粒子線治療について

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線形加速器

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線形加速器

(1)RFQ

イオン源から取り出されたイオンは2つの分析電磁石を通ってRFQに入射される。
RFQの加速原理は基本的に通常のライナックと同じであるが、集束の方法が違う。そのためにRFQは4ヴェイン型の構造(写真7)を持っている。ヴェイントップは理論的な等ポテンシャル面を再現するよう2次元的な加工を施されている。その形状は図3に示されるように波型になっている。水平方向(X)と垂直方向(Y)で波型構造の位相は90度ずれている。XとYの極性はお互いに反対であり、200MHzで入れ替わる。このときXとYの波型形状の頂上間に電位差が生じ、それによりビームは加速される。一方、水平方向(垂直方向)の対になっている2つヴェイントップの波型構造は位相が一致しており、その頂上付近で水平方向と垂直方向に交互に集束を受ける。
ヴェインの電圧分布のチューニングはタンク側壁に設けられた固定チューナー(写真9)、手動チューナーで行われる。運転中の場合には自動チューナーによって調整される。

(2) ドリフトチューブ線形加速器(DTL)

 DTLはアルバレ型線形加速器とも呼ばれ、RFQで加速されたイオンはDTLに入射される。加速周波数はRFQと同じ200MHz である。写真10がDTL内部の写真である。中心には57個のドリフトチューブ(DT)が並んでいる。それぞれのDT内に4極電磁石が組み込まれていて、ビームはDT内を通過する際に集束を受ける。加速はDT間で行われる。炭素と陽子・ヘリウムでは加速勾配が違う。それはRF電力を変えることにより変えられる。炭素では(q/mが1/3なので)900kW、陽子・ヘリウムでは(q/mが1/2なので)400kWのRF電力がDTLに与えられる。
DTLの直後にはストリッパー(写真12)が置いてある。ストリッパーは薄いアルミホイルで、ビームはそこを通ることにより、荷電変換される。C4+はC6+にH2+はH+になり、シンクロトロンに入射される。

(3) デバンチャー(DBC)

写真11:DBC

写真11:DBC

  線形加速器から出射されたビームは運動量にある広がりを持っている。その運動量幅はシンクロトロンの捕獲限界を越えており、そのまま入射すると捕獲効率が小さくなる。運動量の広がりを小さくするため、線形加速器とシンクロトロンとの間にDBC(写真11)が設置されている。DBCは基本的に加速器である。加速タイミングをビームパルスの中心に置き、早く来たビームを減速し、遅く来たビームを加速している。それによりシンクロトロンに入射されるビームの運動量幅を減少させている。

RFQのパラメータ DTLのパラメータ
加速イオン種(q/m) 1/3以上 全長 6.45m
入射エネルギー 35keV/n 入射エネルギー 1MeV/n
出射エネルギー 1MeV/n 出射エネルギー 5MeV/n
加速周波数 200MHz 最大表面電場 17.4MV/m
タンク内径 0.35m タンク内径 1.0m
ヴェイン長 3.9m 平均加速電場 2.6MV/m
最大表面電界 23.4MV/m セル数 58
ヴェイン間電圧 76kV 磁極配列 FFFDDD
最大繰り返し 2Hz 最大繰り返し 2Hz