JP2010182575A

JP2010182575A - 加速器装置

Info

Publication number: JP2010182575A
Application number: JP2009026130A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Inoue; 博光井上; Kichiji Kaneda; 吉治兼田; Takao Tsurimoto; 崇夫釣本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】周辺ノイズを抑制して監視対象部位の部分放電を高感度に検出する加速器装置を得る。
【解決手段】高電圧発生部及び高電圧印加部を有する加速器装置において、高電圧発生部又は高電圧印加部に対向させてアレイアンテナを設け、前記アレイアンテナで高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を検出して異常検出を行なうようにした。アレイアンテナは複数のパッチアンテナで構成したパッチアレイアンテナである。
【選択図】図１

Description

この発明は高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電による電磁波を検出して異常検出を行なう加速器装置に関するものである。

加速器装置として医療用加速器装置を例に説明する。高エネルギー電磁放射線又は粒子線の放射が発生させられる医療用加速器装置は、放射線治療医学において使用される。この装置により患者の身体範囲に放射線が照射され治療に供される。放射線治療は特に癌治療において、腫瘍細胞の分裂能力を阻止するため、又はこれらの細胞を殺すために施される。医療用加速器装置は、イオンビーム（イオン源）を予備加速する入射系、入射系からビームを入射し治療に適合したエネルギーまでビームを加速するシンクロトロン（加速系）、加速したビームを出射（出射系）し指定された照射室に効率よく導く高エネルギービーム輸送系、供給されたビームを腫瘍に適正に照射する照射系、及び医療用加速器装置の調整,運転管理,状態監視等を統括している制御系から構成されている。その他、前記各系には大小あわせて数百の電源から電力が供給されている。

このような医療用加速器装置における従来の機能監視の方法としては、医療用加速器装置の動作を定性的に特徴づける信号が、自動的に検出されてデジタル化され、デジタル化された形で後続のコンピュータ支援による医療用加速器装置機能検査の枠内での評価のために提供すべくデータ処理装置に保存されるようにしている（例えば特許文献１）。
また、他の従来例では電力ケーブル中のアーク放電を１ＭＨｚ〜３ＧＨｚに応答するマイクロ波ホーンアンテナでタイムリーに検出し、電源盤からアーク放電が生じた電力ケーブルへの電力供給を遮断することができるアーク放電の検出方法が開示されている（例えば特許文献２）。
また、他の従来例における機器の絶縁診断方法としては、固定子巻線に発生する部分放電をパッチアンテナで検出する方法が開示されている（例えば特許文献３）。

特開２００６−３２４２４９号公報（４頁２４〜２８行,図１及び１１頁１４〜２４行,図２）特開平７−１９８７６８号公報（３頁左欄３〜１４行,図１）特開２００６−２５０７７２号公報（４頁１１〜１８行，図１及び４頁５０行〜５頁４行，図３）

医療用加速器装置は大形かつ高額で高度先進医療のための治療装置である。この装置の最大の不具合は、機器の機能が停止すると、多数の患者の治療ができなくなることであり、その社会的影響は大きい。この機器の機能停止の要因としては、運転中に機器が正常動作範囲を逸脱する場合と、機器が正常に動作している範囲における高電圧部の絶縁劣化がある。特許文献１では、機器が正常動作範囲を逸脱した場合の機能監視はできるが、高電圧部の絶縁劣化の前兆である部分放電を監視することはできない。

多数の機器が配置された電源盤の電力ケーブルのアーク放電を検出する方法として特許文献２の技術があるが、特許文献２のマイクロ波ホーンアンテナは検知周波数帯域が１ＭＨｚ〜３ＧＨｚと広いので、アーク放電は検出できても、部分放電は周辺ノイズとの識別
が困難で、事実上部分放電検出はできないという問題点がある。
特許文献３では、電動機の金属容器フレーム内にパッチアンテナを設置して部分放電を検出しているが、医療用加速器装置のようなオープン空間であり、且つ多数の機器で構成される装置において、各装置の金属容器外部の複数部位で部分放電を検出する場合には、監視対象部位以外で発生するノイズや、監視対象部位以外で発生する放電による電磁波を検出してしまうため監視対象部位での放電との識別が困難であると言う問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、周辺ノイズを抑制して監視対象部位の部分放電を高感度に検出する加速器装置を得ることを目的としている。

この発明に係わる加速器装置は、高電圧発生部及び高電圧印加部を有する加速器装置において、前記高電圧発生部又は高電圧印加部に対向させてアレイアンテナを設け、前記アレイアンテナで前記高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を検出して異常検出を行なうようにしたものである。

この発明の加速器装置によれば、高電圧発生部又は高電圧印加部に対向させてアレイアンテナを設け、前記アレイアンテナで高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を検出して異常検出を行なうようにしたので、高電圧発生部又は高電圧印加部に対向させて設けたアレイアンテナの高指向性により、周辺ノイズを抑制して監視対象部位の部分放電を高感度に検出することができる。これにより、従来解消できなかった、監視対象部位以外で発生するノイズや放電による電磁波を検出してしまうために、監視対象部位での部分放電との識別が困難であった従来の問題点を解消することができる。

この発明の実施の形態１における加速器装置を示す構成図である。実施の形態１の加速器装置におけるパッチアレーアンテナを示す分解斜視図である。図２に示すパッチアレーアンテナの断面図である。図３のＡ−Ａ線から矢印方向に見た断面図である。実施の形態１の加速器装置における部分放電を監視する監視フローチャートである。実施の形態２における加速器装置を示す構成図である。

実施の形態１．
図1はこの発明の実施の形態１における加速器装置を示す構成図である。図２は実施の形態１の加速器装置におけるパッチアレーアンテナを示す分解斜視図である。図３は図２に示すパッチアレーアンテナの断面図である。図４は図３のＡ−Ａ線から矢印方向に見た断面図である。図５は実施の形態１の加速器装置における部分放電を監視する監視フローチャートである。以下、図に基づいて説明する。

加速器装置として医療用加速器装置を例に説明する。医療用加速器装置１は、加速器系１２と、加速器系１２を動作させるために加速器系１２の周辺に設置された電源(Ａ)１３、電源(Ｂ)１４、電源(Ｃ)１５、電源(Ｄ)１６、電源(Ｅ)１７、およびこれらの各電源から電力を供給する高電圧ケーブル１８,電源ケーブル１９などから構成されており、加速器系１２には種々の動作のための電力が供給されている。特に加速器系１２は高電圧で動作させる必要があり、図１の電源(Ａ)１３は７０ｋＶの直流高電圧パルスを発生する電源であり、直流高電圧パルスを高電圧ケーブル１８を介して加速器系１２に供給している。直流高電圧パルスは、例えば高電圧発生時間３０μ秒の矩形波を１００ｍ秒間隔で連続発生し、この発生時間と発生間隔は運転状態により変わるものである。

医療用加速器装置１の異常監視装置２は、電源(Ａ)１３の近傍に設置した電磁波検出手段２３及び高電圧信号検出手段２６と、電磁波検出手段２３及び高電圧信号モニタ２８からの信号を受信して信号処理する信号処理手段２４と監視手段２５とから構成されている。電磁波検出手段２３はパッチアレーアンテナ２０と高周波同軸ケーブル２１と電磁波検出器２２とで構成され、パッチアレーアンテナ２０を用いて絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を受信し、受信した信号を高周波同軸ケーブル２１を介して電磁波検出器２２に伝送する。

パッチアレーアンテナ２０は高指向性とするために図２,図３,図４に示す構成としている。図２,図３,図４を用いてパッチアレーアンテナ２０の構成を説明する。パッチアレーアンテナ２０は誘電体基板３１と補強板３８と非励振パッチ３６と誘電体３７とで構成されている。誘電体基板３１には、前面に４個の励振パッチ３２と給電点３４と給電用マイクロストリップ線路３３が設けてある。給電点３４からの給電線は不要輻射を小さくするために給電用マイクロストリップ線路３３とし、更に給電用マイクロストリップ線路３３の給電点３４から各励振パッチ３２までの長さはすべて等しい構造としている。給電用マイクロストリップ線路３３を励振パッチ３２と同一基板上に形成し、給電点３４から各励振パッチ３２までの長さを同一長とすることで、給電用マイクロストリップ線路からの不要放射レベルが低減してアンテナの受信特性が向上し、指向性を高くすることができ、高感度に検出できる。励振パッチ３２の形状寸法はパッチアレーアンテナ２０の中心周波数と帯域幅の設計緒元で決定される。誘電体基板３１の裏面は全面が接地電極３５となっている。パッチアレーアンテナで構成することにより、ＧＨｚ帯の高周波を狭帯域で高感度に検出することができる。

図３はパッチアレーアンテナ２０の立体構造を示す断面図である。図３に示すように、積層構造の誘電体基板３１の前面の励振パッチ３２と給電用マイクロストリップ線路３３(図示せず)と裏面の接地電極３５は誘電体基板３１に密着して励振パッチ３２と接地電極３５とで誘電体基板３１を挟持した構造となっており、実施の形態１では銅張りの誘電体基板３１の前面と裏面を化学加工によりエッチングしてパターン形成している。非励振パッチ３６はアルミニウム製で励振パッチ３２と対向する位置に励振パッチ３２と対をなして励振パッチ３２より縦横ともに大きい外形寸法であり、図３に示す位置に誘電体(Ｂ)３７に接着固定されている。励振パッチ３２と空隙を介して対向設置した非励振パッチ３６を配置し且つ励振パッチ３２と非励振パッチ３６を強誘電体で覆う構成として高指向性を実現している。

誘電体(Ｂ)３７の形状は図２に示すように凹状の箱型であり、誘電体基板３１に伏せた形で、誘電体基板３１の裏面に設けたアルミニウム製の補強板３８と共に止めねじ４２を止め穴４０とねじ穴４１に挿入して誘電体(Ｂ)３７に固定されている。図２の誘電体(Ｂ)３７に示す斜線部は誘電体(Ｂ)３７の断面を示している。誘電体基板３１と誘電体(Ｂ)３７の接合面はシール剤を介して固定される。誘電体基板３１と誘電体(Ｂ)３７の囲まれた空隙３９は大気圧空気であり、励振パッチ３２と非励振パッチ３６との空間距離および誘電体(Ｂ)３７の比誘電率はパッチアレーアンテナ２０の指向性が最良となる緒元で設計している。

このように構成することで、給電点３４に供給された電力は給電用マイクロストリップ線路３３をとおり、励振パッチ３２を励振し、励振パッチ３２より電波が放射される。放
射された電波は無給電の非励振パッチ３６を電磁結合により励振して、非励振パッチ３６より電波が放射され、アンテナとして機能する。また非励振パッチ３６の形状が励振パッチ３２より大きい（差をつける）ことで励振周波数帯域が広がり、励振パッチ３２の励振周波数との２周波共用化することで指向性を向上することができ高感度に検出できる。励振周波数帯域を広げることは誘電体基板３１の厚みを厚くすることでも可能であるが、不要輻射が大きくなり指向性が悪くなる。

実施の形態１の誘電体基板３１は例えばガラステフロン（登録商標）積層体で比誘電率は２．６,厚み０．８ｍｍあり、励振パッチ３２は５１×５１ｍｍで厚みは５０〜１００μｍ、非励振パッチ３６は６２×１１０ｍｍで厚みは１．５ｍｍ、励振パッチ３２と非励振パッチ３６との空間距離は６ｍｍ、誘電体(Ｂ)３７は比誘電率２．７のポリカーボネイトである。以上のように構成することで中心周波数に対する帯域幅２．５％でＶＳＷＲ(Voltage Standing Wave Ratio：定在波比)＝１．３３以下の特性を有する小型で高指向性のパッチアレーアンテナ２０を得ることができる。

このように構成したパッチアレーアンテナ２０を電源(Ａ)１３の高電圧発生部や高電圧ケーブル１８との接続絶縁部に向けて近接設置する。実施の形態１では、このアンテナ特性を用いて絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を受信する。前述したように、図１の電源(Ａ)１３は７０ｋＶの直流高電圧パルスを発生する。この直流高電圧パルスの発生を高圧信号検出手段２６で検出し、高電圧信号モニタ２８でモニタリングして信号処理手段２４に伝送する構成である。

次に動作を説明する。医療用加速器装置を運転すると電源(Ａ)１３では高電圧パルスを発生し、高電圧ケーブル１８を介して加速器系１２に高電圧パルスが供給される。この状態で長時間運転した場合に、電源(Ａ)１３の高電圧発生部や高電圧ケーブルの絶縁部で絶縁劣化が生じて絶縁破壊の前兆である部分放電が発生する場合がある。この部分放電の発生に伴う高周波帯域の電磁波を電源(Ａ)１３の近傍に設置した高指向性のパッチアレーアンテナ２０で検出して電源(Ａ)１３の異常を検知する。この異常発生時に、電源(Ｂ)１４,電源(Ｃ)１５,電源(Ｄ)１６,電源(Ｅ)１７から部分放電に類似のノイズが発生す場合が多い。そこで電源(Ａ)１３の絶縁劣化が生じる恐れがある部位に向け、つまり、対向させて高指向性のパッチアレーアンテナ２０を設置して電磁波を検出することで電源(Ａ)１３のみの電磁波を検出することができる。

しかしながら、電源(Ａ)１３の高電圧パルス発生に伴う電磁波発生が無視できず、パッチアレーアンテナ２０の計測に対するノイズとなる。そこで電源(Ａ)１３のノイズを抑制して部分放電に伴う電磁波のみを検出することが必要となる。このノイズ抑制の方法として実施の形態１では周波数帯域制限方法を用いている。予め計測した高周波パルスによるノイズの周波数特性からノイズが小さい帯域を選定して検出帯域としている。パッチアレーアンテナ２０では前記検出帯域を中心周波数とする。

監視フローチャートを図５に示す。前述したようにして、電磁波検出手段２３で検出した信号は信号処理手段２４に伝送し、高電圧信号検出手段２６で検出し（ステップＳ１）、高電圧信号モニタ２８でモニタリングした信号と同期して計測し（ステップＳ２）、計測値が監視手段２５に伝送される。監視手段２５では予め登録された規定値と比較して（ステップＳ３）、規定値を超えた場合に異常と判定し警報を発する（ステップＳ４）。このようにすることで電源(Ａ)１３の異常を確実に検出することができる。
また、他の電源(Ａ)１３のノイズ抑制の方法として、高電圧信号モニタ２８でモニタリングした信号を元に計測時間を制御する方法がある。前述した直流高電圧パルスの場合の部分放電の発生はパルスの立ち上がりと立下がりである。したがってこのパルス発生時のみ計測することで、つまり、高電圧信号モニタ２８でモニタリングした信号と同期して計測時間を制御して測定することにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができ、同様の効果を奏することができる。

実施の形態２．
図６は実施の形態２における加速器装置を示す構成図である。図において医療用加速器装置５０は、高電圧発生部又は高電圧印加部となるイオン源５１,入射系５２,加速系５３,出射系５４,ビーム輸送系５５,及び照射系５６とを備えている。医療用加速器装置５０は、イオン源５１,入射系５２,加速系５３,出射系５４,ビーム輸送系５５,及び照射系５６のそれぞれにパッチアレーアンテナ２０ａ〜２０ｇ,電磁波検出器２２ａ〜２２ｇ,及び動作信号検出手段（高電圧信号検出手段）５７ａ〜５７ｇとを備える。パッチアレーアンテナ２０ａ〜２０ｇの設置は実施の形態１と同様に、高電圧発生部,高電圧絶縁部や高圧ケーブル接続部などの絶縁劣化により部分放電が発生する可能性のある部位に対向させて近接設置する。

イオン源５１などの高電圧部を複数箇所有する機器には複数のパッチアレーアンテナ２０と電磁波検出器２２とを備える。各電磁波検出器２２ａ〜２２ｇ及び動作信号検出手段５７ａ〜５７ｇはEthernet（登録商標）出力を有する。それぞれの電磁波検出器２２ａ〜２２ｇからの信号はネットワーク(ａ)５８によりＨＵＢ（Ａ）６２ａを介して信号処理手段（ｂ）５９に接続される。また、それぞれの動作信号検出手段５７ａ〜５７ｇからの信号はネットワーク（ｂ）６１によりＨＵＢ（Ｂ）６２ｂを介して信号処理手段（ｂ）５９に接続される。

信号処理手段（ｂ）５９では、監視端末６０で設定されたプログラムに従い、イオン源５１,入射系５２,加速系５３,出射系５４,ビーム輸送系５５,及び照射系５６ごとに動作信号検出手段５７ａ〜５７ｇの信号と同期して信号処理し、その結果を監視端末６０に伝送する。監視対象機器の動作信号と同期して部分放電に伴う電磁波を検出すると、ノイズと放電信号との識別精度が向上する。監視端末６０では、各監視対象機器の信号値を記録して時間的変化を表示するとともに、伝送されたそれぞれの機器の監視信号を予め登録されたそれぞれの機器ごとの規定値と比較して、規定値を超えた場合に異常と判定し機器ごとに警報を発する構成となっている。
このように、高電圧発生部又は高電圧印加部である監視対象機器の各部に対向させてそれぞれパッチアレイアンテナを設置し、監視対象機器の各部の絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を、監視対象機器の動作信号と同期してパッチアレイアンテナでそれぞれ検出することにより放電発生部を特定することができる。

次に動作について説明する。イオン源５１,入射系５２,加速系５３,出射系５４,ビーム輸送系５５,及び照射系５６に備えられた動作信号検出手段５７ａ〜５７ｇは、それぞれの機器に応じた動作信号（高電圧信号）を検出する。例えば、イオン源５１では治療に供される各イオンを生成し、入射系５２ではシンクロトロンへ入射するための予備加速を行なう。イオン源は大強度であるとともに、加速効率を上げるために電子をできるだけ剥ぎとって多価イオンを生成する必要があり、高エネルギー電子を用いたイオン源とするための高電圧・高磁場発生機器が使用される。

また、イオン源から出たビームは収束され、加速されて、シンクロトロンに入射するまでの予備加速を行なう線形加速器に輸送され数ＭｅＶまで加速される。さらに主加速器であるシンクロトロンに入射され数１００ＭｅＶまで加速されて取り出される。これらの収束、加速などに高磁場・高電圧の機器が多用される。以下、出射系５４,ビーム輸送系５５,照射系５６はともに大電力、高電圧の機器が多用される。これら各機器に設けた動作信号検出手段５７ａ〜５７ｇではこれらの機器に応じた動作信号を検出する。また、パッチアレーアンテナ２０ａ〜２０ｇは,それぞれの機器の最適Ｓ／Ｎ比となる検出周波数に設計される。イオン源５１,入射系５２,加速系５３,出射系５４,ビーム輸送系５５,及び照射系５６のいずれかで絶縁異常による部分放電が発生した場合の異常検出は実施の形態１と同様である。

このように構成することで、大規模である医療用加速器装置の各部の絶縁異常を監視することができる。ここで重要なのは部分放電を監視することで医療用加速器装置の故障を予知できることである。故障の予知により事前に予防保全を施すことができ、不慮の装置運転停止を回避できるので、治療計画に支障をきたすこがなく、患者治療の計画的遂行に大きな効果を奏する。つまり、計画どおりに患者治療ができることは大きな経済的効果を得ると同時に、患者の生命を守る社会的責任を向上する効果となる。以上では医療用加速器装置を例に説明したが、加速器装置一般に適用できることは勿論である。

１加速器装置２異常監視装置
１２加速器系１３電源（Ａ）
１４電源（Ｂ）１５電源（Ｃ）
１６電源（Ｄ）１７電源（Ｅ）
１８高電圧ケーブル１９電源ケーブル
２０パッチアレーアンテナ２１高周波同軸ケーブル
２２電磁波検出器２３電磁波検出手段

２４信号処理手段２５監視手段
２６高電圧信号検出手段２７信号検出ケーブル
２８高電圧信号モニタ３１誘電体基板
３２励振パッチ３３給電マイクロストリップ線路
３４給電点３５接地電極
３６非励振パッチ３７誘電体（Ｂ）
３８補強板３９空隙

４０止め穴４１ねじ穴
４２止めねじ５１イオン源
５２入射系５３加速系
５４出射系５５ビーム輸送系
５６照射系５７動作信号検出手段
５８ネットワーク(ａ) ５９信号処理手段（ｂ）
６０監視端末６１ネットワーク(ｂ)
６２ＨＵＢ

Claims

高電圧発生部及び高電圧印加部を有する加速器装置において、前記高電圧発生部又は高電圧印加部に対向させてアレイアンテナを設け、前記アレイアンテナで前記高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を検出して異常検出を行なうようにした加速器装置。
前記アレイアンテナは複数のパッチアンテナで構成したパッチアレイアンテナであることを特徴とする請求項1記載の加速器装置。
前記パッチアレイアンテナは、誘電体基板の一面に複数の励振パッチを配置し他面に接地電極を配置し、前記パッチアレイアンテナの給電線を、前記励振パッチと同一の前記誘電体基板上に、前記各励振パッチに対して同一長の給電用マイクロストリップ線路で形成したことを特徴とする請求項２記載の加速器装置。
前記パッチアレイアンテナは、励振パッチと、前記励振パッチと対向して配置され前記励振パッチより大きい面積を有する非励振パッチとで対構成となるパッチアンテナの複数個で構成したパッチアレイアンテナであることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の加速器装置。
前記高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を、監視対象機器の動作を動作信号検出手段で検出した動作信号と同期して、前記パッチアレイアンテナで検出して異常検出を行なうようにした請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の加速器装置。
前記高電圧発生部又は高電圧印加部である前記監視対象機器の各部に対向させてそれぞれ前記パッチアレイアンテナを設置し、前記監視対象機器の各部の絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を、前記監視対象機器の動作信号と同期して前記パッチアレイアンテナでそれぞれ検出することにより放電発生部を特定するようにした請求項５記載の加速器装置。