粒子線治療について

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粒子線治療装置

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粒子線治療装置

粒子線治療装置とは、体内深い腫瘍まで粒子を集中させて照射する装置である。そのためには体内深くまで粒子が届くように加速し、なおかつ可能な限り正常細胞には影響しないようにする機能が必要である。

システム構成

粒子線治療装置本体は、

粒子線治療装置の鳥瞰図と各系の配置を示す。

粒子線治療装置の鳥瞰図と各系の配置を示す。

入射系 イオン源室 イオン源室 He , C , H
  直線加速器室 RFQ , DTL
主加速器系 シンクロトロン
ビーム輸送系  
照射系  

入射系

主な入射系機器

機器名 規格 台数
ECRイオン源 発振周波数10GHz (p, HE, C) 2台
三連静電四極 全電極長280mm, 電極間隔40mm 3台
加速電極 0.035MeV/u 2台
分析電磁石 最大中心磁場3kG, 偏向角90度 2台
スイッチング電磁石 最大中心磁場3kG, 偏向角90度 1台
RFQライナック 発振周波数200MHz, 1MeV/u 1式
DTLライナック 発振周波数200MHz, 5MeV/u 1式
デバンチャー 発振周波数200MHz, 運動量0.13%可変 1式
荷電変換器 炭素薄膜80μm/cm2, 40枚 1台
ビーム診断機器 ワイヤグリッド、ファラデーカップ、スリット等 1式
ビーム輸送 偏向電磁石、四極電磁石等 1式
電源 ECRイオン源、各種電磁石、静電極等用 60台
高周波電力増幅器 RFQ用最大300kW 3台
DTL用最大1.4MW 3台
デバンチャー用最大20kW 2台
真空ポンプ、ダクト 真空度10-8Torr程度 1式
その他 冷却系 1式

高エネルギービーム輸送系

主な高エネルギ-ビーム輸送系機器

機器名 規格 台数
偏向電磁石 磁束密度0.3-1.36T, 偏向角最大45度 18台
偏向電磁石 回転ガントリー用偏向角135度 2台
四極電磁石 磁場勾配最大15.5T/m 85台
ステアリング電磁石 磁束密度最大500Gauss 40台
ビーム診断機器 プロファイル(可搬形含む)、ビーム電流 10台
電源 各種電磁石・補助コイル用合計0.95MW 128台
高周波電力増幅器、電源 高周波加速空洞用 4式
真空ポンプ 真空度5×10-6Torr以下 14台
回転ガントリー本体 直径10m程度 2台
その他 冷却系
圧空系
その他
1式
1式

主加速器系

主な主加速器系機器

機器名 規格 台数
高周波加速空洞 発振周波数0.98-6.75MHz 1台
偏向電磁石 磁束密度0.079-1.383T, 偏向角30度 12台
四極電磁石 磁場勾配最大6.719T/m 24台
ステアリング電磁石 磁束密度最大500Gauss 24台
補正用四極電磁石 磁場勾配最大0.840T/m 2台
六極電磁石 補正用、出射用 16台
静電インフレクター電極 電場50kV/cm 1台
静電デフレクター電極 電場64kV/cm 2台
セプタム電磁石 入射用、出射用 2台
バンプ電磁石 入射用、出射用 8台
ビーム診断機器 位置・プロファイル・強度・リップル等 36台
電源 各種電磁石・静電極用、合計3MW 46台
高周波電力増幅器、電源 高周波加速空洞用 4式
真空ポンプ 真空度10-8Torr以下 28台
真空ダクト リブつき・セラミック・ベローズ等 35式
その他 冷却系
圧空系
その他
1式
1式

加速器とは

線形加速装置

加速器というのは、粒子に運動エネルギーを与え、速度を上げるための装置です。粒子の加速には、電場を用います。電荷をもった粒子(荷電粒子)は、電場の中で、エネルギーをもらい速度が高くなります。これは、右の図のように、二つの電極板により電場をつくって、負の電荷をもった電子を穴から電場に入れると、正の電極板に向かって引き寄せられます。この時、電子は加速され、速度を上げて正の電極に向かいます。この時の電子の運動エネルギ-は、電場の中での位置エネルギ-が運動エネルギ-に変えられたものです。1Vの電場で加速された電子のエネルギーを1電子ボルト(eV)と言います。

このように、荷電粒子は、電場の中で電場からエネルギーをもらって速度を上げます。これが加速器の原理です。日常の生活の中でも加速器は使われています。その代表がテレビやパソコンのディスプレー用のブラウン管であり、陰極からの電子が約2千ボルトの電位差の中で加速され、2keVのエネルギーを持った電子ビームとして、ブラウン管の発光面を叩くことで、光を出しています。

放射線治療では、もっと高いエネルギーの粒子が必要です。そのために加速電場を何段階も重ねて加速します。加速の仕方から加速器にはいくつかの種類があります。

線形加速装置

線形加速装置

粒子を直線上にならべた加速電場で加速するものを線形加速器と言います。
円筒の加速空洞内に、円盤や小さい円筒を組み込み、この空洞の中に、大電力の高周波を導き、円筒内にできる高周波の定在波、または、進行波が作る電場を利用して加速します。

シンクロトロン加速装置

シンクロトロン加速装置

加速粒子を円形軌道に乗せるための多数の偏向電磁石と、粒子を加速するための電極に相当する高周波加速空洞から構成されています。

加速粒子をイオン源からビームとして取出し、線形加速器を使って、あるエネルギーにまで加速した後、円形軌道に打ち込みます。このとき、円形軌道上の偏向電磁石の磁場の強さは、最初には小さくしておきます。ビーム粒子は、円形軌道を周回するたびに、加速空洞を通過し、その度に、加速されエネルギーが増加して行きます。それに合わせて、磁場も増加させ、同じ円軌道を周回するように調整します。そして、最高エネルギーに達した時、円形軌道から離脱させ、外部へビームとして取り出します。

照射系

主な照射系機器

機器名 規格 台数
ワブラー電磁石 X, Y用、周波数約67Hz 14台
散乱体 鉛・タンタル製 7台
リッジフィルター 陽子用、炭素用 30台
レンジシフタ 最大水等価厚127mm 6式
リングコリメーター 強度95%で遮断する内径 6台
多葉コリメーター 40対、移動速度13mm/sec 6台
ボーラス・コリメーター取り付け 厚さ10cmと15cmを可能にする 10台
ビーム診断機器 正・副・副副線量、平坦度モニター 18台
ライトローカライザー 白色 6台
レーザーポインター 太さ1mm以下 5式
X線管 アイソセンターから1.592m上流 6台
XTV 正・側・BEV撮影(動画可) 5式
線量分布測定装置 X, Y, Z1, Z2の4軸移動 5台
治療台 カーボンケブラー製 4台
その他 冷却系 圧空系 その他 1式 1式

制御系

主な制御系機器

機器名 規格 台数
ワブラー電磁石 X, Y用、周波数約67Hz 14台
散乱体 鉛・タンタル製 7台
リッジフィルター 陽子用、炭素用 30台
レンジシフタ 最大水等価厚127mm 6式
リングコリメーター 強度95%で遮断する内径 6台
多葉コリメーター 40対、移動速度13mm/sec 6台
ボーラス・コリメーター取り付け 厚さ10cmと15cmを可能にする 10台
ビーム診断機器 正・副・副副線量、平坦度モニター 18台
ライトローカライザー 白色 6台
レーザーポインター 太さ1mm以下 5式
X線管 アイソセンターから1.592m上流 6台
XTV 正・側・BEV撮影(動画可) 5式
線量分布測定装置 X, Y, Z1, Z2の4軸移動 5台
治療台 カーボンケブラー製 4台
その他 冷却系
圧空系
その他
1式
1式