[发明专利]圆形加速器、及圆形加速器的运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种圆形加速器，该圆形加速器为了用于粒子射线治疗装置等，利用高频电压将带电粒子进行加速，并取出被加速的带电粒子。

背景技术

将同步加速器用于以下物理实验或癌症治疗等医疗用途：即，用同步加速器等圆形加速器使带电粒子回旋加速，从该回旋轨道取出加速至高能量的带电粒子，用粒子束输送系统输送呈束状的带电粒子(也称为带电粒子束、粒子射线)，对所希望的对象物照射该呈束状的带电粒子。同步加速器包括：用于使带电粒子束长时间回旋的真空导管；用于控制回旋轨道或带电粒子束尺寸的产生致偏磁场或聚束磁场的电磁铁组；以与回旋周期同步的高频电压(也称为加速电压)将粒子束进行加速的高频加速空洞；对施加于高频加速空洞的高频电压进行控制的高频产生装置；将带电粒子导入真空导管的射入装置；以及将带电粒子取出至圆形加速器外的射出装置。在上述构成要素中，高频产生装置包括：产生加速电压的高频源；对该高频的频率、电压进行控制的高频控制装置；以及将所产生的高频进行放大的放大器。

圆形加速器的运行包括射入、加速、及射出。高频产生装置对高频加速空洞施加加速电压，从而对在时间上均匀分布的射入粒子束在稳定加速区域上形成粒子束的块(聚束)。在加速中，使施加于高频加速空洞的加速电压的频率增加。在作为圆形加速器的一种的同步加速器(圆形加速器除了回旋半径一定的同步加速器以外，还有回旋半径随着加速而变大的回旋加速器)中，为了保持粒子束的回旋半径一定，高频产生装置根据由用于形成带电粒子的回旋轨道的致偏电磁铁所产生的致偏磁场强度，来对加速电压频率进行控制。最后，利用射出用磁体使加速至目标能量的粒子束的轨道弯曲，并将粒子束取出至圆形加速器外。

一般，圆形加速器中的带电粒子以设计轨道为中心，一边进行电子感应加速岂荡(ベ一タトロン振動：Betatron Oscillation)，一边进行回旋。此时，存在被称为分界面的稳定界限，稳定界限内、即稳定区域的带电粒子进行稳定的回旋，但超出稳定区域的带电粒子具有振动振幅增加而发生发散的特性。为了利用该特性来射出带电粒子，在现有的圆形加速器中，使用四极电磁铁，使表示加速器每一周的电子感应加速频率的自由振荡频率接近整数±1/3，将六极电磁铁进行励磁(三次共振)等。

提出有以下方式：即，在射出时，例如使施加于圆形加速器的高频加速空洞的高频电压的频率发生变化，从而使作为回旋的带电粒子团的带电粒子束的中心动量发生位移，使电子感应加速岂荡的稳定区域变窄，并进行射出(例如专利文献1)。在该方法中，为了根据动量的位移量将粒子束射出，一边使高频加速空洞的高频电压的频率逐渐发生变化，一边将粒子束进行射出。

另外，还提出有以下方法：即，除了高频加速空洞以外，还包括产生高频电压的电极，利用该电极间所产生的电场，保持分界面(电子感应加速岂荡的稳定区域与共振区域之间的边界)一定而增大电子感应加速岂荡的振幅，不使中心动量发生位移，将粒子束从稳定区域逐出至共振区域，从而进行射出(RF逐出法，专利文献2)。在该方法中，由于不使中心动量发生位移，因此，使具有中心动量的粒子的回旋频率(中心频率)保持一定较为理想，施加于电极的高频信号包含与电子感应加速频率同步的频率分量。此时，考虑到严格来讲粒子的自由振荡频率具有连续的部分，通过增大频带，能更有效地进行射出。

近年来，在利用圆形加速器的粒子射线治疗中，需要一种能高精度地照射癌症部位、且无需对每位患者使用治疗辅助工具的扫描照射法。在扫描照射中，一般利用照射系统的两个双极电磁铁将粒子束进行二维扫描，并调整能量，从而也沿深度方向进行扫描，以对目标部位进行照射。在原则上不停地持续照射相同能量的粒子束的扫描照射法(光栅扫描照射)的情况下，需要在时间上具有较高的稳定性的照射粒子束电流强度。由于稳定性越高，照射剂量的管理越容易，能增加照射粒子束电流量，因此，能缩短照射时间。

专利文献1：日本专利特开2003-086399号公报

专利文献2：日本专利特开平5-198397号公报

发明内容