JP4883541B2

JP4883541B2 - 高周波制御装置

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Publication number: JP4883541B2
Application number: JP2011062788A
Authority: JP
Inventors: 正人吉井; 千広大森; 学左右田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: JP2011146400A

Description

本発明は、例えば荷電粒子を高周波電圧を用いて加速するシンクロトロンや、リニアック等の粒子加速器に係わり、特に荷電粒子を適切に加速するため高周波加速空洞に発生する高周波電圧の位相を制御する高周波制御装置に関する。

近年、素粒子物理学分野や工学応用分野、および医療利用の分野において、荷電粒子をシンクロトロンや、リニアックといった高周波電圧を用いて加速する粒子加速器の応用分野が広がっている。

このような高周波を利用した粒子加速器においては、粒子を適切に加速するためには加速電圧の位相を高精度かつ高安定に制御する必要がある。

このため、高周波信号発生源にはディジタル技術を利用して正弦波を発生する、ディジタルダイレクトシンセサイザが適用されてきている。

図９に従来のディジタルダイレクトシンセサイザを用いた高周波制御装置を持つシンクロトロン粒子加速器の装置構成の一例を示す。同図において、高周波制御装置はディジタルダイレクトシンセサイザ(ＤＤＳ)１、ディジタルダイレクトシンセサイザ１より出力されるディジタル位相信号θ_Dを正弦波の振幅ディジタル信号Ｖ_RFDに変換する正弦波変換器２、前記正弦波の振幅ディジタル信号を高周波アナログ信号Ｖ_RFAに変換するＤＡコンバータ３、アナログ位相制御量θ_Aに応じて高周波アナログ信号の位相を制御する移相器２１、移相器２１の出力の高周波電力Ｐ_inを増幅する高周波増幅器４、高周波増幅器４の出力Ｐ_outを高周波電圧Ｖc に変換し荷電粒子を加速する、高周波加速空洞５より構成されている。

ここで、移相器２１のアナログ位相制御量θ_Aは、高周波加速空洞５に発生する高周波電圧Ｖc と、高周波電圧Ｖc によって加速される荷電粒子の電流をＣＴ６を用いて検出した電流Ｉ_Bとの位相差を、検出器３１を用いて検出し、アナログコントローラ２２にて前記高周波加速空洞５に発生する高周波電圧Ｖc と、高周波電圧によって加速される荷電粒子の位相差が一定となるような値とする。

次に図１０に従来のアナログ加算器４２を用いた任意の高周波信号を発生させる方法を示す。一例として基本周波数の高周波に基本周波数の２倍の周波数が重畳した高周波信号を得るための方法を示す。

ディジタルダイレクトシンセサイザ(ＤＤＳ１)１₁より周波数ｆｃでディジタル位相信号θ_D1を出力するディジタルダイレクトシンセサイザ１₁と、ディジタル位相信号θ_D1を正弦波の振幅ディジタル信号Ｖ_RFD1に変換する正弦波変換器２₁と、前記正弦波の振幅ディジタル信号Ｖ_RFD1を高周波アナログ信号Ｖ_RFA1に変換するＤＡコンバータ３₁、
ディジタルダイレクトシンセサイザ１₁の２倍の周波数２ｆｃでディジタル位相信号θ_D2を出力するディジタルダイレクトシンセサイザ(ＤＤＳ２)１₂、ディジタル位相信号θ_D2を正弦波の振幅ディジタル信号Ｖ_RFD2に変換する正弦波変換器２₂、前記正弦波の振幅ディジタル信号Ｖ_RFD2を高周波アナログ信号Ｖ_RFA2に変換するＤＡコンバータ３₂、ＤＡコンバータの出力である高周波アナログ信号を加算するアナログ加算器４２、アナログ加算器の出力の高周波電力Ｐ_inを増幅する高周波増幅器４、高周波増幅器４の出力Ｐ_outを高周波電圧Ｖc に変換し荷電粒子を加速する、高周波加速空洞５より構成されている。

ここで任意の高周波波形を得るためには、ディジタルダイレクトシンセサイザ、正弦波変換器、ＤＡコンバータを多段に接続し、ディジタルダイレクトシンセサイザの周波数を２〜ｎ倍にすることで任意の高周波波形を得ることができる。

ところで、上記のような高周波制御装置においては、高周波信号の位相を制御する際、ＤＡコンバータによって変換された高周波アナログ信号を例えば、移相器といったアナログ素子を用いて制御していた。このため、アナログ素子の温度特性や、周波数特性により、高精度、高安定に制御することが困難であった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、ディジタルダイレクトシンセサイザより出力されるディジタル位相信号にディジタル加算器を用いて位相制御量を加算することにより位相を制御できるため、例えば移相器といったアナログ素子を用いることなく高周波信号の位相制御が高精度、高安定に制御することが可能である。

また、従来の技術では任意の高周波信号を発生させる際、ＤＡコンバータによって変換された高周波アナログ信号を、アナログ加算器等を用いて加算することにより希望する波形を得ていた。しかしながら上記方法では、加算する高周波アナログ信号の周波数を増やさないと希望する波形を得られないことが多く、ディジタルダイレクトシンセサイザ、位相振幅変換器、ＤＡコンバータの個数が増加する問題があった。加えて、アナログ加算器の温度特性、周波数特性により高精度、高安定に希望する高周波信号を得ることが困難であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、ディジタルダイレクトシンセサイザより出力されるディジタル位相信号をディジタル振幅信号に変換する位相振幅変換器に、ディジタル位相信号に対して任意の波形を発生する位相振幅変換器を具備することにより容易に任意の波形を発生させることが可能となる高周波制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１に対応する発明は、ディジタル位相信号を正弦波の振幅ディジタル信号に変換する正弦波変換器と、前記正弦波変換器により変換された正弦波の振幅ディジタル信号を高周波アナログ信号に変換するＤＡコンバータと、前記ＤＡコンバータの出力である高周波アナログ信号を増幅する高周波増幅器と、前記高周波増幅器からの出力を入力して高周波電圧に変換し、荷電粒子を加速する高周波加速空洞と、前記高周波加速空洞に発生する高周波電圧と、前記高周波電圧によって加速される荷電粒子の電流との位相差を検出する位相差検出器と、前記位相差検出器の出力信号をディジタル信号に変換するＡＤコンバータと、前記ＡＤコンバータの出力信号を入力し位相差を一定に制御するコントローラと、周波数信号を入力してディジタル位相信号を出力するディジタルダイレクトシンセサイザと、前記コントローラからの出力信号と、前記ディジタルダイレクトシンセサイザから出力されるディジタル位相信号を加算し、この加算したディジタル位相信号を、前記正弦波変換器に入力するディジタル加算器と、を具備したことを特徴とする高周波制御装置である。

上記課題を達成するために、請求項２に対応する発明は、ディジタル位相信号を正弦波の振幅ディジタル信号に変換する正弦波変換器と、前記正弦波変換器により変換された正弦波の振幅ディジタル信号を高周波アナログ信号に変換するＤＡコンバータと、前記ＤＡコンバータの出力である高周波アナログ信号を増幅する高周波増幅器と、前記高周波増幅器からの出力を入力して高周波電圧に変換し、荷電粒子を加速する高周波加速空洞と、周波数信号を入力してディジタル位相信号を出力するディジタルダイレクトシンセサイザと、高周波電圧に対する荷電粒子の位相差のパターン信号を記憶した記憶装置と、前記記憶装置で記憶した位相差のパターン信号と、前記ディジタルダイレクトシンセサイザからのディジタル位相信号とを加算し、この加算したディジタル位相信号を前記正弦波変換器に入力するディジタル加算器と、を具備したことを特徴とする高周波制御装置である。

上記課題を達成するために、請求項３に対応する発明は、ディジタル位相信号を正弦波の振幅ディジタル信号に変換する正弦波変換器と、前記正弦波変換器により変換された正弦波の振幅ディジタル信号を高周波アナログ信号に変換するＤＡコンバータと、前記ＤＡコンバータの出力である高周波アナログ信号を増幅する高周波増幅器と、前記高周波増幅器からの出力を入力して高周波電圧に変換し、荷電粒子を加速する高周波加速空洞と、前記高周波増幅器の出力電力を検出する電力検出器と、前記電力検出器の検出信号をディジタル信号に変換するＡＤコンバータと、前記ＡＤコンバータの出力信号を高周波増幅器の出力電力に対する位相変化量に変換する電力位相変換器と、前記電力位相変換器からの電力位相の出力を反転させ位相変化量を打ち消す値とする符合反転器と、周波数信号を入力してディジタル位相信号を出力するディジタルダイレクトシンセサイザと、前記ディジタルダイレクトシンセサイザからのディジタル位相信号と、前記符合反転器の出力とを加算し、この加算したディジタル位相信号を前記正弦波変換器に入力するディジタル加算器と、を具備したことを特徴とする高周波制御装置である。

である。

請求項１に記載の発明によれば、前記高周波加速空洞に発生する高周波電圧と、高周波電圧によって加速される荷電粒子の位相差を位相差検出器にて検出し、ＡＤコンバータによってディジタル信号に変換し、ＡＤコンバータの出力ディジタル信号をコントローラに入力し、コントローラによって高周波加速空洞に発生する高周波電圧と、高周波加速空洞によって加速される荷電粒子の位相差を一定とする値を出力し、その出力を高周波加速空洞に発生する高周波電圧の位相を制御する位相制御量とすることで、高精度、高安定に高周波加速空洞に発生する電圧と荷電粒子の位相差を一定に制御することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、高周波加速空洞に発生する高周波電圧と、高周波加速空洞によって加速される荷電粒子の位相差のパターン信号を記憶する記憶装置を具備し、位相制御量を前記位相パターン信号とすることで、高周波加速空洞に発生する高周波電圧と荷電粒子の位相差を、パターン信号に従って高精度、高安定に制御することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、高周波増幅器の出力電力を検出する電力検出器と、電力検出器の検出信号をディジタル信号に変換するＡＤコンバータと、ＡＤコンバータの出力信号を高周波増幅器の出力電力に対する位相変化量に変換する位相振幅変換器を具備し、電力位相変換器の出力を反転させ位相変化量を打ち消す値を高周波加速空洞に発生する高周波電圧の位相を制御する位相制御量とすることにより、高周波増幅器出力電力に対する位相変化の補正を高精度、高安定に行うことが可能となる。

本発明によれば、ディジタルダイレクトシンセサイザより出力されるディジタル位相信号にディジタル加算器を用いて位相制御量を加算することにより、位相シフタといったアナログ素子を用いることなく高周波電圧の位相を高精度、高安定に制御することができる。

更に、本発明によれば、ディジタルダイレクトシンセサイザより出力されるディジタル位相信号を入力として、任意波形を出力する位相振幅変換器を用いることで、ディジタルダイレクトシンセサイザ、正弦波変換器、ＤＡコンバータを多段に接続することなく、任意の高周波出力を高精度、高安定に得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照し説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す図であり、図中、従来装置を示す図９と同一の要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。図１の特徴は、ディジタルダイレクトシンセサイザ１より出力されるディジタル位相信号θ_Dと高周波加速空洞５に発生する高周波電圧Ｖc の位相を制御する位相制御量θ_Cを、ディジタル加算器１１を用いて加算することにより高周波電圧Ｖc の位相を制御する。

図２は、本発明の第２の実施形態を示す図で、高周波加速空洞５に発生する高周波電圧Ｖc と、高周波電圧Ｖc によって加速される荷電粒子の電流をＣＴ６を用いて検出した電流Ｉ_Bとの位相差を、検出器３１を用いて検出し、検出された位相差信号ΔφをＡＤコンバータ３２によってディジタル信号に変換し、コントローラ３３によって前記位相差が一定値となるようにθ_Cを制御することで高周波加速空洞５に発生する高周波電圧Ｖc と、荷電粒子との位相差を一定に制御することができる。

図３は、本発明の第３の実施形態を示す図である。高周波加速空洞に発生する高周波電圧Ｖc と、高周波電圧Ｖc によって加速される荷電粒子との位相差のパターン信号を、記憶装置３４に記憶しておき、この位相パターン信号を位相制御量θ_Cとすることで、高周波加速空洞に発生する高周波電圧Ｖc と荷電粒子の位相差パターンどおりに制御することが可能となる。図４に位相差のパターンの一例を示す図を表す。

図５は、本発明の第４の実施形態を示す図である。図６に示すように高周波増幅器の出力電力Ｐ_outに対して位相ずれを生ずる。このずれを補正するため、高周波増幅器の出力電力Ｐ_outを電力検出器５１により検出し、ＡＤコンバータ５２を用いてディジタル信号に変換し、電力位相変換器５３により測定された電力に対する位相ずれの値に変換し、符号反転器５４により電力位相変換器５３の出力信号の符号を反転させた信号を位相制御量θ_Cとすることで、高周波増幅器の出力電力に対する、位相ずれを零とすることが可能となる。

図７は、本発明の第５、第６、第７の実施形態を説明するための図である。第５の実施形態位相振幅変換器１２はディジタルダイレクトシンセサイザ１より出力されるディジタル位相信号θ_Dを入力として任意の波形Ｖ_abを出力する。

第６の実施形態請求項６記載の発明の実施形態では位相振幅変換器１２として記憶装置を用いている。図８に前記記憶装置の内部およびディジタル位相信号に対する、ディジタル振幅信号Ｖ_abの波形を示す。図に示すように記憶装置はディジタル位相信号θ_Dに対して、ディジタル振幅信号を１対１で記憶しており、任意の出力波形Ｖ_abを出力することが可能である。

第７の実施形態では位相振幅変換器１２としてディジタル演算器を用いている。ディジタル演算器は、入力をディジタル位相信号θ_Dとし、出力がθ_Dの関数ｆ（θ_D）で表される演算装置を具備することにより任意の出力波形Ｖ_abを出力することができる。

本発明の第１の実施形態を説明するためのブロック図。本発明の第２の実施形態を説明するためのブロック図。本発明の第３の実施形態を説明するためのブロック図。図３に示した実施形態の位相差パターンの一例を示す図。本発明の第４の実施形態を説明するためのブロック図。図５の高周波増幅器出力電力に対する位相変化を表す図。本発明の第５、６、７の実施形態を説明するためのブロック図。図７の第６の実施形態の記憶装置内部およびディジタル位相信号に対するディジタル振幅信号を示す図。従来の位相制御方式の例を示すブロック図。従来の任意波形を生成する例を説明するためのブロック図。

１…ディジタルダイレクトシンセサイザ、２…正弦波変換器、３…ＤＡコンバータ、４…高周波増幅器、５…高周波加速空洞、６…ＣＴ、１１…ディジタル加算器、１２…位相振幅変換器、２１…移相器、２２…アナログコントローラ、３１…位相差検出器、３２…ＡＤコンバータ、３３…コントローラ、３４…記憶装置、５１…電力検出器、５２…ＡＤコンバータ、５３…電力位相変換器、５４…符号反転器。

Claims

ディジタル位相信号を正弦波の振幅ディジタル信号に変換する正弦波変換器と、
前記正弦波変換器により変換された正弦波の振幅ディジタル信号を高周波アナログ信号に変換するＤＡコンバータと、
前記ＤＡコンバータの出力である高周波アナログ信号を増幅する高周波増幅器と、
前記高周波増幅器からの出力を入力して高周波電圧に変換し、荷電粒子を加速する高周波加速空洞と、
前記高周波加速空洞に発生する高周波電圧と、前記高周波電圧によって加速される荷電粒子の電流との位相差を検出する位相差検出器と、
前記位相差検出器の出力信号をディジタル信号に変換するＡＤコンバータと、
前記ＡＤコンバータの出力信号を入力し位相差を一定に制御するコントローラと、
周波数信号を入力してディジタル位相信号を出力するディジタルダイレクトシンセサイザと、
前記コントローラからの出力信号と、前記ディジタルダイレクトシンセサイザから出力されるディジタル位相信号を加算し、この加算したディジタル位相信号を、前記正弦波変換器に入力するディジタル加算器と、
を具備したことを特徴とする高周波制御装置。
ディジタル位相信号を正弦波の振幅ディジタル信号に変換する正弦波変換器と、
前記正弦波変換器により変換された正弦波の振幅ディジタル信号を高周波アナログ信号に変換するＤＡコンバータと、
前記ＤＡコンバータの出力である高周波アナログ信号を増幅する高周波増幅器と、
前記高周波増幅器からの出力を入力して高周波電圧に変換し、荷電粒子を加速する高周波加速空洞と、
周波数信号を入力してディジタル位相信号を出力するディジタルダイレクトシンセサイザと、
高周波電圧に対する荷電粒子の位相差のパターン信号を記憶した記憶装置と、
前記記憶装置で記憶した位相差のパターン信号と、前記ディジタルダイレクトシンセサイザからのディジタル位相信号とを加算し、この加算したディジタル位相信号を前記正弦波変換器に入力するディジタル加算器と、
を具備したことを特徴とする高周波制御装置。
ディジタル位相信号を正弦波の振幅ディジタル信号に変換する正弦波変換器と、
前記正弦波変換器により変換された正弦波の振幅ディジタル信号を高周波アナログ信号に変換するＤＡコンバータと、
前記ＤＡコンバータの出力である高周波アナログ信号を増幅する高周波増幅器と、
前記高周波増幅器からの出力を入力して高周波電圧に変換し、荷電粒子を加速する高周波加速空洞と、
前記高周波増幅器の出力電力を検出する電力検出器と、
前記電力検出器の検出信号をディジタル信号に変換するＡＤコンバータと、
前記ＡＤコンバータの出力信号を高周波増幅器の出力電力に対する位相変化量に変換する電力位相変換器と、
前記電力位相変換器からの電力位相の出力を反転させ位相変化量を打ち消す値とする符合反転器と、
周波数信号を入力してディジタル位相信号を出力するディジタルダイレクトシンセサイザと、
前記ディジタルダイレクトシンセサイザからのディジタル位相信号と、前記符合反転器の出力とを加算し、この加算したディジタル位相信号を前記正弦波変換器に入力するディジタル加算器と、
を具備したことを特徴とする高周波制御装置。