JP2009117111A - 粒子加速器の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加速パターンの切替操作を１つのビームサイクル内で速やかに行える粒子加速器の制御装置を提供することである。
【解決手段】スーパーサイクルパターンメモリ４は、電磁石電源群１及び電磁波発生装置２に設定値を送るパターンメモリ群に対する複数のパターンデータ及び実行順序を記録し、タイミング信号発生装置６はスーパーサイクルパターンメモリ４に対してパターンデータ及び実行順序の切替タイミング信号を発生し、パターンメモリ群３に対する複数のパターンデータ及び実行順序を切り替える。整合判定部７は、パターンメモリ群３のパターンデータの切り替えが完了したことを判定し、パターンメモリ群３のパターンデータの切り替えが完了したことを確認して加速運転を継続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、荷電粒子を加速する粒子加速器の制御装置に関する。

一般に、粒子加速器の一種であるシンクロトロン（以降、単に加速器と称する）においては、複数の電磁石にそれぞれ電源装置より電流を供給することにより、加速粒子の軌道を制御している。加速粒子のエネルギーは低エネルギーで加速器に入射し、加速して高エネルギーとなった所で取り出し(出射し)、そのビームがそれぞれのユーザーの目的に応じて利用される。このとき、電磁石の電流値は、ビームエネルギーに対応して低い値から高い値になるようなパターン信号が電源装置に与えられて制御される。

また、加速粒子にエネルギーを与える電磁波の振幅も、ビームエネルギーに対応して変化させる必要があり、こちらもパターン信号を電磁波発生装置に与えられて制御される。

２個のメモリ装置を有し、加速器の運転中に運転パターンを与えるメモリ装置の内容を書き替え、書き替え後にすぐに書き替えたメモリ装置のデータを使用できるようにし、加速器の運転調整を短時間で行えるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、複数の被制御部の同期ずれ状態に応じてこれを修正するように制御波形パターンの波形タイミング成分を変更し、被制御部を高精度に同期運転することができるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開平３−７８９９８号公報 特開平６−３６８９９号公報

しかし、従来のものでは、加速器が作り出すビームを多様なユーザーに効率的に利用してもらうためには、各ユーザーが希望する加速パターンへの切替操作を速やかに行うことが難しい。図７に示すように、従来の加速器の運転では、加速パターン(エネルギー)は一定としてある時間を運転し、その後に、オペレータによる加速パターンの書替操作を行い、切替操作を行って別の加速パターンでの運転を行っていたので、各ユーザーが希望する加速パターンへの切替操作を速やかに行うことが難しかった。

また、通常のビームサイクル（最大で１０秒程度）よりも長周期のパターン運転を行いたい場合に容易に対応できるものではなかった。さらに、加速粒子を用いた治療装置において、患者の呼吸等の生理的動きに同期して照射（以降呼吸同期照射と称する）を行う場合、加速パターンと患者の呼吸波形のタイミングによっては、加速した粒子を使うことなく減速して破棄することがあった。図８は従来のパターン運転での呼吸同期照射の波形図である。図８に示すように、呼吸波形と加速粒子の加速パターンとがずれている場合には、加速パターンの斜線部のビームしか使用されないので、加速粒子の利用効率が悪く、また、加速器の放射化の影響もある。

本発明の目的は、加速パターンの切替操作を１つのビームサイクル内で速やかに行え、必要に応じて通常のビームサイクルよりも長時間のパターンや任意の周期のパターン運転を行える粒子加速器の制御装置を提供することである。

本発明の粒子加速器の制御装置は、加速粒子の軌道を制御する電磁石に電流を供給する電磁石電源群と、加速粒子にエネルギーを与える電磁波を発生する電磁波発生装置と、前記電磁石電源群及び前記電磁波発生装置に設定値を送るパターンメモリ群と、前記パターンメモリ群に対する複数のパターンデータ及び実行順序を記録するスーパーサイクルパターンメモリと、前記スーパーサイクルパターンメモリに対してパターンデータ及び実行順序の切替タイミング信号を発生し前記パターンメモリ群に対する複数のパターンデータ及び実行順序を切り替えるタイミング信号発生装置と、前記パターンメモリ群のパターンデータの切り替えが完了したことを判定する整合判定部と、前記パターンメモリ群のパターンデータの切り替えが完了したことを確認して加速運転を継続する制御用計算機とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、加速パターンの切替操作を１つのビームサイクル内で速やかに行え、必要に応じて通常のビームサイクルよりも長時間のパターンや任意の周期のパターン運転を行える。

図１は本発明の第１の実施の形態に係わる粒子加速器の制御装置の構成図である。粒子加速器の制御装置は、加速粒子の軌道を制御する電磁石に電流を供給する電磁石電源群１と、加速粒子にエネルギーを与える電磁波を発生する電磁波発生装置２と、電磁石電源群１及び電磁波発生装置２に設定値を送るパターンメモリ群３と、パターンメモリ群３に対する複数のパターンデータ及び実行順序を記録するスーパーサイクルパターンメモリ４と、パターンメモリ群３に対しタイミング信号を発生するタイミング信号発生装置６と、パターンメモリ群３の整合性を判定する整合判定部７と、全体を制御する制御用計算機５とから構成される。

制御用計算機５は、予めスーパーサイクルパターンメモリ４に対し、粒子の調整のための複数のパターンデータ及び複数のパターンデータの実行順序を設定し記憶させておく。スーパーサイクルパターンメモリ４は、タイミング信号発生装置６からのパターン切替信号を受ける都度、スーパーサイクルパターンメモリ４内に記憶しているパターンデータをパターンメモリ群３へ送り、パターンメモリ群３内のパターンデータの書き替えを行う。

タイミング信号発生装置６は、複数のパターンデータ及び実行順序を切り替えるタイミング信号を発生し、スーパーサイクルパターンメモリ４にパターン切替信号を出力する。パターン切替信号を出力するタイミングは、制御用計算機５から予めタイミング信号発生装置６に対して設定しておく。設定方法は、運転時間やビームサイクル数等で設定する。

整合判定部７は、スーパーサイクルパターンメモリ４からパターンメモリ群３へパターンデータが送られると、正常にパターンデータが書き替えられたかをチェックする。すべてのパターンメモリ群３のパターンデータが正常に書き替えられたら、書き替えられたパターンデータでの運転に切り替えるための切替要求をパターンメモリ群３に出力する。整合判定部７は、さらに、すべてのパターンメモリ群３のパターンデータが正常に切り替わったか否かをチェックしており、正常に切り替わらなかった場合には、タイミング信号発生装置６に対し、停止要求を出力し加速運転を停止させる。

次に動作を説明する。図２は本発明の第１の実施の形態に係わる粒子加速器の制御装置によるパターン切替の波形図である。タイミング信号発生装置６はパターン切替タイミングを検出すると、スーパーサイクルパターンメモリ４に対しパターン切替信号を出力する。これにより、スーパーサイクルパターンメモリ４はパターンメモリ群３に次のパターンデータを送信する。パターンメモリ群３はパターンを書き替える。例えば、時点ｔ１では、パターンメモリ群３の一方のメモリに書き込まれたＡパターンで運転中であるが、次のＢパターンをパターンメモリ群３の他方のメモリに書き込む。同様に、時点ｔ３では次のＣパターンが他方のメモリに書き込まれ、時点ｔ３では次のＤパターンが他方のメモリに書き込まれる。

整合判定部７は全パターンメモリ群３のパターンデータの書き替えの完了を判定し、整合判定部７よりパターンメモリ群３に対しパターン切替要求を出力する。例えば、時点ｔ２では次のＡパターンからＢパターンへのパターン切替要求が出力され、時点ｔ４では次のＢパターンからＣパターンへのパターン切替要求が出力され、時点ｔ６では次のＣパターンからＤパターンへのパターン切替要求が出力される。

整合判定部７は全パターンメモリ群３のパターンの切り替えの完了を判定し、パターンの切り替えが完了すると、新しいパターンで加速運転を開始する。

第１の実施の形態によれば、このような一連の動作がオペレータの操作を介さずに自動的に行うことが可能となり、加速パターンの切替操作を１つのビームサイクル内で実施することが可能となる。

図３は本発明の第２の実施の形態に係わる粒子加速器の制御装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、パターンメモリ群３の内部に、複数のパターンデータを記録するパターンメモリ内バッファメモリ群８を有し、スーパーサイクルパターンメモリ４はパターンの実行順序のみを記録するようにしたものである。

制御用計算機５は、予めパターンメモリ内バッファメモリ群８に対し、複数のパターンデータを設定し記憶させておく。さらに、スーパーサイクルパターンメモリ４に対し、パターンの実行順序を設定し記憶させておく。

スーパーサイクルパターンメモリ４は、タイミング信号発生装置６からのパターン切替信号を受ける都度、スーパーサイクルパターンメモリ４内に記憶しているパターンの実行順序によるパターン切替信号をパターンメモリ群３へ送り、パターンメモリ内バッファメモリ群８の該当するパターンデータの切替を行う。

整合判定部７は、スーパーサイクルパターンメモリ４からパターンメモリ群３へ切替信号が送られると、正常にパターンデータが切り替わったかをチェックし、正常に切り替わらなかった場合には、タイミング信号発生装置６に対し停止要求を出力し加速運転を停止させる。

次に、動作を説明する。タイミング信号発生装置６でパターン切替タイミングを検出すると、スーパーサイクルパターンメモリ４に対しパターン切替信号を出力する。これにより、スーパーサイクルパターンメモリ４よりパターンメモリ群３にパターン切替信号が送信される。整合判定部７で全パターンメモリ群３のパターンデータの切り替えの完了を判定し、パターンの切替が完了すると、新しいパターンで加速運転を開始する。

第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、このような一連の動作がオペレータの操作を介さずに自動的に行うことが可能となり、加速パターンの切替操作を１つのビームサイクル内で実施することが可能となる。

図４は本発明の実施の形態に係わる粒子加速器の制御装置での運転パターンの他の一例の波形図である。図４に示すように、複数のパターンデータで１サイクルとなるようなパターンデータを予め作成し記憶しておく。第１の実施の形態の粒子加速器の制御装置の場合はスーパーサイクルパターンメモリ４に、第１の実施の形態の粒子加速器の制御装置の場合は、パターンメモリ群３内のパターンメモリ内バッファメモリ群８に記録する。そして、複数のパターンデータの実行順序を組み合わせて、複数のパターンデータの組合せで１サイクルが通常のビームサイクルよりも長周期となるパターンデータを作成する。

つまり、ビームサイクル毎にパターンデータを切り替える（図４の場合、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａ→…）ことにより、ビームサイクルの周期を変えることなく、通常のビームサイクルよりも長周期のパターン運転を実施することが可能となる。

第３の実施の形態によれば、複数のパターンデータで１サイクルとなるようなパターンデータを作成して加速運転をするので、ビームサイクルの周期を変えることなく、通常のビームサイクルよりも長周期のパターン運転が可能となる。

図５は本発明の実施の形態に係わる粒子加速器の制御装置での運転パターンの別の他の一例の波形図である。この一例は、呼吸同期照射のような照射においても利用効率の良い運転を可能としたものである。

図６に示すように、加速用のパターンＡ、加速維持用のパターンＢ、減速用のパターンＣを予め作成して記憶しておく。第１の実施の形態の粒子加速器の制御装置の場合はスーパーサイクルパターンメモリ４に、第２の実施の形態の粒子加速器の制御装置の場合は、パターンメモリ群３内のパターンメモリ内バッファメモリ群８に記録する。

この状態で、加速パターンＡから加速維持パターンＢ、減速パターンＣから加速パターンＡへの書き替え及び切り替えはビームサイクル毎に行うが、加速維持パターンＢから減速パターンＣへの書き替え及び切り替えは、図５に示すように、加速粒子の利用状況（加速ビームの電流値やビーム出射時間など）を監視し、加速粒子を使い切ったときに切り替えるようにする。

このように、複数のパターンデータとして、加速パターンＡ、加速維持パターンＢ、減速パターンＣを記録しておき、加速パターンＡ、加速維持パターンＢ、減速パターンＣで１サイクルとなるパターンデータを用いて加速運転を行う。そして、加速維持パターンＢにおいて加速粒子の利用状況に応じたタイミングで加速粒子を取り出し、加速維持パターンＢから減速パターンＣへの切り替えは加速粒子を使い切ったときに行う。

第４の実施の形態によれば、加速粒子を使い切るまで加速維持状態となり、呼吸同期照射のような照射でも利用効率を下げることなく運転が可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係わる粒子加速器の制御装置の構成図。 本発明の第１の実施の形態に係わる粒子加速器の制御装置によるパターン切替の波形図。 本発明の第２の実施の形態に係わる粒子加速器の制御装置の構成図。 本発明の実施の形態に係わる粒子加速器の制御装置での運転パターンの他の一例の波形図。 本発明の実施の形態に係わる粒子加速器の制御装置での運転パターンの別の他の一例の波形図。 加速用のパターンＡ、加速維持用のパターンＢ、減速用のパターンＣの説明図。 従来のパターン運転での切替操作の説明図。 従来のパターン運転での呼吸同期照射の波形図。

符号の説明

１…電磁石電源群、２…電磁波発生装置、３…パターンメモリ群、４…スーパーサイクルパターンメモリ、５…制御用計算機、６…タイミング信号発生装置、７…整合判定部、８…パターンメモリ内バッファメモリ群

Claims (4)

1. 加速粒子の軌道を制御する電磁石に電流を供給する電磁石電源群と、加速粒子にエネルギーを与える電磁波を発生する電磁波発生装置と、前記電磁石電源群及び前記電磁波発生装置に設定値を送るパターンメモリ群と、前記パターンメモリ群に対する複数のパターンデータ及び実行順序を記録するスーパーサイクルパターンメモリと、前記スーパーサイクルパターンメモリに対してパターンデータ及び実行順序の切替タイミング信号を発生し前記パターンメモリ群に対する複数のパターンデータ及び実行順序を切り替えるタイミング信号発生装置と、前記パターンメモリ群のパターンデータの切り替えが完了したことを判定する整合判定部と、前記パターンメモリ群のパターンデータの切り替えが完了したことを確認して加速運転を継続する制御用計算機とを備えたことを特徴とする粒子加速器の制御装置。
2. 前記スーパーサイクルパターンメモリは、前記パターンメモリ群に対する複数のパターンデータ及び実行順序に代えて複数のパターンデータの実行順序を記録し、前記パターンメモリ群に複数のパターンデータを記録し、前記スーパーサイクルパターンメモリに記録された実行順序で前記パターンメモリ群に記録されたパターンデータを選択して加速運転を継続することを特徴とする請求項１に記載の粒子加速器の制御装置。
3. 前記スーパーサイクルパターンメモリは、複数のパターンデータの実行順序を組み合わせて、複数のパターンデータの組合せで１サイクルが通常のビームサイクルよりも長周期となるパターンデータを作成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粒子加速器の制御装置。
4. 複数のパターンデータとして、加速パターン、加速維持パターン、減速パターンを記録しておき、加速パターン、加速維持パターン、減速パターンで１サイクルとなるパターンデータを用いて加速運転を行い、加速維持パターンにおいて加速粒子の利用状況に応じたタイミングで加速粒子を取り出し、加速維持パターンから減速パターンへの切り替えは加速粒子を使い切ったときに行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粒子加速器の制御装置。

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