JP4070950B2

JP4070950B2 - Tune measurement method, tune measurement device, and circular accelerator system

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Publication number: JP4070950B2
Application number: JP2000347439A
Authority: JP
Inventors: 秀晶西内; 和夫平本; 一義齋藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: JP2002151300A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円形加速器内を周回しながら加速される荷電粒子ビームのチューンを表示するチューン表示装置及びそれを有する円形加速器システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
シンクロトロンに代表される円形加速器では、荷電粒子ビーム（以下、ビームという）を周回させながら加速するが、シンクロトロン内を周回するビームは振動（ベータトロン振動という）しており、１周あたりのベータトロン振動数はチューンと呼ばれている。このチューンがある所定値になると、ビームのベータトロン振動振幅が急激に大きくなる「共鳴」が生じる。なお、共鳴を生じるチューンの値を共鳴点と呼ぶ。この共鳴によってビームの振動振幅が増大し続けると、最終的にはビームが真空ダクト等に衝突して失われてしまうため、ビームのチューンは共鳴点から遠ざけておく必要がある。
【０００３】
チューンを制御するために周回するビームのチューンを測定する技術が考案されており、その一例として特開平５−３１００号公報には、ＲＦノックアウト法を用いてビームのチューンを測定し、表示することが記載されている。具体的には、電界を発生させるための電極に対して周波数を変えながら高周波信号を印加し、変動するビーム位置に応じて検出用電極から得られる信号の周波数毎の出力レベルを求めて表示する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、チューンの表示方法について具体的には記載されていないが、単にチューンの値を表示しても、共鳴点からチューンを遠ざけるのにどの機器をどのように制御すべきか判断するのは難しい。
【０００５】
本発明の目的は、荷電粒子ビームの入射完了から加速終了までのチューンの時系列データを得ることができるチューン測定方法、チューン測定装置及び円形加速器システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する第１の発明の特徴は、円形加速器内を周回する荷電粒子ビームに、複数の周波数を有する高周波電磁場を前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了まで印加することによって前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増大させ、ベータトロン振動振幅が増大した前記荷電粒子ビームの軌道変位を検出し、検出した前記軌道変位に基づいて前記荷電粒子ビームのチューンを演算することにある。
また、上記目的を達成する第２の発明の特徴は、複数の機器を有して、荷電粒子ビームを周回させながら加速する円形加速器を備えた円形加速器システムにおいて、チューン測定装置と、前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了までのチューンの時系列データと前記機器に関するパラメータの時系列データとを同じ時間軸上に表示する表示装置とを備え、前記チューン測定装置は、円形加速器内を周回する荷電粒子ビームに、複数の周波数を有する高周波電磁場を前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了まで印加することによって前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増大させる高周波印加用電極と、前記高周波電磁場の印加によりベータトロン振動振幅が増大した前記荷電粒子ビームの前記軌道変位を検出する位置モニタ用電極と、前記位置モニタ用電極が検出した軌道変位に基づいて、前記時系列データとなるビーム入射完了から加速終了までの前記荷電粒子ビームのチューンを演算する信号処理装置とを有することにある。
【０００７】
特に、第２の発明では、チューンの時系列データと機器に関するパラメータの時系列データとを同じ時間軸上に表示するので、チューンの変化を機器の状態と対応づけて確認することができ、チューンを制御するためにどの機器をどのタイミングでどのように制御すべきかが判断し易くなる。従って、チューンを共鳴点から遠ざけるための制御を簡単に行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の好適な一実施例である円形加速器システムの構成を示す。本実施例の円形加速器システムでは、低エネルギーの荷電粒子ビーム（以下、ビームという）を入射し、入射したビームを予め設定されたエネルギーまで加速した後、出射するシンクロトロン１を円形加速器として用いている。
【０００９】
まず、シンクロトロン１を構成する機器について説明する。入射器１１は、前段加速器４から出射される低エネルギーのビームをシンクロトロン１に入射させる。偏向電磁石１２は、シンクロトロン１に入射されたビームを偏向してビームの軌道を調節し、ビームを周回させる。四極電磁石１３は、ビームを水平方向に発散させて垂直方向に収束させる四極発散電磁石と、ビームを垂直方向に発散させて水平方向に収束させる四極収束電磁石からなり、周回するビームのチューンを調節する。なお、水平方向とはビームの進行方向に垂直で偏向電磁石１２の偏向面に水平な方向をいい、垂直方向とはビームの進行方向に垂直で偏向電磁石１２の偏向面にも垂直な方向をいう。以下の説明でも同様である。
【００１０】
高周波加速空胴１４は、周回するビームに高周波電場を印加することによりビームにエネルギーを与え、予め決められたエネルギーまでビームを加速する。六極電磁石１５はビームの加速終了後に励磁され、六極電磁石１５が励磁された状態で、高周波印加用電極１６は周回するビームに高周波電磁場を印加してビームのベータトロン振動振幅を増大させる。六極電磁石１５が発生する六極磁場の影響により、振動振幅の増大に応じてビームのチューンが変化し、チューンが共鳴点に達したビームは共鳴を起こす。出射用デフレクター１７は、共鳴により振動振幅が増大したビームを偏向してシンクロトロン１から出射する。
【００１１】
以上のように構成されるシンクロトロン１から出射されたビームは、癌患者の患部にビームを照射するための照射装置７に導かれ、癌治療に用いられる。なお、図１において、電源２１は、偏向電磁石１２，四極電磁石１３，高周波加速空胴１４及び六極電磁石１５に電力を供給する電源であり、電源２２は、高周波印加用電極１６に電力（高周波信号）を供給する電源である。これらの電源２１，２２は、制御装置３によって制御される。また、位置モニタ用電極１８はシンクロトロン１内を周回するビームの位置を計測するための電極であり、信号処理装置５により位置モニタ用電極１８からの信号を処理して、表示装置６にビーム位置計測結果を表示する。
【００１２】
このようなシンクロトロン１において、実際に運転する（ビームを出射して患者の治療を行う）前に、予め決定した運転計画で所望のビームが出射できるか確認するための試運転（ビーム調整）が行われ、そのときにビームのチューンが計測される。
【００１３】
ここで、本実施例におけるチューン計測の概念について説明する。ビームに高周波電磁場を印加すると、その高周波電磁場の周波数に応じたチューンを有するビームの振動振幅が増大するので、その振動振幅の増大を検知することでビームのチューンを知ることができる。その原理は以下の通りである。
【００１４】
ビームに高周波電磁場を印加した時に位置モニタ用電極１８で得られる信号の周波数成分を解析すると、図２（ａ）に示すようなスペクトラムとなることが分かった。図２（ａ）に示すように、ビームの周回周波数ｆのｎ倍周波数ｎｆ（ｎ＝１，２，…）と(ｎ−ν)ｆ及び(ｎ＋ν)ｆで信号強度が強くなる。なお、νはチューンの小数部である。このことから、ｎｆと（ｎ−ν）ｆ又は(ｎ＋ν)ｆとが分かれば、（数１）或いは（数２）にてチューンνを求めることができる。
【００１５】
【数１】

【００１６】
【数２】

【００１７】
このとき、原理的にはｎとしてどのような値を選択しても構わないのだが、現実的にはｎが小さいと低周波数領域に高いレベルで存在するノイズの影響によりスペクトラムの検出が困難となる。逆に、ｎが大きいと図２（ｂ）に示すようにビーム加速時の周波数の変化が大きくなるので、周波数スペクトラム解析時の周波数帯域を広くとらなければならず、スペクトラムを測定する装置には広い周波数範囲で高分解能が必要となる。以上の２点を考慮して適切なｎを設定するとよい。なお、本実施例ではｎ＝２とし、制御装置３に予め設定される。
【００１８】
ｎが決まると、高周波印加用電極１６からビームに印加する高周波電磁場の周波数帯域を決めることができる。高周波電磁場の周波数帯域は、加速前のビームの周回周波数をｆａ、加速後のビームの周回周波数をｆｂとした場合に、(数３)で求められる最低周波数ｆｌから（数４）で求められる最高周波数ｆｈまでの周波数帯域とすればよい。このように周波数帯域を設定することで、ビームの加速前から加速終了までのどの時点でもビームの振動振幅を増大させることができ、連続的なチューンの計測が可能となる。
【００１９】
【数３】

【００２０】
【数４】

【００２１】
次に、上述の概念に基づいたチューン計測の具体的な方法について説明する。試運転時におけるチューン計測にあたり、まずビーム入射が完了した時点でビームに高周波電磁場を印加する。本実施例では、ビーム出射時に用いる高周波印加用電極１６によりチューン計測用の高周波電磁場をビームに印加する。なお、本実施例では、水平方向のチューンを計測する。
【００２２】
図３は、高周波印加用電極１６とその電源２２とを示す。電源２２の発振器２２１には制御装置３から出力すべき高周波信号の周波数帯域が指示される。なお、制御装置３は、高周波加速空胴１４からビームに印加する高周波電場の周波数も指示しており、その周波数とはビームのエネルギーから求められた周回周波数であるので、チューン計測時にビームに印加する高周波電磁場の周波数の設定に利用することができる。なお、高周波加速空胴１４はビームを加速するためにその時点の周回周波数に応じた高周波電場を印加しなければならないので、入射時のビームエネルギーと加速終了時のビームエネルギーとに基づいて入射時の周回周波数ｆａと加速終了時の周回周波数ｆｂとが予め制御装置３に設定されている。この予め設定された周回周波数ｆａ，ｆｂを前述の（数３）及び（数４）に代入することで、発振器２２１に指示する周波数帯域の最低周波数ｆｌ及び最高周波数ｆｈが求められる。制御装置３は、（数３）及び（数４）により求めた最低周波数ｆｌから最高周波数ｆｈまでの周波数帯域をもつ高周波信号を出力するように発振器２２１を制御する。なお、（数３）及び（数４）で用いられるνは水平方向チューンの設計値であり、実際の水平方向チューンとは異なっている可能性があるので、余裕を見て、最低周波数ｆｌは（数３）で求められた値よりも更に小さな値とし、最高周波数ｆｈも（数４）で求められた値よりも更に大きな値とするのが望ましい。具体的には、図２（ｂ）に示すようにｆｌ，ｆｈが設定される。
【００２３】
発振器２２１は、制御装置３によって制御され、ｆｌからｆｈの周波数帯域を有する高周波信号を増幅器２２２に出力する。増幅器２２２は発振器２２１から出力された高周波信号を増幅して高周波印加用電極１６に印加する。なお、増幅器２２２における増幅率は、ビームの振動振幅が急激に増加してビーム電流が急激に減衰することのないように、制御装置３により調節される。
【００２４】
増幅器２２２から高周波信号が印加された高周波印加用電極１６は、高周波信号の周波数成分を有する高周波電磁場を発生し、２つの電極１６の間を通過するビームに高周波電磁場が印加される。このとき六極電磁石１５は無励磁状態とする。なお、本実施例の電極１６は、水平方向におけるビームの振動振幅を増大させる電極である。
【００２５】
高周波電磁場が印加されたビームは、水平方向の振動振幅が増大して軌道が変化するが、その変化によって位置モニタ用電極１８に誘起される電圧が変化する。図４は、位置モニタ用電極１８と信号処理装置５を示す。図に示すように、位置モニタ用電極１８は、ビームを挟んで対向するように設けられた三角形の電極１８１Ｌ，１８１Ｒ，１８２Ｌ，１８２Ｒからなり、また電極１８１Ｌと電極１８２Ｌが電気的に接続されると共に電極１８１Ｒと電極１８２Ｒが電気的に接続される。そして、電極１８１Ｌ，１８２Ｌに誘起される電圧に応じた信号と、電極１８１Ｒ，１８２Ｒに誘起される電圧に応じた信号とが信号処理装置５の位置検出回路５１に入力される。
【００２６】
位置検出回路５１は、入力された２つの信号の差を求めて、求めた差信号をスペクトラム測定回路５２に出力する。スペクトラム測定回路５２は、入力された差信号の周波数成分を解析し、各周波数成分の信号強度を測定する。なお、スペクトラム測定回路５２において解析する周波数帯域は、ビームに印加する高周波電磁場の周波数帯域と同じで良いので、制御装置３より発振器２２１に指示される最低周波数ｆｌ及び最高周波数ｆｈをスペクトラム測定回路５２に入力し、それに基づいて周波数帯域を設定する。このスペクトラム測定回路５２にて得られる周波数スペクトルは、前述の図２のようになる。
【００２７】
スペクトラム測定回路５２にて得られた周波数スペクトラムのデータは、チューン演算回路５３に入力される。チューン演算回路５３では、入力された周波数スペクトラムのデータからｎｆを抽出する。ｎｆの抽出にあたり、チューン演算回路５３は、まず制御装置３からビーム入射時の周回周波数ｆａとｎの値を取り込む。なお、制御装置３から与えられる周回周波数ｆａは入射時のビームエネルギーに応じて求められた計算値であり、また、ｎは本実施例では２に設定されている。制御装置３より与えられたｆａ及びｎによりｎｆは求めることができるが、周回周波数は計算値ｆａと実際の値とでずれが生じていることもあるので、周波数スペクトラムのデータから計算によって求められたｎｆの近傍で信号強度が最も高い周波数を検索し、その周波数をｎｆとして抽出する。また、(ｎ−ν)ｆ及び（ｎ＋ν）ｆも信号強度が突出しているので、抽出したｎｆの近傍で信号強度の突出している周波数を低周波側と高周波側の両方で検索し、（ｎ＋ν）ｆ及び（ｎ−ν）ｆを決定する。
【００２８】
このようにして決定したｎｆ，（ｎ−ν）ｆ，（ｎ＋ν）ｆを（数１）及び（数２）に代入することにより、２つのチューンνが求められる。この時、正しいｎｆ，（ｎ−ν）ｆ，（ｎ＋ν）ｆが選択されていれば２つのチューンνは等しくなるはずであり、等しいチューンνが求められた場合には、その値をチューン演算回路５３が有するメモリ（図示せず）に記憶する。一方、（数１）及び（数２）により求められた２つのチューンνが異なる値となった場合には、（ｎ−ν）ｆ或いは（ｎ＋ν）ｆを誤って決定した可能性が高いので、２つのチューンをチューンの設計値と比較して、設計値と大きく異なる方を誤りと判断する。そして、その誤りのもととなった（ｎ−ν）ｆ或いは（ｎ＋ν）ｆを決定し直す。具体的には、誤って決定した（ｎ−ν）ｆ或いは（ｎ＋ν）ｆの近傍で突出している他の周波数を（ｎ−ν）ｆ或いは（ｎ＋ν）ｆとして再度決定する。（ｎ−ν）ｆ或いは（ｎ＋ν）ｆを決定し直したら、再度チューンνの演算を行い、２つのチューンνが等しくなるまでこれを繰り返す。
【００２９】
以上説明したチューンの計測を、試運転においてビーム入射完了時点から加速終了時点まで継続して行い、チューンの時間変化（時系列データ）を計測してメモリに記憶する。具体的には、入射完了から加速終了まで高周波印加用電極１６より高周波電磁場を継続して印加し、信号処理装置５では可能な限り短い周期で上述の信号処理を行うことで、チューンの時間変化を計測する。なお、信号処理装置５の信号処理において２回目以降のｎｆの決定は、前回決定したｎｆの近傍で信号強度が突出している周波数を検索すればよい。また、２回目以降のチューンの演算時には、求められたチューンが正しいか確かめるのに、設計値を用いずに前回演算されたチューンとの差が大きい方を誤りと判断してもよい。
【００３０】
チューン演算回路５３は、入射完了から加速終了までのチューンの計測が完了したら、メモリに記憶したチューンの時系列データを表示装置６に出力する。表示装置６は、入力されたチューンの時系列データを、シンクロトロン１を構成する機器のパラメータ（偏向電磁石の励磁電流Ｂ，四極発散電磁石の励磁電流ＱＤ及び四極収束電磁石の励磁電流ＱＦ）やビームのパラメータ（電流値ＩＤＣ）と共に表示する。図５は、表示画面の一例を示す。図示するように、チューンと各パラメータが同じ時間軸上に表示される。なお、シンクロトロン１を構成する機器のパラメータ（偏向電磁石，四極発散電磁石及び四極収束電磁石の励磁電流）やビームのパラメータ（電流値）は、制御装置３から与えられる。
【００３１】
本実施例によれば、偏向電磁石，四極発散電磁石及び四極収束電磁石の励磁電流といったシンクロトロン１を構成する機器のパラメータやビーム電流値といったビームのパラメータと共にチューンを表示するため、機器やビームの状態とチューンの変化との関係が明確となり、チューンを共鳴点から遠ざけるためにどの機器をどのように制御すればよいのかが判断し易く、チューンを共鳴点から遠ざけるための制御を簡単に行うことができる。
【００３２】
また、本実施例によれば、ビームの出射用に設けられた高周波印加用電極１６を用いてチューンを計測するための高周波電磁場を発生させるので、チューン計測用に新たな電極を設ける必要がなく、シンクロトロン１を構成する機器の数を低減できる。また、ビーム位置の測定に用いられる位置モニタ用電極１８をチューン計測に用いるので、シンクロトロン１を構成する機器の数を低減できる。よって、シンクロトロン１のコストとサイズを低減できる。
【００３３】
なお、本実施例の制御装置３に信号処理装置５の機能を持たせてもよい。
（実施例２）
本発明の他の実施例である円形加速器システムについて図６乃至図８を用いて説明する。本実施例の円形加速器システムは、水平方向チューンに加えて垂直方向チューンについても時間変化を表示装置に表示する点で実施例１と異なる。以下、実施例１と異なる点について説明する。
【００３４】
本実施例の円形加速器システムの全体構成は実施例１（図１）と同様であるが、電源２２と高周波印加用電極１６の構成は実施例１と異なる。図６は、本実施例の電源２２と高周波印加用電極１６の構成を示す。前述の通り、本実施例では水平方向及び垂直方向のチューンを計測するため、ビームの水平方向及び垂直方向の振動振幅を増大させる必要がある。そのために、本実施例の高周波印加用電極１６は、ビームを挟んで対向する２組の高周波印加用電極１６ｘ，１６ｙからなる。なお、高周波印加用電極１６ｘが水平方向の振動振幅を増大させるための高周波電磁場を発生する電極であり、高周波印加用電極１６ｙが垂直方向の振動振幅を増大させるための高周波電磁場を発生する電極である。
【００３５】
本実施例では、水平方向チューンと垂直方向チューンとを別々に計測するので、まずは水平方向チューンを計測する場合について説明する。試運転におけるビーム入射が完了したら、制御装置３は、まず切換回路２２３を制御して端子ａと端子ｂとを接続させる。端子ａと端子ｂとを接続させることによって、電源２２から出力される高周波信号は高周波印加用電極１６ｘに出力されるようになるため、水平方向の振動振幅を増大可能となる。次に、制御装置３は、発振器２２１を制御するが、これ以降の動作は上述の実施例１と同様であるので説明は省略する。
【００３６】
図７は、本実施例の位置モニタ用電極１８と信号処理装置５の構成を示す。図に示すように、本実施例の位置モニタ用電極１８は、水平方向におけるビームの軌道変位に応じた信号を出力する１８１Ｌ，１８１Ｒ，１８２Ｌ，１８２Ｒと、垂直方向におけるビームの軌道変位に応じた信号を出力する１８３Ｕ，１８３Ｄ，１８４Ｕ，１８４Ｄからなる。なお、位置モニタ用電極１８３Ｕ，１８４Ｕは電気的に接続されており、位置モニタ用電極１８３Ｄ，１８４Ｄも電気的に接続されている。
【００３７】
水平方向チューンの計測をするにあたり、制御装置３は、信号処理装置５の切換回路５４を制御して端子ｄと端子ｈ，端子ｆと端子ｉをそれぞれ接続させる。これにより、位置モニタ用電極１８１Ｌ，１８２Ｌと位置モニタ用電極１８１Ｒ，１８２Ｒに誘起される電圧に応じた信号が位置検出回路５１に入力される。これ以降の動作は、実施例１と同様であるので説明は省略する。
【００３８】
水平方向チューンの測定が完了したら、次に垂直方向チューンの測定を行う。本実施例では、垂直方向チューンの測定を行うために、水平方向チューンの測定を行ったときと同様の試運転を再度行う。試運転におけるビーム入射が完了したら、制御装置３は、まず切換回路２２３を制御して端子ａと端子ｃとを接続させる。端子ａと端子ｃとを接続させることによって、電源２２から出力される高周波信号は高周波印加用電極１６ｙに出力されるようになるため、垂直方向の振動振幅を増大可能となる。次に、制御装置３は、発振器２２１を制御するが、発振器２２１から出力させる高周波信号の周波数帯域は、水平方向チューンの計測の場合と同様に（数３），（数４）を用いて決定する。ただし、チューンνとして垂直方向チューンの設計値を用いて計算する。これ以降の動作は水平方向チューン計測の場合と同様であるので説明は省略する。
【００３９】
垂直方向チューンの計測をするにあたり、制御装置３は、信号処理装置５の切換回路５４を制御して端子ｅと端子ｈ，端子ｇと端子ｉをそれぞれ接続させる。これにより、位置モニタ用電極１８３Ｕ，１８４Ｕと位置モニタ用電極１８３Ｄ，１８４Ｄに誘起される電圧に応じた信号が位置検出回路５１に入力される。これ以降の動作は、水平方向チューン計測の場合と同様であるので説明は省略する。
【００４０】
このようにして、水平方向チューン及び垂直方向チューンの時系列データが得られたら、チューン演算回路５３はその時系列データを表示装置６に出力し、表示装置６はチューンの時間変化を表示画面に表示する。図８は、表示画面における表示の一例を示す。図に示すように、入力された水平方向チューンνｘの時系列データと垂直方向チューンνｙの時系列データを、偏向電磁石，四極発散電磁石及び四極収束電磁石の励磁電流やビーム電流値と共に表示画面に表示する。
【００４１】
本実施例によれば、シンクロトロン１を構成する機器のパラメータやビームのパラメータと垂直方向チューンとを同じ時間軸上に表示するため、垂直方向チューンを共鳴点から遠ざけるための制御を簡単に行うことができる。なお、この効果と共に実施例１と同様の効果を生じ得ることは言うまでもない。
（実施例３）
本発明の他の実施例である円形加速器システムについて図９及び図１０を用いて説明する。本実施例の円形加速器システムは、水平方向チューンと垂直方向チューンを同時に計測する点で実施例２と異なる。以下、実施例２と異なる点について説明する。
【００４２】
図９は、本実施例の電源２２及び高周波印加用電極１６を示す。図に示すように、本実施例の電源２２は、発振器２２１に接続された２つの増幅器２２２ａ，２２２ｂを有しており、増幅器２２２ａは高周波印加用電極１６ｘに接続され、増幅器２２２ｂは高周波印加用電極１６ｙに接続される。このような構成とすることで、発振器２２１から出力される高周波信号が高周波印加用電極１６ｘ，１６ｙの両方に同時に印加されるので、ビームの水平方向の振動振幅と垂直方向の振動振幅を同時に増大させることができる。なお、制御装置３から発振器221に指示する周波数帯域は、水平方向用の高周波電磁波に必要とされる周波数帯域と垂直方向用の高周波電磁波に必要とされる周波数帯域の両方を含む周波数帯域とする。
【００４３】
図１０は、本実施例の位置モニタ用電極１８と信号処理装置５の構成を示す。図に示すように、本実施例の信号処理装置５は、２つの位置検出回路５１ａ，５１ｂと２つのスペクトラム測定回路５２ａ，５２ｂとを有する。位置モニタ用電極１８１Ｌ,１８２Ｌ及び位置モニタ用電極１８１Ｒ,１８２Ｒから引き出された信号は位置検出回路５１ａに入力され、位置モニタ用電極１８３Ｕ，１８４Ｕ及び位置モニタ用電極１８３Ｄ，１８４Ｄから引き出された信号は位置検出回路５１ｂに入力される。位置検出回路５１ａは、入力された２つの信号の差を求め、得られた差信号をスペクトラム測定回路５２ａに出力する。スペクトラム測定回路５２ａは、差信号の周波数スペクトラムを求め、チューン演算回路５３に出力する。一方、位置検出回路５１ｂは、入力された２つの信号の差を求め、得られた差信号をスペクトラム測定回路５２ｂに出力する。スペクトラム測定回路５２ｂは、差信号の周波数スペクトラムを求め、チューン演算回路５３に出力する。チューン演算回路５３は、位置検出回路５１ａから与えられた周波数スペクトラムより水平方向チューンを演算すると共に、位置検出回路５１ｂから与えられた周波数スペクトラムより垂直方向チューンを演算して、演算した水平方向チューン及び垂直方向チューンを表示装置６に出力する。表示装置６は、実施例２と同様に各機器のパラメータと共にチューンを表示する。
【００４４】
本実施例によれば、水平方向チューン及び垂直方向チューンを同時に計測するため、試運転を２回行う必要がなく、チューン計測にかかる時間を短縮することができる。
（実施例４）
本発明の他の実施例である円形加速器システムについて図１１を用いて説明する。本実施例の円形加速器システムは、実際の運転（患者にビームを照射する）にてチューンを計測する点で実施例１と異なる。以下、実施例１と異なる点について説明する。
【００４５】
本実施例では、患者に照射するためのビームをシンクロトロン１に入射して加速する際にチューンの計測を行う。チューンの計測方法は実施例１と同様であるので、説明は省略する。本実施例の信号処理装置５は、求めたチューンの値を表示装置６に出力すると共に、制御装置３に出力する。制御装置３は、入力されたチューンの値と予めオペレータによって設定されたチューンの閾値とを比較し、信号処理装置５より与えられたチューンの値が閾値を超えている場合にはシンクロトロン１からのビームの出射を中止する。具体的には、ビーム出射用の高周波電磁場の印加を中止すると共に、駆動装置８を制御してシンクロトロン１と照射装置７との間に設けられたシャッター９を閉じさせる。シャッター９はシンクロトロン１から出射されるビームを遮断するためのものである。なお、閾値としては、患者の治療に影響を与える可能性のある値が設定される。また、制御装置３は、信号処理装置５より与えられたチューンの値が閾値を超えている場合に、表示装置６の表示画面に「チューンが所定の値から外れています」との警告を表示させる。
【００４６】
本実施例によれば、チューンが所定の値から外れたときにシンクロトロン１からのビームの出射を中止し、表示装置６に警告を表示させるので、癌治療が安全に行われる。
【００４７】
以上説明した各実施例では、癌治療を行う円形加速器システムについて説明したが、本発明は癌治療用の円形加速器システムに限らず、物理実験用の円形加速器システム等にも適用可能である。
【００４８】
なお、本発明でいうチューン測定装置とは、高周波印加用電極１６，位置モニタ用電極１８及び信号処理装置５のことである。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、チューンを共鳴点から遠ざけるための制御を簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である円形加速器システムの構成図である。
【図２】図１の位置モニタ用電極１８から得られる信号の周波数スペクトルを示す図である。
【図３】図１の電源２２及び高周波印加用電極１６の構成図である。
【図４】図１の位置モニタ用電極１８及び信号処理装置５の構成図である。
【図５】図１の表示装置６における表示画面の一例である。
【図６】本発明の他の実施例である円形加速器システムの電源２２及び高周波印加用電極１６の構成図である。
【図７】本発明の他の実施例である円形加速器システムの位置モニタ用電極１８及び信号処理装置５の構成図である。
【図８】表示装置６における表示画面の一例である。
【図９】本発明の他の実施例である円形加速器システムの電源２２及び高周波印加用電極１６の構成図である。
【図１０】本発明の他の実施例である円形加速器システムの位置モニタ用電極１８及び信号処理装置５の構成図である。
【図１１】本発明の他の実施例である円形加速器システムの構成図である。
【符号の説明】
１…シンクロトロン、３…制御装置、４…前段加速器、５…信号処理装置、６…表示装置、７…照射装置、１１…入射器、１２…偏向電磁石、１３…四極電磁石、１４…高周波加速空胴、１５…六極電磁石、１６…高周波印加用電極、１７…出射器、１８…位置モニタ用電極、２１，２２…電源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a tune display device that displays a tune of a charged particle beam accelerated while circling in a circular accelerator, and a circular accelerator system having the same.
[0002]
[Prior art]
In a circular accelerator represented by a synchrotron, a charged particle beam (hereinafter referred to as a beam) is accelerated while rotating, but the beam circulating in the synchrotron vibrates (referred to as a betatron oscillation) The betatron frequency is called tune. When this tune reaches a certain value, “resonance” occurs in which the betatron oscillation amplitude of the beam suddenly increases. A tune value that causes resonance is called a resonance point. If the vibration amplitude of the beam continues to increase due to this resonance, the beam eventually collides with a vacuum duct or the like and is lost. Therefore, it is necessary to keep the beam tune away from the resonance point.
[0003]
In order to control the tune, a technique for measuring the tune of the circulating beam has been devised. As an example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-3100 measures and displays the tune of the beam using the RF knockout method. Is described. Specifically, a high frequency signal is applied to the electrode for generating an electric field while changing the frequency, and the output level for each frequency of the signal obtained from the detection electrode is obtained and displayed according to the changing beam position. .
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above prior art, the tune display method is not specifically described. However, even if the tune value is simply displayed, it is determined which device should be controlled in order to move the tune away from the resonance point. Is difficult.
[0005]
  The purpose of the present invention is toTune measurement method, tune measurement apparatus capable of obtaining time-series data of tune from completion of injection of charged particle beam to completion of acceleration, andIt is to provide a circular accelerator system.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  A feature of the first invention that achieves the above object is that the charged particle beam circulating in the circular accelerator is applied by applying a high-frequency electromagnetic field having a plurality of frequencies from the completion of the incident of the charged particle beam to the end of the acceleration. It is to increase the betatron oscillation amplitude of the beam, detect the orbital displacement of the charged particle beam whose betatron oscillation amplitude has increased, and calculate the tune of the charged particle beam based on the detected orbital displacement.
  Also,Achieve the above objectivesSecondThe invention features a plurality of devicesA circular accelerator system comprising a circular accelerator that circulates a charged particle beam while accelerating the charged particle beam.Charged particle beamFrom the completion of incident to the end of accelerationTune timeSeries dataAnd parameters related to the deviceSeries dataOn the same time axisThe tune measuring device applies a high-frequency electromagnetic field having a plurality of frequencies to the charged particle beam that circulates in the circular accelerator from the completion of incidence of the charged particle beam to the end of acceleration. A high-frequency application electrode for increasing the betatron vibration amplitude of the beam, a position monitor electrode for detecting the orbital displacement of the charged particle beam whose betatron vibration amplitude is increased by application of the high-frequency electromagnetic field, and the position monitor electrode And a signal processing device that calculates the tune of the charged particle beam from the completion of beam incidence to the end of acceleration, based on the orbital displacement detected by theThere is to do.
[0007]
  In particular, in the second invention,Tune timeSeries dataAnd parameters related to equipmentSeries dataAre displayed on the same time axis, so that changes in tune can be checked in association with the status of the device, making it easy to determine which device should be controlled at what timing to control the tune. Become. Therefore, control for moving the tune away from the resonance point can be easily performed.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Example 1
FIG. 1 shows the configuration of a circular accelerator system which is a preferred embodiment of the present invention. In the circular accelerator system of the present embodiment, a low-energy charged particle beam (hereinafter referred to as a beam) is incident, the incident beam is accelerated to a preset energy, and then emitted from the synchrotron 1 as a circular accelerator. Yes.
[0009]
First, devices that constitute the synchrotron 1 will be described. The injector 11 causes the low-energy beam emitted from the pre-stage accelerator 4 to enter the synchrotron 1. The deflection electromagnet 12 deflects the beam incident on the synchrotron 1 to adjust the trajectory of the beam, and makes the beam circulate. The quadrupole electromagnet 13 includes a quadrupole divergent electromagnet that diverges the beam in the horizontal direction and converges in the vertical direction, and a quadrupole converging electromagnet that diverges the beam in the vertical direction and converges in the horizontal direction, and adjusts the tuning of the circulating beam. . The horizontal direction is a direction perpendicular to the beam traveling direction and horizontal to the deflection surface of the deflection electromagnet 12, and the vertical direction is a direction perpendicular to the beam traveling direction and perpendicular to the deflection electromagnet 12 deflection surface. . The same applies to the following description.
[0010]
The high frequency acceleration cavity 14 applies a high frequency electric field to the circulating beam to impart energy to the beam and accelerate the beam to a predetermined energy. The hexapole electromagnet 15 is excited after the acceleration of the beam, and with the hexapole electromagnet 15 excited, the high frequency application electrode 16 applies a high frequency electromagnetic field to the circulating beam to increase the betatron oscillation amplitude of the beam. Due to the influence of the hexapole magnetic field generated by the hexapole electromagnet 15, the beam tune changes according to the increase of the vibration amplitude, and the beam that has reached the resonance point causes resonance. The exit deflector 17 deflects the beam whose vibration amplitude is increased by resonance and emits it from the synchrotron 1.
[0011]
The beam emitted from the synchrotron 1 configured as described above is guided to the irradiation device 7 for irradiating the affected part of the cancer patient with the beam and used for cancer treatment. In FIG. 1, a power source 21 is a power source that supplies power to the deflection electromagnet 12, the quadrupole electromagnet 13, the high-frequency acceleration cavity 14, and the hexapole electromagnet 15, and the power source 22 supplies power (high-frequency) to the high-frequency application electrode 16. Signal). These

power supplies

21 and 22 are controlled by the control device 3. The position monitoring electrode 18 is an electrode for measuring the position of the beam that circulates in the synchrotron 1. The signal processing device 5 processes a signal from the position monitoring electrode 18 and applies the beam to the display device 6. Displays the position measurement result.
[0012]
In such a synchrotron 1, a trial operation (beam adjustment) for confirming whether or not a desired beam can be emitted by a predetermined operation plan before actually operating (emitting a beam to treat a patient) is performed. At that time, the beam tune is measured.
[0013]
Here, the concept of tune measurement in the present embodiment will be described. When a high-frequency electromagnetic field is applied to the beam, the vibration amplitude of the beam having a tune corresponding to the frequency of the high-frequency electromagnetic field increases. Therefore, the tune of the beam can be known by detecting the increase in the vibration amplitude. The principle is as follows.
[0014]
Analysis of the frequency component of the signal obtained by the position monitoring electrode 18 when a high frequency electromagnetic field is applied to the beam reveals that the spectrum is as shown in FIG. As shown in FIG. 2A, the signal intensity is increased at the n-fold frequency nf (n = 1, 2,...), (N−ν) f, and (n + ν) f of the beam circular frequency f. Note that ν is the decimal part of the tune. From this, if nf and (n−ν) f or (n + ν) f are known, tune ν can be obtained by (Equation 1) or (Equation 2).
[0015]
[Expression 1]

[0016]
[Expression 2]

[0017]
At this time, in principle, any value may be selected as n, but in reality, if n is small, it is difficult to detect the spectrum due to the influence of noise present at a high level in the low frequency region. Become. On the other hand, if n is large, the change in frequency during beam acceleration increases as shown in FIG. 2B. Therefore, the frequency band at the time of frequency spectrum analysis must be widened. High resolution is required over a wide frequency range. Appropriate n may be set in consideration of the above two points. In this embodiment, n = 2 is set in advance in the control device 3.
[0018]
When n is determined, the frequency band of the high-frequency electromagnetic field applied to the beam from the high-frequency applying electrode 16 can be determined. The frequency band of the high-frequency electromagnetic field is the highest obtained from (Equation 4) from the lowest frequency fl obtained from (Equation 3), where fa is the circumference frequency of the beam before acceleration and fb is the circumference frequency of the beam after acceleration. A frequency band up to the frequency fh may be used. By setting the frequency band in this way, the vibration amplitude of the beam can be increased at any time from before the beam acceleration to the end of the acceleration, and continuous tune measurement is possible.
[0019]
[Equation 3]

[0020]
[Expression 4]

[0021]
Next, a specific method of tune measurement based on the above concept will be described. In the tune measurement during the test run, a high frequency electromagnetic field is first applied to the beam when the beam incidence is completed. In this embodiment, a high frequency electromagnetic field for tune measurement is applied to the beam by the high frequency application electrode 16 used at the time of beam emission. In this embodiment, the horizontal tune is measured.
[0022]
FIG. 3 shows the high-frequency applying electrode 16 and its power supply 22. The frequency band of the high frequency signal to be output from the control device 3 is instructed to the oscillator 221 of the power source 22. The control device 3 also indicates the frequency of the high-frequency electric field applied to the beam from the high-frequency accelerating cavity 14, and the frequency is the circulating frequency obtained from the energy of the beam. It can be used to set the frequency of the high frequency electromagnetic field. The high-frequency accelerating cavity 14 must apply a high-frequency electric field corresponding to the orbital frequency at that time in order to accelerate the beam, so that the incident time based on the beam energy at the time of incidence and the beam energy at the end of the acceleration. Is set in the control device 3 in advance. By substituting these preset circulation frequencies fa and fb into the above-described (Equation 3) and (Equation 4), the lowest frequency fl and the highest frequency fh of the frequency band instructed to the oscillator 221 are obtained. The control device 3 controls the oscillator 221 so as to output a high-frequency signal having a frequency band from the lowest frequency fl to the highest frequency fh obtained by (Equation 3) and (Equation 4). Note that ν used in (Equation 3) and (Equation 4) is a design value of the horizontal tune, and may be different from the actual horizontal tune. It is desirable that the value is smaller than the value obtained in (Equation 3), and the maximum frequency fh is also larger than the value obtained in (Equation 4). Specifically, fl and fh are set as shown in FIG.
[0023]
The oscillator 221 is controlled by the control device 3 and outputs a high-frequency signal having a frequency band from fl to fh to the amplifier 222. The amplifier 222 amplifies the high frequency signal output from the oscillator 221 and applies it to the high frequency application electrode 16. The amplification factor in the amplifier 222 is adjusted by the control device 3 so that the beam vibration amplitude does not rapidly increase and the beam current does not attenuate rapidly.
[0024]
The high frequency applying electrode 16 to which the high frequency signal is applied from the amplifier 222 generates a high frequency electromagnetic field having a frequency component of the high frequency signal, and the high frequency electromagnetic field is applied to the beam passing between the two electrodes 16. At this time, the hexapole electromagnet 15 is in a non-excited state. The electrode 16 of this embodiment is an electrode that increases the vibration amplitude of the beam in the horizontal direction.
[0025]
The beam to which the high-frequency electromagnetic field is applied has a horizontal vibration amplitude that increases and the trajectory changes, but the voltage induced in the position monitoring electrode 18 changes due to the change. FIG. 4 shows the position monitoring electrode 18 and the signal processing device 5. As shown in the figure, the position monitoring electrode 18 includes

triangular electrodes

181L, 181R, 182L, and 182R provided to face each other across the beam, and the electrode 181L and the electrode 182L are electrically connected. At the same time, the electrode 181R and the electrode 182R are electrically connected. Then, a signal corresponding to the voltage induced in the

electrodes

181L and 182L and a signal corresponding to the voltage induced in the

electrodes

181R and 182R are input to the position detection circuit 51 of the signal processing device 5.
[0026]
The position detection circuit 51 obtains the difference between the two input signals and outputs the obtained difference signal to the spectrum measurement circuit 52. The spectrum measurement circuit 52 analyzes the frequency component of the input difference signal and measures the signal intensity of each frequency component. Since the frequency band analyzed in the spectrum measurement circuit 52 may be the same as the frequency band of the high-frequency electromagnetic field applied to the beam, the minimum frequency fl and the maximum frequency fh specified by the control device 3 to the oscillator 221 are used as the spectrum measurement circuit 52. And set the frequency band based on it. The frequency spectrum obtained by the spectrum measuring circuit 52 is as shown in FIG.
[0027]
The frequency spectrum data obtained by the spectrum measurement circuit 52 is input to the tune calculation circuit 53. The tune calculation circuit 53 extracts nf from the input frequency spectrum data. In extracting nf, the tune calculation circuit 53 first takes in the values of the circular frequencies fa and n at the time of beam incidence from the control device 3. The circular frequency fa given from the control device 3 is a calculated value obtained according to the beam energy at the time of incidence, and n is set to 2 in this embodiment. Although nf can be obtained from fa and n given from the control device 3, the circuit frequency can be obtained by calculation from the data of the frequency spectrum because there is a case where a deviation occurs between the calculated value fa and the actual value. The frequency having the highest signal strength in the vicinity of nf is searched, and the frequency is extracted as nf. Further, since the signal intensity of (n−ν) f and (n + ν) f also protrudes, the frequency where the signal strength protrudes in the vicinity of the extracted nf is searched on both the low frequency side and the high frequency side, and (n + ν) ) F and (n−ν) f are determined.
[0028]
Two tunes ν are obtained by substituting nf, (n−ν) f and (n + ν) f determined in this way into (Equation 1) and (Equation 2). At this time, if correct nf, (n−ν) f, and (n + ν) f are selected, the two tunes ν should be equal. If the same tune ν is obtained, the value is tuned. The data is stored in a memory (not shown) included in the circuit 53. On the other hand, when the two tunes ν obtained by (Equation 1) and (Equation 2) have different values, there is a high possibility that (n−ν) f or (n + ν) f has been erroneously determined. The two tunes are compared with the design value of the tune, and the one that is significantly different from the design value is judged as an error. Then, (n−ν) f or (n + ν) f that is the source of the error is determined again. Specifically, another frequency protruding in the vicinity of the erroneously determined (n−ν) f or (n + ν) f is determined again as (n−ν) f or (n + ν) f. When (n−ν) f or (n + ν) f is determined again, the calculation of tune ν is performed again, and this is repeated until the two tunes ν are equal.
[0029]
The tune measurement described above is continuously performed from the beam injection completion time point to the acceleration end time point in the trial operation, and the time change (time series data) of the tune is measured and stored in the memory. Specifically, the time-dependent change of the tune is achieved by continuously applying a high-frequency electromagnetic field from the high-frequency applying electrode 16 from the completion of the incidence to the end of acceleration, and performing the above-described signal processing in the signal processing device 5 in the shortest possible cycle. Measure. In the signal processing of the signal processing device 5, nf is determined for the second and subsequent times by searching for a frequency at which the signal strength protrudes in the vicinity of the previously determined nf. In addition, in the second and subsequent tune calculations, in order to check whether the obtained tune is correct, it may be determined that the difference between the tune calculated last time and the tune calculated in advance is not an error.
[0030]
When the tune measurement circuit 53 completes the tune measurement from the completion of the incident to the end of the acceleration, the tune calculation circuit 53 outputs the tune time-series data stored in the memory to the display device 6. The display device 6 uses the time-series data of the input tune as parameters of the devices constituting the synchrotron 1 (excitation current B of the deflection electromagnet, excitation current QD of the quadrupole divergent electromagnet and excitation current QF of the quadrupole converging electromagnet) and beam. And a parameter (current value IDC). FIG. 5 shows an example of a display screen. As shown in the figure, the tune and each parameter are displayed on the same time axis. It should be noted that the parameters of the devices constituting the synchrotron 1 (excitation currents of the deflecting electromagnet, the quadrupole divergent electromagnet and the quadrupole converging electromagnet) and the beam parameters (current values) are given from the control device 3.
[0031]
According to the present embodiment, the tune is displayed together with the parameters of the devices constituting the synchrotron 1 such as the excitation currents of the deflecting electromagnet, the quadrupole divergent electromagnet and the quadrupole converging electromagnet, and the beam parameters such as the beam current value. The relationship between the tune and the change in the tune is clarified, it is easy to determine which device should be controlled in order to move the tune away from the resonance point, and the control for moving the tune away from the resonance point can be easily performed. it can.
[0032]
Further, according to the present embodiment, the high frequency electromagnetic field for measuring the tune is generated using the high frequency applying electrode 16 provided for the beam emission, so that it is not necessary to provide a new electrode for the tune measurement. Thus, the number of devices constituting the synchrotron 1 can be reduced. Further, since the position monitoring electrode 18 used for measuring the beam position is used for tune measurement, the number of devices constituting the synchrotron 1 can be reduced. Therefore, the cost and size of the synchrotron 1 can be reduced.
[0033]
In addition, you may give the function of the signal processing apparatus 5 to the control apparatus 3 of a present Example.
(Example 2)
A circular accelerator system according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The circular accelerator system of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that the time change is displayed on the display device not only in the horizontal direction tune but also in the vertical direction tune. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.
[0034]
The overall configuration of the circular accelerator system of the present embodiment is the same as that of the first embodiment (FIG. 1), but the configurations of the power source 22 and the high-frequency applying electrode 16 are different from the first embodiment. FIG. 6 shows the configuration of the power source 22 and the high-frequency applying electrode 16 of this embodiment. As described above, in this embodiment, since the horizontal and vertical tunes are measured, it is necessary to increase the horizontal and vertical vibration amplitudes of the beam. For this purpose, the high-frequency applying electrode 16 of this embodiment is composed of two sets of high-

frequency applying electrodes

16x and 16y that are opposed to each other with a beam interposed therebetween. The high-frequency applying electrode 16x is an electrode that generates a high-frequency electromagnetic field for increasing the horizontal vibration amplitude, and the high-frequency applying electrode 16y is an electrode that generates a high-frequency electromagnetic field for increasing the vertical vibration amplitude. is there.
[0035]
In this embodiment, since the horizontal direction tune and the vertical direction tune are measured separately, a case where the horizontal direction tune is measured will be described first. When the beam injection in the trial operation is completed, the control device 3 first controls the switching circuit 223 to connect the terminal a and the terminal b. By connecting the terminal a and the terminal b, the high-frequency signal output from the power supply 22 is output to the high-frequency applying electrode 16x, so that the horizontal vibration amplitude can be increased. Next, the control device 3 controls the oscillator 221, but the subsequent operation is the same as that of the first embodiment, and the description thereof is omitted.
[0036]
FIG. 7 shows the configuration of the position monitoring electrode 18 and the signal processing device 5 of this embodiment. As shown in the figure, the position monitoring electrode 18 of this embodiment outputs signals according to the trajectory displacement of the beam in the

horizontal direction

181L, 181R, 182L, 182R, and responds to the trajectory displacement of the beam in the vertical direction. It consists of 183U, 183D, 184U and 184D for outputting signals. The position monitor

electrodes

183U and 184U are electrically connected, and the

position monitor electrodes

183D and 184D are also electrically connected.
[0037]
In measuring the horizontal tune, the control device 3 controls the switching circuit 54 of the signal processing device 5 to connect the terminal d and the terminal h, and the terminal f and the terminal i, respectively. As a result, signals corresponding to voltages induced in the

position monitoring electrodes

181L and 182L and the

position monitoring electrodes

181R and 182R are input to the position detection circuit 51. Since the subsequent operation is the same as that of the first embodiment, a description thereof will be omitted.
[0038]
When the horizontal tune measurement is completed, the vertical tune measurement is performed next. In the present embodiment, in order to measure the vertical tune, the same test operation as when the horizontal tune is measured is performed again. When the beam injection in the trial operation is completed, the control device 3 first controls the switching circuit 223 to connect the terminal a and the terminal c. By connecting the terminal a and the terminal c, the high-frequency signal output from the power source 22 is output to the high-frequency applying electrode 16y, so that the vibration amplitude in the vertical direction can be increased. Next, the control device 3 controls the oscillator 221, and the frequency band of the high-frequency signal output from the oscillator 221 is determined using (Equation 3) and (Equation 4) as in the case of the horizontal tune measurement. To do. However, calculation is performed using the design value of the vertical direction tune as the tune ν. Subsequent operations are the same as those in the case of horizontal tune measurement, and a description thereof will be omitted.
[0039]
In measuring the vertical tune, the control device 3 controls the switching circuit 54 of the signal processing device 5 to connect the terminals e and h, and the terminals g and i, respectively. As a result, signals corresponding to the voltages induced in the

position monitoring electrodes

183U and 184U and the

position monitoring electrodes

183D and 184D are input to the position detection circuit 51. The subsequent operation is the same as that in the case of horizontal tune measurement, and thus the description thereof is omitted.
[0040]
When the time series data of the horizontal tune and the vertical tune is obtained in this way, the tune calculation circuit 53 outputs the time series data to the display device 6, and the display device 6 displays the time change of the tune on the display screen. To do. FIG. 8 shows an example of display on the display screen. As shown in the figure, the time-series data of the horizontal tune νx and the time-series data of the vertical tune νy that are input are displayed on the display screen together with the excitation current and beam current value of the deflection electromagnet, quadrupole divergent electromagnet, and quadrupole convergence electromagnet. To do.
[0041]
According to this embodiment, since the parameters of the devices constituting the synchrotron 1 and the parameters of the beam and the vertical tune are displayed on the same time axis, the control for moving the vertical tune away from the resonance point is easily performed. be able to. In addition, it cannot be overemphasized that the same effect as Example 1 can be produced with this effect.
(Example 3)
A circular accelerator system according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The circular accelerator system of the present embodiment is different from the second embodiment in that the horizontal tune and the vertical tune are measured simultaneously. Hereinafter, differences from the second embodiment will be described.
[0042]
FIG. 9 shows the power source 22 and the high-frequency applying electrode 16 of this embodiment. As shown in the figure, the power supply 22 of this embodiment has two

amplifiers

222a and 222b connected to an oscillator 221, the amplifier 222a is connected to the high frequency application electrode 16x, and the amplifier 222b is for high frequency application. Connected to the electrode 16y. With this configuration, the high-frequency signal output from the oscillator 221 is simultaneously applied to both the high-

frequency application electrodes

16x and 16y, so that the horizontal vibration amplitude and the vertical vibration amplitude of the beam are simultaneously increased. Can be made. The frequency band instructed from the control device 3 to the oscillator 221 is a frequency band including both the frequency band required for the horizontal high-frequency electromagnetic wave and the frequency band required for the vertical high-frequency electromagnetic wave. .
[0043]
FIG. 10 shows the configuration of the position monitoring electrode 18 and the signal processing device 5 of this embodiment. As shown in the figure, the signal processing device 5 of this embodiment has two position detection circuits 51a and 51b and two spectrum measurement circuits 52a and 52b. The signals extracted from the

position monitoring electrodes

181L and 182L and the

position monitoring electrodes

181R and 182R are input to the position detection circuit 51a, and the signals extracted from the

position monitoring electrodes

183U and 184U and the

position monitoring electrodes

183D and 184D are It is input to the position detection circuit 51b. The position detection circuit 51a calculates the difference between the two input signals, and outputs the obtained difference signal to the spectrum measurement circuit 52a. The spectrum measurement circuit 52 a obtains the frequency spectrum of the difference signal and outputs it to the tune calculation circuit 53. On the other hand, the position detection circuit 51b obtains the difference between the two input signals and outputs the obtained difference signal to the spectrum measurement circuit 52b. The spectrum measurement circuit 52 b obtains the frequency spectrum of the difference signal and outputs it to the tune calculation circuit 53. The tune calculation circuit 53 calculates a horizontal tune from the frequency spectrum supplied from the position detection circuit 51a, calculates a vertical tune from the frequency spectrum supplied from the position detection circuit 51b, and calculates the calculated horizontal tune and The vertical direction tune is output to the display device 6. The display device 6 displays the tune together with the parameters of each device as in the second embodiment.
[0044]
According to the present embodiment, since the horizontal tune and the vertical tune are measured simultaneously, it is not necessary to perform the test run twice, and the time required for the tune measurement can be shortened.
Example 4
A circular accelerator system according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The circular accelerator system of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that the tune is measured in actual operation (irradiating a patient with a beam). Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.
[0045]
In this embodiment, tune measurement is performed when a beam for irradiating a patient is incident on the synchrotron 1 and accelerated. Since the tune measurement method is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted. The signal processing device 5 of the present embodiment outputs the obtained tune value to the display device 6 and also to the control device 3. The control device 3 compares the input tune value with the tune threshold value set in advance by the operator. If the tune value given from the signal processing device 5 exceeds the threshold value, the control device 3 The beam emission is stopped. Specifically, the application of the high-frequency electromagnetic field for beam extraction is stopped, and the driving device 8 is controlled to close the shutter 9 provided between the synchrotron 1 and the irradiation device 7. The shutter 9 is for blocking the beam emitted from the synchrotron 1. As the threshold value, a value that may affect the treatment of the patient is set. Further, when the tune value given from the signal processing device 5 exceeds the threshold value, the control device 3 displays a warning “Tune is out of the predetermined value” on the display screen of the display device 6. Let
[0046]
According to the present embodiment, when the tune deviates from a predetermined value, the emission of the beam from the synchrotron 1 is stopped, and a warning is displayed on the display device 6, so that cancer treatment is performed safely.
[0047]
In each of the embodiments described above, a circular accelerator system for performing cancer treatment has been described. However, the present invention is not limited to a circular accelerator system for cancer treatment, but can also be applied to a circular accelerator system for physical experiments.
[0048]
The tune measuring device referred to in the present invention means the high-frequency applying electrode 16, the position monitoring electrode 18, and the signal processing device 5.
[0049]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to easily perform control for moving the tune away from the resonance point.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a circular accelerator system according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a frequency spectrum of a signal obtained from the position monitoring electrode 18 of FIG. 1. FIG.
3 is a configuration diagram of a power supply 22 and a high-frequency applying electrode 16 in FIG. 1;
4 is a configuration diagram of the position monitoring electrode 18 and the signal processing device 5 of FIG. 1;
5 is an example of a display screen in the display device 6 of FIG.
FIG. 6 is a configuration diagram of a power source 22 and a high-frequency applying electrode 16 in a circular accelerator system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a position monitoring electrode 18 and a signal processing device 5 of a circular accelerator system according to another embodiment of the present invention.
8 is an example of a display screen on the display device 6. FIG.
FIG. 9 is a configuration diagram of a power source 22 and a high-frequency applying electrode 16 in a circular accelerator system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram of a position monitoring electrode 18 and a signal processing device 5 of a circular accelerator system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a configuration diagram of a circular accelerator system according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Synchrotron, 3 ... Control apparatus, 4 ... Pre-stage accelerator, 5 ... Signal processing apparatus, 6 ... Display apparatus, 7 ... Irradiation device, 11 ... Injector, 12 ... Deflection electromagnet, 13 ... Quadrupole electromagnet, 14 ... High frequency acceleration Cavity, 15 ... hexapole electromagnet, 16 ... electrode for high frequency application, 17 ... emitter, 18 ... electrode for position monitor, 21, 22 ... power supply.

Claims

At the end of acceleration of the charged particle beam from the lowest frequency fl determined by the circular frequency fa of the charged particle beam in the circular accelerator when the charged particle beam is incident on the charged particle beam circulating in the circular accelerator period of the high frequency electromagnetic field having a frequency band up to the highest frequency fh that is defined by the revolution frequency fb, by applying continuously until the end of acceleration from the entrance completion of the charged particle beam, until the end of acceleration from the entrance completion of increases the amplitude of betatron oscillation of the charged particle beam in,
The signal processing apparatus is configured to generate a first voltage signal that is induced and output to the first triangular electrode of the position monitor electrode due to the charged particle beam having an increased betatron oscillation amplitude, and the betatron oscillation amplitude is increased. Due to the charged particle beam, a second triangular electrode of the position monitor electrode, which is induced and output by the second triangular electrode arranged alongside the first triangular electrode along the beam trajectory. A first step of obtaining a difference signal with respect to a voltage signal, a plurality of frequency components included in the difference signal by performing frequency analysis on frequency components of the difference signal in a frequency band from the lowest frequency fl to the highest frequency fh A second step of measuring each signal intensity with respect to ## EQU2 ## where the circular frequency of the charged particle beam is f, tune is ν, and an integer equal to or greater than 1 is n. A third step of determining the frequencies nf, (n−ν) f and (n + ν) f based on the signal intensities of those frequency components, and the determined frequencies nf, (n−ν) f and (n + ν) By substituting f into the following (Equation 1) and (Equation 2), two tunes of the charged particle beam are calculated, and a tune of the charged particle beam is obtained based on the two tunes. A tune measurement method characterized in that each process is periodically performed in a period from the completion of the incidence to the end of the acceleration to obtain tune time-series data in that period .
ν = { nf− (n−ν) f } / f ( Equation 1)
ν = { nf− (n + ν) f } / f ( Expression 2)

Before Symbol charged particle beam the time series data of the tune to the end of acceleration from the entrance completion of the time-series data of the parameters relating to equipment provided in the circular accelerator to claim 1 to be displayed on the display device at the same time axis The tune measurement method described.

It is controlled by the control device, and is determined from the lowest frequency fl determined by the circular frequency fa of the charged particle beam in the circular accelerator when the charged particle beam is incident, and determined by the circular frequency fb at the end of acceleration of the charged particle beam. A high-frequency oscillator that continuously outputs a high-frequency signal having a frequency band up to the highest frequency fh from the completion of incidence of the charged particle beam to the end of acceleration ;
Wherein the charged particle beam circulating in the circular accelerator, by applying continuously a high frequency electromagnetic field having said frequency band to input the high-frequency signal having the frequency band to the end of acceleration from the entrance completion of the charged particle beam An electrode for high frequency application that increases the betatron oscillation amplitude of the charged particle beam;
Disposed before Symbol first triangle electrode for outputting a first voltage signal betatron oscillation amplitude is induced due to the charged particle beam increases, and along with the first triangle electrode along the beam orbit, the A position monitoring electrode having a second triangular electrode for outputting a second voltage signal induced due to the charged particle beam having an increased betatron oscillation amplitude ;
A first step of obtaining a difference signal between the first voltage signal and the second voltage signal; analyzing the frequency component of the difference signal in a frequency band from the lowest frequency fl to the highest frequency fh; A second step of measuring signal intensities for a plurality of frequency components included in the signal, f being the circulating frequency of the charged particle beam, ν being a tune, and n being an integer equal to or greater than 1, those included in the difference signal The third step of determining the frequencies nf, (n−ν) f and (n + ν) f based on the signal intensity of the frequency components of the frequency components, and the determined frequencies nf, (n−ν) f and (n + ν) f by substituting the equation (1) and (Equation 2) below, to calculate two tune the load electrostatic particle beam, the fourth step of obtaining the tune of the charged particle beam based on the two tune A tune measuring device comprising: a signal processing device that periodically performs each processing in a period from the completion of the incidence to the end of the acceleration to obtain time series data of the tune in that period .
ν = { nf− (n−ν) f } / f ( Equation 1)
ν = { nf− (n + ν) f } / f ( Expression 2)

In a circular accelerator system having a circular accelerator that has a plurality of devices and accelerates while circulating a charged particle beam,
A tune measuring device, and a display device for displaying on the same time axis the time series data of the tune from the completion of the incidence of the charged particle beam to the end of acceleration and the time series data of the parameters relating to the device,
The tune measuring device is
It is controlled by the control device, and is determined from the lowest frequency fl determined by the circular frequency fa of the charged particle beam in the circular accelerator when the charged particle beam is incident, and determined by the circular frequency fb at the end of acceleration of the charged particle beam. A high-frequency oscillator that continuously outputs a high-frequency signal having a frequency band up to the highest frequency fh from the completion of incidence of the charged particle beam to the end of acceleration ;
Wherein the charged particle beam circulating in the circular accelerator, by applying continuously a high frequency electromagnetic field having said frequency band to input the high-frequency signal having the frequency band to the end of acceleration from the entrance completion of the charged particle beam An electrode for high frequency application that increases the betatron oscillation amplitude of the charged particle beam;
Disposed before Symbol first triangle electrode for outputting a first voltage signal betatron oscillation amplitude is induced due to the charged particle beam increases, and along with the first triangle electrode along the beam orbit, the A position monitoring electrode having a second triangular electrode for outputting a second voltage signal induced due to the charged particle beam having an increased betatron oscillation amplitude ;
A first step of obtaining a difference signal between the first voltage signal and the second voltage signal; analyzing the frequency component of the difference signal in a frequency band from the lowest frequency fl to the highest frequency fh; A second step of measuring signal intensities for a plurality of frequency components included in the signal, f being the circulating frequency of the charged particle beam, ν being a tune, and n being an integer equal to or greater than 1, those included in the difference signal The third step of determining the frequencies nf, (n−ν) f and (n + ν) f based on the signal intensity of the frequency components of the frequency components, and the determined frequencies nf, (n−ν) f and (n + ν) f Substituting into the following (Equation 1) and (Equation 2), two tunes of the charged particle beam are calculated, and a tune of the charged particle beam is obtained based on the two tunes. A circular accelerator system comprising: a signal processing device that performs each process periodically in a period from the completion of the incidence to the end of the acceleration and obtains tune time-series data in the period .
ν = { nf− (n−ν) f } / f ( Equation 1)
ν = { nf− (n + ν) f } / f ( Expression 2)