JP3574345B2 - RF control device and its application system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医療用加速器システムにおける加速空胴にビーム加速用の高周波信号を印加するRF制御装置およびそのRF制御装置およびその応用システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
RF加速装置の従来例としては例えば文献1(重粒子がん治療装置 建設総合報告書NIRS−M−109 HIMAC−009 1995年5月「高周波加速」金澤光隆、p44〜49。科学技術庁 放射線医学総合研究所)に述べられている重粒子加速器HIMACがある。
【0003】
図10に示すシンクロトロンを例に環状加速器の一般的な構成について説明する。シンクロトロンは周回軌道を形成するための電磁石1、高周波を使ってビームを加速する加速空胴2、およびビームが通過するための通路となる真空ダクト3から構成される。これ以外の機器としては、ビームを前もって加速する前段加速器6、加速されたビームを真空ダクト3に入射する入射装置5、ビームの位置等を計測するビームモニタ4、ビームをシンクロトロンからユーザ側に送り出す出射装置7などから構成される。
【0004】
電磁石1の磁場はビームの加速に伴い定められたパターンに従って変化する。同時にビームの周回周波数も変化するため、安定に加速するためには加速空胴2に印加される高周波信号も定められたパターンによって周波数を制御する必要がある。
【0005】
次に図11に従い一般的な加速制御システムについて説明する。加速中にビームはシンクロトロン振動と呼ばれる現象を起こすため、そのままではビームに対してなんらかの外乱があった場合にビームの不安定性が発生する。この対策としてビームモニタ4および位相モニタ回路14により検出されたビーム信号と加速用の高周波信号の位相差に基づき周波数のフィードバック制御を行い、シンクロトロン振動を減衰する方策が通常とられている。これが図に示す位相制御ループ20である。
【0006】
また加速空胴2の周波数が電磁石1の磁場で決まる最適周波数からずれた場合には、ビームの位置が理想的な中心軌道からずれるため、ビームモニタ4、および位置モニタ回路15でこれを検出し、高周波信号の周波数をフィードバック制御することも行われる。これが図に示す位置ずれ制御ループ21である。
【0007】
また加速空胴2に実際印加される電圧を電圧モニタ13にて検出し、検出信号に基づき高周波信号の振幅を制御することも行われる。これが図に示す空胴電圧制御ループ22である。
【0008】
加速制御システムの他の構成として、9はディジタル制御回路であり、このディジタル制御回路9は高周波信号のフィードバックのための演算を行う装置である。8はメモリモジュールであり、このメモリモジュール8は加速空胴を制御するためのデータを保存する装置であってディジタル制御回路9に逐次加速空胴運転用のパターンデータが送られる。10はビーム加速用の高周波信号を発生するためのディジタルシンセサイザ、11は高周波信号の振幅を制御するためのAM変調器、12は変調出力を増幅する増幅装置、19はメモリモジュール8を制御するための計算機である。計算機19の機能はメモリモジュールおよびタイミングシステム16にパターンデータを伝送することである。
【0009】
パターンデータ送信は加速器の運転開始前に行われ、計算機の高周波制御にリアルタイム性はない。16はメモリモジュール8のデータ読み出しタイミングを制御するタイミングシステム。18は偏向電磁石1の磁場モニタ17に従ってメモリモジュール8にBクロック信号を発生するBクロック発生装置である。
【0010】
次に図12のタイミングチャートに基づいてシンクロトロンの加速に用いられるパターンの一般的な運転方法について説明する。このタイミングチャートには電磁石の磁場強度および運転サイクルの名称が時間T1〜T7の順に時系列的に示してある。
【0011】
T1と示した期間はフラットボトムと呼ばれ、シンクロトロンの最低エネルギーの状態である。フラットボトムでは前段加速器6からビームを入射し、シンクロトロン内に蓄積する。次にOFF状態にあった高周波信号をONとし、電圧を増加させることによりビームが高周波信号の一定の位相にあつまるように捕獲を行う。
【0012】
次にT2と示した期間では電磁石の磁場変動に基づいて高周波信号の周波数と電圧を制御してビームの加速を行う。磁場の励磁速度が大部分一定の場合、加速の開始と終了部分は区別してスムージングと呼ばれている。
【0013】
次にビームが所定のエネルギーに達した時点で加速を終了し磁場が変化しないフラットトップの状態に入る。フラットトップではビームをシンクロトロンから出射するのに適した条件を作るため、高周波信号の電圧、周波数などの微調整を行う。この期間をT3とする。
【0014】
次にT4ではビーム利用者の要求に応じてビームをシンクロトロンの外に出射する。T4期間中は高周波信号をOFFにするか、あるいはONのままでもよい。次に所定の時間が経過した後、またはビームを使い切った時点でシンクロトロンの磁場を下げるための準備をする。この準備期間をT5とする。
【0015】
次にT6の期間でシンクロトロンの磁場を最低値まで下げる。シンクロトロンは再びフラットボトムの状態となり、T7の期間で電源を初期状態に戻す。加速されたビームの内、シンクロトロンに取り残した部分はフラットトップで棄てる場合もあるが、磁場を減少する際に高周波信号をONにしてビームを保持し減速してから棄てることもある。従ってフラットトップからフラットボトムまでの立ち下げ期間であるT6を減速と呼んでいる。上記の運転周期を加速サイクルまたはパルスと呼んでいる。
【0016】
次にメモリモジュール8からディジタル制御回路9に送られるデータ転送を制御するクロックについて説明する。クロックはBクロックと、Tクロックと呼ばれるものの2種類があり、これらのクロックによりメモリモジュール8からディジタル制御回路9にパターンデータが伝送される。Bクロックは電磁石1の磁場を磁場モニタ17で検出した結果に基づいてBクロック発生装置18より発生する。例えば磁場が0.2ガウス変化する毎に1クロックパルスを出力するような装置である。
【0017】
二つのクロックは上記パターン動作を決めるT1〜T7において従い使い分ける。運転パターン中で磁場変化が大きい部分ではBクロックを使い、磁場の変化がゼロもしくは小さい部分ではTクロックを用いる方法が一般的である。例えばT1、T3、T5およびT7のように磁場変化がゼロの部分ではTクロックを使用し、その他の部分ではBクロックを使用する。
【0018】
磁場が増加する部分はB+クロック、減少する部分ではB−クロックを使用する。またイベント信号としては図に示したマスタ信号、運転開始信号、メモリクロック停止、再開信号、メモリクロック切替信号がある。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の加速制御装置では制御におけるフレキシビリティが限られていることが問題であった。即ち、シンクロトロンの立ち上げ調整をする時点では最適な運転方法やパラメータが事前にわかっていないことが多く、加速器を実際に運転してみながら試行錯誤で調整を行う場合が一般的であり装置を実際に立ち上げるまで多大の労力と時間を要した。
また、従来の加速制御装置では最適なパターンを探すための機能が不足していた。
また、リアルタイムで定数を変化させるなどのフレキシビリティが不足していた。
【0020】
また、従来の加速制御装置では、BクロックとTクロックを切替えるタイミングは外部のタイミングシステムに依存していたため、タイミングシステムの分解能等の仕様による制約を受けていた。
また、切替えた際のメモリアドレス制御に処理速度による制約があり、切替えの時点はフラットトップやフラットボトムに設定できるものの、他の任意の時点での切替えに変更することは容易でなかった。
【0021】
サイクル毎に条件を変えて運転することができれば加速器建設後のビーム調整がよりスムーズに行えるし、また癌治療装置などの応用ではサイクル毎にエネルギーを変えて運転することが望ましいが、従来の加速制御装置ではパターンや運転定数を多数記憶しておき、サイクル毎に切り替えて運転することができなかった。
【0022】
また、従来の加速制御装置ではビームの加速中にフィードバックの定数あるいは演算方法を変化させるなどサイクル中に運転パラメータを変えることができなかった。加速器の不安定性はビームエネルギーに依存しているため、このようにフィードバック定数をリアルタイムで制御する運転が望ましいことがある。
【0023】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、運転および運転調整時のフレキシビリティを向上させることができるRF制御装置を得ることを目的とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明に係るRF制御装置は、環状加速器の偏向磁界の変化を示すフラットベース期間、加速期間、フラットトップ期間及び減速期間に対応させて計算機で予め作成した複数の運転パターンに対応する加速空胴駆動用の高周波信号の周波数リファレンス信号、電圧リファレンス信号、ビーム位置リファレンス信号及び記憶領域の最終データを知らせる最終切替ビットであるビットデータ(切替ビット)列を外部クロックで読み出すように各領域毎に記憶したデータ記憶領域およびパターン情報及び各領域のデータ列のスタートアドレスを記憶した制御データ記憶領域から構成される記憶手段と、外部信号またはビットデータ内の最終切替ビットに応じて、前記記憶手段のデータ読み出しクロックの周期を異なる周期に切り替えるとともに、前記制御データ記憶領域に予め記憶されたアドレス情報をもとに読み出しデータの領域を切り替えるメモリ制御手段と、前記記憶手段より読み出した高周波信号の周波数リファレンス信号、電圧リファレンス信号、ビーム位置リファレンス信号とビーム位置、位相、電圧に対応するモニタ信号とを比較して加速空胴を駆動する高周波信号の周波数、電圧をフィードバック制御するフィードバック制御手段とを備えたものである。
【0025】
請求項2の発明に係るRF制御装置のメモリ制御手段は、タイミングシステムが発生する一定間隔のTクロック、環状加速器の偏向磁界の変化に応じて出力されるBクロックを選択的に切り替え、外部信号によるアドレスジャンプ及びクロック切替動作を、ビットデータ内の任意の切替ビットデータを基にして行うものである。
【0027】
請求項3の発明に係るRF制御装置の記憶手段は、1つの運転パターンに対応しメモリ記憶領域を複数個有するとともに、それらのメモリ記憶領域を、加速器の運転用のパターンデータの作成等を行う上位計算機とデータ通信を制御する上位通信制御機能、あるいはフィードバック制御手段における演算機能へリファレンス信号の読み出しを行う機能によりアクセスできるとともに、演算機能の予め指定したデータを上記メモリ記憶領域に書込みできるメモリアクセス制御手段を備えたものである。
【0028】
請求項4の発明に係るRF制御装置のフィードバック制御手段は、メモリアクセス制御手段が読み出したリファレンス信号とビーム位置、位相、電圧のモニタ信号を読み込み、ビーム位置モニタ信号よりビーム位置リファレンス信号の減算、減算結果を定数に基づく比例積分演算、比例積分演算結果と定数との乗算、位相モニタ信号と定数との乗算、各乗算結果と周波数リファレンス信号への加算を行い、ディジタル周波数発振器で周波数信号を発生させるとともに、電圧モニタ信号と電圧リファレンス信号の減算、減算結果と定数との乗算を行い周波数信号の振幅を設定する周波数データ演算手段と、各定数を加速サイクル毎に書換え可能な機能を備えたものである。
【0029】
請求項5の発明に係るRF制御装置の記憶手段は、演算用定数を複数個記憶する定数メモリ機能、ビットデータ内に定数を切替えるための定数切替ビットを有するメモリ機能を有し、前記定数切替ビット又は外部信号、出力周波数によって前記定数メモリ機能から定数を読み出すものである。
【0030】
請求項6の発明に係るRF制御装置の周波数データ演算手段は、基準クロックに従って逐次更新してディジタル周波数発振器に与える周波数データ、及び高周波信号の振幅を示すデータの更新毎の変化量に上限、下限を設定する機能を備えたものである。
請求項7の発明に係るRF制御装置は、その構成の少なくとも一部をプログラマブル半導体デバイスの一種であるFPGA(フィルド・プログラマブル・ゲート・アレイ)を用いて構成したものである。
請求項8の発明に係るRF制御装置の応用システムは、請求項1ないし6のRF制御装置により加速器を駆動してビームを出射するものである。
請求項9の発明に係るRF制御装置の応用システムは、請求項1ないし7のRf制御装置により駆動される加速器から射出されるビームを照射装置に導き、この照射装置によってビームを患部に照射するようにしたものである。
【0031】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るRF制御装置の構成を示す図である。図において、50は加速空胴を制御するためのデータを保存し、逐次フィードバック制御部59にリファレンス信号を送るメモリモジュール、59はフィードバックのための演算を行うフィードバック制御部、62は周波数設定部であり、周波数発生器、AM変調器、ゲイン調整アンプなどから構成される。63は各モニタで検出したアナログ検出信号103〜105をディジタル信号に変換するAD変換部である。
【0032】
また、51は上位計算機との通信を制御する上位通信制御部、52aは加速空胴を制御するためのパターンデータを保存するメモリ記憶領域である。57はデータ読み出し機能部であり、パターン制御方法を設定するパターン制御設定部53、メモリクロック切替信号を設定するメモリクロック切替制御部54、パターンデータ読み出し用のメモリクロックの制御などを行う運転パターンタイミング制御部55、演算用のメモリ制御を行う演算用メモリ制御部56から構成される。
【0033】
更に、50はメモリモジュールであり、上位通信制御部51、メモリ記憶領域52a、データ読み出し機能部57、メモリアクセス制御部58aを含む。
尚、従来例で言えば、メモリモジュール8、ディジタル制御回路9、ディジタルシンセサイザ10、AM変調器11を合わせたものが、本発明のRF制御装置に相当する。
【0034】
また、ビーム位置モニタ信号103は位置ずれ制御ループ21、ビーム位相モニタ信号104は位相制御ループ20、電圧モニタ信号105は空胴電圧制御ループ22を示す。Bクロックはタイミングシステムを介して入力され、イベント信号102としては、マスタ信号、運転開始信号、メモリクロック停止、再開信号、メモリクロック切替イベント、各モニタの制御を行うモニタ制御信号(各モニタ毎に独立)、Tクロック、B(+)クロック、B(−)クロックを用いる。
【0035】
ここで、メモリ記憶領域52aについて詳細に説明する。メモリ記憶領域52aは、運転パターンの種類と使用するメモリクロックを示すパターン制御データと、各データ領域の読み出し開始データの番地を示すスタートアドレスをもつ制御データ記憶領域60、各運転期間に対応したデータ領域をもつデータ記憶領域61から構成される。
【0036】
データ記憶領域61の各記憶領域にはクロック毎に読み出す順に一連のデータが格納されている。そして各一連のデータは各アドレス毎に格納され、一連のデータは、20bitの周波数リファレンスデータ、12bitの電圧リファレンスデータ、12bitのビーム位置リファレンスデータ、4bitのビット制御データのパターンデータから構成される。各データ領域の最終データは、ビット制御データによって示すか、又はスタートアドレスと同様に制御データ記憶領域に最終データの番地を示してもよい。
【0037】
尚、パターン制御設定部53は、メモリ記憶領域52aの制御データ記憶領域60の0番地から読み出されたパターン制御データ117に従って、クロック切替及びスタートアドレス切替の順序付けを示すパターン制御指令128を設定し、メモリ切替制御部54は、上位計算機からの指令により、メモリクロック切替方法をメモリクロック切替イベント129及び最終切替ビット118を用いた切替か、理想切替ビット119による切替を行うかの設定し、運転パターンタイミング制御部55にメモリクロック切替信号121を出力する。
【0038】
次に本装置におけるメモリアドレス制御およびメモリクロック切替え方法について説明する。例として、通常運転で、Tクロックを使用し、メモリクロック切替方法は、メモリクロック切替イベント129と最終切替データビット118を用いた場合について説明する。
【0039】
まず、メモリ記憶領域52aにパターンデータの書込みを行うために上位計算機は、パターンデータの書込み指令及びパターンデータを上位通信制御部51に出力する。上位通信制御部51からデータ転送用データ111とデータ転送用メモリ制御信号110を受けたメモリアクセス制御部58は、データ転送用データ111をメモリデータ124とし、データ転送用メモリ制御信号110に従ってメモリアドレス123及びメモリ制御信号122を出力し、メモリ記憶領域52aに随時書込みを行う。
【0040】
サイクル運転に関しては、まず運転パターンタイミング制御部55は、運転開始指令108に従い、パターン制御データ読み出し指令114を出力する。演算用メモリ制御部56は、パターン制御データが保存されている0番地を読み出すように、演算用メモリ制御信号115を出力する。メモリアクセス制御部58は演算用メモリ制御信号115に従ってメモリアドレス123及びメモリ制御信号112を出力し、0番地のパターン制御データ117を読み出し、パターン制御設定部53に出力する。
【0041】
パターン制御データ117によって、運転の種類が通常運転であり、クロックがTクロックであることが示されるため、パターン制御設定部53は、クロック切替及びスタートアドレス切替の順序付けを示すパターン制御指令128を運転パターンタイミング制御部55に出力する。また、メモリクロック切替制御部54は、メモリクロック切替指令109に従い、運転パターンタイミング制御部55にメモリクロック切替信号121を出力する。
【0042】
運転パターンタイミング制御部55は、パターン制御指令128に従い、イベント信号102である運転開始信号の立上がりで、データ領域#1のスタートアドレスが格納されている1番地を読み出すためにスタートアドレス制御信号を出力し、演算用メモリ制御部56は、スタートアドレス制御信号112に従って演算用メモリ制御信号115を出力する。
【0043】
メモリアクセス制御部58aは、データ領域#1のスタートアドレスを読み出し、演算用メモリ制御部56に渡す。データ領域の読み出しは、イベント信号102であるTクロックに同期したメモリクロック113に従って、データ領域#1のスタートアドレスからアドレスを逐次インクリメントしながら演算用メモリ制御信号115を出力する。メモリアクセス制御部58aは、演算用メモリ制御信号115に従ってメモリアドレス123、メモリ制御信号124を出力してメモリデータ123を読み出し、周波数リファレンスデータ125、ビーム位置リファレンスデータ126、電圧リファレンスデータ127をフィードバック制御部56に、また最終切替ビット118及び理想切替ビット119をメモリクロック切替制御部54に出力する。
【0044】
Tクロックをメモリクロック112として上記の動作を繰り返し、イベント信号102であるメモリクロック切替イベント129をメモリクロック切替信号121として受け取った運転パターンタイミング制御部55は、メモリ記憶領域52aの2番地からデータ領域#2のスタートアドレスを読み出すようにスタートアドレス制御信号112を出力し、スタートアドレス116の読み出しを行い、イベント信号102であるB(+)クロックに同期してメモリクロック113を出力する。
【0045】
同時に、新たに読み出したスタートアドレスからメモリクロック113に従いアドレスを逐次インクリメントしながら周波数リファレンスデータ125、ビーム位置リファレンスデータ126、電圧リファレンスデータ127、最終切替ビット118、理想切替ビット119のデータを読み出す。以下同様にデータの読み出しを行う。
【0046】
ここで、イベント信号102であるメモリクロック切替イベントよりデータ記憶領域から読み出されるデータのビットデータ内の最終切替ビット118が先に入力された場合は最終切替ビット118により上記のメモリクロックの設定、スタートアドレスの読み出しが行われる。
【0047】
メモリクロック切替方法は、理想切替ビットのみ、またはメモリクロック切替イベントと最終切替ビットのみの構成でもよい。
【0048】
以上のようにこの発明によれば、イベント信号102であるメモリクロック切替イベントがノイズ等で検知されなかった場合、メモリ記憶領域52aの最終切替ビット118をリミッタとして使用することができ、支障なく運転が続けられる。
【0049】
従来では外部のタイミングシステムにより与えられたタイミングでしかメモリクロックの切替が行えなかった。しかし、切替ビットを用いることにより、切替のタイミングを高周波系だけで独立に決めることができ、タイミングシステムとのインターフェースが削減できる。
【0050】
また切替のタイミング精度をタイミングシステムの分解能に依存せずに決めることができる。通常、高周波系はシンクロトロンの他の機器よりも厳しい分解能が要求されるため、高周波系が分離できることでタイミングシステム全体の分解能を下げることができる。
【0051】
実施の形態2.
なお、上記実施の形態1では、1個のバンクから構成されるメモリ記憶領域52aを有する場合について述べた。実施の形態2に係るRF制御装置は、図2に示すように、実施の形態1と同様の機能を持つデータ読み出し機能57、フィードバック制御部59、周波数設定部62、AD変換部63、そして本実施の形態に係るバンクを複数個有するメモリ記憶領域52b、上位計算機とのデータ転送制御と、フィードバック制御部59へのパターンデータの読み出し制御を各々制御するとともに、演算部の予め指定したデータをメモリ記憶領域52bの指定したバンクに保存するための制御を行うメモリアクセス制御部58bから構成される。尚、図中で周波数設定部62、AD変換部63は省略する。
【0052】
次に本実施の形態に係るメモリ記憶領域52bの構成に関して詳細に説明する。1つの運転パターンに対応する記憶バンクを複数個有するメモリ機能は、1個以上のバンクから構成される2つのブロック#1,#2から構成され、それぞれのブロックごとに独立にメモリアドレス、メモリ制御信号、メモリデータを持つ。
尚、メモリアクセス制御部58bは、データ転送用、演算用の制御信号をどのブロックのどのバンクに出力するか、また、データの入出力先の設定、予め設定された演算データの保存バンクの指定及び保存のタイミング設定を行う。
【0053】
次に本実施の形態の動作について説明する。
ブロック#1のバンク#1から演算用にパターンデータを読み出し、ブロック#2のバンク#11に上位計算機からパターンデータを転送する場合の運転の例を示す。
【0054】
まず、バンク#1に上位計算機よりパターンデータは書き込まれているものとして、バンク#1からパターンデータの読み出しを行うように上位計算機からの指令を受け取った上位通信制御部51は、イベント信号102のマスタ信号に同期して、メモリアクセス制御部58bに、ブロック#1のバンク#1からパターンデータを読み出すように制御別バンク指定130を出力する。
又、運転開始指令108を運転パターンタイミング制御部55に出力し、実施の形態1と同様に、パターンデータの読み出しを行う。
【0055】
一方、上位計算機はバンク#11にパターンデータを書き込むように上位通信制御部51に指令とデータを送る。バンク#11がブロック#2で、ブロック#2においてメモリアクセスがされていないことを判断した上位通信制御部51は、ブロック#2のバンク#11にデータ転送を行うように、制御バンク指定130を出力し、予め設定された手順に従って、バンク#11へのデータ転送を行う。
【0056】
メモリアクセス制御部58bにデータ転送制御と演算用の読み出し制御のタイミング制御を備えることで、各々ブロックごとに独立なメモリアドレス、メモリ制御信号、メモリデータを持たなくとも、共通なものとして構成してもよい。
【0057】
周波数設定データ、位置モニタ信号等の演算データをメモリに書き込む場合の運転方法の例を示す。
【0058】
バンク#1から演算用のパターンデータの読み出しを行い、バンク#3に演算データの書込みを行う場合の運転を示す。
【0059】
バンク#1からパターンデータの読み出しを行い、バンク#3に演算データの書込みを行うように上位計算機からの指令を受け取った上位通信制御部51は、イベント信号102のマスタ信号に同期して、メモリアクセス制御部58bに、パターンデータの読み出しをバンク#1から行い、バンク#3に演算データの書込みを行うように制御別バンク指定130を出力し、同時に運転開始指令108を運転パターンタイミング制御部55に出力する。そして、上記と同様にデータの読み出しを行う。
【0060】
フィードバック制御部59は、読み出したパターンデータによる演算処理後、予め設定された出力周波数値、位置モニタ信号などの演算データをメモリアクセス制御部58bに出力する。演算データを受け取ったメモリアクセス制御部58bは、バンク#1で読み出しを行う時に用いたアドレスをそのまま使用してバンク#3に演算データの書込みを行う。以下同様にバンク#1からパターンデータを読み出すごとに、バンク#3に演算データを書き込む。
尚、演算データの書込みを行うバンクは、読み出しを行うバンクと同一ブロック内でなくてもよい。
【0061】
以上のようにこの発明によれば、
パターンデータだけでなく、演算データも上位計算機に読み出しができる。上位計算機に読み出した演算データを予め設定された方法に従って修正し、そのパターンデータを再び指定されたメモリ記憶内のバンクに書き込み、運転することで、繰返し制御ができる。
【0062】
また、出力周波数値、モニタ信号等の演算データを上位計算機に読み出すことで運転中のビーム状態のモニタができる。
【0063】
また、複数個のバンクを有することでサイクル毎に切替えて運転する時、サイクル間に上位計算機から書き込みを行う必要がなく、あらかじめバンクに保存されたデータを使用するため、信頼性が向上するとともに、切替が短時間で可能となる。加速器の建設が終了した時点でのビーム調整ではあらかじめ最適なバターンデータがわかっていることは少なく、これらはビームを用いた測定から実験的に求められることが多い。このため複数のパターンデータをバンクに書き込んでおくことにより、最適なパターンデータを見つける時間を短縮化することができる。
【0064】
実施の形態3.
実施の形態3に係るRF制御装置は、図3に示すように高周波加速空胴を制御するためのデータを保存し、逐次フィードバック制御にリファレンス信号を送るメモリモジュール50と、パターン毎に演算定数の切替ができるフィードバック制御部59、周波数発振器、ゲイン調整アンプなどから構成される周波数設定部62、AD変換部63から構成される。
【0065】
フィードバック制御部59の構成に関して詳細に説明する。フィードバック制御部59は、タイミングシステムからのイベント信号102に基づき、データの更新を行うための一定周期の演算開始クロックを生成し、メモリモジュールからのリファレンス信号、モニタ信号、出力データの更新のタイミング制御を行う演算タイミング制御部71と、リファレンス信号、モニタ信号、定数を用いてフィードバックのための演算を行う演算機能72、書換えを行う定数を一時的に保持し、各定数を演算機能72に出力する定数バッファ73a、リファレンス信号を保持し、演算機能72に出力するデータバッファ74aから構成される。
【0066】
尚、演算機能72は、AD変換部63でディジタル変換されたモニタ信号を保持するラッチ78、加算79、減算80、乗算81、比例積分82といった演算器、周波数設定データ106、振幅設定データ107の出力タイミングをあわせるための出力制御部83から構成される。
ここでは周波数設定部62、AD変換部63に関する詳細は省く。
【0067】
次に本実施の形態に係るフィードバック制御部の動作説明を行う。
イベント信号102である運転開始信号を受けて、演算タイミング制御部71は、一定周期の演算開始クロックを生成する。また、メモリモジュールよりリファレンス信号がデータバッファ74aに格納されると、演算開始クロックと同期してリファレンス信号を演算機能72に出力する。
【0068】
一方、イベント信号102であるモニタ制御信号を受けた演算タイミング制御部71はモニタ信号をラッチするためのモニタイネーブル信号144を演算開始クロックと同期して出力する。演算機能72は、演算開始クロックによって演算を開始し、ビーム位置リファレンス信号126とビーム位置モニタ信号141を減算し、定数g3に基づき比例積分を行い、定数g4との乗算を行ったデータと、ビーム位相モニタ信号142と定数g2を乗算したデータと周波数リファレンス信号125を加算し、周波数設定を行う。
【0069】
また、電圧リファレンス信号127と電圧モニタ信号143を減算し、定数g1との乗算を行い、振幅設定を行う。演算終了の出力イネーブル信号145で周波数設定データ106、振幅設定データ107の出力を行う。周波数設定部62は、周波数設定データ106、振幅設定データ107に基づき、周波数設定部62などで周波数に変換し、ゲイン調整アンプで振幅を設定し、周波数101として出力する。演算開始クロックごとにモニタ信号は更新され、演算処理、周波数設定データ106、振幅設定データ107の更新を行う。
【0070】
リファレンス信号は、データバッファ74aに格納されている場合のみ演算開始クロックと同期してデータを更新する。モニタ制御信号がOFFの信号の場合、モニタ信号は入力されないため、演算処理は、モニタ信号を0として処理を行う。また、定数バッファ73aに、パターン運転中に上位計算機からの指令で新たな定数が格納されている場合、マスタ信号と同期して定数の更新をし、次の運転からは、新たな定数で上記と同様の運転を行う。
【0071】
以上のようにこの発明によればサイクル運転毎にフィードバックの定数を変更することができ、加速器の調整を容易に行うことができる。
加速器の建設が終了した時点でのビーム調整ではあらかじめ最適なフィードバック定数、およびフィルタ定数などがわかっていることは少なく、これらはビームを用いた測定から実験的に求められることが多いが、本実施の形態のようにサイクル毎にこれらの定数を変化できることで定数の最適化が容易となる。
また、ディジタル演算によるフィードバック制御を行なっているため、安定で、信頼性の高い運転を行うことができる。
【0072】
実施の形態4.
図4は、実施の形態3に記載の演算タイミング制御部71、演算機能72、演算機能72に出力する各定数を保持する定数バッファ73a、上記記載のパターンデータ以外に定数切替ビットデータを記憶するデータバッファ74b、定数メモリ領域より定数を読み出すための定数制御部91、サイクル運転内で使用する複数の定数を記憶している定数メモリ領域92から構成される実施の形態4に係るのフィードバック制御部の構成図である。尚、図中で演算機能72からの出力は省略する。
また、実施例の形態1で示したバンク記憶領域のビット制御データの1bitを定数切替ビットとするか、またはビット制御データを1bit増やした構成とする。
【0073】
次に本実施の形態の動作について説明する。
演算開始前のマスタ信号によって、定数メモリ領域の0番地の各定数を読み出し、定数バッファ73bに格納する。データバッファ74bより定数切替ビットを受け取った定数制御部91は、演算開始クロックと同期して定数メモリ領域92にアドレスをインクリメントして1番地の各定数を読み出し、定数バッファ73bの定数を更新する。定数切替ビットが入力されるごとに定数メモリ領域に出力するアドレスをインクリメントし、随時読み出しを行い、定数を更新する。
【0074】
以上のようにこの発明によれば、サイクル運転中に任意の時点で定数を変えることができるため、想定される運転状況に応じた最適な定数を設定でき、不安定性の制御に有利である。
また、シンクロトロンの運転では、トランジションと呼ばれるあるエネルギーを境界に位相の符号が反転する。従って、加速中にこのエネルギーを通過する場合は瞬時にフィードバック回路の符号を反転させる必要がある。
【0075】
本実施の形態によれば、符号の反転は容易であり、反転するタイミングも設定が自在となる。さらに、加速器で発生するエネルギーに依存する様々なビーム不安定性に対し、位相だけでなく、電圧制御の定数もエネルギーに応じて変化させることができる。
【0076】
実施の形態5.
図5は、演算タイミング制御部71、演算機能72、定数バッファ73a、データバッファ74b、定数制御部91、定数メモリ機能92から構成される実施の形態5に係るフィードバック制御部の構成図である。尚、図中で演算機能72からの出力は省略する。
【0077】
本実施の形態であH、定数切替ビットで行なっていた定数メモリ領域92からの読み出しを、イベント信号102からの定数切替イベントで行う点が上記実施の形態4と異なる。
【0078】
以上のように本実施の形態によれば、サイクル運転中に外部からの指令により、定数を変えることができ、例えば、ビーム擾乱をモニタし、それによってフィードバック定数を変えることにより、不安定性の制御に有利である。
【0079】
実施の形態6.
図6は、演算タイミング制御部71、演算機能72、定数バッファ73a、データバッファ74b、定数制御部91、定数メモリ機能92演算機能72より周波数設定データ106を受取り、予め設定されているしきい値と比較する比較器93から構成される実施の形態6に係るフィードバック制御部の構成図である。尚、図中で演算機能72からの出力は省略する。
【0080】
本実施の形態に係るフィードバック制御部は定数切替ビット151で又は定数切替イベント152で行なっていた定数メモリ領域92からの読み出しを、比較器93において周波数設定データと予め設定したしきい値と比較する点が実施の形態5と異なる。
【0081】
以上のようにこの発明によれば、サイクル運転中に加速周波数に応じた最適な定数の設定ができ、不安定性を制御するのに有利である。
【0082】
実施の形態7.
実施の形態7は、実施の形態4から6に示した2つ又は3つ定数切替方法を有する演算タイミング制御と定数切替制御機能を有する演算タイミング制御機能を備え、上位計算機からの指令によって定数切替方法を設定することができる。
【0083】
以上のようにこの発明によれば、複数の切替方法をもつことで、多様な運転を行うことができる。
【0084】
実施の形態8.
図7は、実施の形態3に示す出力制御部83において、周波数設定データと振幅設定データの更新ごとの変化量に上限、下限を設定し、設定値以上に周波数と振幅が変化しないように出力の制御を行う機能を備えたものである。83bは本実施の形態に係る出力制御部である。他の構成に関しては実施の形態3と同様である。
【0085】
実施の形態3と動作の異なる出力制御部83bの出力信号を制限する動作の一例を説明する。演算クロックによって更新される周波数設定データ106と振幅設定データ107をそれぞれ一つ前のデータと減算を行い、求められた変化量と予め設定されたそれぞれの変化量の上限、下限の設定値との比較を行い、変化量が設定値内の場合はそのままデータの更新を行い、変化量が設定値以上の場合は、超過分を加算または減算してデータの更新を行う。
【0086】
以上のよう本実施の形態によれば不必要な周波数応答を抑えることができるため、安定な加速器の運転が可能となる。また、なんらかの理由でフィードバック制御に支障を生じた場合にも高周波増幅器などの保護となる。
尚、上記各実施の形態に係るRF制御装置は、その構成の少なくとも一部をプログラマブル半導体デバイスの一種であるFPGA(フィルド・プログラマブル・ゲート・アレイ)を用いて構成することもできる。
【0087】
実施の形態9.
図8は上記RF制御装置を高周波ビーム出射装置に適用した例を示す図である。文献2(P.Strolin “Resonant Extraction from the CERN Intersecting Storgae Rings”, CERN 69−6 (1969))に記載されてあるようにシンクロトロンからビームを出射する手段として、高周波ノックアウト電極29とよばれる装置が用いられる。
【0088】
このビーム出射方法では高周波ノックアウト電極29の2つの電極間にRF制御装置より出力されパワーアンプ31で増幅された特定の周波数の高周波を印加することでシンクロトロン内を周回するビームに摂動を与え、ビームの一部の粒子に不安定性を起こさせる。
【0089】
出射にあたっては電極に印加される高周波の振幅、および周波数のリアルタイム制御をRF制御装置におけるディジタルシンセサイザー10,AM変調器11にて行う。また、ビーム電流波形をビーム電流モニタ27計測し、その情報をAM変調器11にフィードバックをすることで、出射ビームの電流波形が所望の形になるようすることが一般的である。
このような装置にも上記高周波モジュールを適用すれば、上記に述べた理由によりフィードバック制御のパラメータ調整が容易となる。
【0090】
実施の形態10.
図9は上記高周波制御モジュールを用いた加速器と患者にビームを当てる照射装置とを組み合わせた癌治療装置の例である。照射装置は例えば文献3(三菱電機技報 Vol.69 No2 (1995) p34 上田和宏他「HIMAC用治療・照射システム」)に示されているものと同じでよい。
【0091】
尚、図中、図10,11と同一符号は同一または相当部分を示す。図において、6は入射ビームを加速して入射装置5に注入する前段加速器である。24は照射装置であり、この照射装置は出射装置7より出射されたビームを患者の患部に照射する。高周波制御モジュール及び加速器の動作は図10,図11により説明したものと同様である。
【0092】
【発明の効果】
この発明によれば、環状加速器の偏向磁界の変化を示すフラットベース期間、加速期間、フラットトップ期間及び減速期間に対応させて計算機で予め作成した複数の運転パターンに対応する加速空胴駆動用の高周波信号の周波数リファレンス信号、電圧リファレンス信号、ビーム位置リファレンス信号及び記憶領域の最終データを知らせる最終切替ビットであるビットデータ(切替ビット)列を外部クロックで読み出すように各領域毎に記憶したデータ記憶領域およびパターン情報及び各領域のデータ列のスタートアドレスを記憶した制御データ記憶領域から構成される記憶手段と、外部信号またはビットデータ内の最終切替ビットに応じて、前記記憶手段のデータ読み出しクロックの周期を異なる周期に切り替えるとともに、前記制御データ記憶領域に予め記憶されたアドレス情報をもとに読み出しデータの領域を切り替えるメモリ制御手段と、前記記憶手段より読み出した高周波信号の周波数リファレンス信号、電圧リファレンス信号、ビーム位置リファレンス信号とビーム位置、位相、電圧に対応するモニタ信号とを比較して加速空胴を駆動する高周波信号の周波数、電圧をフィードバック制御するフィードバック制御手段とを備えたので、繰り返し制御を行えるため加速器の立ち上げ時の調整を容易にできるという効果がある。
【0093】
この発明によれば、メモリ制御手段はタイミングシステムが発生する一定間隔のTクロック、環状加速器の偏向磁界の変化に応じて出力されるBクロックを選択的に切り替えることで、BクロックとTクロックの切替が容易になり加速器の運転をフレキシブルにすることができるという効果がある。
【0094】
この発明によれば、外部信号によるアドレスジャンプ及びクロック切替動作を、ビットデータ内の任意の切替ビットデータを基にして行うことで、切り替えタイミングを高周波系だけで独立に決めることができるためタイミングシステムとのインターフェースが削減でき、タイミングシステム全体の分解能を下げることができるという効果がある。
【0095】
この発明によれば、記憶手段は1つの運転パターンに対応しメモリ記憶領域を複数個有するとともに、それらのメモリ記憶領域を、加速器の運転用のパターンデータの作成等を行う上位計算機とデータ通信を制御する上位通信制御機能、あるいはフィードバック制御手段における演算機能へリファレンス信号の読み出しを行う機能によりアクセスできるとともに、演算機能の予め指定したデータを上記メモリ記憶領域に書込みできるメモリアクセス制御手段を備えたので、サイクル毎にパターンデータを切り替えて運転するとときに、サイクル間に上位計算機から書き込みを行う必要がなく、予めメモり領域に保存されたデータを使用することで信頼性が向上すると共に、切り替えが短時間で行えるという効果がある。
【0096】
この発明によればフィードバック制御手段は、メモリアクセス制御手段が読み出したリファレンス信号とビーム位置、位相、電圧のモニタ信号を読み込み、ビーム位置モニタ信号よりビーム位置リファレンス信号の減算、減算結果を定数に基づく比例積分演算、比例積分演算結果と定数との乗算、位相モニタ信号と定数との乗算、各乗算結果と周波数リファレンス信号への加算を行い、ディジタル周波数発振器で周波数信号を発生させるとともに、電圧モニタ信号と電圧リファレンス信号の減算、減算結果と定数との乗算を行い周波数信号の振幅を設定する周波数データ演算手段と、各定数を加速サイクル毎に書換え可能な機能を備えたので、サイクル運転毎にフィードバックの定数を更新することができ、加速器の調整を容易に行うことができるという効果がある。
【0097】
この発明によれば、記憶手段は演算用定数を複数個記憶する定数メモリ機能、ビットデータ内に定数を切替えるための定数切替ビットを有するメモリ機能を有し、前記定数切替ビット又は外部信号、出力周波数によって前記定数メモリ機能から定数を読み出すことで、サイクル運転中に任意の時点で定数を替えることができるため、想定される運転状況に応じた最適な定数を設定できるという効果がある。
【0098】
この発明によれば、周波数データ演算手段は基準クロックに従って逐次更新してディジタル周波数発振器に与える周波数データ、及び周波数信号の振幅を示すデータの更新毎の変化量に上限、下限を設定する機能を備えたので、不必要な周波数応答を抑制することができるため、安定した加速器の運転が可能になるという効果がある。
【0099】
この発明によれば、装置の立ち上げから実際のビ−ム照射による治療までの時間を短縮できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態 1に係わるRF制御装置の構成図である。
【図2】本発明の実施の形態 2に係わるRF制御装置の構成図である。
【図3】本発明の実施の形態 3に係わるRF制御装置の構成図である。
【図4】本発明の実施の形態 4に係わるフィードバック制御の構成図である。
【図5】本発明の実施の形態 5に係わるフィードバック制御の構成図である。
【図6】本発明の実施の形態 6に係わるフィードバック制御の構成図である。
【図7】本発明の実施の形態 8に係わるフィードバック制御の構成図である。
【図8】本発明の実施の形態 9に係わる高周波ビーム出射装置の構成図である。
【図9】本発明の実施の形態 10に係わる癌治療装置の構成図である。
【図10】従来の環状加速器の構成図である。
【図11】一般的な加速制御システムの説明である。
【図12】シンクロトロンの加速に用いられる一般的な運転方法の説明である。
【符号の説明】
1 偏向電磁石、2 加速空胴、3 真空ダクト、4 ビームモニタ、5 入射装置、6 前段加速器、7 出射装置、8 メモリモジュール、9 ディジタル制御回路、10 ディジタルシンセサイザ、11 AM変調器、12 パワーアンプ、13 電圧モニタ、14 位相モニタ回路、15 位置モニタ回路、16 タイミングシステム、17 磁場モニタ、18 Bクロック発生装置、19計算機、20 位相制御ループ、21 位置ずれ制御ループ、空胴電圧制御ループ50 メモリモジュール、51 上位通信制御、52a、52b メモリ記憶領域、53 パターン制御設定部、54 メモリクロック切替制御部、55 運転パターンタイミング制御部、56 演算メモリ制御部、57 データ読み出し部、58a、58b メモリアクセス制御部、59 フィードバック制御部、60 制御データ記憶領域、61 データ記憶領域、62 周波数設定部、63AD変換部、71 演算タイミング制御部、72 演算機能、73a、73b定数バッファ、83b 出力制御部、91 定数制御部、92 定数メモリ領域、93 比較器。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an RF controller for applying a high-frequency signal for beam acceleration to an acceleration cavity in a medical accelerator system, and an RF controller and an application system thereof.
[0002]
[Prior art]
As a conventional example of the RF acceleration device, for example, Reference 1 (Heavy Particle Cancer Therapy Device Construction Comprehensive Report NIRS-M-109 HIMAC-009, May 1995 "High Frequency Acceleration" Mitsutaka Kanazawa, pp. 44-49. There is a heavy particle accelerator HIMAC described in General Research Institute.
[0003]
The general configuration of the ring accelerator will be described using the synchrotron shown in FIG. 10 as an example. The synchrotron includes an
[0004]
The magnetic field of the
[0005]
Next, a general acceleration control system will be described with reference to FIG. Since the beam causes a phenomenon called synchrotron oscillation during acceleration, the beam becomes unstable if there is any disturbance to the beam as it is. As a countermeasure, a measure is usually taken to attenuate synchrotron oscillation by performing frequency feedback control based on the phase difference between the beam signal detected by the
[0006]
If the frequency of the accelerating
[0007]
Further, the voltage actually applied to the
[0008]
As another configuration of the acceleration control system, 9 is a digital control circuit, and the digital control circuit 9 is a device that performs an operation for feedback of a high-frequency signal.
[0009]
The pattern data transmission is performed before the operation of the accelerator starts, and the high-frequency control of the computer has no real-time property. A
[0010]
Next, a general operation method of a pattern used for accelerating a synchrotron will be described with reference to a timing chart of FIG. In this timing chart, the magnetic field strength of the electromagnet and the name of the operation cycle are shown in time series in the order of times T1 to T7.
[0011]
The period indicated by T1 is called a flat bottom and is a state of the lowest energy of the synchrotron. In the flat bottom, a beam enters from the pre-accelerator 6 and accumulates in the synchrotron. Next, the high-frequency signal that was in the OFF state is turned on, and the voltage is increased so that the beam is captured so as to match the fixed phase of the high-frequency signal.
[0012]
Next, in a period indicated by T2, the beam is accelerated by controlling the frequency and voltage of the high-frequency signal based on the magnetic field fluctuation of the electromagnet. When the excitation speed of the magnetic field is mostly constant, the start and end of acceleration are distinguished from each other and called smoothing.
[0013]
Next, when the beam reaches a predetermined energy, the acceleration is terminated and the state enters a flat top state in which the magnetic field does not change. In the flat top, fine adjustment of the voltage and frequency of the high-frequency signal is performed in order to create conditions suitable for emitting the beam from the synchrotron. This period is defined as T3.
[0014]
Next, at T4, the beam is emitted out of the synchrotron according to the request of the beam user. During the period T4, the high-frequency signal may be turned off or may be kept on. Next, after a predetermined time has elapsed or when the beam has been used up, preparations are made to lower the magnetic field of the synchrotron. This preparation period is defined as T5.
[0015]
Next, the magnetic field of the synchrotron is reduced to the minimum value during the period T6. The synchrotron returns to the flat bottom state again, and returns the power supply to the initial state in a period of T7. Of the accelerated beam, the portion left behind in the synchrotron may be discarded with a flat top, but when the magnetic field is reduced, the high frequency signal may be turned on to hold the beam, decelerate, and then discarded. Therefore, T6, which is the fall period from the flat top to the flat bottom, is called deceleration. The above operation cycle is called an acceleration cycle or a pulse.
[0016]
Next, a clock for controlling data transfer sent from the
[0017]
The two clocks are selectively used in T1 to T7 which determine the pattern operation. It is common to use the B clock in a portion where the magnetic field change is large in the operation pattern and use the T clock in a portion where the change in the magnetic field is zero or small. For example, the T clock is used in a portion where the magnetic field change is zero, such as T1, T3, T5 and T7, and the B clock is used in other portions.
[0018]
The B + clock is used for the portion where the magnetic field increases, and the B− clock is used for the portion where the magnetic field decreases. The event signals include a master signal, an operation start signal, a memory clock stop / restart signal, and a memory clock switching signal shown in FIG.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional acceleration control device as described above has a problem that flexibility in control is limited. In other words, at the time of start-up adjustment of the synchrotron, the optimal operation method and parameters are often not known in advance, and adjustment is generally performed by trial and error while actually operating the accelerator. It took a lot of effort and time to actually start up.
Further, the conventional acceleration control device lacks a function for searching for an optimal pattern.
In addition, flexibility such as changing a constant in real time was insufficient.
[0020]
In addition, in the conventional acceleration control device, the timing of switching between the B clock and the T clock depends on an external timing system, and thus is restricted by specifications such as the resolution of the timing system.
Further, there is a restriction due to the processing speed in the memory address control at the time of switching, and the switching time can be set to flat top or flat bottom, but it has not been easy to change to switching at any other time.
[0021]
If it is possible to operate under different conditions for each cycle, beam adjustment after the accelerator construction can be performed more smoothly, and in applications such as cancer treatment equipment, it is desirable to operate with different energy for each cycle, but conventional acceleration The control device stores a large number of patterns and operating constants, and cannot switch and operate each cycle.
[0022]
In addition, the conventional acceleration control device cannot change the operation parameters during the cycle, such as changing the feedback constant or the calculation method during the beam acceleration. Since the instability of the accelerator depends on the beam energy, such an operation that controls the feedback constant in real time may be desirable.
[0023]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to obtain an RF control device capable of improving flexibility during operation and operation adjustment.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
The RF control device according to the first aspect of the present invention is created in advance by a computer in correspondence with the flat base period, the acceleration period, the flat top period, and the deceleration period indicating the change in the deflection magnetic field of the annular accelerator. Supports multiple driving patterns A frequency reference signal, a voltage reference signal, a beam position reference signal of a high-frequency signal for driving an acceleration cavity, and a bit data (switching bit) string as a final switching bit for notifying final data of a storage area are read by an external clock. A storage means comprising a data storage area and a control data storage area for storing pattern information and a start address of a data string in each area, and an external signal or a last switching bit in bit data, for storing the data. Means for switching the cycle of the data read clock of the means to a different cycle, and a memory control means for switching the area of the read data based on the address information previously stored in the control data storage area, and a high-frequency signal read from the storage means. Frequency reference signal, voltage reference Feedback control means for comparing the frequency signal and the beam position reference signal with the monitor signals corresponding to the beam position, the phase and the voltage, and feedback-controlling the frequency and voltage of the high-frequency signal for driving the acceleration cavity. .
[0025]
The memory control means of the RF controller according to the second aspect of the present invention selectively switches the T clock generated at a fixed interval generated by the timing system and the B clock output according to a change in the deflection magnetic field of the annular accelerator. Performs address jump and clock switching operation by an external signal based on arbitrary switching bit data in bit data Things.
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]
Claim 6 The frequency data calculation means of the RF control apparatus according to the invention sets an upper limit and a lower limit to the frequency data to be sequentially updated according to the reference clock and applied to the digital frequency oscillator, and to the amount of change in the data indicating the amplitude of the high-frequency signal for each update. It has a function.
Claim 9 An application system of the RF control device according to the invention of
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an RF control device according to
[0032]
[0033]
In the conventional example, a combination of the
[0034]
The beam
[0035]
Here, the
[0036]
In each storage area of the
[0037]
The pattern
[0038]
Next, a memory address control and a memory clock switching method in the present device will be described. As an example, the case where the T clock is used in the normal operation and the memory clock switching method uses the memory
[0039]
First, the host computer outputs a pattern data write command and pattern data to the host
[0040]
Regarding the cycle operation, first, the operation pattern
[0041]
Since the
[0042]
The operation pattern
[0043]
The memory
[0044]
The operation pattern
[0045]
At the same time, the data of the
[0046]
Here, when the
[0047]
The memory clock switching method may have a configuration of only an ideal switching bit or only a memory clock switching event and a final switching bit.
[0048]
As described above, according to the present invention, when the memory clock switching event, which is the
[0049]
Conventionally, the memory clock can be switched only at a timing given by an external timing system. However, by using the switching bit, the switching timing can be determined independently only by the high frequency system, and the interface with the timing system can be reduced.
[0050]
Further, the switching timing accuracy can be determined without depending on the resolution of the timing system. Normally, the high-frequency system requires a stricter resolution than other devices of the synchrotron, and the resolution of the entire timing system can be reduced by separating the high-frequency system.
[0051]
In the first embodiment, the case where the
[0052]
Next, the configuration of the
The memory
[0053]
Next, the operation of the present embodiment will be described.
An example of operation in a case where pattern data for calculation is read from
[0054]
First, assuming that the pattern data has been written to the
Further, an
[0055]
On the other hand, the host computer sends a command and data to the host
[0056]
By providing the memory
[0057]
An example of an operation method when writing calculation data such as frequency setting data and a position monitor signal to a memory will be described.
[0058]
The operation in the case of reading operation pattern data from
[0059]
The higher-level
[0060]
After performing the arithmetic processing based on the read pattern data, the
Note that the bank in which the arithmetic data is written may not be in the same block as the bank in which the arithmetic data is read.
[0061]
As described above, according to the present invention,
Not only pattern data but also operation data can be read out to a host computer. The operation data read out to the host computer is corrected in accordance with a preset method, and the pattern data is written back to the designated bank in the memory storage, and the operation is performed, whereby the repetitive control can be performed.
[0062]
In addition, by reading operation data such as an output frequency value and a monitor signal to a host computer, a beam state during operation can be monitored.
[0063]
Also, by having a plurality of banks, when switching and operating each cycle, there is no need to write data from the host computer between cycles, and since data stored in the bank is used in advance, reliability is improved. Switching can be performed in a short time. In the beam adjustment at the time when the construction of the accelerator has been completed, the optimal pattern data is rarely known in advance, and these are often obtained experimentally from measurements using a beam. Therefore, by writing a plurality of pattern data in the bank, it is possible to shorten the time for finding the optimum pattern data.
[0064]
The RF control device according to the third embodiment includes a
[0065]
The configuration of the
[0066]
The
Here, details regarding the
[0067]
Next, the operation of the feedback control unit according to the present embodiment will be described.
Upon receiving the operation start signal, which is the
[0068]
On the other hand, upon receiving the monitor control signal as the
[0069]
Further, the
[0070]
The reference signal updates data in synchronization with the operation start clock only when stored in the
[0071]
As described above, according to the present invention, the feedback constant can be changed for each cycle operation, and the accelerator can be easily adjusted.
In the beam adjustment at the time of the completion of the accelerator construction, it is rare that the optimum feedback constant and filter constant are known in advance, and these are often obtained experimentally from measurements using a beam. Since these constants can be changed for each cycle as in the embodiment, optimization of the constants becomes easy.
In addition, since feedback control by digital operation is performed, stable and highly reliable operation can be performed.
[0072]
FIG. 4 shows an operation
Further, 1 bit of the bit control data of the bank storage area shown in the first embodiment is set to a constant switching bit, or the bit control data is increased by 1 bit.
[0073]
Next, the operation of the present embodiment will be described.
Each constant at
[0074]
As described above, according to the present invention, the constant can be changed at any time during the cycle operation, so that an optimum constant can be set according to the assumed operating condition, which is advantageous for controlling instability.
In the operation of the synchrotron, the sign of the phase is inverted at a certain energy called a transition. Therefore, when passing this energy during acceleration, the sign of the feedback circuit must be reversed instantaneously.
[0075]
According to the present embodiment, the sign can be easily inverted, and the timing of the inversion can be set freely. Furthermore, for various beam instabilities depending on the energy generated in the accelerator, not only the phase but also the voltage control constant can be changed according to the energy.
[0076]
FIG. 5 is a configuration diagram of a feedback control unit according to the fifth embodiment including an operation
[0077]
This embodiment is different from the fourth embodiment in that reading from the
[0078]
As described above, according to the present embodiment, the constant can be changed by an external command during the cycle operation. For example, by controlling the beam disturbance and thereby changing the feedback constant, the control of the instability can be performed. Is advantageous.
[0079]
Embodiment 6 FIG.
FIG. 6 shows a case in which the
[0080]
The feedback control unit according to the present embodiment compares the reading from the
[0081]
As described above, according to the present invention, an optimal constant can be set according to the acceleration frequency during the cycle operation, which is advantageous for controlling instability.
[0082]
The seventh embodiment is provided with an arithmetic timing control having two or three constant switching methods as shown in the fourth to sixth embodiments and an arithmetic timing control function having a constant switching control function, and the constant switching is performed by a command from a host computer. The method can be set.
[0083]
As described above, according to the present invention, various operations can be performed by having a plurality of switching methods.
[0084]
FIG. 7 shows that the
[0085]
An example of the operation of restricting the output signal of the
[0086]
As described above, according to the present embodiment, unnecessary frequency response can be suppressed, so that stable accelerator operation is possible. Further, even if the feedback control is hindered for some reason, the protection of the high-frequency amplifier and the like is provided.
It should be noted that the RF control device according to each of the above embodiments may be configured so that at least a part of its configuration is formed using an FPGA (Filled Programmable Gate Array) which is a kind of programmable semiconductor device.
[0087]
Embodiment 9 FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an example in which the RF control device is applied to a high-frequency beam emitting device. A device called a high-
[0088]
In this beam emission method, a perturbation is given to a beam circulating in the synchrotron by applying a high frequency of a specific frequency output from the RF control device and amplified by the
[0089]
Upon emission, real-time control of the amplitude and frequency of the high frequency applied to the electrodes is performed by the
If the above-described high-frequency module is applied to such an apparatus, it is easy to adjust the parameters of the feedback control for the reasons described above.
[0090]
FIG. 9 shows an example of a cancer treatment apparatus in which an accelerator using the above high-frequency control module and an irradiation apparatus for irradiating a patient with a beam are combined. The irradiation device may be the same as that shown in, for example, Reference 3 (Mitsubishi Electric Technical Report Vol. 69 No. 2 (1995) p34 Kazuhiro Ueda et al., "HIMAC treatment / irradiation system").
[0091]
In the drawings, the same reference numerals as those in FIGS. 10 and 11 indicate the same or corresponding parts. In the figure, reference numeral 6 denotes a pre-stage accelerator for accelerating an incident beam and injecting it into the
[0092]
【The invention's effect】
According to the present invention, a flat base period, an acceleration period, a flat top period, and a deceleration period indicating changes in the deflection magnetic field of the annular accelerator are created in advance by a computer. Supports multiple driving patterns A frequency reference signal, a voltage reference signal, a beam position reference signal of a high-frequency signal for driving an acceleration cavity, and a bit data (switching bit) string as a final switching bit for notifying final data of a storage area are read by an external clock. A storage means comprising a data storage area and a control data storage area for storing pattern information and a start address of a data string in each area, and an external signal or a last switching bit in bit data, for storing the data. Means for switching the cycle of the data read clock of the means to a different cycle, and a memory control means for switching the area of the read data based on the address information previously stored in the control data storage area, and a high-frequency signal read from the storage means. Frequency reference signal, voltage reference And a feedback control means for feedback-controlling the frequency and voltage of the high-frequency signal for driving the acceleration cavity by comparing the monitor signal corresponding to the beam signal, the beam position reference signal and the beam position, the phase, and the voltage. Since control can be performed, there is an effect that adjustment at the time of starting the accelerator can be easily performed.
[0093]
According to the present invention, the memory control means selectively switches between the T clock generated at a fixed interval generated by the timing system and the B clock output in accordance with the change in the deflection magnetic field of the annular accelerator, whereby the B clock and the T clock are output. There is an effect that the switching is facilitated and the operation of the accelerator can be made flexible.
[0094]
According to the present invention, the address jump and the clock switching operation by the external signal are performed based on arbitrary switching bit data in the bit data, so that the switching timing can be independently determined only by the high frequency system. Interface can be reduced, and the resolution of the entire timing system can be reduced.
[0095]
According to the present invention, the storage means has a plurality of memory storage areas corresponding to one operation pattern, and performs data communication between the memory storage areas and a higher-level computer that creates pattern data for operating the accelerator. Since the host communication control function to control or the arithmetic function in the feedback control means can be accessed by the function of reading the reference signal, and the memory access control means capable of writing the data specified in advance to the memory storage area is provided. When operating by switching the pattern data for each cycle, there is no need to write data from the host computer between cycles, and the reliability is improved by using the data stored in the memory area in advance, and the switching can be performed. There is an effect that it can be performed in a short time.
[0096]
According to the present invention, the feedback control unit reads the reference signal and the beam position, phase, and voltage monitor signals read by the memory access control unit, subtracts the beam position reference signal from the beam position monitor signal, and determines the result of the subtraction based on a constant. Performs a proportional integral operation, multiplies the result of the proportional integral operation by a constant, multiplies a phase monitor signal by a constant, adds each multiplication result to a frequency reference signal, generates a frequency signal with a digital frequency oscillator, and generates a voltage monitor signal. Frequency data calculation means for setting the amplitude of the frequency signal by performing subtraction of the voltage reference signal and the subtraction result and a constant, and a function capable of rewriting each constant for each acceleration cycle. Can be updated, and the accelerator can be easily adjusted. There is an effect that kill.
[0097]
According to the present invention, the storage means has a constant memory function for storing a plurality of operation constants, and a memory function having a constant switching bit for switching constants in bit data. By reading the constant from the constant memory function according to the frequency, the constant can be changed at any time during the cycle operation, so that there is an effect that an optimum constant can be set according to the assumed operating condition.
[0098]
According to the present invention, the frequency data calculation means has a function of setting upper and lower limits to the frequency data to be sequentially updated according to the reference clock and to be applied to the digital frequency oscillator, and the amount of change in the data indicating the amplitude of the frequency signal for each update. Therefore, unnecessary frequency response can be suppressed, so that there is an effect that stable operation of the accelerator becomes possible.
[0099]
According to the present invention, there is an effect that the time from the start-up of the apparatus to the actual treatment by beam irradiation can be shortened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an RF control device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of an RF control device according to
FIG. 3 is a configuration diagram of an RF control device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of feedback control according to
FIG. 5 is a configuration diagram of feedback control according to
FIG. 6 is a configuration diagram of feedback control according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of feedback control according to
FIG. 8 is a configuration diagram of a high-frequency beam emitting device according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of a cancer treatment apparatus according to
FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional annular accelerator.
FIG. 11 is an explanation of a general acceleration control system.
FIG. 12 is an explanatory view of a general operation method used for accelerating a synchrotron.
[Explanation of symbols]
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