旋转电容器、圆形加速器以及粒子线治疗系统的制作方法

1.本发明涉及粒子线的圆形加速器所使用的旋转电容器、圆形加速器以及使用了圆形加速器的粒子线治疗系统。


背景技术：

2.作为使主磁场强度随时间恒定且随时间调制加速高频的频率的类型的圆形加速器，已知有同步回旋加速器、专利文献1所记载的偏心轨道型加速器。在上述圆形加速器中，在主磁场的生成中使用超导线圈进行高磁场化是比较容易的，从而能够通过实现加速器的小型化来实现低成本化。因此，上述圆形加速器特别适用于粒子线治疗系统。
3.在同步回旋加速器、偏心轨道型加速器中，作为对使带电粒子束加速的高频的频率进行调制的元件，使用旋转电容器。旋转电容器一般包括定子电极、与定子电极对置配置的转子电极、使转子电极旋转的旋转轴、以及支撑旋转轴的轴承。在专利文献2中记载有这样的旋转电容器的一例。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2019-133745号公报
7.专利文献2：日本特开2020-095772号公报


技术实现要素：

8.发明所要解决的课题
9.然而，旋转电容器的轴承需要承受旋转轴的高速旋转。并且，高频电流有时会沿着箱体的壁面流向轴承。因此，轴承是消耗品，需要定期地更换轴承。
10.在现有技术的旋转电容器中，定子电极、转子电极、旋转轴以及轴承配置在被抽真空后的箱体内。若在被抽真空后的箱体内配置有轴承，则每当更换轴承时，需要使箱体内向大气敞开。并且，需要在使箱体内向大气敞开并更换轴承之后再次对箱体内进行抽真空这样的作业，从而轴承的维护的作业性降低。
11.本发明的目的在于提高圆形加速器所使用的旋转电容器的轴承的维护的作业性。
12.用于解决课题的方案
13.本发明的一个方式是一种旋转电容器，用于通过对直流主磁场施加第一高频来使带电粒子束加速的圆形加速器，对上述第一高频的频率进行调制，其特征在于，包括：定子电极；转子电极，其与上述定子电极对置地配置，与上述定子电极一起用于上述第一高频的频率的调制；真空密封件，其对使上述转子电极旋转的旋转轴的周围进行真空密封；以及轴承，其设置于大气侧，支撑上述旋转轴。
14.本发明的一个方式是一种圆形加速器，其特征在于，包括上述的旋转电容器，通过对直流主磁场施加上述第一高频来使带电粒子束加速。
15.本发明的一个方式是一种粒子线治疗系统，其特征在于，包括：上述的圆形加速
器；以及照射装置，其向患者照射从上述圆形加速器射出的带电粒子束。
16.发明的效果如下。
17.根据本发明，能够提高圆形加速器所使用的旋转电容器的轴承的维护的作业性。
附图说明
18.图1是示出本实施方式的圆形加速器的外观的立体图。
19.图2是示出本实施方式的圆形加速器的剖视图。
20.图3是图2的a-a线剖视图。
21.图4是示出各能量的射束起动的图。
22.图5是示出本实施方式的圆形加速器的运动模式的图。
23.图6是示出本实施方式的加速腔和旋转电容器的剖视图。
24.图7是图6的b-b线剖视图。
25.图8是示出变形例1的旋转电容器的剖视图。
26.图9是图8的c-c线剖视图。
27.图10是示出粒子线治疗系统的结构的图。
28.图11是示出变形例2的旋转电容器的剖视图。
29.图中：
30.22—旋转电容器，29—真空密封件，30—轴承，32—定子电极，33—转子电极，35—传动轴，39—圆形加速器。
具体实施方式
31.以下，对本发明的实施方式进行说明。下述的实施方式只不过是一例，本发明并不限定于下述的具体的方式。本发明本身除了下述的实施方式以外还能够变形为各种方式。
32.并且，本发明的旋转电容器适于圆形加速器，但并不仅限定于这一用途。本发明的圆形加速器适于粒子线治疗系统，但并不仅限定于这一用途。
33.以下，参照图1至图3，对本实施方式的圆形加速器的结构进行说明。图1是示出本实施方式的圆形加速器39的外观的立体图。图2是示出圆形加速器39的横截面(中心平面)的剖视图。图3是图2的a-a线剖视图，且是示出圆形加速器39的纵截面的剖视图。
34.圆形加速器39是在强度随时间恒定的主磁场中利用频率调制后的高频电场对射束进行加速的装置。作为一例，对将质子束加速至235mev的圆形加速器进行说明，但圆形加速器39也可以是对氦、碳等重粒子束进行加速的装置。
35.圆形加速器39是以使射束轨道向射束射出路径入口82侧偏心的方式形成有主磁场的偏心轨道型加速器，能够在70mev至235mev之间任意地改变射束能量而射出。
36.如图1及图3所示，圆形加速器39的外壳由能够在上下方向上分割的主电磁铁40形成。在主电磁铁40内的中心平面上形成有加速区域，该加速区域被抽真空。以下，将在加速区域内开始对射束进行加速、并且到射束的能量达到最大能量235mev为止射束所通过的轨道称为环绕轨道。将环绕轨道中的能量为最大能量235mev的射束所通过的轨道称为最大能量轨道80(参照图2)。将能量为70mev的射束所通过的轨道称为最低出射能量轨道。将环绕轨道描绘螺旋的面称为轨道面或轨道平面。确定以加速区域的中心为原点的轨道面的二维
极坐标系，将从该中心向半径外侧方向的轴称为r轴。
37.如图3所示，主电磁铁40包括主磁极38、磁轭41以及主线圈42。由磁轭41形成主电磁铁40的外观。在磁轭41的内部形成有大致圆筒状的区域。主线圈42是圆环状的超导线圈，沿磁轭41的内壁设置。在主线圈42周围设有低温恒温器60，由低温恒温器60冷却主线圈42。在主线圈42的内周侧，上下对置地设置有主磁极38。将通过使电流流向主线圈42而被激励并由主磁极38形成的上下方向的磁场称为主磁场。主磁场用于形成偏心轨道。加速区域是用于对主磁场中的射束进行加速的区域。
38.如图2所示，在磁轭41形成有多个贯通口。具体而言，形成有射束用贯通口46、线圈用贯通口48、抽真空用贯通口49以及高频系统用贯通口50。射束用贯通口46是用于射出加速后的射束的贯通口。线圈用贯通口48是用于将设置在磁轭41内的各种线圈导体引出到外部的贯通口。抽真空用贯通口49是用于对加速区域进行抽真空的贯通口。高频系统用贯通口50是加速腔10所使用的贯通口，设于上下磁极的连接面。
39.如图1所示，在主电磁铁40的上部设置有离子源53。离子源53生成向主电磁铁40射入的离子束。由离子源53生成的射束通过低能量射束输送系统54，并经由离子射入部52而射入至主电磁铁40内部的加速区域。作为离子源53，能够应用ecr离子源等。此外，离子源53也可以配置在主电磁铁40内部的被抽真空后的加速区域内部，在该情况下优选pig型离子源等。
40.如图2所示，离子射入部52在中心线上配置为比加速区域的机械中心更靠近射束射出路径入口82侧。由离子源53生成的带电粒子的射束通过低能量射束输送系统54并经由离子射入部52，由偏转电极(未图示)等射入至主电磁铁40内部的加速区域。射入后的射束在高频电场中被加速，一边增加能量一边在主磁场中环绕。随着射束被加速，其轨道的曲率半径增加，射束从加速区域的中心朝向外侧描绘螺旋状的轨道。此外，使射束加速的高频相当于第一高频的一例。
41.加速腔10是λ/2共振型腔，包括d形电极12、虚设d形电极13、内导体14、外导体15以及旋转电容器22。d形电极12是射束在其内部通过的中空电极，与内导体14相连。虚设d形电极13是接地电位的电极，与包覆内导体14的外导体15相连。在d形电极12与虚设d形电极13之间形成加速间隙11。在加速间隙11形成高频电场。
42.由高频电源21经由输入耦合器20向加速腔10供给高频电力。输入耦合器20通过静电耦合式或磁耦合式的任一方式与加速腔10耦合。由此，在加速间隙11产生用于对射束进行加速的高频加速电压以及由高频加速电压形成的高频电场。
43.旋转电容器22是用于调制加速腔10的共振频率的设备。通过使旋转电容器22的静电电容随时间变动，能够改变加速腔10的共振频率而形成频率调制模式。在d形电极12与虚设d形电极13之间的加速间隙11产生由旋转电容器22调制频率后的加速电压。图2所示的加速间隙11是谐波数1的加速间隙、即是环绕频率与加速频率相同的加速间隙，根据射束的轨道形状来形成。
44.高频电源21通过自励式或他励式的任一方式来供给追随加速腔10的共振频率变化而变化的频率的高频电力。
45.以下，对实现偏心轨道的主磁场进行说明。主磁场可以是主磁场强度在周向上恒定的类型的磁场，也可以是avf(azimuthal varying field：方位变场)类型的磁场。无论哪
种类型的磁场，主磁场分布都是非等时性磁场。以满足以下的式(1)所表示的n值比0大且小于1的射束稳定化条件的方式确定主磁场分布。
46.式1
[0047][0048]
此处，ρ是设计轨道的偏转半径，b是磁场强度，δb/δr是半径方向的磁场梯度。在上述的射束稳定化条件下，从设计轨道沿径向微小地偏离的射束受到向设计轨道返回之类的复原力，相对于轨道面向铅垂的方向偏离后的射束在向轨道面返回的方向上从主磁场受到复原力。即，射束在设计轨道的附近进行电子回旋加速振动，从而稳定地环绕而被加速。并且，在所有能量的射束中，与轨道面内平行且与轨道正交的方向的电子回旋加速振动频率(水平方向谐波)νr设定为接近1的值。上述的主磁场分布由主磁极38以及设置于主磁极38的表面的调整线圈、磁极片(均未图示)形成。上述构成要素相对于轨道平面上下对称地配置，因此主磁场在轨道平面上仅具有与轨道平面垂直的方向的磁场成分。
[0049]
图4示出各能量的环绕轨道。从最大能量235mev起每隔磁刚性率0.04tm，就用实线示出50种能量的轨道。虚线是将各轨道的同一环绕相位连结的线，称为等环绕相位线。等环绕相位线从汇集区域起每隔环绕相位π/20进行绘制。形成于d形电极12与虚设d形电极13之间的加速间隙11沿等环绕相位线设置。更具体而言，d形电极12以同心轨道的中心附近为前端，呈半径沿着等环绕相位线的扇形之类的中空的形状。
[0050]
与现有的回旋加速器相同，射束的能量较低的区域的轨道接近以离子射入部52附近为中心的同心轨道。能量更大的轨道密集地汇集在射束射出路径入口82的一侧。相反，在内导体14的一侧，各能量的轨道处于相互分离的位置关系。将该轨道密集地聚集的点称为汇集区域，将离散的区域称为离散区域。通过形成这样的轨道配置，并从汇集区域附近提取射束，能够减小所需的射束突跳量，因此能够使能量可变的射束射出变得容易。
[0051]
以下，参照图5，对射束射入至圆形加速器39并从圆形加速器39射出为止的过程进行说明。图5的(a)示出了表示加速腔10的共振频率f
cav
、由高频喷射器70对射束施加的高频电场的频率亦即频率f
ext
以及时刻t的关系的曲线图。图5的(b)示出了表示在加速间隙11产生的加速电压v
acc
、对高频喷射器70施加的高频电压v
ext
以及时刻t的关系的曲线图。图5的(c)示出了表示射入的射束的电流以及射出的射束的电流与时刻t的关系的曲线图。此外，对高频喷射器70施加的高频相当于第二高频的一例。
[0052]
一个加速周期从加速电压v
acc
的上升(时刻t1)开始。之后，若加速电压v
acc
充分上升，则射束从离子源53射入至圆形加速器39(时刻t2)。在射束射入至圆形加速器39后经过时间t1后，射束的高频捕获结束。所捕获到的射束、即所射入的射束中加速准备已完成的射束开始由加速电压v
acc
加速(时刻t3)。若射束的能量达到想要提取的能量，则开始加速高频的切断(时刻t4)，若从此经过时间t2，则加速电压v
acc
成为断开状态(时刻t5)，射束在某轨道环绕。此外，形成射束的各个带电粒子在环绕时在与射束的轨道正交的方向上振动，将该振动称为电子回旋加速振动，将该振动的振动频率称为电子回旋加速振动频率。并且，将每环绕一圈的振动频率称为谐波，将每环绕一圈的向轨道面外侧的射束在r轴上的位移称为转向分离。并且，关于环绕的射束，将轨道面内且与射束的轨道正交的方向的电子回旋加速
振动称为水平方向的电子回旋加速振动，将谐波称为水平方向谐波。该电子回旋加速振动具有当被施加适当的高频电压时引起共振而振幅急剧增大的性质。
[0053]
在v
acc
成为断开状态的同时，开始向高频喷射器70施加高频电压v
ext
。此外，也可以严格地在加速电压v
acc
成为断开状态的同时，开始向高频喷射器70施加高频电压v
ext
(时刻t5)。高频电压v
ext
的施加开始可以是加速高频的切断开始(时刻t4)之前、同时或之后，也可以是加速电压v
acc
成为断开状态之前、之后。此外，能够通过加速电压v
acc
的施加时间来控制想要提取的能量。
[0054]
若高频喷射器70不是共振器构造，而是静电电容设计为适当的值，则高频喷射器70的高频电压以数μs的响应而迅速上升。电子回旋加速振动具有如下性质：在水平谐波或水平谐波的小数部中的任一方与射束的环绕频率之积大致和施加的高频电压的频率相同时，振幅共振而增大。因此，该高频电压的频率f
ext
设定为与最大能量束的水平方向谐波νr的小数部δνr与想要提取的能量的射束的环绕频率f
rev
之积δνr×frev
大致相同。或者，也可以施加包括与积δνr×frev
大致相同的频率成分在内的有限的频带宽度的高频电压。其结果，水平方向电子回旋加速振动的振幅共振而持续地增大，不久，射束到达设置于最大能量轨道80的外周侧的峰值磁场区域44和再生磁场区域45(时刻t6)。
[0055]
到达峰值磁场区域44后的射束向轨道面的外周侧突跳。到达再生磁场区域45后的射束向轨道面内周侧突跳。突跳是指通过施加电场或磁场来使射束偏转。通过峰值磁场区域44的四极磁场成分，射束进一步向外周侧突跳，转向分离增大。同时，通过再生磁场区域45的磁场，抑制射束的水平方向谐波急剧地变动，防止在直到射出射束为止的期间内电子回旋加速振动在与水平方向90度正交的垂直方向上发散而失去射束。若适当地调节峰值磁场区域44和再生磁场区域45各自的磁场强度，则产生2νr＝2的电子回旋加速振动的共振条件，能够使转向分离增大。
[0056]
如图2所示，在射束射出路径入口82设置有隔膜线圈43。若得到大幅度地超过设置于隔膜线圈43的内周侧的线圈导体(未图示)的厚度的转向偏离，则射束被引导至隔膜线圈43内部，受到充分的偏转而被引导至高能量射束输送系统47并射出。
[0057]
此外，在开始向高频喷射器70施加高频电压之后(时刻t5)，施加尽量大的高频电压，使射束的振幅迅速增大，从而能够缩短直到射束射出为止的时间。通过在射束到达峰值磁场区域44或再生磁场区域45之前(时刻t6)使高频电压降低，从而调整向峰值磁场区域44和再生磁场区域45前进的射束的量，能够细微地控制射束射出电流。代替使高频电压v
ext
降低，通过扫描对高频喷射器70施加的高频的频率、或者改变该齿轮高频的相位，也能够改变射束的射出电流。这利用了射束所包含的带电粒子的电子回旋加速振动频率具有某种分布而产生偏差的性质(谐波传播)。通过改变高频的频率，改变引起共振的带电粒子的振动频率的分布的频带，从而能够改变射束的射出电流。
[0058]
通过在从射束的射出开始(时刻t6)起经过时间t4后停止向高频喷射器70施加高频电压v
ext
，来使射束的射出停止(时刻t7)。通过调整该时间t4，能够控制射束的射出时间。
[0059]
通过对施加于高频喷射器70的高频电压进行控制，能够调整射束射出电流，若停止施加该高频电压，则能够停止射束射出。因此，能够用一次射出脉冲射束而恰好地照射扫描照射所要求的点剂量，提高剂量率。例如，若如图5所示地从射束的射出开始(时刻t6)起持续向高频喷射器70施加高频电压v
ext
直到经过时间t4’
为止，则能够射出射束直到时刻t7
为止。
[0060]
并且，若在射出后残存有在加速器内环绕的射束，则能够通过再次施加高频电压v
ext
来再次开始射束射出(时刻t8)，能够不再次进行射束的射入、捕获以及加速而在接下来的点照射中使用射束。即，能够在一个加速周期内多次射出射束，因此能够无浪费地使用从离子源53射入的电荷，进一步提高剂量率。若加速电压v
acc
再次开始上升，则新的加速周期开始(时刻t10)。
[0061]
以下，参照图6，详细地对旋转电容器22进行说明。旋转电容器22设置于加速腔10的与d形电极12相反的一侧的端部。旋转电容器22包括马达31、定子电极32、转子电极33、将转子电极与马达31连接的传动轴35、旋转接头34、真空密封件29、传动轴35的轴承30以及支架28。
[0062]
定子电极32形成在内导体14上。转子电极33与外导体15相邻，不与外导体15在物理上进行连接，但经由静电电容而与外导体15电连接。此外，也可以与该结构相反，定子电极32形成在外导体15上(在物理上进行连接)，转子电极33与内导体14静电耦合。
[0063]
图7是图6的b-b线剖视图。为了实现图5的(a)所示的频率调制模式，定子电极32以及转子电极33具备在周向上具有任意形状的切口部的周期对称构造。通过使定子电极32与转子电极33的对置部面积变化，从而在定子电极32与转子电极33之间形成的静电电容随时间变动。
[0064]
在图7所示的例子中，由于该周期对称构造是八次对称的构造，所以每当马达31旋转一圈时，频率调制模式重复八个周期的量。若进一步增多周期对称次数，则能够降低马达转速，还能够提高真空密封、轴承部的寿命。
[0065]
传动轴35设置为贯通马达31的中心。在传动轴35的端部设置有旋转接头34，向传动轴35内供给冷却水。冷却水用于转子电极33的冷却。图6所示的马达31只不过是一例，旋转电容器22所使用的马达也可以具有共享传动轴和旋转轴的构造以外的构造。例如，也可以在传动轴的旁边设置马达，经由齿轮、带轮等驱动传动轴。
[0066]
支架28被水冷却，保持并冷却真空密封件29和轴承30。真空密封件29设置在d形电极12侧，对传动轴35的周围进行真空密封。支撑传动轴35的轴承30设置在与d形电极12相反的一侧。也就是说，轴承30设置于大气侧。由于作为消耗品的轴承30设置于大气侧，所以轴承30的更换等维护作业变得容易。并且，由于不需要为了进行该维护作业而使真空敞开，所以能够减少圆形加速器39的停机时间。并且，即使轴承30所使用的润滑脂产生灰尘，其场所也处于大气中，不会引起真空度的恶化，因此不会产生放电、射束损失这样的问题。
[0067]
作为真空密封件29，使用唇形密封件、双o型圈、威尔逊密封件、波纹管密封件等。此外，若马达31的转速为2000rpm以下，则能够使用磁性流体密封件，由此提高滑动性，因此能够期待密封寿命的提高。
[0068]
能够成为高频电流流动的路径的定子电极32、转子电极33、内导体14、外导体15以及传动轴35全部是导电体制的部件。
[0069]
图8示出变形例1的旋转电容器。为了降低在真空密封件29、轴承30的一侧流动的高频电流，如图8所示，旁路电容器23也可以设置于真空密封件29的真空侧。旁路电容器23包括相互对置的支架侧电极24和传动轴侧电极25。支架侧电极24是固定于与外导体15连接的导电体制的支架28’的电极，传动轴侧电极25是固定在传动轴35上的电极。
[0070]
图9示出旁路电容器23的结构。图9是图8的c-c线剖视图。支架侧电极24和传动轴侧电极25是在周向上不具有切口部的电极。通过该结构，静电电容增加，针对高频的阻抗降低。因此，高频电流容易流过该旁路电容器23，流过真空密封件29、轴承30的高频电流减少，从而能够提高真空密封件29、轴承30的寿命，降低维护作业的频率。
[0071]
此外，支架侧电极24与传动轴侧电极25也可以与定子电极以及转子电极相同地在周向上具有切口部。在具有切口部的情况下，静电电容会减少，但与定子电极以及转子电极相同，也能够产生有助于共振频率调制的静电电容变化。并且，支架侧电极24和传动轴侧电极25构成为具有与定子电极、转子电极相同程度的旋转半径，也能够使静电电容增加而提高高频电流的旁路效果。
[0072]
在使用磁性流体密封件作为真空密封件29的情况下，为了形成磁路，需要由磁性体构成传动轴35。若支架28也由磁性体构成，则能够切断从主电磁铁40漏出的泄漏磁场。并且，也可以采用如下的磁屏蔽构造：设置有覆盖从外导体15的外周侧直到支架28的外周侧的磁性流体屏蔽件，不仅磁性流体屏蔽件、轴承30，还包括转子电极33在内地遮蔽泄漏磁场。由此，能够降低由泄漏磁场产生的磁性流体密封件的密封性能降低和在转子电极33产生的涡流损耗双方。另外，若利用与外导体15连接的导电体制的箱体来无间隙地覆盖旋转电容器22整体，则能够抑制有可能从传动轴35向周围空间扩散的高频噪声。
[0073]
以下，参照图10对本实施方式的粒子线治疗系统的结构进行说明。图10中示出了粒子线治疗系统的结构。本实施方式的粒子线治疗系统包括圆形加速器39、旋转机架190、具有扫描线圈的照射装置192、治疗台201、以及控制上述部件的控制装置191。从圆形加速器39射出的射束由旋转机架190输送至照射装置192。通过照射装置192以及射束能量的调整来将所输送的离子束整形为与患部形状一致，对躺在治疗台201上的患者200的患部目标照射预定量。照射装置192包括剂量监视器，按照每个照射点地监视对患者200照射的剂量。控制装置191基于该剂量数据，计算各照射点的要求剂量，并将其计算结果输出至运算装置。
[0074]
根据本实施方式的旋转电容器22，作为消耗品的轴承30设置于大气侧，因此在进行轴承30的维护作业(例如轴承30的更换)时，不需要使圆形加速器39向大气敞开。也就是说，能够在不使圆形加速器39向大气敞开的情况下进行轴承30的维护。因此，能够提高轴承30的维护作业的效率。并且，由于不需要使圆形加速器39向大气敞开，所以能够缩短圆形加速器39的停机时间。其结果，能够延长使用了圆形加速器39的粒子线治疗系统的运转时间，能够提高患者的吞吐量。
[0075]
以下，参照图11对变形例2的旋转电容器进行说明。图11是示出变形例2的旋转电容器的剖视图。
[0076]
变形例2的旋转电容器22a在图6所示的旋转电容器22的结构的基础上，还包括轴承30a和支架28a。在变形例2中，轴承30相当于第一单独轴承的一例，轴承30a相当于第二单独轴承的一例。由轴承30、30a支撑传动轴35。支架28a保持轴承30a。轴承30和轴承30a在传动轴35上设置于相互分离的位置。
[0077]
若将轴承设置于大气侧，则与将轴承设置于真空侧的情况相比，传动轴35变长，但通过将轴承30、30a设置于相互分离的位置，能够稳定地支撑传动轴35。
[0078]
此外，也可以设置三个以上的轴承，由三个以上的轴承支撑传动轴35。