の変動分(２πΔｒ)より速い速度分Δｖの軌道距離(ΔｖＴ)が短いので、基準の粒子より遅く軌道を廻って戻ってくることになる。

図５は、図４(ａ)のγ＜γ_ｔの場合に、縦方向高周波電場により加減速を行わずにバンチングされているビームに対して、極短時間に高周波電場の位相を１８０度ずらした場合における縦方向位相空間上でのビームの定常状態の遷移を表す図である。
γ＜γ_ｔの場合、図５(ａ)に示す縦方向高周波電場により所定の定常状態で周回してバンチングされている粒子のビームに対して、制御手段により高周波加速空洞３に極短時間に高周波電場の位相を１８０度ずらす切り替え指令を出した場合、初期状態として図５(ｂ)に示すように粒子のビームの位相が極短時間に１８０度ずれる。その後、図５(ｂ)の粒子の軌道線(矢印を付した線)に沿って、粒子のビームが進み、粒子のビームが定常状態の図５(ｃ)に示す状態になる。

図６は、図４(ｂ)のγ＞γ_ｔの場合に、縦方向高周波電場により加減速を行わずにバンチングされているビームに対して、極短時間に高周波電場の位相を１８０度ずらした場合における縦方向位相空間上でのビームの定常状態の遷移を表している。
γ＞γ_ｔの場合、図６(ａ)に示す縦方向高周波電場により所定の定常状態で周回してバンチングされている粒子のビームに対して、制御手段により高周波加速空洞３に極短時間に高周波電場の位相を１８０度ずらす切り替え指令を出した場合、初期状態として図６(ｂ)に示すように粒子のビームの位相が極短時間に１８０度ずれる。そして、粒子のビームの位相が１８０度ずれた後に図６(ｂ)の粒子の軌道線(矢印を付した線)に沿って、粒子のビームが進み、粒子のビームが図６(ｃ)に示す定常状態になる。

高周波加速空洞３の縦方向高周波電場によって粒子のビームの位相を１８０度ずらす時間は、粒子のビームを図５(ｃ)、図６(ｃ)に示す状態にできれば、特に限定されないが、
速い時間の方が、きれいに図５(ｃ)、図６(ｃ)に示す状態にできるので、図５(ａ)、図６(ａ)に示すバンチビームの間隔の時間(＝ｔ１)以下の短時間で位相を１８０度ずらすことが望ましい。
図７は、γ＜γ_ｔの場合における図５(ｃ)の状態のビームをベータトロン振動の三次共鳴と六極磁場を用いて出射する場合に生じる出射ビーム運動量分布の二極化の様子を表している。図７(ａ)は、クロマティシティξ＜０の場合であり、図７(ｂ)は、クロマティシティξ＞０の場合である。

クロマティシティξは、次式(３)で表される。
ΔＱ＝ξ×ΔＰ／Ｐ_Ｓ (３)
ここで、Ｐ_Ｓは粒子の基準運動量、ΔＰは粒子の基準運動量からの運動量のずれ、ΔＱはベータトロン振動数のずれ である。
なお、リング(シンクロトロン１)のクロマティシティξは、クロマティシティ補正用六極電磁石１２(図３参照)によって調整される。
また、粒子の粒子線ビームの安定周回領域面積Ａは、次の式(４)で表される。

ここで、Ｓ_ｘはセパラトリクス生成用六極電磁石７の六極磁場強度、ｋは係数、Ｑは、ベータトロン振動数、Ｑ_ｒｅｓは共鳴条件のベータトロン振動数であり、三次共鳴の場合はｎ／３（ｎは３の倍数を除く自然数）である。

高周波加速空洞３による縦方向高周波電場によりシンクロトロン１を周回する粒子の運動量が変化している場合、シンクロトロン１のクロマティシティξが負の場合、図７(ａ)に示すように、粒子の運動量が高い場合ほど粒子は安定周回領域から共鳴領域に出やすくなる。

クロマティシティξが負の場合、式(４)よりΔＰが最大のとき、粒子線ビームの安定周回領域面積Ａが最小となるので、共鳴領域の面積が最大(図２参照)となる。そのため、ΔＰが最大のときにシンクロトロン１を周回する粒子は安定領域外に取り出され易く、出射ビームの運動量密度が最大となる。
従って、ξが負かつΔＰ≧Ｐ_Ｓ の場合、式(４)よりΔＰの最大値に出射ビームの運動量密度のピークがでる。しかし、ΔＰが、図７(ａ)の矢印付き線(粒子の軌道)の減少域に入ると粒子は安定領域外に取り出されづらくなるので、図７(ａ)のΔＰ≧Ｐ_Ｓの場合、矢印付き線のΔＰの最大値の手前側で出射ビームの運動量密度のピークがでる。

これに対して、ξが負かつΔＰ＜Ｐ_Ｓ の場合、式(４)よりΔＰの最大値に出射ビームの運動量密度のピーク(式(４)の粒子線ビームの安定周回領域面積Ａが最小)がでる。しかし、ΔＰが、図７(ａ)の矢印付き線(粒子の軌道)の減少域に入ると粒子は安定領域外に取り出されづらくなるので、図７(ａ)のΔＰ＜Ｐ_Ｓの場合、矢印付き線のΔＰの最大値の手前で出射ビームの運動量密度のピークがでる。

一方、クロマティシティξが正の場合、図７(ｂ)に示すように、粒子の運動量が低い場合ほど粒子は安定周回領域から共鳴領域に出易くなる。
クロマティシティξが正の場合、式(４)より、ΔＰが最小のとき、粒子線ビームの安定周回領域面積Ａが最小となり、共鳴領域の面積が最大(図２参照)となる。そのため、ΔＰが最小のときにシンクロトロン１を周回する粒子は安定領域外に取り出され易くなり、出射ビームの運動量密度が最大となる。

これは、クロマティシティξの効果によって、運動量の変化により横方向位相空間上の安定周回領域面積が変化するためである(非特許文献２参照)。
そのため、ξが正かつΔＰ≧Ｐ_Ｓ の場合、式(４)ΔＰの最小値で出射ビームの運動量密度のピークがでる(式(４)より粒子線ビームの安定周回領域面積Ａが最小)が、ΔＰが、図７(ｂ)の矢印付き線(粒子の軌道)の増加域に入ると粒子は安定領域外に取り出されづらくなるので、図７(ｂ)のΔＰ≧Ｐ_Ｓの場合、矢印付き線のΔＰの最小値の手前側でピークがでる。

これに対して、ξが正かつΔＰ＜Ｐ_Ｓ の場合、ΔＰの最小値で出射ビームの運動量密度のピークがでるが、ΔＰが、図７(ｂ)の矢印付き線(粒子の軌道)の増加域に入ると粒子は安定領域外に取り出されづらくなるので、図７(ｂ)のΔＰ＜Ｐ_Ｓの場合、矢印付き線のΔＰの最小値の手前で出射ビームの運動量密度のピークがでる。
なお、γ＞γ_ｔの場合においても、図７に示すγ＜γ_ｔの場合と同様に、出射ビーム運動量分布の二極化が発生する。

図８は、図７(ａ)、(ｂ)に示すように、出射ビームの運動量分布が二極化(図７(ａ)、(ｂ)のそれぞれの出射ビーム運動量密度の２つのピーク参照)した場合に起きる、ビーム出射角の二極化を水平方向の位相空間上に表した図である。なお、図８において、水平方向の位相空間とは、横軸が水平方向の位置座標Ｘ、縦軸が水平方向の位置座標Ｘをビームの進行方向の位置Ｓで微分した微分値Ｘ´(ｄＸ／ｄＳ)である。また、図８のデフレクタ電極９には、ビームが図８の紙面の手前側から奥側に進むものとして図示している。

ビーム出射角の二極化(図８の２つの三角形参照)は、異なる運動量の粒子(図７(ａ)、(ｂ)のそれぞれの出射ビーム運動量密度の２つのピーク参照)に対するシンクロトロン１内の偏向電磁石４の偏向角差により生じるシンクロトロン１内を進む平衡軌道の違い(dispersion)と、クロマティシティξの効果により生じる横方向位相空間上の安定周回領域面積の違いが合わさって起こる。横方向位相空間上の安定周回領域面積の違いは、図８に示す２つの三角形の安定周回領域面積の重心の位置が変わることにつながる。

次に、図７、図８を用いて説明したシンクロトロン１内において運動量とビームの出射角Ｘ´とが二極化したビームｂ(ｂ１、ｂ２)が出射されるのを利用して、出射ビーム輸送ライン２に設けた偏向電磁石１０の偏向角差や三枚板電極１１によって二極化したビームを互いに引き離す構成について説明する。

図９は二極化した運動量・ビームの出射角Ｘ´をもつビームが出射ビーム輸送ライン２に設けた偏向電磁石１０の偏向角差や三枚板電極１１によって第１・第２ビームを互いに引き離している様子を表す図３のＡ部拡大図である。なお、図９では、プラスの電気をもった荷電粒子(例えば、Ｃ^６＋)のビームが取り出される場合を例示している。

シンクロトロン１にデフレクタ電極９を介して接続される出射ビーム輸送ライン２には、二極化したビーム出射角と運動量をもつビームｂ(第１ビームｂ１、第２ビームｂ２)を偏向させて２つのビーム出射角差とビーム間距離を大きく離す偏向電磁石１０が設けられている。また、偏向電磁石１０の下流の出射ビーム輸送ライン２には、偏向電磁石１０でビーム出射角差とビーム間距離が大きく離されたビームｂ(第１ビームｂ１、第２ビームｂ２)をさらに大きく引き離す三枚板電極１１が設けられている。

図９では、プラスの電荷をもった粒子のビームが取り出される場合なので、三枚板電極１１の第１電極１１ａ、第２電極１１ｂには、マイナスの電圧が制御手段によりそれぞれ印加されている。三枚板電極１１の第３電極１１ｃはグラウンドである。
なお、図９の場合と異なり、マイナスの電荷をもった粒子のビームが取り出される場合には、三枚板電極１１の第１電極１１ａ、第２電極１１ｂには、プラスの電圧が制御手段によりそれぞれ印加されることになる。三枚板電極１１の第３電極１１ｃはグラウンドである。

そして、出射ビーム輸送ライン２の三枚板電極１１の下流には、ビーム間距離が大きくされた第１ビームｂ１、第２ビームｂ２がそれぞれ進行するための第１輸送ライン２Ａ、第２輸送ライン２Ｂが接続されている。
上記構成により、出射ビーム輸送ライン２を通してのビームｂ(ｂ１、ｂ２)の取り出しは下記のように行われる。

前記した二極化したビーム出射角と運動量をもつビームｂ(ｂ１、ｂ２)が、デフレクタ電極９によって印加される電圧により、シンクロトロン１から取り出される。そして、制御手段によって制御される偏向電磁石１０の偏向角差(ビームｂが偏向電磁石１０に入るときの角度に対するビームｂが偏向電磁石１０から出るときの角度)により、第１ビームｂ１、第２ビームｂ２の出射角差とビーム間距離が広げられる。

その後、プラスの電荷をもつ第１ビームｂ１が、偏向電磁石１０の下流の三枚板電極１１のマイナスの電圧が印加された第１電極１１ａとグランドの第３電極１１ｃとの間を通り、第１ビームｂ１が第１電極１１ａ側に引かれて進み、第１輸送ライン２Ａ内を矢印のように進行する。同時に、プラスの電荷をもつ第２ビームｂ２が、偏向電磁石１０の下流の三枚板電極１１のマイナスの電圧が印加された第２電極１１ｂとグラウンドの第３電極１１ｃとの間を通り、第２ビームｂ２が第２電極１１ｂ側に引かれて進み、第２輸送ライン２Ｂ内を矢印のように進行する。

第１ビームｂ１と第２ビームｂ２とのそれぞれのビーム間距離を大きくとれるほど、ビームロスなく二つの輸送ライン(２Ａ、２Ｂ)に第１ビームｂ１と第２ビームｂ２とを分けることができる。そのため、シンクロトロン１内を周回する１本のビームが、偏向電磁石１０と三枚板電極１１とにより、第１ビームｂ１と、第２ビームｂ２との２つのビームとしてビームロスなく同時に取り出される。

次に、第１輸送ライン２Ａから取り出される第１ビームｂ１と、第２輸送ライン２Ｂから取り出される第２ビームｂ２との利用方法について述べる。
図１０は、患者(照射対象)Ｐに第１ビームｂ１と第２ビームｂ２とを照射している状態を示す図である。
照射室１５には、第１ビームｂ１を鉛直方向に寝台１４上の照射対象に向けて照射できるように、第１輸送ライン２Ａに接続される第１ポート１３Ａが鉛直方向に配設されている。また、照射室１５には、第２ビームｂ２を水平方向に寝台１４上の照射対象に向けて照射できるように、第２輸送ライン２Ｂに接続される第２ポート１３Ｂが水平方向に配設されている。

患者(照射対象)Ｐが寝台１４に横たわると、寝台１４上の患者(照射対象)Ｐの患部Ｐ１に向けて、第１ポート１３Ａから第１ビームｂ１を、鉛直方向下向きに照射するとともに、第２ポート１３Ｂから、第２ビームｂ２を患者(照射対象)Ｐの患部Ｐ１に向けて水平方向に照射する。

従来、２つのビームを同時に照射する場合、２台のシンクロトロンが必要であったが、この構成によれば、１台のシンクロトロン１(図３参照)で同時に一つの照射対象に対して照射できる。１台のシンクロトロン１で同時に２つのビーム(ｂ１、ｂ２)で照射するので、同時に２つのビームの照射を開始するとともに、照射中の２つのビーム(ｂ１、ｂ２)の照射を同時に止めることができる。そのため、患者(照射対象)Ｐの呼吸に同期して、２つのビーム(ｂ１、ｂ２)を照射したり、照射中の２つのビーム(ｂ１、ｂ２)の照射を止めることが可能である。

なお、図１０の例では、鉛直方向と水平方向とから２つのビーム(ｂ１、ｂ２)を照射する場合を例示したが、必ずしも鉛直方向と水平方向でなくともよいのは勿論である。
また、図１０の例とは異なり、別々の患者(照射対象)Ｐにそれぞれ第１ビームｂ１と第２ビームｂ２とを照射するように構成できることは勿論である。
その他、２つの第１ビームｂ１と第２ビームｂ２との照射法は、例示したものに限られず、様々に応用可能である。

上記実施形態によれば、従来の遅い取り出し法では不可能だった、ビームロスなく同時に一台のシンクロトロン１から二本の輸送ライン(２Ａ、２Ｂ)ヘの分割したビーム出射が可能になる。
本発明の原理は、遅い取り出し法によく利用されるベータトロン振動の三次共鳴と六極磁場の摂動を用いたビーム出射において、ビームの進行方向に平行な縦方向高周波電場によりバンチングされたビームに対して、縦方向高周波電場の位相を極短時間に１８０度ずらすことにより、シンクロトロン１のクロマティシティξを介して、デフレクタ電極９内に入る出射ビームの運動量分布を二極化することである。

シンクロトロン１のクロマティシティξの効果で、運動量分布の二極化に加え、それら二極化されたそれぞれのビームの出射角にも差を持たせることができる。
二極化された運動量と出射角をもつビームｂは、出射ビーム輸送ライン２上で、偏向電磁石１０による偏向角差などにより二つのビーム(ｂ１、ｂ２)に分割することができる。また、三枚板電極１１などを用いれば、ビームロスなく、容易に更に大きくそれらのビーム(ｂ１、ｂ２)を引き離すことが可能である。二つに引き離されたビーム(ｂ１、ｂ２)の距離が大きいほど、ビームロスなく、容易にそれぞれ別々のビーム輸送ライン(２Ａ、２Ｂ)に同時に供給することができる。

このように、ビームロスなく同時に一台のシンクロトロン１から二本の輸送ライン(２Ａ、２Ｂ)ヘの分割ビーム出射を行えることにより、ビームの利用要求に合わせて、単位時間当たりのシンクロトロン１の利用効率を上げることができる。そして、一台のシンクロトロン１から、２つのポート(１３Ａ、１３Ｂ)を出せるので、ビームの利用効率が２倍になる。
また、同じ時間内により多くのビーム利用要求に答えることができる。

なお、前記実施形態においては、二極化したビーム出射角をもつビームｂ(第１ビームｂ１、第２ビームｂ２)を偏向電磁石１０と三枚板電極１１とを用いて引き離す場合を例示したが、三枚板電極１１のみ用いてもよい。三枚板電極１１は構造が簡単で、制御も容易である。

また、三枚板電極１１を用いることなく、偏向電磁石１０のみ用いて、偏向電磁石１０の励磁量を変えて、第１ビームｂ１、第２ビームｂ２の角度差をつけてもよい。
なお、前記したように、偏向電磁石１０と三枚板電極１１とを用いた方が、二極化したビーム出射角をもつビームを短い距離で引き離せるので、より望ましい。

なお、前記実施形態では、ベータトロン振動の三次共鳴と六極磁場の摂動による遅い取り出し法を用いたが、二次共鳴と八極磁場、または、四次共鳴と八極磁場との組み合わせでもよい。また、本発明は、ＲＦ−ＫＯ電極を用いた遅い取り出しに限るものでない。例えば、四重極電磁石励磁電流変更によるベータトロン振動数制御を用いたビーム強度制御装置(ビーム制御装置)であってもよい。

また、四重極電磁石励磁電流変更によるベータトロン振動数制御手法を用いたビーム強度制御装置(ビーム制御装置)において、四重極電磁石の電源を制御することで、励磁電流を変化させてもよい。四重極電磁石は、一般にシンクロトロン中に複数設けられているが、少なくともその一つを制御することでも効果を得ることができる。

１ シンクロトロン
２ 出射ビーム輸送ライン(ビーム輸送ライン)
２Ａ 第１輸送ライン(ビーム輸送ライン)
２Ｂ 第２輸送ライン(ビーム輸送ライン)
３ 高周波加速空洞
１０ 偏向電磁石(ビーム分割手段)
１１ 三枚板電極(ビーム分割手段)
１１ａ 第１電極(第１の電極)
１１ｂ 第２電極(第２の電極)
１１ｃ 第３電極(第３の電極)
１３Ａ 第１ポート
１３Ｂ 第２ポート
Ｐ 患者(照射対象)
Ｒ 粒子線照射装置(ビーム出射装置)

Claims (14)

1. 粒子ビームがベータトロン振動しながら周回するシンクロトロンと、該シンクロトロンに備えられ前記粒子ビームをその進行方向と平行な縦方向高周波電場を印加することによって加速または減速する高周波加速空洞と、前記シンクロトロンに接続され前記シンクロトロンから出射される粒子ビームが輸送されるビーム輸送ラインとを備えるビーム出射装置であって、
   前記シンクロトロン内を所定の定常状態で周回する前記粒子ビームに対して前記高周波加速空洞による縦方向高周波電場の位相を１８０度ずらすように制御し、前記シンクロトロンから出射される粒子ビームの運動量と出射角度を二極化する制御手段を備える
   ことを特徴とするビーム出射装置。
2. 前記制御手段は、前記高周波加速空洞による縦方向高周波電場の位相を、前記ベータトロン振動におけるバンチビーム間の時間内に、１８０度ずらすように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載のビーム出射装置。
3. 前記ビーム輸送ラインは、前記出射された２つの粒子ビームの出射角度差とビーム間距離を広げ、当該２つの粒子ビームを二分化するビーム分割手段を有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のビーム出射装置。
4. 前記ビーム分割手段として、前記出射される２つの粒子ビームがそれぞれ第１の電極と第３の電極との間と、第２の電極と前記第３の電極との間を通る三枚板電極を有し、
   前記粒子ビームの粒子が、プラスの電荷をもつときは、前記第１の電極と前記第２の電極とは前記制御手段により前記第３の電極より低い電圧が印加される一方、マイナスの電荷をもつときは、前記制御手段により前記第１の電極と前記第２の電極とは前記第３の電極より高い電圧が印加される
   ことを特徴とする請求項３に記載のビーム出射装置。
5. 前記ビーム分割手段として、前記出射された２つの粒子ビームが通った際に、当該２つの粒子ビームにその励磁量により偏向角度差を付与する偏向電磁石を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のビーム出射装置。
6. 前記ビーム輸送ラインに接続されるとともに前記ビーム分割手段によって出射角度差とビーム間距離が広げられた前記２つの粒子ビームのうちの一方を照射対象に照射するための第１ポートと、
   前記ビーム輸送ラインに接続されるとともに当該２つの粒子ビームのうちの他方を、前記照射対象または前記照射対象とは異なる照射対象に照射するための第２ポートとを
   備えることを特徴とする請求項３から請求項５の何れか一項に記載のビーム出射装置。
7. 前記第１のポートは、前記２つの粒子ビームのうちの一方を鉛直方向から前記照射対象に照射し、
   前記第２のポートは、前記２つの粒子ビームのうちの他方を水平方向から当該照射対象に照射する
   ことを特徴とする請求項６に記載のビーム出射装置。
8. 粒子ビームがベータトロン振動しながら周回するシンクロトロンと、該シンクロトロンに備えられ前記粒子ビームをその進行方向と平行な縦方向高周波電場を印加することによって加速または減速する高周波加速空洞と、前記シンクロトロンに接続され前記シンクロトロンから出射される粒子ビームが輸送されるビーム輸送ラインと、制御手段とを備えるビーム出射装置の制御方法であって、
   前記高周波加速空洞は、前記粒子ビームに前記縦方向高周波電場を印加して、所定の定常状態で前記粒子ビームを周回させ、
   前記制御手段は、
   前記高周波加速空洞による縦方向高周波電場の位相を１８０度ずらすように制御し、前記シンクロトロン内の前記粒子ビームの運動量と出射角度を二極化する
   ことを特徴とするビーム出射装置の制御方法。
9. 前記制御手段は、前記高周波加速空洞による縦方向高周波電場の位相を、前記ベータトロン振動におけるバンチビーム間の時間内に、１８０度ずらすように制御する
   ことを特徴とする請求項８に記載のビーム出射装置の制御方法。
10. 前記ビーム輸送ラインは、ビーム分割手段を有し、
    前記ビーム分割手段は、前記出射された２つの粒子ビームの出射角度差とビーム間距離を広げ、当該２つの粒子ビームを二分化する
    ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載のビーム出射装置の制御方法。
11. 前記ビーム出射装置は、前記ビーム分割手段として、前記出射される２つの粒子ビームがそれぞれ第１の電極と第３の電極との間と、第２の電極と前記第３の電極との間を通る三枚板電極を有し、
    前記粒子ビームの粒子が、プラスの電荷をもつときは、前記制御手段は、前記第１の電極と前記第２の電極とに前記第３の電極より低い電圧を印加する一方、マイナスの電荷をもつときは、前記制御手段は、前記第１の電極と前記第２の電極とに前記第３の電極より高い電圧を印加する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のビーム出射装置の制御方法。
12. 前記ビーム出射装置は、前記ビーム分割手段として、偏向電磁石を有し、
    前記偏向電磁石は、前記出射された２つの粒子ビームが通った際に当該２つの粒子ビームにその励磁量により偏向角度差を付与する
    ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のビーム出射装置の制御方法。
13. 前記ビーム出射装置は、前記ビーム輸送ラインに接続される第１ポートおよび第２ポートとを備え、
    前記第１ポートは、前記ビーム分割手段によって出射角度差とビーム間距離が広げられた前記２つの粒子ビームのうちの一方を照射対象に照射し、
    前記第２ポートは、当該２つの粒子ビームのうちの他方を、前記照射対象または前記照射対象とは異なる照射対象に照射する
    ことを特徴とする請求項１０から請求項１２の何れか一項に記載のビーム出射装置の制御方法。
14. 前記第１ポートは、前記２つの粒子ビームのうちの一方を鉛直方向から前記照射対象に照射し、
    前記第２ポートは、前記２つの粒子ビームのうちの他方を水平方向から当該照射対象に照射する
    ことを特徴とする請求項１３に記載のビーム出射装置の制御方法。

Images