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同步加速器及使用了该同步加速器的粒子线治疗装置

阅读：891发布：2020-05-13

专利汇可以提供同步加速器及使用了该同步加速器的粒子线治疗装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供适于同步加速器的小型化的设备的配置及使用了该配置的同步加速器、及使用了该同步加速器的粒子线治疗系统。解决上述课题的本发明的特征在于，在第一出射用偏转器和第二出射用偏转器之间具有多块偏转电磁铁和一块发散用四极电磁铁，将该发散用四极电磁铁设置在上述多块偏转电磁铁之间，在第一出射用偏转器的入口侧、第二出射用偏转器的出口侧配置聚束用四极电磁铁。，下面是同步加速器及使用了该同步加速器的粒子线治疗装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种使旋转的带电粒子束加速、减速的同步加速器，其特征在于，
上述同步加速器具备用于取出加速或减速了的上述带电粒子束的第一出射用偏转器及第二出射用偏转器，
在上述第一出射用偏转器和上述第二出射用偏转器之间具有多个偏转电磁铁和仅一块第一四极电磁铁，
该四极电磁铁设置在上述多个偏转电磁铁中的任意两个偏转电磁铁之间，上述同步加速器具备：
在上述带电粒子束的旋转轨道上，配置在比上述第一出射用偏转器靠粒子束行进方向的上游侧的第二四极电磁铁；以及
在上述带电粒子束的旋转轨道上，配置在比上述第二出射用偏转器靠粒子束行进方向的下游侧的第三四极电磁铁。
2.根据权利要求1所述的同步加速器，其特征在于，
将配置在多块偏转电磁铁间的上述第一四极电磁铁作为发散用四极电磁铁，其中，该多块偏转电磁铁配置在上述第一出射用偏转器和第二出射用偏转器之间，将配置在上述第一出射用偏转器的上游侧的上述第二四极电磁铁及配置在上述第二出射用偏转器的下游侧的上述第三四极电磁铁作为聚束用四极电磁铁。
3.根据权利要求1所述的同步加速器，其特征在于，
配置在上述第一出射用偏转器和上述第二出射用偏转器之间的多个偏转电磁铁是第一偏转电磁铁和第二偏转电磁铁，从上述粒子束行进方向的上游侧依次配置上述第一偏转电磁铁、上述第一四极电磁铁、上述第二偏转电磁铁。
4.根据权利要求1所述的同步加速器，其特征在于，
配置在上述第一出射用偏转器和上述第二出射用偏转器之间的多个偏转电磁铁是第一偏转电磁铁、第二偏转电磁铁及第三偏转电磁铁，从上述粒子束行进方向的上游侧依次配置上述第一偏转电磁铁、上述第一四极电磁铁、上述第二偏转电磁铁、第三偏转电磁铁。
5.根据权利要求1所述的同步加速器，其特征在于，
配置在上述第一出射用偏转器和上述第二出射用偏转器之间的多个偏转电磁铁是第一偏转电磁铁、第二偏转电磁铁及第三偏转电磁铁，从上述粒子束行进方向的上游侧依次配置上述第一偏转电磁铁、上述第二偏转电磁铁、上述第一四极电磁铁、第三偏转电磁铁。
6.根据权利要求1所述的同步加速器，其特征在于，
代替设置在上述第一出射用偏转器和上述第二出射用偏转器之间的上述偏转电磁铁及上述第一四极电磁铁，设置了兼具偏转电磁铁及四极电磁铁的功能的功能结合型偏转电磁铁。
7.根据权利要求6所述的同步加速器，其特征在于，
将上述第二四极电磁铁及上述第三四极电磁铁作为聚束用四极电磁铁。
8.一种粒子线治疗系统，其特征在于，具备：
权利要求1～7任一项所述的同步加速器；
将从上述同步加速器出射的上述带电粒子束输送到照射对象，并出射到上述照射对象上的粒子束输送系统、照射系统。

说明书全文

同步加速器及使用了该同步加速器的粒子线治疗装置

技术领域

[0001] 本发明涉及适于同步加速器的小型化的设备的配置和使用了该配置的同步加速器、及使用了该同步加速器的粒子线治疗装置。

背景技术

[0002] 反映近年来的高龄化社会，作为癌症治疗法之一，关注对身体负担小，且能够较高地维持治疗后的生活的质量的放射线治疗。其中，使用了利用同步加速器加速的质子和碳等带电粒子束的粒子线治疗系统由于对患部的优异的剂量集中性而特别被期待。粒子线治疗系统具备向同步加速器供给粒子束的入射器、将带电粒子束加速到近似光速的同步加速器、使从同步加速器取出的带电粒子束与患部的位置及形状一致地照射到患者上的照射装置。期望促进粒子线治疗系统的普及且实现这些装置的小型化、低成本化。

[0003] 作为从上述同步加速器取出粒子束的方法之一具有被称为缓慢取出法(共鸣取出法)的取出方法。若使用缓慢取出方法，则与带电粒子束在环绕同步加速器一周期间取出全部的粒子束的快速取出法不同，能够在多周中慢慢地取出带电粒子束。取出的粒子束主要用于粒子线治疗或物理学实验。

[0004] 图4表示现有的同步加速器的第一例子。同步加速器200具备：用于入射利用前级加速器101事先加速的粒子束的入射用偏转装置201(SM，ESI)；用于使入射的粒子束偏转而旋转的偏转电磁铁202(BM)；为了使粒子束稳定地旋转，并且防止粒子束尺寸的增大，在水平方向上使粒子束聚束的聚束用四极电磁铁203(QF)；在水平方向上使粒子束发散的发散用四极电磁铁204(QD)；使粒子束加速、减速的高频加速空腔205(RF-Cavity)；用于在进行缓慢取出时形成粒子束振动(电子加速器振动)的稳定界限的共鸣激励用多极电磁铁206(SXFr，SXDr；在图2中只记载一块)；用于增大粒子束振动振幅而超过稳定界限的出射用高频装置207(RF-KO)；为了将加速、减速了的粒子束导向照射装置303而使粒子束轨道偏转，进而从同步加速器取出粒子束的第一出射用偏转器208(ESD)、第二出射用偏转器209(SM1)。

[0005] 在利用缓慢取出方法从该同步加速器取出粒子束时，通过共鸣激励用多极电磁铁206引起共鸣，形成稳定旋转界限(分界线)，利用出射用高频装置207增大粒子束的振幅而将粒子束导向上述稳定旋转界限的外侧。被导向稳定旋转界限外侧的粒子束进一步增大振幅，进入第一出射用偏转器208。进入第一出射用偏转器208的出射粒子束向远离旋转粒子束的方向偏转。利用第一出射用偏转器208偏转的带电粒子束利用下游的发散用四极电磁铁204进一步向水平方向外侧偏转。利用发散用四极电磁铁204向水平方向外侧偏转的带电粒子束通过偏转电磁铁202，利用下游的聚束用四极电磁铁203暂时向水平方向内侧偏转，利用第二出射用偏转器209进一步向水平方向外侧偏转，之后出射。

[0006] 现有技术文献

[0007] 专利文献1：日本特开平10-162999号公报

[0008] 非专利文献 1：“DESIGN OF SYNCHROTRON AT NIRS FOR CARBON THERAPY FACILITY”，Proceedings of APAC 2004，p420-422，Gyeongju，Korea[0009] 非专利文献 2：“A NOVEL PROTON AND LIGHT ION SYNCHROTRON FOR PARTICLETHERAPY“，Proceedings of EPAC 2006，p2305-2307 Edinburgh，Scot land[0010] 非专利文献 3：“LATTICE DESIGN OF A CARBON-ION SYNCHROTRON FOR CANCERTHERAPY”，Proceedings of EPAC 2008，p1803-1805，Genoa，Italy发明内容

[0011] 图4～图7表示非专利文献1～3记载的同步加速器的主要设备配置。图4如已经作为现有技术说明了的那样。未限定于图4记载的同步加速器，为了防止粒子束尺寸的增大，图5、图6任一个同步加速器都在第一出射用偏转器208(在非专利文献1、3中记载为ESD，在非专利文献2中记载为SS2)和第二出射用偏转器209(在非专利文献1、3中记载为SM1，在非专利文献2中记载为SS4)之间配置多块聚束用四极电磁铁203、发散用四极电磁铁204。在这些场合，由于设备数多，因此在同步加速器的小型化上有界限。另外，由于配置在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209之间的聚束用四极电磁铁203，出射粒子束被踢回水平方向内侧(向旋转粒子束侧偏转)，因此为了补充该偏转，需要增大第一出射用偏转器208的偏转角。第一出射用偏转器208为了降低粒子束损失，使用被称为静电偏转器(electrostatic deflector(ESD)，在非专利文献2中记载为electrostatic extraction septum)的装置。为了增大静电偏转器的每单位长度的偏转角，需要提高电场强度。但是，由于电场强度为了避免放电而有界限，因此在将高能量的质子或氦以上的带电粒子束从同步加速器取出时，为了得到必要的偏转角，需要在周长方向上长的静电偏转器，成为妨碍同步加速器的小型化的主要原因。作为解决这些课题的发明，在专利文献1中如图7所示，记载了在设置在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209之间的偏转电磁铁的入口侧、出口侧设置发散用四极电磁铁204的例子。在该场合，由于四极电磁铁的块数增多，因此在小型化上有界限。在本专利文献中，记载了分割偏转电磁铁而在中央设置聚束用四极电磁铁203，在分割的偏转电磁铁的上游侧电磁铁的入口侧和下游侧电磁铁的出口侧设置发散用四极电磁铁204的例子，但在该场合设备数也增加，对小型化不利。本发明的目的在于通过抑制粒子束尺寸的增大，减少四极电磁铁的块数，并且缩短出射用偏转设备的长度方向尺寸，使同步加速器小型化。另外，在于提供使用了该同步加速器的粒子线治疗系统。

[0012] 本发明的特征在于，在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209之间配置多块偏转电磁铁202和一块发散用四极电磁铁204，上述一块发散用四极电磁铁204配置在上述多块偏转电磁铁间，在第一出射用偏转器208的入口侧(上游侧)、第二出射用偏转器209的出口侧(下游侧)配置了聚束用四极电磁铁203。

[0013] 本发明的效果如下。

[0014] 根据本发明，通过在第一出射用偏转器208、第二出射用偏转器209间设置多块偏转电磁铁，在该偏转电磁铁间设置一块四极电磁铁，并且在第一出射用偏转器208的入口侧、第二出射用偏转器209的出口侧配置四极电磁铁，能够抑制粒子束尺寸的增大，减少第一出射用偏转器208、第二出射用偏转器209间的四极电磁铁的块数。由此，能够减少设备设置空间。另外，通过使在配置在第一出射用偏转器208、第二出射用偏转器209间的多块偏转电磁铁间配置的一块四极电磁铁为发散用四极电磁铁，配置在第一出射用偏转器208的入口侧、第二出射用偏转器209的出口侧的四极电磁铁为聚束用四极电磁铁，能够增加使出射粒子束向水平方向外侧偏转的作用，并且没有利用第一出射用偏转器208偏转的出射粒子束被四极电磁铁踢回旋转粒子束侧的作用，因此能够减小第一出射用偏转器208的踢角，并且能够增大向第二出射用偏转器209的入射角。即，实现了四极电磁铁的减少和第一出射用偏转器208、第二出射用偏转器209的小型化，作为结果，同步加速器能够实现小型化。附图说明

[0015] 图1是表示本发明的优选的一个实施方式的实施例一的同步加速器的结构的图。

[0016] 图2是表示本发明的另一实施方式的实施例二的同步加速器的结构的图。

[0017] 图3是表示本发明的又一实施方式的实施例三的同步加速器的结构的图。

[0018] 图4是表示现有技术的第一例的同步加速器的结构的图。

[0019] 图5是表示现有技术的第二例的同步加速器的结构的图。

[0020] 图6是表示现有技术的第三例的同步加速器的结构的图。

[0021] 图7是表示现有技术的第四例的同步加速器的结构的图。

[0022] 图中：100-粒子束入射系统，100a-粒子束入射系统设备电源，110-粒子束入射系统控制装置，200-同步加速器，201-入射用偏转装置，201a-入射用偏转装置用电源，202-偏转电磁铁，202a-偏转电磁铁用电源，202CB-功能结合型偏转电磁铁，202CBa-功能结合型偏转电磁铁用电源，203-聚束用四极电磁铁，203a-聚束用四极电磁铁用电源，
204-发散用四极电磁铁，204a-发散用四极电磁铁用电源，205-高频加速空腔，205a-高频加速空腔用电源，206-共鸣激励用多极电磁铁，206a-共鸣激励用多极电磁铁用电源，
207-出射用高频装置，207a-出射用高频装置用电源，208-第一出射用偏转器，208a-第一出射用偏转器用电源，209-第二出射用偏转器，209a-第二出射用偏转器用电源，210-同步加速器控制装置，300-粒子束输送系统、照射系统，300a-粒子束输送、照射设备电源，
310-粒子束输送系统、照射系统控制装置，400-中央控制装置。

具体实施方式

[0023] 使用附图说明本发明的实施方式。

[0024] 下面，使用图1对本发明的第一实施方式的同步加速器的结构进行说明。

[0025] 粒子线治疗系统具备：由将带电粒子束(以下称为粒子束)加速到适于入射的能量的前级加速器和输送加速后的粒子束的输送系统构成的粒子束入射系统100；将入射的粒子束加速到期望的能量的同步加速器200；加速后将取出的粒子束输送到照射对象并照射在照射对象上的粒子束输送系统、照射系统300。另外，具备控制对粒子束入射系统100、同步加速器200、粒子束输送系统、照射系统300进行控制的控制系统(入射系统控制装置110、同步加速器控制装置210、粒子束输送系统、照射系统控制装置310)和治疗系统整体的中央控制装置400。

[0026] 同步加速器200具备：入射粒子束的入射用偏转装置201；使入射的粒子束偏转的偏转电磁铁202；使粒子束聚束的聚束用四极电磁铁203；使粒子束发散的发散用四极电磁铁204；使粒子束加速、减速的高频加速空腔205；用于形成粒子束振动(偏转器振动)的稳定界限(分界线)的共鸣激励用多极电磁铁206；用于增大粒子束振动振幅并超过稳定界限的出射用高频装置207；用于使粒子束轨道偏转并从同步加速器取出粒子束的第一出射用偏转器208、第二出射用偏转器209。

[0027] 作为利用缓慢取出方法从同步加速器取出粒子束的方法之一具有所谓的扩散共鸣取出的方法。在扩散共鸣取出中，利用共鸣激励用多极电磁铁206激励共鸣，形成稳定旋转界限(分界线)，利用出射用高频装置207增大粒子束的振幅而将粒子束导向上述稳定旋转界限的外侧。被导向稳定旋转界限的外侧的粒子束进一步增大振幅，进入第一出射用偏转器208。由于第一出射用偏转器208具有分开旋转粒子束和出射粒子束的作用，因此需要尽量使厚度(セプタム厚)薄，降低粒子束损失。因此，在本实施例一中，作为第一出射用偏转器208使用静电偏转器。在本实施例中，在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209之间配置两块偏转电磁铁和一块发散用四极电磁铁，以使能够以小的偏转角有效地在第二出射用偏转器209的入口确保旋转粒子束和出射粒子束的分离。该发散用四极电磁铁为了抑制旋转粒子束的粒子束尺寸，设置在上述两块偏转电磁铁之间，并且将聚束用四极电磁铁203设置在第一出射用偏转器208的上游侧和第二出射用偏转器209的下游侧(旋转粒子束的轨道上)。

[0028] 在本实施例中，在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209之间设置多块偏转电磁铁202，该偏转电磁铁202中的任意两个偏转电磁铁202之间设置一块四极电磁铁204，并且在第一出射用偏转器208的上游侧配置四极电磁铁203(即，从在同步加速器内旋转的粒子束的行进方向的上游侧依次配置四极电磁铁203、第一出射用偏转器208)，在第二出射用偏转器209的下游侧配置四极电磁铁203(即，从在同步加速器内旋转的粒子束的行进方向的上游侧依次配置第二出射用偏转器209、四极电磁铁203)。通过这种结构，能够抑制粒子束尺寸的增大，并且能够减少第一出射用偏转器208、第二出射用偏转器209间的四极电磁铁的块数。由此，能够减少设备设置空间。

[0029] 在本实施例中，将配置多块偏转电磁铁202之间的一块四极电磁铁作为发散用四极电磁铁，该多块偏转电磁铁202配置在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209间，将配置在第一出射用偏转器208的上游侧的四极电磁铁作为聚束用四极电磁铁，将配置在第二出射用偏转器209的下游侧的四极电磁铁作为聚束用四极电磁铁。通过这种结构，能够增加使出射粒子束向水平方向外侧偏转的作用，并且没有利用第一出射用偏转器208偏转的出射粒子束被四极电磁铁踢回旋转粒子束侧的作用，因此能够减小第一出射用偏转器208的踢角(蹴り角)，并且能够增大向第二出射用偏转器209的入射角。即，实现四极电磁铁的减少和第一出射用偏转器208、第二出射用偏转器209的小型化，作为结果，同步加速器能够实现小型化。

[0030] 在本实施例中，能够使聚束用四极电磁铁203-发散用四极电磁铁204间隔和发散用四极电磁铁204-聚束用四极电磁铁203间隔相同。在该间隔有较大不同的场合，一般在四极电磁铁间隔较长的区域，粒子束尺寸变大。在本实施例的场合，通过使该四极电磁铁间隔相同，能够抑制粒子束尺寸的增大，且减少设置在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209间的四极电磁铁的块数，能够减少设置场所。另外，通过使设置在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209间的四极电磁铁为发散用四极电磁铁，能够增加使出射粒子束向水平方向外侧偏转的作用，并且没有利用第一出射用偏转器208偏转的出射粒子束被四极电磁铁踢回旋转粒子束侧的作用，因此能够减小第一出射用偏转器208的踢角，并且能够增大向第二出射用偏转器209的入射角。

[0031] 根据以上，能够实现四极电磁铁的减少和第一出射用偏转器208、第二出射用偏转器209的小型化，作为结果，同步加速器能够实现小型化。

[0032] 在本实施例中，作为缓慢取出方法，表示了使用扩散共鸣取出法，但其之外还具有使分界线的大小变化而取出的方法、使用被称为电子加速器铁心的装置的方法(参照非专利文献3)、通过使粒子束与散射体碰撞而使粒子束偏转的方法等，这些是用于将粒子束导向第一出射用偏转器208的方法，无论哪个方法，本发明都能得到相同的效果。

[0033] 另外，在本实施例中，使聚束用四极电磁铁203-发散用四极电磁铁204间隔和发散用四极电磁铁204-聚束用四极电磁铁203间隔相同，但不需要完全地一致，可以在能够容许粒子束尺寸的增大的范围内不同。

[0034] (实施例二)

[0035] 下面，使用图2对本发明的第二实施方式的同步加速器的结构进行说明。

[0036] 在本实施例中，在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209之间配置三块偏转电磁铁和一块发散用四极电磁铁204。具备下述结构：为了抑制旋转粒子束的粒子束尺寸的增大，该发散用四极电磁铁204设置在从上述三块偏转电磁铁中的在同步加速器内旋转的粒子束的行进方向的上游侧计数的第一块偏转电磁铁和第二块偏转电磁铁之间，并且在第一出射用偏转器208的上游侧配置四极电磁铁203(即，从在同步加速器内旋转的粒子束的行进方向的上游侧依次配置四极电磁铁203、第一出射用偏转器208)，在第二出射用偏转器209的下游侧配置四极电磁铁203(即，从在同步加速器内旋转的粒子束的行进方向的上游侧依次配置第二出射用偏转器209、四极电磁铁203)。

[0037] 在本实施例中，与在上述三块偏转电磁铁的第一块的入口侧(上游侧)(或第三块的出口侧(下游侧))配置发散用四极电磁铁的场合相比，能够减小聚束用四极电磁铁-发散用四极电磁铁间隔和发散用四极电磁铁-聚束用四极电磁铁间隔的不同。由此，能够抑制粒子束尺寸的增大，并减小设置在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209之间的四极电磁铁的块数，能够减少设置场所。另外，通过使设置在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209间的四极电磁铁为发散用四极电磁铁，能够增加使出射粒子束向外侧偏转的作用，并且没有利用第一出射用偏转器208偏转的出射粒子束被四极电磁铁踢回旋转粒子束侧的作用，因此能够减小第一出射用偏转器208的踢角，并且能够增大向第二出射用偏转器209的入射角。

[0038] 根据以上的效果，能够实现四极电磁铁的减少和第一出射用偏转器208、第二出射用偏转器209的小型化，作为结果，同步加速器能够实现小型化。

[0039] 在本实施例中，将配置在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209之间的一块发散用四极电磁铁204配置在上述三块偏转电磁铁的第一块和第二块之间，但也可以配置在上述三块偏转电磁铁的第二块和第三块之间。

[0040] (实施例三)

[0041] 下面，使用图3对本发明的第三实施方式的同步加速器的结构进行说明。

[0042] 在本实施例中，在第一出射用偏转器208和第二出射用偏转器209之间配置结合了偏转电磁铁和发散用四极电磁铁的功能的功能结合型偏转电磁铁(带n标志的电磁铁)202CB。

[0043] 在本实施例中，利用功能结合型偏转电磁铁202CB的发散用四极功能，能够增加使出射粒子束向外侧偏转的作用，并且由于没有利用第一出射用偏转器207偏转的出射粒子束被四极电磁铁踢回旋转粒子束侧的作用，因此能够减小第一出射用偏转器208的踢角，并且能够增大向第二出射用偏转器209的入射角。

[0044] 根据以上的效果，能够实现四极电磁铁的进一步减少和第一出射用偏转器208、第二出射用偏转器209的小型化，作为结果，同步加速器能够实现小型化。

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同步加速器及使用了该同步加速器的粒子线治疗装置

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