JP2021144853A - 誘導加速シンクロトロン - Google Patents
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Abstract
Description
「イオンビームの通過シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナルを基に、閉込用デジタル信号処理装置及び閉込用パターン生成器で閉込用ゲート信号パターンを生成し、閉込用誘導加速セルのオン及びオフを閉込用インテリジェント制御装置により制御し、閉込用誘導加速セルによってイオンビームに印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、
イオンビームの通過シグナル、位置シグナル及びイオンビームに印加された誘導電圧値を知るための誘導電圧シグナルを基に、加速用デジタル信号処理装置及び加速用パターン生成器で加速用ゲート信号パターンを生成し、加速用誘導加速セルのオン及びオフを加速用インテリジェント制御装置により制御し、加速用誘導加速セルによってイオンビームに印加する誘導電圧の発生タイミング及び印加時間をフィードバック制御し、
全てのイオン種の周回に同期させ、加速することを特徴とする全種イオン加速器。」
と記載のように、ビーム閉込用誘導加速セル及びビーム加速用誘導加速セルをパルス電圧でデジタル的にオン及びオフ制御することで、同一の加速器で、イオン種を限定することなく、加速器に採用される電磁石で発生する磁場強度が許す任意のエネルギーレベルに加速する技術である。
ここで、シンクロトロンの1ターン毎の理想的加速電圧Vaccは偏向電磁石の励磁パターンdB/dtにより下式(1)で一意に決められている。
Vacc=ρC0dB/dt 式(1)
(ρは偏向電磁石での曲率半径、C0はシンクロトロンでの軌道周長)
速い繰り返しシンクロトロンでは磁束密度B(t)のAC成分は加速器の運転周波数を持って余弦関数で変動する。これに同期した加速電圧も(1)式に従い正弦関数で変動させねばならない(図3)。
速い繰り返しの誘導加速シンクロトロンの1ターンにおける主加速器リングからのビームの取り出しは、従来加速終了時に合わせて、高速で立ち上げるキッカー電磁石(キッカーと略することがある)とセプタム電磁石(セプタムと略すことがある)の組み合わせで取り出す手段が採用されていたが、加速周期毎に変化可能な任意の時間に(任意のエネルギーで)ビームを取り出す手法は無かった。
さらに、これまで、重粒子線セラピーにおいて、ビームの損失や照射周辺部を放射化すること無しに、照射表面部からガン患部の深部までをビームで連続的にスイープする手段はなかった。
閉込用誘導加速セル及び加速用誘導加速セルのパルス電圧の印加によりビームバンチの閉じ込めと加速をする誘導加速シンクロトロンにおいて、
前記加速用誘導加速セルを駆動する加速用のスイッチング電源の上流に接続された第三コンデンサバンク及び前記第三コンデンサバンクの上流に接続された双方向チョッパ回路からなる下流DC回路と、前記下流DC回路の上流に接続した第二コンデンサバンクと、
を備え、
前記下流DC回路の電圧を増加させるフェーズでは、前記双方向チョッパ回路を順方向モードで駆動し前記第三コンデンサを充電し、
前記下流DC回路の電圧を低下させるフェーズでは、前記双方向チョッパ回路を逆方向モードで駆動することにより前記第三コンデンサを放電することで、
高精度の速い繰り返を可能としたことを特徴とする誘導加速シンクロトロン。
(2)
前記ビームバンチの周回軌道に配置され前記ビームバンチを第一照射ビームラインに導くキッカー電磁石と、
前記第一照射ビームライに配置されビームの軌道を補正する第一セプタム電磁石を含み、
任意のタイミングの1ターンで、任意のエネルギーでビームを主加速器リングから取り出すため、前記キッカー電磁石と前記第一セプタム電磁石の充電電圧を前記任意のタイミングに必要な電圧に制御することを特徴とする
(1)に記載の誘導加速シンクロトロン。
(3)
前記ビームバンチ周回軌道のフラット運動量分散関数領域の上流に位置する偏向電磁石入口近傍の主加速器リング内側の真空容器の内壁近くで、周回ビームが当たらない箇所に炭素薄膜の膜面を前記ビームバンチからこぼれたスピルの軌道に対して垂直にして配置し、
前記スピルが前記炭素薄膜を通過することで前記スピルから電子が剥離され、前記偏向電磁石を通過することで第二照射ビームライに導かれ、
さらに前記第二照射ビームラインに配置された第二セプタム電磁石で前記スピルの軌道を補正することで、
任意の1加速サイクル内で加速中に連続的にエネルギーをスイープしながら前記スピルを主加速器リングから取り出すことを特徴とする
(1)又は(2)に記載の誘導加速シンクロトロン。
とした。なお、(1)、(2)は、従来の誘導加速シンクロトロンにも適用できる。
[問題1に関して]
図1に示す速い繰り返しの誘導加速シンクロトロン1において、加速用誘導加速装置の加速用誘導加速セルを駆動するスイッチング電源の動作を図4に示すように三部構成のスイッチング機構で制御する。
・1つは交流電源からダイオード整流器によって第一コンデンサバンクに充電される上流DC回路、
・2番目は上流DC回路の出力を高周波インバータによって高周波交流に変換し、昇圧トランスによって一定の高電圧に変換した後に高圧整流器によって再度直流に戻し第二コンデンサバンクに充電する中流DC回路、
・3番目は中流DC回路に接続され、双方向チョッパによって第三コンデンサバンクを充電する下流DC回路である。
下流DC回路の電圧を低下させるフェーズでは、上記双方向チョッパ回路を逆方向モードで駆動することにより前記第三コンデンサを放電する。より具体的には、以下の通りの制御となる。
速い繰り返しの誘導加速シンクロトロンの任意時間に1ターンでビームを取り出す、1ターンビーム取り出し用のキッカー電磁石とセプタム電磁石の組み合わせは既存のものである。
限られた領域に大きな運動量分散関数(図2)を有する重粒子線セラピー用の速い繰り返しの誘導加速シンクロトロン1(図1)を用意する。非特許文献10に提案された(以降、エネルギースイープビーム取り出し法とも呼ぶ)バリアーバケット加速で使用されているバリアーバケットに捕獲したビームの一部(スピル)に対してバケツからこぼす手法を5価の炭素イオン(C5+)や1価のヘリウムイオン(He+)の様な完全電離状態の一歩手前の価数を持ったイオンに適用する。
Claims (3)
- 閉込用誘導加速セル及び加速用誘導加速セルのパルス電圧の印加によりビームバンチの閉じ込めと加速をする誘導加速シンクロトロンにおいて、
前記加速用誘導加速セルを駆動する加速用のスイッチング電源の上流に接続された第三コンデンサバンク及び前記第三コンデンサバンクの上流に接続された双方向チョッパ回路からなる下流DC回路と、前記下流DC回路の上流に接続した第二コンデンサバンクと、
を備え、
前記下流DC回路の電圧を増加させるフェーズでは、前記双方向チョッパ回路を順方向モードで駆動し前記第三コンデンサを充電し、
前記下流DC回路の電圧を低下させるフェーズでは、前記双方向チョッパ回路を逆方向モードで駆動することにより前記第三コンデンサを放電することで、
高精度の速い繰り返を可能としたことを特徴とする誘導加速シンクロトロン。 - 前記ビームバンチの周回軌道に配置され前記ビームバンチを第一照射ビームラインに導くキッカー電磁石と、
前記第一照射ビームライに配置されビームの軌道を補正する第一セプタム電磁石を含み、
任意のタイミングの1ターンで、任意のエネルギーでビームを主加速器リングから取り出すため、前記キッカー電磁石と前記第一セプタム電磁石の充電電圧を前記任意のタイミングに必要な電圧に制御することを特徴とする
請求項1に記載の誘導加速シンクロトロン。 - 前記ビームバンチ周回軌道のフラット運動量分散関数領域の上流に位置する偏向電磁石入口近傍の主加速器リング内側の真空容器の内壁近くで、周回ビームが当たらない箇所に炭素薄膜の膜面を前記ビームバンチからこぼれたスピルの軌道に対して垂直にして配置し、
前記スピルが前記炭素薄膜を通過することで前記スピルから電子が剥離され、前記偏向電磁石を通過することで第二照射ビームライに導かれ、
さらに前記第二照射ビームラインに配置された第二セプタム電磁石で前記スピルの軌道を補正することで、
任意の1加速サイクル内で加速中に連続的にエネルギーをスイープしながら前記スピルを主加速器リングから取り出すことを特徴とする
請求項1又は請求項2に記載の誘導加速シンクロトロン。
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