JP2011198748A - 荷電粒子ビーム照射システムおよび円形加速器の運転方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】入射された荷電粒子を偏向電磁石により偏向させて周回軌道に沿って周回させ荷電粒子ビームを形成し、荷電粒子を高周波加速空洞に印加する高周波電圧により加速し、収束用電磁石により荷電粒子ビームを収束させ、六極電磁石により周回軌道に共鳴を励起し、出射装置により荷電粒子を周回軌道から取り出す円形加速器から出射される荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム照射システムにおいて、高周波加速空洞に印加する高周波電圧のパラメータを制御することにより、周回軌道から取り出す荷電粒子の出射電流を変更するようにした。
【選択図】図1
Description
バンチ)を形成する。加速では、加速空洞に印加する加速電圧の周波数を増加させる。円
形加速器の一種であるシンクロトロン(円形加速器は周回半径が一定であるシンクロトロンの他に、周回半径が加速とともに大きくなるサイクロトロン等がある)では、ビームの周回半径を一定にするため、高周波加速装置は偏向電磁石による偏向磁場強度にあわせて加速電圧周波数を制御する。最高エネルギーまで加速されたビームは、最後に出射装置から円形加速器外へ取り出す。
)。印加する高周波電圧に対する出射ビーム強度の関係は前もって実験等で求めておき、制御データを予めパターンデータとして制御コンピュータ等に格納しておく。出射は荷電粒子の共鳴現象を利用しておこなっている為、出射ビーム強度の調整パラメータは0.1%レベルの非常に高精度が要求される。
出すが、その制御パラメータは0.1%レベルの高精度の調整が必要であり、スキャニング照射等で多くのエネルギーの粒子線が必要であり、且つ、出射電流を変更する必要がある場合には長時間の調整時間が必要であった。
本発明では、上記の課題を解決し、スキャニング照射等で必要な粒子線の出射電流を簡便な制御機器で安定に変更可能な荷電粒子ビーム照射システムを提供することを目的とする。
図1は、本発明の実施の形態1による荷電粒子ビーム照射システムの概略構成を示すブ
ロック図である。図1において、1はシンクロトロンである円形加速器で概略以下の構成要素で構成される。すなわち、円形加速器1は、前段加速器2、荷電粒子ビームを長時間周回させるための真空ダクト3、前段加速器2からの荷電粒子を真空ダクト3に入射させるための入射装置4、荷電粒子が真空ダクト3内の周回軌道に沿って周回して荷電粒子ビームを形成するよう荷電粒子の軌道を偏向させるための偏向電磁石5a、5b、5c、5d(これらをまとめて偏向電磁石5とも称する)、周回軌道上に形成された荷電粒子ビームが発散しないように収束させる収束用電磁石6a、6b、6c、6d(これらをまとめて収束用電磁石6とも称する)、周回する荷電粒子に同期した高周波電圧を与えて加速する高周波加速空洞7、円形加速器内の荷電粒子ビームを円形加速器1外に取り出すための出射装置8、荷電粒子ビームの周回軌道に共鳴を励起して出射装置8から荷電粒子を出射させるための六極電磁石9、高周波加速空洞7に高周波電圧を供給するための高周波源10、高周波源10を制御する高周波制御装置11、発生する磁場を制御するため偏向電磁石の励磁電流を制御する偏向電磁石制御装置12、高周波制御装置11、偏向電磁石制御装置12や収束用電磁石6などその他のコンポーネントを制御して円形加速器1全体を制御する円形加速器制御装置13などにより構成されている。本発明では、高周波源制御装置11は内部に高周波源10が発生する高周波電圧のパラメータの一つである波形を制御する高周波電圧波形制御部110を備えている。
の周波数を増加させてゆく。3倍高調波も基本波の周波数の変化に追随して3MHzから30MHzに変化させる必要がある。3倍高調波は基本波を基に発生させれば、基本波の周波数の変化に追随した3倍高調波の発生は簡単に行える。また、空間電荷(荷電粒子と荷電粒子が反発しあう効果)の影響は低エネルギー時が大きく、高エネルギー時には影響が小さいので、ある加速エネルギー(例えば陽子で20MeV程度)まで3倍の高調波を励
振させ、その後は基本波のみにしても同様の効果を奏する。
タを設定して出射電流として取り出す。本発明では1回の加速毎に高周波電圧の波形を変えて加速電流値を変更し、同じ出射パラメータでビームを取り出す。図4(b)の例では1回の加速で4回のビーム出射を行なっているが、ビーム照射系30からの要求によっては1回連続して出射する場合もある。
速電流と出射電流の関係を示す。最初の加速では、例えば3倍高調波の基本波に対する比率を0.5として大電流を加速し、大電流のビームを出射する。2回目の加速では例えば3倍高調波の基本波に対する比率を0.25として加速する電流を1回目よりも小さくして、1回目の加速のときと同様の出射パラメータでビームを取り出すと、出射する電流は1回目よりも小電流となる。このようにして、出射パラメータを変えずに3倍高調波の比率を変えることで高周波源10が発生する高周波電圧の波形を変えて出射電流を制御できる。
このように構成することで、簡便な制御方法と制御機器で安定に粒子線の出射電流を変更できる。
実施の形態1では、高周波電圧波形の作成を、3倍の高調波の振幅を調整することで行なったが、振幅を一定とし、3倍高調波と基本波間の位相を調整しても高周波電圧の波形を変化させることができる。具体的には3倍の高調波と基本波間の位相を加速電流が最大となる位相(最適位相)に調整し、3倍高調波を最適位相からずらしてゆくと加速電流を減少させていくことが可能となる。出射は基本波のみのときと同じ出射パラメータで実施し、加速電流に概比例した出射電流を実現することが可能となる。
以上のように、本実施の形態2によれば、簡便な制御方法と制御機器で安定に粒子線の出射電流を変更できる。
図10は、本発明の実施の形態3による荷電粒子ビーム照射システムの概略構成を示すブロック図である。図10において、図1と同一符号は同一または相当する部分を示す。図10において、図1と異なる部分は、高周波源制御装置11に、高周波電圧波形制御部110に代えて、高周波の周波数、振幅、位相のうち少なくとも一つのパラメータの偏移量を設定する基本波パラメータ偏移量設定部111を設けた点である。実施の形態1および2では、高周波電圧パターン作成で、基本波と高調波を用いていたが、基本波のみを用いてその周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータを、最大加速電流が得られる最適値から偏移させることでも加速電流を制御することができる。
パラメータを荷電粒子の加速の最適値からずらすことにより、加速電流を最大値から下げる。基本波パラメータ偏移量設定部111において、ビーム照射制御装置40から送られてくるビーム照射系30が必要とする荷電粒子ビームのビーム強度の信号に基づいて円形加速器制御装置13が要求する出射電流に対応して、高周波電圧の周波数、振幅、位相のうち少なくとも一つのパラメータを最適値からずらす量、すなわち偏移量を決定し、設定する。このようにして、高周波電圧の周波数、振幅、位相のうち少なくとも一つのパラメータにより出射電流を制御する。このように、高周波電圧のパラメータを加速の最適値から偏移させて、要求される出射電流を得る制御方法は、従来発想すらなかった。
3:真空ダクト 4:入射装置
5、5a、5b、5c、5d:偏向電磁石
6、6a、6b、6c、6d:収束用電磁石
7:高周波加速空洞 8:出射装置
9:共鳴励起用六極電磁石 10:高周波源
11:高周波源制御装置 12:偏向磁石制御装置
13:円形加速器制御装置 20:ビーム輸送系
30:ビーム照射系 40:ビーム照射制御装置
110:高周波電圧波形制御部 111:基本波パラメータ偏移量設定部
Claims (15)
- 入射された荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、上記荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、この高周波加速空洞に高周波を入射させる高周波源と、上記荷電粒子ビームを収束させるための収束用電磁石と、上記周回軌道に共鳴を励起するための六極電磁石と、上記荷電粒子を上記周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器と、
上記周回軌道から出射された上記荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、
このビーム輸送系により輸送された上記荷電粒子ビームを対象物に照射するビーム照射系と、
対象物に照射する上記荷電粒子ビームを制御するためのビーム照射制御装置と
を備えた荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
上記高周波源が発生する高周波を制御する高周波源制御装置を備え、この高周波源制御装置は、上記ビーム照射制御装置から送られてくる、ビーム照射系が必要とする上記荷電粒子ビームのビーム強度の信号に基づいて、上記高周波源が発生する高周波のパラメータを制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。 - 高周波源制御装置は、ビーム照射制御装置から送られてくる、ビーム照射系が必要とする荷電粒子ビームのビーム強度の信号に基づいて、高周波源が発生する高周波のパラメータである周波数、振幅、位相のうち少なくとも一を、上記荷電粒子の加速の最適値から偏移させる偏移量を設定する高周波パラメータ偏移量設定部を備えたことを特徴とする請求項1に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
- 高周波パラメータ偏移量設定部は、少なくとも、荷電粒子の入射時から加速開始初期の所定時間までの間、高周波源が発生する高周波の周波数、振幅および位相の少なくとも一を、荷電粒子の加速の最適値から偏移させる偏移量を設定することを特徴とする請求項2に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
- 加速開始初期の所定時間は、加速開始後から、加速開始時のシンクロトロン振動の1周期の時間の50倍以内の時間であることを特徴とする請求項3に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
- 高周波源制御装置は、ビーム照射制御装置から送られてくるビーム照射系が必要とする荷電粒子ビームのビーム強度の信号に基づいて、高周波源が発生する高周波のパラメータである波形を制御する高周波波形制御部を備えたことを特徴とする請求項1に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
- 高周波源が基本波とこの基本波の高調波を発生するよう構成されており、高周波波形制御部は、この基本波と高調波それぞれの振幅または位相の少なくとも一を制御することを特徴とする請求項5に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
- 高調波が3倍高調波であることを特徴とする請求項6に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
- 高調波が2倍高調波であることを特徴とする請求項6に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
- 高調波が2倍高調波および3倍高調波であることを特徴とする請求項6に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
- 入射された荷電粒子を偏向電磁石により偏向させて周回軌道に沿って周回させ荷電粒子ビームを形成し、上記荷電粒子を高周波加速空洞に印加する高周波電圧により加速し、収束用電磁石により上記荷電粒子ビームを収束させ、六極電磁石により上記周回軌道に共鳴を励起し、出射装置により上記荷電粒子を上記周回軌道から取り出す円形加速器の運転方法において、
上記高周波加速空洞に印加する高周波電圧のパラメータを変更することにより上記周回軌道から取り出す荷電粒子ビームの出射電流を変更することを特徴とする円形加速器の運転方法。 - 高周波加速空洞に印加する高周波電圧のパラメータである周波数、振幅および位相のうち少なくとも一を、荷電粒子の加速の最適値から偏移させて周回軌道から取り出す荷電粒子の出射電流を変更することを特徴とする請求項10に記載の円形加速器の運転方法。
- 少なくとも、荷電粒子の入射時から加速開始初期の所定時間の間、高周波加速空洞に印加する高周波電圧の周波数、振幅および位相の少なくとも一を、荷電粒子の加速の最適値から偏移させることを特徴とする請求項11に記載の円形加速器の運転方法。
- 加速開始初期の所定時間は、加速開始後から、加速開始時のシンクロトロン振動の1周期の時間の50倍以内の時間であることを特徴とする請求項12に記載の円形加速器の運転方法。
- 高周波加速空洞に印加する高周波電圧のパラメータである波形を変更して周回軌道から取り出す荷電粒子の出射電流を変更することを特徴とする請求項10に記載の円形加速器の運転方法。
- 高周波電圧の波形が、基本波と高調波とを混合して形成され、上記基本波と上記高調波それぞれの振幅または位相の少なくとも一を変更して高周波電圧の波形を変更することを特徴とする請求項14に記載の円形加速器の運転方法。
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