CN102762023B - 圆形加速器、及圆形加速器的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供能稳定进行控制、调整简单、调整时间较短的圆形加速器。包括：目标电流值存储器，该目标电流值存储器存储从射出装置射出的带电粒子的粒子束电流的目标电流值；以及频率决定部，该频率决定部基于粒子束电流检测器的检测信号与存储于目标电流值存储器的目标电流值之间的误差信号来进行反馈控制，从而求出频率变化率，并根据该求出的频率变化率和当前的频率，来决定下一个频率，将该频率决定部所决定的下一个频率存储于频率存储器，并使高频产生装置产生所决定的下一个频率的高频。

Description

圆形加速器、及圆形加速器的运行方法

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

专利文献1的射出方法具有无需射出专用的高频电极的特长。然而，在扫描照射法中，在考虑到为了缩短照射时间而提高照射粒子束电流强度的时间稳定性、或为此而进行的调整的容易性的情况下，存在以下的问题。所射出的粒子束反映出横向(相对于粒子束的前进方向的垂直的方向)的相位平面上的粒子分布、或纵向(粒子束前进方向)的高频稳相区(RF bucket)内部的粒子分布。因此，在想要提高照射粒子束电流的稳定性的情况下，由于需要对施加于高频加速空洞的高频电压的频率、频率的变化速度、构成圆形加速器的多个电磁铁的磁场等进行较为精密的调整，因此，存在不容易进行调整的情况、或调整时间较长的情况。

本发明用于解决上述问题，其目的在于，提供一种提高射出粒子束电流的时间稳定性、容易地进行调整且调整时间较短的圆形加速器。

本发明所涉及的圆形加速器包括：致偏电磁铁，该致偏电磁铁使带电粒子沿回旋轨道回旋，从而形成带电粒子束；高频加速空洞，该高频加速空洞用于将带电粒子进行加速；高频产生装置，该高频产生装置对该高频加速空洞输出高频；高频控制装置，该高频控制装置对该高频产生装置所产生的高频进行控制；区域分割装置，该区域分割装置将沿回旋轨道回旋的带电粒子的电子感应加速岂荡分割成稳定区域和共振区域；射出装置，该射出装置用于从回旋轨道取出带电粒子；以及粒子束电流检测器，该粒子束电流检测器对由该射出装置射出后的带电粒子的粒子束电流进行检测，在所述圆形加速器中，高频控制装置包括：目标电流值存储器，该目标电流值存储器存储从射出装置射出的带电粒子的粒子束电流的目标电流值；以及频率决定部，该频率决定部基于粒子束电流检测器的检测信号与存储于目标电流值存储器的目标电流值之间的误差信号来进行反馈控制，从而求出频率变化率，并根据该求出的频率变化率和当前的频率，来决定下一个频率，将该频率决定部所决定的下一个频率存储于频率存储器，并使高频产生装置产生所决定的下一个频率的高频。

根据本发明，能获得控制稳定、且调整简单的、调整时间较短的圆形加速器。

附图说明

图1是详细表示作为本发明的实施方式1的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。

图2是表示本发明的实施方式1的整个圆形加速器中的必要构成设备的框图。

图3是详细表示作为本发明的实施方式1的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的其他结构的框图。

图4是详细表示作为本发明的实施方式1的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的又一其他结构的框图。

图5是详细表示作为本发明的实施方式2的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。

图6是详细表示作为本发明的实施方式3的圆形加速器主要部分的高频控制装置的结构的框图。

图7是详细表示作为本发明的实施方式4的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。

图8是详细表示作为本发明的实施方式5的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。

图9是详细表示作为本发明的实施方式6的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。

图10是详细表示作为本发明的实施方式7的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。

图11是详细表示作为本发明的实施方式8的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。

图12是对成为本发明基础的同步加速器振动进行说明的图。

图13是对成为本发明基础的加速中(射出中)的同步加速器振动进行说明的图。

图14是对成为本发明基础的三次共振激励时的电子感应加速岂荡和分界面进行说明的图。

图15是对成为本发明基础的射出中的电子感应加速岂荡和分界面进行说明的图。

具体实施方式

首先，对本发明中的圆形加速器的基本理论进行描述。在圆形加速器为利用设置于圆形加速器内的、高频加速空洞的电场进行加速的类型的情况下，除了相对于粒子束的前进方向正交的两个方向的电子感应加速岂荡以外，粒子束还沿粒子束的前进方向进行振动，同时，使带电粒子稳定地进行加速。该振动被称为同步加速器振动。使用对于所设计的、成为基准的射出前的频率f₀和磁场强度B₀的圆形加速器内部的磁场强度的偏移ΔB/B₀、以及粒子束所受到的高频电压的频率的位移Δf/f₀，从而利用数学式(1)来表现正在进行同步加速器振动的带电粒子。

[数学式1]

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2}-\mathrm{\α})\frac{\mathrm{\Δp}}{p_0}+\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\ΔB}}{B_0}---\left(1\right)$

式中，

α：动量压缩因数，轨道周长的变化相对于动量位移的比例

γ：射出时的能量除以静态能量而得的值

f₀：设计频率

p₀：设计动量

B₀：设计致偏磁场

在用专利文献1的射出方法保持致偏电磁铁的磁场一定(ΔB＝0)的情况下，用数学式(2)来表示频率的位移量与动量位移量之间的关系。

[数学式2]

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2}-\mathrm{\α})\frac{\mathrm{\Δp}}{p_0}---\left(2\right)$

下面进一步对从圆形加速器射出粒子束时的同步加速器振动和电子感应加速岂荡进行详细说明。利用图12，对同步加速器振动的例子进行说明。图12的横轴表示粒子束的各粒子所受到的高频电压的相位，纵轴表示动量。在致偏磁场一定的情况下(ΔB＝0)，若使高频电压的频率发生变化(使上述数学式的Δf发生变化)，则由数学式(2)可知，粒子束会发生加速，动量也会发生变化。其形态如图13所示。

另一方面，在沿相对于粒子束的前进方向正交的方向(下面称为横向)进行观察的情况下，在将横轴设为位置x、将纵轴设为轨道的倾斜度x’的情况下，粒子束正进行被称为电子感应加速岂荡的稳定的回旋运动。在射出时，例如在三次共振的情况下，利用圆形加速器内的六极电磁铁激励出三次共振，从而将电子感应加速岂荡分割成稳定区域和共振区域。即，如图14所示，在振动的稳定区域与不稳定区域的边界上形成分界面。在这种状态下使高频电压的频率发生变化，并使动量发生变化，从而使自由振荡频率发生变化，如图15所示，由于在射出时，以虚线三角形来表示的加速中的分界面的区域变化成以实线来表示的三角形的区域，从而稳定区域变窄，因此，粒子被逐出至不稳定区域。逐出至分界面外的不稳定区域的带电粒子的振幅会因共振而急剧增大。此时，若例如在射出用电极的位置上设置电极，使得在图15的斜线的位置上产生电场，则振幅增大，对到达该位置的带电粒子施加由电场所产生的力，从而能改变轨道。最后，利用射出用电磁铁使轨道产生较大弯曲，以从加速器中取出例如变更轨道至外侧的带电粒子。

在本射出方法中，暂时将Δf设为某个值、例如设为Δf＝Δf₁，即，将施加于高频加速空洞的高频电压的频率设为f+Δf₁，使中心动量变化成p+Δp₁，并进行射出。之后，即使再一次将高频电压的频率设定为相同的频率f+Δf₁，但在该条件下所射出的带电粒子都已经射出，从而除非进一步使频率发生变化，否则不会射出。因而，通过使频率持续发生变化，使dp/p持续增加，以进行射出。本发明的目的在于，在采用该射出方法的圆形加速器中，获得一种能较稳定地对粒子束电流强度进行控制的、容易调整的圆形加速器。

此外，作为将沿回旋轨道回旋的带电粒子的电子感应加速岂荡分割成稳定区域和共振区域的区域分割的方法，除利用六极电磁铁来激励出三次共振的方法以外，还有各种方法，但在本说明书中，以利用六极电磁铁激励出三次共振的方法为例来进行说明。即，在本说明书中，六极电磁铁成为将电子感应加速岂荡分割成稳定区域和共振区域的区域分割装置，但该区域分割装置并不局限于六极电磁铁。

实施方式1.

图1是详细表示作为本发明的实施方式1的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图，图2是表示本实施方式1的整个圆形加速器中的必要构成设备的框图。由包括粒子束产生装置的初级加速器1加速至足够能量的带电粒子经射入装置38而射入圆形加速器主体100，在圆形加速器主体100内加速至目标能量。用圆形加速器主体100内的高频加速空洞2对带电粒子进行加速。另外，在圆形加速器主体100中，设置有致偏电磁铁3，使带电粒子沿回旋轨道进行回旋，从而形成带电粒子束。对于由圆形加速器主体100进行了加速的带电粒子，在射出前利用六极电磁铁4激励出三次共振，形成分界面，从而将电子感应加速岂荡分割成稳定区域(分界面的内侧)和共振区域(分界面的外侧)。即，六极电磁铁4构成区域分割装置，所述区域分割装置将沿回旋轨道进行回旋的带电粒子的电子感应加速岂荡分割成稳定区域和共振区域。四极电磁铁5用于对电子感应加速频率和分界面的面积进行调整。另外，六极电磁铁6对色度进行调整。

在圆形加速器主体100内部，带电粒子团具有由致偏电磁铁3的磁场唯一决定的中心动量，分布于该中心动量附近。此时，例如使用高频加速空洞2使中心动量发生位移，使电子感应加速岂荡的稳定区域(分界面的面积)变窄，从而将带电粒子逐出至共振区域。若进入共振区域的带电粒子沿x方向的振幅因共振而增大，例如到达感觉到射出用电极7的电场的区域，则会被由电场所产生的力引导至射出通道一侧，利用射出用电磁铁39使轨道向圆形加速器外的方向弯曲，并进行射出。即，以射出用电极7和射出用电磁铁39来构成射出装置70。

利用通常由多个输送系统的电磁铁组40和真空导管所构成的输送系统，将从圆形加速器主体100射出的带电粒子束引导至进行运用的位置。在图2中，示出了将带电粒子束运用于粒子射线治疗装置的例子，用输送系统将带电粒子束引导至照射装置50，利用照射装置50，对患者60的患部进行扫描和照射，即，进行扫描照射。输出施加于高频加速空洞2的高频的高频产生装置9将粒子束监视器8的检测信号、即粒子束电流信号作为反馈信号，并利用高频控制装置10来进行控制，所述粒子束监视器8是对由照射装置50所照射的带电粒子束的电流量进行测定的粒子束电流检测器。

接着，利用图1，对由高频控制装置10所进行的粒子束电流量控制进行说明。在本实施方式1中，将粒子束监视器8所检测出的粒子束电流信号作为反馈信号，以对施加于高频加速空洞2的高频的频率进行反馈控制。由数学式(1)可知，作为使动量发生位移的方法，存在使磁场发生变化的方法、使频率发生变化的方法、或使这两者都发生变化的方法。由于与使高频的频率发生变化相比，致偏电磁铁3的磁场的变化的响应速度较慢，因此，对施加于高频加速空洞2的高频的频率进行控制最为有效。

这里，在圆形加速器的运行中，利用来自外部定时系统27的定时信号，来对带电粒子的加速、减速、射出的开始时刻和结束时刻进行控制。高频控制装置10利用从定时系统27传送来的定时信号，将与定时相对应的电压信号和频率传送至高频产生装置9。将电压信号存储于高频电压存储器323，并将该电压信号传送至振幅控制器12。关于频率的控制，从定时系统27传送来的定时信号对切换开关26进行控制，以对控制进行切换。在除射出期间以外的期间内，将存储有加速等所需要的频率的频率设定值存储器324的频率数据直接传送至高频产生装置9。即，在除射出期间以外的期间内，利用前馈控制来决定频率。另一方面，在射出中，频率决定部30传送由反馈控制来决定的频率数据。但是，例如在射出期间内也不进行反馈控制的情况下，或在一部分期间内不进行反馈控制等的情况下，在频率设定值存储器324中有时也存储有射出期间的频率。

作为反馈控制系统的高频控制装置10具有以下结构。在例如粒子射线治疗装置的情况下，将使用所需的、根据治疗所需的照射剂量来决定的带电粒子的量、即粒子束电流的值作为目标电流值存储于目标电流值存储器321。将为了从圆形加速器主体100取出该目标电流值的带电粒子而使高频的频率发生变化的比例、即频率变化率存储于频率变化率设定值存储器322。通常，将存储于该频率变化率设定值存储器322的频率变化率作为从开始射出起的时间序列的数据来进行存储。

电流比较器15输出用低通滤波器25对由粒子束监视器8所测得的粒子束电流信号(反馈信号)进行滤波而得的信号、与存储于目标电流值存储器321的目标电流值之间的误差信号。在频率变化率修正值运算器16中，对电流比较器15的输出、即误差信号实施比例/积分/微分(PID)运算，以决定适当的频率变化率修正值。例如利用事先测得的控制系统的传递函数、或通过分析，来求出用于决定适当的频率变化率修正值的PID运算的增益。

接着，在频率变化率修正器17中，通过对由频率变化率修正值运算器16所决定的频率变化率修正值加上存储于频率变化率设定值存储器322的频率变化率设定值，来决定频率变化率df/dt。在乘法运算器18中，对由频率变化率修正器17所决定的频率变化率df/dt乘以高频控制装置10的时钟周期Δt，以计算频率变化值Δf。在频率控制器19中，根据存储于频率存储器21的、当前的频率的值，来加上由乘法运算器18所求出的频率变化值Δf，从而决定一个时钟期间后、即接下来高频产生装置9所产生的频率。

如上所述，在包括电流比较器15、频率变化率修正值运算器16、频率变化率修正器17、乘法运算器18、以及频率控制器19的频率决定部30中，基于粒子束监视器8的检测信号与存储于目标电流值存储器321的目标电流值之间的误差信号来进行反馈控制，从而对存储于频率变化率设定值存储器322的频率变化率进行修正，以决定频率。

高频信号产生器11(例如直接数字式频率合成器)将从频率控制器19输出的频率的值作为输入信号，以输出所规定的频率的高频信号。另外，频率存储器21存储有频率控制器19所决定的频率。在振幅控制器12中，将从高频信号产生器11输出的高频信号的电压设为从高频电压存储器323输出的规定的电压值，用高频放大器13将所规定的电压值的高频信号进行放大，并将其施加于高频加速空洞2。用这些高频信号产生器11、振幅控制器12、以及高频放大器13来构成高频产生装置9。

此外，由于一般在圆形加速器中将粒子加速至接近光速的速度，因此，高频控制装置10要求进行1/1000秒以下的高速控制。为了实现该控制，作为除存储器部分以外的高频控制装置10，一般可以使用FPGA(现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array))或DSP(数字信号处理器(Digital signalprocessor))。

另外，在将本发明运用于粒子射线治疗装置的情况下，由于粒子射线治疗装置的目的在于可靠地对患部进行粒子束照射，因此，优选为将粒子束监视器8放置得尽可能靠近患者。另一方面，由于对高频的频率进行控制的高频控制装置10是数字设备，因此，大多放置于较远的地方，而不放置于产生射线的地方。因此，存在粒子束监视器8与高频控制装置10之间的信号传输距离为几十m以上的情况，有可能因反馈控制的传输损耗或噪音所引起的信号劣化而导致反馈控制效果下降。在这种情况下，在从粒子束监视器8到高频控制装置10之间设置电光转换装置和光电转换装置，用光信号来传送反馈信号，从而能防止该劣化。此外，在图1中，将来自粒子束监视器8的信号通过低通滤波器25输入至电流比较器15。虽然不一定需要该低通滤波器25，但由于噪音等的反馈信号的高频分量会成为导致反馈控制不稳定的原因，因此，优选为使用例如使几kHz以上的高频信号发生衰减的低通滤波器25。

下面说明反馈控制对于将电流控制成为目标值是有效的原因。在本射出方法中，使中心频率发生位移，从而使动量发生位移，将带电粒子束从圆形加速器主体100射出。但是，由于难以预先知晓横向(相对于粒子束的前进方向的垂直的方向)的相位平面上的粒子分布、或纵向(粒子束前进方向)的高频稳相区内部的粒子的分布，因此，很难为了进行扫描照射而射出在时间上具有较高的稳定性的带电粒子束。另外，由于致偏电磁铁3的磁场会因电源脉动等在现实中难以避免的原因而相对于时间发生摆动，因此，严格来讲很难将致偏电磁铁3的磁场误差ΔB设为0，由于这个原因，动量会发生摆动。此外，在除致偏电磁铁3以外的磁体、例如四极电磁铁5中，磁场误差也会促使自由振荡频率的变化。若包含这些磁场误差，则存在以下问题：即，更难通过利用预先决定的Δf进行反馈控制，来对粒子束电流进行控制。

此外，在本射出方法中，例如在尝试进行Δf(频率为中心频率f₀+Δf)的反馈控制的情况下，以某个频率进行一次射出之后，即使再一次返回相同的频率，也无法获得相同程度的射出电流。这是由于以该频率射出的带电粒子基本都已射出完了。严格来讲，由于高频稳相区内的带电粒子正在进行同步加速器振动，因此，即使在相同频率下也会在一定程度上持续射出粒子束。另外，在存在磁场误差的情况下，除非dp/p相同，否则即使在相同频率下也可能会射出。由于上述原因，一般即使将为了使加速保持稳定而进行的Δf反馈控制运用于射出粒子束电流控制，也难以控制射出粒子束电流而使其相对于时间保持一定。

当考虑了来自同步加速器的粒子束射出的物理特性时可知，所射出的粒子束电流量不取决于相对于中心频率f₀存在多大的频率变化量Δf。决定此时的射出粒子束电流量的是，当前的频率相对于过去的频率发生了多大的变化、即频率相对于时间的倾斜度(频率变化率)。本发明人着眼于这一情况，发现了以下结果：即，求出频率变化率的修正值，在进行反馈控制的情况下，只根据实时判明的频率值、而非预先由设计而得知的f₀，使用该频率变化率修正值，来计算下面的频率的值，这样做较为有效。

发现了以下结果：即，若将以上的控制用数学式来表示，则如数学式(3)所示，在将某个时间t的频率表示为f(t)时，通过对f(t)的时间变化率df(t)/dt进行反馈控制，能有效地对射出粒子束电流强度进行控制。

[数学式3]

$f\left(t\right)=f(t-\mathrm{\Δt})+\stackrel{\·}{f}\left(t\right)\×\mathrm{\Δt}---\left(3\right)$

为了进行数学式(3)的控制而具备有存储频率的频率存储器21，这是本发明的反馈控制系统的一个特征。此时，为了能设计用于射出目标电流值的带电粒子的频率变化率的大致的值，预先决定频率变化率的设定值，并将其存储于频率变化率设定值存储器322。如数学式(4)所示，若对以该频率变化率设定值为基础的修正值进行反馈控制，则反馈增益较小即可，控制更为稳定。

[数学式4]

$f\left(t\right)=f(t-\mathrm{\Δt})+({\stackrel{\·}{f}}_0\left(t\right)+\stackrel{\·}{f}\left(t\right))\×\mathrm{\Δt}---\left(4\right)$

此外，数学式(3)、数学式(4)中的·表示时间微分。图1是用于实现该数学式(4)的结构。

另外，也可以采用直接实现数学式(3)的结构。即，采用如图3所示的结构。在图3中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。在图3的结构中，不包括图1所示的频率变化率设定值存储器322。电流比较器15输出存储于目标电流值存储器321的目标电流值与由粒子束监视器8所测得的粒子束电流信号之间的差分、即误差信号。在频率变化率运算器170中，根据电流比较器15的输出、即误差信号，直接通过计算来求出频率变化率。利用所求出的频率变化率，在乘法运算器18、频率控制器19中，决定下一个、即一个时钟期间后的频率。

此外，也可以利用圆形加速器内的残留粒子束电流的信号，来获得从圆形加速器射出的粒子束电流值。作为残留粒子束电流监视器，可以使用例如DCCT(直流电流互感器(DC current transformer))。图4是使用DCCT来作为残留粒子束电流监视器28的结构例。在图4中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。由于DCCT是对圆形加速器内的残留粒子束电流量进行测定的监视器，因此，与图1的粒子束监视器8不同，残留粒子束电流值的时间变化成为所射出的粒子束电流值。因此，使用微分运算器37。由于微分运算器37的输出信号成为粒子束电流值，因此，可以将该信号用作为反馈信号。即，以残留粒子束电流监视器28和微分运算器37来构成粒子束电流检测器80。

如上所述，在本发明的实施方式1的圆形加速器中，由于将由射出装置70所射出的带电粒子的粒子束电流的目标电流值存储于目标电流值存储器321，在频率决定部30中，基于粒子束电流检测器的信号与存储于目标电流值存储器321的目标电流值之间的误差信号来进行反馈控制，从而求出频率变化率，根据所求出的频率变化率和当前的频率，来决定下一个频率，因此，能获得以下圆形加速器：即，控制稳定，并能以简单的调整射出稳定的、达到目标的粒子束电流。

实施方式2.

图5是详细表示作为本发明的实施方式2的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。在图5中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。在本实施方式2中，高频控制装置10的内部设置有参照粒子束监视器8的信号的内部定时系统36。在实施方式1中，在圆形加速器的运行中，利用来自外部的定时系统27的定时信号来控制加速、减速、射出的开始时刻和结束时刻，在射出中，高频控制装置10对高频产生装置9输出由反馈控制所决定的频率。

但是，若完全仅通过反馈控制来进行射出，则由于射出刚开始后几乎不存在被射出的带电粒子，因此，会施加非常大的反馈增益，从而对于所射出的粒子束电流有可能会出现过冲。虽然也可以预先将反馈增益设定得较小，但若将增益设得过小，则粒子束电流的上升会耗费较多时间。作为解决该问题的方法，在开始射出一定的粒子束电流之前，以使用了频率设定值存储器324的数据的前馈控制来进行控制，然后切换成反馈控制，从而能实现上升较快、且较为稳定的粒子束电流的控制。

若为了对粒子束电流进行监视和切换而将粒子束电流信号传送一次至高频控制装置10的外部的定时系统27，则有可能产生延迟。因此，在高频控制装置10的内部对粒子束电流进行监视和切换，由于这样就能更高速地从前馈控制向反馈控制进行切换，因此较为有效。在本实施方式2中，在高频控制装置10的内部，设置内部定时系统36，该内部定时系统36基于来自粒子束监视器8的粒子束电流信号，向切换开关26发出指令，以从前馈控制向反馈控制进行切换。由此，能进行上升较快、且较稳定的粒子束电流的控制。

另外，在预先知道从开始射出起到开始进行反馈控制为止的最合适的时间的情况下，在预先设定的、从开始射出起经过规定的时间之后，从前馈控制切换至反馈控制，而非基于来自粒子束监视器8的粒子束电流信号来从前馈控制向反馈控制进行切换，从而能高速地进行达到目标电流的控制。

此外，不言而喻，粒子束电流信号也可以使用图4所示的由残留粒子束电流监视器28和微分运算器37所形成的粒子束电流检测器80的信号。在以下的各实施方式中也是一样的。

实施方式3.

图6是详细表示作为本发明的实施方式3的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。在图6中，与图1、图4、以及图5相同的标号表示相同或相当的部分。在本实施方式3中，设置有对圆形加速器内的残留粒子束电流值进行测定的残留粒子束电流监视器28。利用微分运算器37将残留粒子束电流监视器28的信号进行微分运算，若所求出的粒子束电流值与由粒子束监视器8所测得的粒子束电流值不同，则可知所射出的粒子束在从同步加速器到粒子束监视器8之间存在损耗。因此，将来自对两者进行比较的比较器29的信号传送至内部定时系统36，从而能将所述信号用作为射出停止用的信号。

此外，由于来自残留粒子束电流监视器28的信号是圆形加速器内的残留粒子束电流值信号，因此，内部定时系统36也可以根据残留粒子束电流监视器28本身的信号来进行判断，并在残留粒子束较少的情况下，结束射出。若残留粒子束较少，则由于无论怎么进行反馈控制都无法对所射出的粒子束电流进行控制，因此，存在以下效果：即，避免在这种情况下发生控制不稳定的射出。

实施方式4.

图7是详细表示作为本发明的实施方式4的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。在图7中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。像实施方式1所说明的那样，在本射出方法的情况下，所射出的粒子束反映出横向的相位平面上的粒子分布、或纵向的高频稳相区内部的粒子的分布，但难以预先知道这些粒子分布。由此，利用前馈控制，难以精确地将所射出的粒子束电流值控制成目标电流值。在本发明中，由于对频率变化率进行反馈控制，因此，通过对动量位移率发生变化的速度进行控制，能使射出粒子束电流保持稳定，利用反馈控制能减小因磁场变动而产生的扰动的效果。由于其中上述效果的重复性很高，因此，先将反馈后所决定的频率变化率存储于例如频率变化率设定值存储器322，在接下来的加速时的射出时，不使用通过预先设计来决定的频率变化率设定值的数据，而是使用通过上一次的反馈控制而获得的频率变化率数据。在此基础上，磁场变动的扰动的效果能通过采用该数据的修正值从而减小反馈增益。在本实施方式4的控制方法中，由于反馈增益较小，因此，具有进一步提高控制的稳定性的效果。

实施方式5.

图8是详细表示作为本发明的实施方式5的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。在图8中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。在本实施方式5中，设置有电压运算器34和切换开关33，所述电压运算器34根据当前的频率值和用于决定下一个频率的Δf值，来求出电压值，所述切换开关33用于对来自高频电压存储器323的电压值与由电压运算器34所求出的电压值进行切换。在本射出方法中，由于使动量位移发生变化(使能量增加)来进行射出，因此，最合适的电压值时刻都在发生变化。在利用前馈控制进行射出的情况下，由于预先知道频率值，因此，预先知道被加速的能量的值，其结果是，事先对最合适的电压值进行预测，先将该电压值存储于高频电压存储器323，并通过前馈控制使电压发生变化。

另一方面，在进行反馈控制的情况下，对于射出后所经过的时间，无法事先知道精确的频率值。在施加于高频加速空洞2的电压值不是最合适的值的情况下，由于粒子会从图13的稳相区漏出至外部(即使改变频率也无法使从稳相区漏出的粒子加速)，因此，射出效率会下降。因而，根据当前的频率的值和用于决定下一个频率值的Δf的值来进行计算，以决定下一个电压值。利用该计算，传送至振幅控制器12的电压值成为不使图13的稳相区(分界面的内侧)的面积减小的值。这样，当进行前馈控制时，将存储于高频电压存储器323的电压值传送至高频产生装置9，当进行反馈控制时，利用切换开关33进行切换，将由电压运算器34所求出的电压值传送至高频产生装置9。利用该结构，由于在反馈控制中也将与实际的频率相对应的、最合适的电压值的高频施加于高频加速空洞2，因此，具有提高射出效率的效果。

实施方式6.

图9是详细表示作为本发明的实施方式6的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。在图9中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。在本实施方式6中，设置有频率比较器35。在本射出方法中，将粒子束进行加速，一边使动量发生变化，一边进行射出。在不进行反馈控制的情况下，由于事先决定了频率的值，因此，预先知道射出中所达到的能量。由此，能预先对所想要射出的能量的范围内的频率变化进行设计。但是，在进行了反馈控制的情况下，事先不知道最终所达到的频率的值。即，无法事先对所射出的能量范围进行预测。因此，设置有频率比较器35，该频率比较器35保持预先决定的最终所达到的频率的值，并对该值与反馈后的频率的值进行比较。在利用频率比较器35判断为反馈后的频率变成了最终所达到的频率的情况下，将停止反馈控制的反馈控制停止信号传送至开关26，并舍弃残留于圆形加速器内的粒子，以进行加速的初始化。由此，能有效地使用反馈控制，并能在所设计的能量范围内进行射出。

实施方式7.

图10是详细表示作为本发明的实施方式7的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。在图10中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。在本实施方式7中，由于使频率变化率修正运算器16的增益随着时间而变化，因此，设置有预先存储增益的设定值的时间变化的增益设定值存储器325。在本射出方法中，受到高频稳相区内部的粒子分布的影响很大，另外，也受到横向的相位平面上的粒子分布的影响。由此，适合于开始射出后所经过的时间的反馈增益的值不同。特别是在射出后半期间，由于高频稳相区内的带电粒子的一大半都被射出，因此，粒子束电流量容易下降，反馈增益增大时控制较为有效。在本实施方式7中，从存储有预先决定的、从开始射出起每隔一定时间的增益的增益设定值存储器325读出频率变化率修正运算器16所使用的增益，使增益随着开始射出后的时间段的不同而变化，从而能更有效地进行反馈控制。

实施方式8.

图11是详细表示作为本发明的实施方式8的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。在图11中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。在本实施方式8中，对于圆形加速器主体100，设置有高速四极电磁铁41。在扫描照射中，根据带电粒子的能量来决定进行照射的深度方向的位置，通过照射不同能量的带电粒子来对不同深度方向的位置进行照射。即，通过改变能量，来照射根据每种深度而决定的照射范围(称为切片。但是，严格来讲，由于体内不均匀性和体形不同，即使以单一能量来进行照射也无法达到完全相同的深度)。由于以圆形加速器的加速来决定被射出的能量，因此，在利用一次的射入来进行加速的过程中，能以同一能量(同一溢出量)进行射出。另一方面，在照射对象中，为了形成避开重要脏器的分散区域(飛び地)等，或根据体内的运动来进行射出(例如呼吸同步照射)等，有时需要暂时停止射出。对于停止射出，存在以下方法：即，利用定时信号来停止反馈控制，使频率的发生变化的方向快速倒转，从而使射出停止。即，在降低频率而进行射出的情况下提高频率。在提高频率而进行射出的情况下降低频率。在利用定时信号再次开始射出之后，再次开始进行反馈控制。然而，在这样的方法中，由于为了停止而改变频率，因此，还要考虑到存在开始射出后的反馈控制变得不稳定的情况。因此，在本实施方式8中，持续调出频率存储器21的值，从而不改变频率，对电感量小而高速地进行响应的高速四极电磁铁41进行励磁以使射出暂停。在这种情况下，由于只要通过持续调出频率存储器21的值来保持频率的值即可，因此，容易进行控制。由于若能利用上述方法来实现射出的暂停、再射出，则能提高以一次的射入来进行加速的同步加速器内的粒子束的利用率，因此，能缩短照射时间。

另外，在扫描照射法中，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，并再调整能量，从而也沿深度方向进行扫描，以对目标部位进行照射。此时，每个照射部位所需要的照射量都各不相同。由于无论粒子束的能量如何，都能运用本发明的电流调整方法，因此，根据每个不同的能量的溢出量(将一次的射入、加速、射出所射出的粒子束电流的时间波形称为溢出量(spill))来改变传送至电流比较器15的目标电流值，从而能射出适当强度的粒子束电流。另外，即使在根据每种深度来决定的照射范围内，即即使在同一能量的溢出量中，根据边缘部分或整个照射部位的形状，所需要的照射量也会随着位置的不同而不同。在这种情况下，在同一溢出量中，使传送至电流比较器15的目标电流值按时间序列变化，从而能以同一能量来改变粒子束电流强度。

由于若能改变粒子束电流强度，则能以较大的强度对预定照射量较大的位置进行照射，并能以较小的强度对预定照射量较弱的位置进行照射，因此，容易对剂量进行管理，并能缩短照射时间。此外，如实施方式2中所说明的那样，通过对从前馈控制切换至反馈控制的定时、以及频率变化率修正器17的反馈增益进行调整，能变更粒子束电流以达到目标值而不产生波峰。

标号说明

1：初级加速器

2：高频加速空洞

3：致偏电磁铁

4：六极电磁铁

7：射出用电极

8：粒子束监视器(粒子束电流检测器)

9：高频产生装置

10：高频控制装置

15：电流比较器

16：频率变化率修正值运算器

17：频率变化率修正器

18：乘法运算器

19：频率控制器

21：频率存储器

26：切换开关

28：残留粒子束电流监视器

30：频率决定部

35：频率比较器

36：内部定时系统

37：微分运算器

70：射出装置

80：粒子束电流检测器

100：圆形加速器主体

321：目标电流值存储器

322：频率变化率设定值存储器

323：高频电压存储器

324：频率设定值存储器

325：增益设定值存储器

Claims (14)

1.一种圆形加速器，包括：致偏电磁铁，该致偏电磁铁使带电粒子沿回旋轨道回旋，从而形成带电粒子束；高频加速空洞，该高频加速空洞用于将所述带电粒子进行加速；高频产生装置，该高频产生装置对该高频加速空洞输出高频；高频控制装置，该高频控制装置对该高频产生装置所产生的高频进行控制；区域分割装置，该区域分割装置将沿所述回旋轨道回旋的带电粒子的电子感应加速岂荡分割成稳定区域和共振区域；射出装置，该射出装置用于从所述回旋轨道取出所述带电粒子；以及粒子束电流检测器，该粒子束电流检测器对由该射出装置射出后的带电粒子的粒子束电流进行检测，其特征在于，

在所述圆形加速器中，所述高频控制装置包括：

目标电流值存储器，该目标电流值存储器存储从所述射出装置射出的带电粒子的粒子束电流的目标电流值；以及

频率决定部，该频率决定部利用反馈控制，来求出频率变化率，并根据该求出的频率变化率和当前的频率，来决定下一个频率，所述反馈控制基于所述粒子束电流检测器的检测信号与存储于所述目标电流值存储器的目标电流值之间的误差信号，

将该频率决定部所决定的下一个频率存储于频率存储器，并使所述高频产生装置产生所述所决定的下一个频率的高频。

2.如权利要求1所述的圆形加速器，其特征在于，包括：

频率变化率设定值存储器，该频率变化率设定值存储器为了利用所述射出装置将所述目标电流值的所述带电粒子射出，将使所述高频产生装置所产生的高频的频率发生变化的比例、即频率变化率作为时间序列数据来进行存储，

所述频率决定部包括：

频率变化率修正值运算器，该频率变化率修正值运算器对所述粒子束电流检测器的检测信号与存储于所述目标电流值存储器的目标电流值之间的误差信号进行运算，以决定频率变化率修正值；以及

频率变化率修正器，该频率变化率修正器利用由所述频率变化率修正值运算器所决定的频率变化率修正值，来修正存储于所述频率变化率设定值存储器的频率变化率，并求出频率变化率。

3.如权利要求1所述的圆形加速器，其特征在于，

所述高频控制装置包括：

频率设定值存储器，该频率设定值存储器存储预先决定的频率；以及

切换开关，该切换开关将由所述频率决定部所决定的频率、与存储于所述频率设定值存储器的频率进行切换，

所述高频产生装置产生由所述切换开关进行了切换的频率的高频。

4.如权利要求3所述的圆形加速器，其特征在于，

所述切换开关在从射出所述带电粒子束开始经过规定时间后，从存储于所述频率设定值存储器的频率切换成由所述频率决定部所决定的频率。

5.如权利要求3所述的圆形加速器，其特征在于，

所述切换开关基于所述粒子束电流检测器的检测信号，将存储于所述频率设定值存储器的频率、与由所述频率决定部所决定的频率进行切换。

6.如权利要求3所述的圆形加速器，其特征在于，

所述圆形加速器包括检测所述圆形加速器内部的残留粒子束电流的残留粒子束电流监视器，所述切换开关基于所述残留粒子束电流监视器的检测信号，将存储于所述频率设定值存储器的频率、与由所述频率决定部所决定的频率进行切换。

7.如权利要求2所述的圆形加速器，其特征在于，

将被修正后的频率变化率存储于所述频率变化率设定值存储器。

8.如权利要求1所述的圆形加速器，其特征在于，

所述高频控制装置基于在所述频率决定部中所求出的频率变化率和当前的频率，来求出由所述高频产生装置所产生的高频的电压值，并将所求出的该电压值传送至所述高频产生装置。

9.如权利要求3所述的圆形加速器，其特征在于，

所述高频控制装置包括频率比较器，该频率比较器将预先决定的最终到达频率的值进行保持，在判断为由所述频率控制器所决定的频率达到了所述最终到达频率的情况下，将信号传送至所述切换开关。

10.如权利要求2所述的圆形加速器，其特征在于，

所述高频控制装置包括增益设定值存储器，该增益设定值存储器存储预先设定的、从开始射出起每隔一定时间的增益值，所述高频控制装置根据从所述增益设定值存储器所读出的增益值，来设定所述频率变化率修正值运算器的增益。

11.一种圆形加速器的运行方法，所述圆形加速器包括：致偏电磁铁，该致偏电磁铁使带电粒子沿回旋轨道回旋，从而形成带电粒子束；高频加速空洞，该高频加速空洞用于将所述带电粒子进行加速；高频产生装置，该高频产生装置对该高频加速空洞输出高频；区域分割装置，该区域分割装置将沿所述回旋轨道回旋的带电粒子的电子感应加速岂荡分割成稳定区域和共振区域；射出装置，该射出装置用于从所述回旋轨道取出所述带电粒子；以及粒子束电流检测器，该粒子束电流检测器对从该射出装置射出后的带电粒子的粒子束电流进行检测，其特征在于，在所述圆形加速器的运行方法中，

利用反馈控制，来求出频率变化率，根据该求出的频率变化率和当前的频率，来决定所述高频产生装置所产生的下一个频率，以进行运行，所述反馈控制基于所述粒子束电流检测器的检测信号与预先决定的目标电流值之间的误差信号。

12.如权利要求11所述的圆形加速器的运行方法，其特征在于，

利用反馈控制，对为了利用所述射出装置射出所述目标电流值的所述带电粒子而预先决定的频率变化率进行修正，并求出所述频率变化率，所述反馈控制基于所述粒子束电流检测器的检测信号与预先决定的目标电流值之间的误差信号。

13.如权利要求12所述的圆形加速器的运行方法，其特征在于，

将所求出的所述频率变化率作为从开始射出起的时间序列数据来进行存储，在其他的加速后的射出时，不使用所述预先决定的频率变化率，而是使用所述所求出的频率变化率来进行运行。

14.如权利要求11所述的圆形加速器的运行方法，其特征在于，

使所述目标电流值按时间序列变化。