JP2000340400A

JP2000340400A - 加速器装置

Info

Publication number: JP2000340400A
Application number: JP11146758A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Sakurahata; 広明桜畠; Junichi Hirota; 淳一廣田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-05-26
Filing date: 1999-05-26
Publication date: 2000-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】電源の出力電流の変動に対する軌道補正を含
めたビーム調整が容易で、ビームコースが複数に別れて
いる場合にも負荷切換器及び励磁電源の員数を低減し、
不要なビーム損失の可能性を改善する加速器装置の提供
にある。【解決手段】加速器装置は、ビーム発生装置１と、シ
ンクロトロンリング９と、偏向電磁石１２〜１６、四極
電磁石１０、補正電磁石３９により形成されるビーム輸
送装置と、ビーム照射装置１７、１８を有する。高エネ
ルギービームが、ビーム輸送装置のビーム照射装置１７
に導入されるビーム輸送コースの偏向電磁石１２、１
３、１５は直列接続され、またビーム照射装置１８に導
入されるビーム輸送コースの偏向電磁石１２、１４、１
６が直列接続され、負荷切換盤１９を介して偏向電磁石
電源２０に接続される。負荷切換盤１９で両ビーム輸送
コースの偏向電磁石の極性を反転するよう切換接続す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、核物理実験装置、
高エネルギー物理学用粒子衝突実験装置、医療用放射線
治療装置、及び材料への放射線照射装置等へ適用される
ビームを加速して用いる加速器装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来の加速器装置を示す。ビーム
輸送系を形成する複数台の偏向電磁石１２〜１６、複数
台の四極電磁石１０及び軌道補正電磁石３９によりビー
ム照射装置１７及びビーム照射装置１８にビームを輸送
するビ−ム輸送システムを示す。各偏向電磁石は１台毎
に１台の電源により運転する。本例の如く同一仕様の電
磁石を運転する場合にシステムの簡素化のため負荷切換
盤２２を介して偏向電磁石用電源２３〜２５にそれぞれ
接続する。

【０００３】シンクロトロンより四極電磁石１０を経て
ビーム輸送装置に入射する高エネルギービームは、ビー
ム振分用偏向電磁石を励磁しその励磁極性を負荷切換盤
２２により制御することにより左右方向へ偏向され、同
時に切替励磁される偏向電磁石１３，１５を経てビーム
照射装置１７に導入されるビーム輸送コースと、偏向電
磁石１４，１６を経てビーム照射装置１８に導入される
ビーム輸送コースに切換えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のビーム輸送
系では、各偏向電磁石を個別の電源を用いて励磁してい
た。励磁する電源の電流値が変動すると該当する電源で
励磁している偏向電磁石の磁場が変動し、ビーム軌道が
変動する。この場合、該当する偏向電磁石電源の電流値
を再設定するかもしくは軌道補正電磁石を用いてビーム
軌道を修正する必要があった。偏向電磁石が数台並んだ
輸送装置では、各偏向電磁石電源における変動がそれぞ
れ生じることになり、偏向電磁石通過後に補正電磁石が
必要となるとともに、最終のビーム照射位置へのビーム
導入のためのビーム調整に時間がかかるという問題があ
った。

【０００５】また、複数のビーム軌道を有する場合に負
荷切換盤を用いてシステムを簡素化する場合があるが、
この場合でも負荷を切換える切換器が偏向電磁石毎に必
要であった。このように従来のシステムでは、負荷切換
器及び偏向電磁石の構成が多岐に渡るため加速器運転シ
ステムにおいて不要なビームの損失の可能性に対し不十
分であり、また故障によるシステムの停止の原因にもな
っていた。

【０００６】さらに、シンクロトロンリングとビーム輸
送系用偏向電磁石が機能分離であったため、シンクロト
ロンのビームエネルギーに対応したビーム輸送系の偏向
電磁石の運転を運転パターンを含めて同期させ、多様な
エネルギー変更毎に個別に調整する必要があった。

【０００７】本発明の目的は、電源の出力電流の変動に
対する軌道補正を含めたビーム調整が容易で、ビームコ
ースが複数に別れている場合にも負荷切換器及び励磁電
源の員数を低減し故障を低減し、不要なビーム損失を防
止できる加速器装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ビーム輸送
装置用偏向電磁石の２台以上を直列接続したことによっ
て達成される。

【０００９】また上記目的は、ビーム輸送装置用偏向電
磁石の２台以上を直列接続してなる２以上のビーム輸送
軌道と、該各ビーム輸送軌道を切換える負荷切換盤とを
設けたことによって達成される。

【００１０】また上記目的は、ビーム輸送装置用偏向電
磁石とシンクロトロンリング用偏向電磁石とを直列接続
したことによって達成される。

【００１１】上記手段によれば、ビーム輸送装置を構成
する複数台の偏向電磁石を直列接続励磁することによ
り、励磁電源の員数が低減され、電源の出力電流の変動
に対する軌道補正を含めたビーム調整が容易となる。ま
た、ビームコースが複数に別れている場合、各コースを
構成する偏向電磁石を直列励磁することにより、負荷切
換器及び励磁電源の員数が低減されるとともに個々の故
障に対する加速器システムの停止の可能性が低減し不要
なビーム損失を大幅に改善できる。

【００１２】また、シンクロトロンリングとビーム輸送
系用偏向電磁石を直列接続することにより、両者の連動
動作により高エネルギービームの輸送が確実になり、運
転タイミングの設定が確実になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき説明する。

【００１４】図１は、本発明の一実施形態の加速器装置
を示す。ビームをイオン源等により生成し１０MeV程度
の低いエネルギーまで加速してビームを発生させるビー
ム発生装置１が生成したビームは、低エネルギー用偏向
電磁石２や低エネルギー用四極電磁石３より形成される
低エネルギービーム輸送装置４を用いて輸送される。低
エネルギービーム輸送装置４の末端にビームを加速しエ
ネルギーを増大させるシンクロトロンリング９を設け
る。

【００１５】シンクロトロンリング９は、シンクロトロ
ン用偏向電磁石５やシンクロトロン用四極電磁石６等に
よりリングを形成する。このシンクロトロンリング９に
入射させたビームは、同リング内を１ＭＨｚ程度の周回
数で周回し、その周回毎にシンクロトロン用高周波加速
装置７により加速エネルギーを受け、ビームを所定の高
エネルギーまで加速させる。所定のエネルギーになった
時点で高周波加速装置７からのエネルギーの供給を停止
し一定のビームエネルギ−で保持した後、シンクロトロ
ン用ビーム出射装置８を動作させてシンクロトロンリン
グ９から高エネルギービーム輸送装置へとビームを出射
させる。

【００１６】シンクロトロン用ビーム出射装置８を用い
ると、シンクロトロンリングから出射させるビームの強
度(電流値）及びビーム出射ＯＮ／ＯＦＦを含む時間構
造を調整することができる。

【００１７】シンクロトロンリング９から出射したビー
ムは、高エネルギ−用四極電磁石１０、高エネルギー用
偏向電磁石１１、ビーム振分用偏向電磁石１２、高エネ
ルギー用偏向電磁石１３、高エネルギー用偏向電磁石１
４、高エネルギー用偏向電磁石１５及び高エネルギー用
偏向電磁石１６等よりなる高エネルギービーム輸送装置
によって輸送され、ビーム照射装置１７またはビーム照
射装置１８に導入される。

【００１８】ビーム照射装置１７，１８は、ビームを利
用するユーザの使用目的に合わせてビームを加工し照射
する装置であり、スリット、散乱体、コリメータ及び被
照射体保持装置等を有するものである。

【００１９】図１において、２ヶ所のビーム照射装置１
７，１８にビームを輸送するためにビーム振分用偏向電
磁石１２を用いてビームを左右方向へ同角度に偏向させ
る。その後ビーム照射装置１７にビームを輸送するため
には、高エネルギー用偏向電磁石１３、高エネルギー用
偏向電磁石１５及び関係するビームライン上の高エネル
ギ−用四極電磁石１０に通電する。同様にビーム照射装
置１８にビームを輸送するためには、高エネルギー用偏
向電磁石１４、高エネルギー用偏向電磁石１６及び関係
するビームライン上の高エネルギ−用四極電磁石１０に
通電することになる。

【００２０】図２は、偏向電磁石の詳細図である。

【００２１】偏向電磁石の偏向角θは、下記数１にて与
えられる。

【００２２】

【数１】

【００２３】ここで、Ｂは偏向電磁石の磁場、Ｌは偏向
電磁石磁場のビーム軌道上の磁気長であり、Ｂρは磁気
剛性率といいビームのエネルギーに依存する変数であ
る。

【００２４】偏向電磁石が発生する磁場Ｂは、数２

【００２５】

【数２】

【００２６】ここで、μ０は真空透磁率、ＮＩは磁場を
発生させるコイルの起磁力、ｇは鉄心の磁極間隔であ
る。従って、コイルの起磁力ＮＩ（＝コイルの巻き数×
通電電流）と磁極間隔ｇにより磁場が決定される。さら
に、偏向電磁石の曲率半径ρは、磁気剛性率Ｂρを偏向
磁場Ｂで割ったＢρ／Ｂの値により決定される。また、
磁気長Ｌは電磁石の鉄心の長さを変えることにより調整
可能な変数である。

【００２７】以上により各偏向電磁石は、数１及び数２
によって偏向角θを調整設定でき、偏向電磁石１２、１
３、１５によってビーム照射装置１７へビーム輸送さ
せ、偏向電磁石１２、１４、１６によってビーム照射装
置１８へビーム輸送させる。

【００２８】図１の実施形態では、ビーム輸送軌道を形
成するビーム振分用偏向電磁石１２、高エネルギー用偏
向電磁石１３、及び高エネルギー用偏向電磁石１５の３
台の偏向電磁石を電気的に直列に接続してある。同様
に、ビーム振分用偏向電磁石１２、高エネルギー用偏向
電磁石１４、及び高エネルギー用偏向電磁石１６の３台
も電気的に直列に接続する。各々の直列接続された偏向
電磁石群は負荷切換盤１９を介して高エネルギー用偏向
電磁石電源２０に接続する。また、本例ではビーム振分
用偏向電磁石１２以降の２種類のビーム輸送コースを対
称に配置しているので、負荷切換盤１９を用いて偏向電
磁石の極性を反転するように電気接続しビーム輸送コー
スを切換える。

【００２９】また、ビーム照射装置１７及びビーム照射
装置１８の手前にはビーム軌道補正電磁石３９を設置す
る。さらに、ビーム振分用偏向電磁石１２にはホール素
子等の磁場センサ−２１を磁場発生領域に配置し、発生
する磁場を監視する。

【００３０】以上によりビーム振分用偏向電磁石１２か
らビーム照射装置１７またはビーム照射装置１８までの
ビーム輸送軌道が１台の高エネルギー用偏向電磁石電源
２０を調整運転することによって一意に決定されるた
め、シンクロトロンから出射したビームのエネルギーに
応じて１台の高エネルギー用偏向電磁石電源２０の電流
値を調整するのみとなり、エネルギー変更時に対するビ
ーム輸送軌道の調整が容易となる。

【００３１】また、高エネルギー用偏向電磁石電源２０
が有するリップルや電流安定度の悪化による電流値の揺
らぎが生じる場合があるが、この場合に対しては高エネ
ルギー用偏向電磁石電源２０の指令値に対する出力電流
値の偏差を検出し、１台のビーム軌道補正電磁石３９に
フィードバックすることにより軌道を微調整することが
可能である。

【００３２】また、負荷切換盤１９を介してビーム輸送
コースを変更する場合でも切換器が１台のみであるた
め、切換器の員数が低減される。さらに、ビーム振分用
偏向電磁石１２に設置した磁場センサ−２１を用いて磁
場変更後に電磁石に発生している磁場の方向を検出する
ことによりビーム輸送コースの切換情報が容易に確認で
きる。よって、従来の切換器を複数台使用する場合に比
べて、切換器の故障によるシステムの停止及び不要なビ
ームの損失の可能性を大幅に改善することができる。

【００３３】ビーム照射装置１７または１８へのビーム
照射は、例えば、医療装置に利用した場合について説明
すると、ビーム振分用偏向電磁石１２のビーム下流側に
設けたビーム照射装置１７またはビーム照射装置１８に
治療を要する患者をセッティングする。２つのビーム照
射装置に同時にビームを導入することはできないので、
患者のセッティング作業が完了したビーム照射装置側か
らビーム要求が出される。このビーム照射要求は図示し
ない上位のビーム加速器装置全体を制御する加速器制御
装置へ要求される。この要求を受けて加速器装置は要求
されたビーム照射装置へビームを導入する運転を開始す
る。

【００３４】図３は、要求が出されたビーム照射装置の
ビーム照射の運転タイミングを示し、ビーム要求が出さ
れると、その要求ビーム照射装置へのビーム輸送コース
のビーム振分用偏向電磁石１２を含む高エネルギー用偏
向電磁石に負荷切換盤１９によって高エネルギー用偏向
電磁石電源２０より通電され、ビーム輸送軌道に所要の
偏向磁場が形成される。そこでシンクロトロン９から高
エネルギービームを出射してビーム輸送軌道に導入する
ことにより要求したビーム照射装置に高エネルギービー
ムが輸送され、ビーム照射が行なわれる。予定のビーム
照射が行なわれたところでビーム照射装置からビーム停
止命令を出力することにより加速器制御装置は停止命令
に基づきシンクロトロンからのビームの出射を停止し、
また負荷切換盤１９を介する高エネルギー用偏向電磁石
への通電を停止する。次にビーム照射装置から照射要求
があれば、以上の操作を繰返して要求のあったビーム照
射装置にビーム照射することができる。要求を出したビ
ーム照射装置のビーム照射中時間は、そのビーム照射装
置側で任意にきめることができる。

【００３５】なお、加速器には、シンクロトロンの他
に、線型加速器、サイクロトロン等の一般に用いられる
加速器を用いることができる。

【００３６】図４に、本発明の他の実施形態を示す。ビ
ーム発生装置４０から発生したビームをビーム振分用偏
向電磁石２６を経由してビーム輸送用偏向電磁石２７、
ビーム照射装置３１に至るコースと、直接ビーム照射装
置３２に至るコースと、及びビーム輸送用偏向電磁石２
８、ビーム輸送用偏向電磁石２９、ビーム照射装置３３
に至る３つのビーム輸送コースを準備する。各コースの
ビーム輸送軌道には、ビームを安定に輸送するためにビ
ーム輸送用四極電磁石３０を適切に配置した。ここでい
うビーム発生装置４０とは、線型加速器、シンクロトロ
ンリング、サイクロトロン等の一般に用いる加速器まで
を含めている。

【００３７】ここでは、図１の実施形態にて説明したよ
うに各ビームコースに至る偏向電磁石を直列に電気接続
し、負荷切換盤３４を介してビーム輸送用偏向電磁石電
源３５に接続する。ここでは、ビーム照射装置３２へビ
ームを導入するためにはビーム輸送用偏向電磁石電源３
５を通電しないことか、もしくは負荷切換盤３４をオー
プンにすることにより達成できる。また、ビーム輸送用
偏向電磁石２９は偏向方向がビーム輸送用偏向電磁石２
８と反対であるため、ビーム輸送用偏向電磁石２９に対
するケーブルの接続を反対にして電磁石の磁場極性を反
転させた。

【００３８】また、図５に更に別の実施形態を示す。こ
の図５では、ビーム発生装置１から発生したビームをシ
ンクロトロンリング９で加速させ、高エネルギービーム
輸送系を輸送し照射装置１７にビームを照射させる加速
器システムの実施形態を示す。本実施形態では、高エネ
ルギービーム輸送系を形成する高エネルギー用偏向電磁
石３６及び高エネルギ−用偏向電磁石３７を直列接続す
るとともに、シンクロトロン用偏向電磁石５の直列接続
系と直列接続して連動させシンクロトロン及び高エネル
ギービーム輸送用に１つの偏向電磁石電源３８によって
運転する。

【００３９】これによってシンクロトロンと高エネルギ
ービーム輸送系が連動して動作するため、シンクロトロ
ンで加速し高エネルギーになったビームを高エネルギ−
ビーム輸送系に確実に輸送できるとともに、シンクロト
ロンの特徴であるエネルギー可変性能に対してシンクロ
トロン及び高エネルギービーム輸送用の偏向電磁石電源
３８の通電電流を直接に変更させることにより照射装置
１７までのビーム軌道の生成が確実となる。さらに、偏
向電磁石群の直列励磁により運転タイミングの設定が確
実となり得る。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、偏向電磁
石の直列励磁により励磁電源数が低減され電源の出力電
流の変動に対する軌道補正を含めたビーム調整が容易と
なる。また、ビームコースが複数に別れている場合、負
荷切換器及び励磁電源の員数が低減されるとともに個々
の故障に対する加速器システムの停止の可能性が低減し
不要なビーム損失の可能性を改善することができる。ま
た、加速器装置の稼働率の向上がはかれる。

【００４１】また、シンクロトロンのビームエネルギー
に対応してビーム輸送系の偏向電磁石の運転パターンを
同期することができ、多様なエネルギー変更毎に個別に
調整する必要が低減された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態のビーム輸送系を含めた加
速器の構成図を示す。

【図２】偏向電磁石の詳細構造図を示す。

【図３】ビーム照射装置のビーム照射のタイミング説明
図を示す。

【図４】本発明の他の実施形態の構成図を示す。

【図５】本発明の他の実施形態の構成図を示す。

【図６】従来の実施例を示す。

【符号の説明】

１…ビーム発生装置，２…低エネルギー用偏向電磁石，
３…低エネルギー用四極電磁石，４…低エネルギービー
ム輸送装置，５…シンクロトロン用偏向電磁石，６…シ
ンクロトロン用四極電磁石，７…シンクロトロン用高周
波加速装置，８…シンクロトロン用ビーム出射装置，９
…シンクロトロンリング，１０…高エネルギ−用四極電
磁石，１１…高エネルギー用偏向電磁石，１２…ビーム
振分用偏向電磁石，１３…高エネルギー用偏向電磁石，
１４…高エネルギー用偏向電磁石，１５…高エネルギー
用偏向電磁石，１６…高エネルギー用偏向電磁石，１７
…ビーム照射装置，１８…ビーム照射装置，１９…負荷
切換盤，２０…高エネルギー用偏向電磁石電源，２１…
磁場センサ−，２６…ビーム振分用偏向電磁石，２７…
ビーム輸送用偏向電磁石，２８…ビーム輸送用偏向電磁
石，２９…ビーム輸送用偏向電磁石，３０…ビーム輸送
用四極電磁石，３１…ビーム照射装置，３２…ビーム照
射装置，３３…ビーム照射装置、３４…負荷切換盤、３
５…ビーム輸送用偏向電磁石電源、３６…高エネルギー
用偏向電磁石、３７…高エネルギ−用偏向電磁石、３８
…シンクロトロン及び高エネルギー用偏向電磁石電源、
３９…ビーム軌道補正電磁石、４０…ビーム発生装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ビームを生成するビーム発生装置と、ビ
ームを加速する主加速装置と、複数台の偏向電磁石、四
極電磁石、及び補正電磁石により形成されるビーム輸送
装置と、ビームを照射するビーム照射装置を有する加速
器装置において、前記ビーム輸送装置用偏向電磁石の２
台以上を直列接続したことを特徴とする加速器装置。
【請求項２】ビームを生成するビーム発生装置と、ビ
ームを加速する主加速装置と、複数台の偏向電磁石、四
極電磁石、及び補正電磁石により形成されるビーム輸送
装置と、ビームを照射するビーム照射装置を有する加速
器装置において、前記ビーム輸送装置用偏向電磁石の２
台以上を直列接続してなる２以上のビーム輸送軌道と、
該各ビーム輸送軌道を切換える負荷切換盤とを設けたこ
とを特徴とする加速器装置。
【請求項３】請求項２記載の加速装置において、前記
２以上のビーム輸送軌道にビームを振り分ける前記ビー
ム輸送装置のビーム振分用偏向電磁石の磁場発生領域に
磁場監視用の磁場センサを配置したことを特徴とする加
速器装置。
【請求項４】ビームを生成するビーム発生装置と、複
数台の偏向電磁石を有しビームを加速するシンクロトロ
ンリングと、複数台の偏向電磁石、四極電磁石、補正電
磁石により形成されるビーム輸送装置と、ビームを照射
するビーム照射装置を有する加速器装置において、前記
ビーム輸送装置用偏向電磁石とシンクロトロンリング用
偏向電磁石とを直列接続したことを特徴とする加速器装
置。
【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載の加速
器装置において、前記ビーム輸送装置用偏向電磁石は、
偏向方向によって磁場極性が反転するよう励磁接続され
たものであることを特徴とする加速器装置。