JP5066694B2 - 高周波加速制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子を加速するためのシンクロトロンのような円形加速器で使用される高周波加速制御装置、特に高調波を利用した高周波加速制御装置に関する。

シンクロトロンにおける荷電粒子の加速は、図１に示すように、シンクロトロンリング１に配置された加速空洞２に高周波電圧を印加することによって行われる。シンクロトロンリング１には、図１に示すように、加速空洞２の他に、加速ビームの周回軌道を制御する偏向電磁石３、シンクロトロンリング１にビームを導入する入射装置４及び周回ビームをシンクロトロンリングの外部へ取り出す出射装置５が配置されている。さらに、シンクロトロン１は、ビームを加速するための高周波電圧を発生し且つ制御する高周波加速制御装置６を備えている。高周波加速制御装置６は、パターンメモリ７からの周波数及び電圧制御用のデジタル信号をＤＤＳ８に入力して高周波信号を発生させ、これを必要な電力まで増幅器９で増幅して加速空洞２に入れるように構成されている。

シンクロトロンの運転サイクルは、シンクロトロンリングへビームを導入し、高周波電圧に同期して荷電粒子をビームとして周回させる捕獲段階、ビームを加速する加速段階、加速完了したビームを取り出す出射段階に大きく分けることができる。

高周波加速制御装置は、まず捕獲段階において一様な入射ビームに高周波電圧を印加し、形成された安定領域上にビームを捕獲して集群（バンチ）化する。次いで、加速段階では、加速空洞に印加する高周波電圧の周波数を増加させることによってビームを加速してゆく。また、ビームの周回半径を一定にするために偏向磁石による偏向磁場強度と協調して高周波電圧周波数を制御する。

高周波加速制御装置は、以上のようにして高周波電圧を制御するが、捕獲段階から加速段階初期においてビームが比較的低いエネルギー状態にある間、空間電荷効果によってビーム電荷に発散力が働くことが知られている。これにより、ビームの損失が起こりやすくなり、場合によってはビームの加速が不可能になることがある。

そこで、このような空間電荷効果によるビーム損失を解決する手法として、高周波電圧に基本周波数の高周波（以下基本波）とその整数次高調波（以下単に高調波）を併用する手法がある。この手法によれば、基本波及び高調波を予め合成した後、必要な電力まで増幅器で増幅して加速空洞に印加している。この基本波及び高調波を合成する方法として、基本波とその高調波についてそれぞれアナログ出力を持ち、１つ１つ振幅と位相を加速と共にパターン制御する方法がある（特許文献１）。

しかしながら、この方法では制御対象である多くのアナログ高周波信号を制御する必要があり、制御システムが複雑になり、正しい動作をさせるための調整箇所も増え、製造コストが増大してしまう。すなわち、２次の高調波を使う場合には、基本波の振幅並びに２次高調波の振幅及び位相の計３個のパターンコントロールが必要になり、３次の高調波の場合には、そのパターンにさらに、３次高調波の振幅及び位相のパターンコントロールが加わるため、計５個のパターンコントロールが必要になる。つまり、良い加速波形を得ようとより高い高調波を利用しようとすれば、より多いパターンの制御が必要になる。また、制御対象がアナログ信号であるため、制御が複雑になる。

一方、他の手法では、図１に示すように、パターンメモリから周波数及び電圧を制御するためのデジタル制御信号をダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ：Direct Digital Synthesizer）に入力して、アナログの高周波加速信号を発生させ、これを必要な電力まで増幅器で増幅して加速空洞に入れる。この結果加速空洞に高周波加速電圧が発生し、これによりビームを加速することができる。通常は一つの周波数（加速空洞の共振周波数）をビームの加速とともに掃引して行う。しかし、最近利用され始めた、無同調空洞では一つの周波数だけでなく、同時に高調波も入力することができる。このとき、基本波と共に入力された高調波の位相と振幅を調整することによって、高周波電圧を空洞に発生させることによってできるビームバンチをシャープで無く、なだらかなものにし加速することができる。こうすることで、空間電荷効果を緩和して、より高いビーム強度を得ることができる。

図１のＤＤＳには、図７に示すように、高周波の波形データを記憶するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）７１が設けられ、そこには、コンピュータを介して基本波と高調波の合成波の波形データが入力されている。さらにアドレスプロセッサ７２が設けられ、このアドレスプロセッサ７２によって、高周波の周波数のパターンメモリからの周波数制御信号に基づいてＲＯＭ７１から高周波の波形データが読出され、高周波電圧のパターンメモリから供給された高周波電圧と乗算器７３において乗算される。すなわち、この乗算器７３によって読み出された波形データの振幅制御が行われ、その乗算された波形がデジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）７４によってアナログ信号へ変換され、さらにローパスフィルタ（ＬＰＦ）７５を介して高周波加速信号として出力される。

このようなシステムでは、ＤＤＳ内の波形データそのものに基本波に高調波を加えた合成波を入れて動作させるために、制御システムは単純になり、調整要素も少なく、制御システムを安価にすることができる。ただし、この方式ではシンクロトロンの運転の一サイクル内で波形は一定であり、ビームの捕獲段階と加速段階の双方の段階において最適な波形を作ることはできない。そのために、得られるビーム強度の向上は小さい。

特開平２００６―４９２０８号公報

従来技術によれば、上述したように、制御システムが複雑になり、正しい動作をさせるための調整箇所も増え、製造コストが増大してしまうという問題点がある。また、ビームの捕獲及び加速段階の双方で最適な波形を作ることができないという問題点がある。本発明の課題は、これらの問題点を解決して、制御システムを単純化するとともに、調整要素も少なく、制御システムを安価にすることができる高周波加速制御装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明によれば、円形加速器の加速空洞に基本波と高調波の合成波の高周波電圧を加えて加速を行う高周波加速制御装置であってダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）を有する高周波加速制御装置において、上記ＤＤＳが、それぞれ異なる高周波のデジタル波形データを記憶する少なくとも２つの波形データ記憶手段と、１つの高周波パターンメモリからの高周波周波数制御信号に基づいて上記少なくとも２つの波形データ記憶手段に記憶された波形データを読み出すための１つのアドレスプロセッサと、上記各波形データ記憶手段の出力にそれぞれ接続された少なくとも２つの乗算器であって、各波形データ記憶手段に関連する高周波電圧パターンメモリから供給された高周波電圧を上記読み出された波形データと乗算する乗算器と、上記少なくとも２つの乗算器のデジタル出力を足し合わせる加算器と、上記加算器から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログコンバータと、を備え、上記少なくとも２つの波形データ記憶手段に記憶された波形データは、基本波に高調波が加えられた合成波の波形データであって、且つ、上記加算器によって足し合わされた波形データが、円形加速器の一サイクルの各段階において最適な波形となるように設定されていることを特徴とする高周波加速制御装置が提供される。

本発明の１つの態様によれば、上記少なくとも２つの波形データ記憶手段は、第１のＲＯＭと第２のＲＯＭとで構成され、第１のＲＯＭは、ビームを閉じ込めておくのに適した高周波波形の波形データを記憶し、第２のＲＯＭは、平坦な加速部分を持つ高周波波形の波形データを記憶するように設定されていてもよい。

本発明の別の態様によれば、上記加算器は、円形加速器の捕獲段階において第１のＲＯＭに記憶された波形データの高周波波形のみを出力し、円形加速器の初期の加速段階において、第１のＲＯＭに記憶された波形データの高周波波形と第２のＲＯＭに記憶された波形データの高周波波形とを足し合わせて出力するように構成されていてもよい。また、第１のＲＯＭに記憶された波形データのみを利用して、必要なパターンメモリを減らすように構成してもよい。

本発明の更に別の態様によれば、上記少なくとも２つの波形データ記憶手段に記憶された波形データは、上記加速空洞のインピーダンスの周波数依存性を考慮して設定されていることが好ましい。例えば、上記少なくとも２つの波形データ記憶手段が、上記第１のＲＯＭ及び第２のＲＯＭに加えて更に第３のＲＯＭを含むように構成され、該第３のＲＯＭが、上記加速空洞のインピーダンスの周波数依存性を補正するための波形を記憶するように構成されてもよい。

本発明によれば、ＤＤＳ内に波形データを複数持たせ、それらの波形データを足し合わせることによって最適な波形を作るように構成されているので、加速制御システムの複雑さを避けて、運転の一サイクル内で波形を調整でき、ビームの獲得段階及び加速段階の双方で最適な波形を作ることができる。従って、加速中もビームバンチをシャープで無く、なだらかなものに保つ事が可能になり、十分な空間電荷効果の抑制が期待できる。また、従来の制御システムに必要であったパターンメモリの数を減らすことができる。

図２に本発明の高周波加速制御装置の主要部であるＤＤＳの構成を示す。この構成は、図７のＤＤＳの構成を改良したものである。図２のＤＤＳでは、それぞれ異なる高調波の波形データを記憶する２つのリードオンリメモリ（第１ＲＯＭ及び第２ＲＯＭ）１１及び２１が設けられている。第１ＲＯＭには、図７のＤＤＳと同様に、コンピュータを介して基本波と高調波の合成波の波形データが入力されている。さらにアドレスプロセッサ１２が設けられ、このアドレスプロセッサ１２によって、高周波の周波数のパターンメモリからの周波数制御信号に基づいて第１ＲＯＭ１１から高周波の波形データが読出され、高周波電圧のパターンメモリから供給された高周波電圧と乗算器１３において乗算される。

また、第２ＲＯＭ２１には、図７のＤＤＳと同様に、コンピュータを介して基本波と高調波の合成波の波形データが入力されている。さらに、上記第１ＲＯＭ１１と同じアドレスプロセッサ１２によって、上記第１ＲＯＭ１１と同じ高周波の周波数パターンメモリからの周波数制御信号に基づいて第２ＲＯＭ２１から高周波の波形データが読出され、高周波電圧のパターンメモリから供給された高周波電圧と乗算器２３において乗算される。上記乗算された第１及び第２のＲＯＭ１１及び２１の出力波形が加算器２２によって足し合わされ、デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）１４を介してアナログ信号へ変換され、さらにローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５を介して高周波加速信号として出力される。

第１ＲＯＭ１１及び第２ＲＯＭ２１には、それぞれ図３、図４のような基本波に高調波が加わった合成波の波形データが記憶されている。そしてこれらの波形を乗算器１３、２３においてそれぞれ高周波電圧と乗算することによって、振幅制御を行い、その後、加算器２２によってデジタル的に足し合わせて高周波のアナログ信号として出力する。この方式によれば、微妙な調整が必要なアナログ信号を複数出力する必要がなく、デジタルデータの処理だけで一つにまとめることができる。

図３はビームを閉じ込めておくのに適した高周波波形で、ビーム捕獲段階の平坦な安定領域部分ではこの波形のみを出力する。図４は平坦な加速部分を持つ高周波波形で、磁場勾配（dB/dt）がゼロでなくなり実際に加速が始まった時に図３の波形に足し合わせてDACに入力する。

通常のサイン波による加速では、実質的に加速に使われる電圧Ｖは、
V sinΦ_s ＝ 2πRρdB/dt
となり、位相Φ_s を中心にしてシンクロトロン振動している。Rはシンクロトロンリングの平均半径、ρは偏向電磁石中でのビームの曲率半径、dB/dtは偏向電磁石の磁場の時間微分である。

本発明のシステムでは、この実質的に加速に使われる電圧を発生させる図４の波形をdB/dt と共に増大させる。この２つの波形をそれぞれ２つのパターンデータによりdB/dt に対応した最適な値で足し合わせて利用する。又、このパターン制御には従来のBクロック（一定の磁場の増減に対してパルスを出す、HIMAC（本件出願人の重イオン医療用加速器）の場合は０．２ガウス変化するごとにパルスを一つ出力する）による制御の他にＴクロック（普通の意味での一定時間ごとにパルスを出す。シンクロトロンの運転がライン同期している場合には、それに同期させたＴクロックを使う）により行う。これらの２つを足し合わせて作った波形の例を図５に示す。

図５の波形を参照すると、確かに中心の電圧がゼロではない値になっていて、平坦な電圧部分を広く確保できている。この中心付近の電圧がサイン波による加速でのV sinΦ_s の値に相当する。このような波形の利用によりバンチ巾を広くしたままで加速することができる。これにより、ビームの強度が空間電荷効果により制限されている加速器において空間電荷効果を小さくできて、その結果ビーム強度を上げることができる。又、位相方向に広がると言うことは、縦方向であるエネルギー巾を小さくできると言うことでもあり、軌道のずれのあるところでのビームサイズを小さくできる。この事はシンクロトロンにおいて必要なマグネットのサイズを小さくすることに寄与する。

実際に加速空洞に高周波電力を入れて望みの高周波波形を得るためには、加速空洞のインピーダンスの周波数依存性を考慮する必要がある。図６が、本発明の実験において使用したコバルト製コアを利用した加速空洞（１／４λの共振器で構成される）のインピーダンスの周波数依存性を示したグラフであるが、各高調波を加速空洞に入れる際に、この空洞のインピーダンスの変化を補正した波形を入力する。又、加速とともに周波数が変化した場合、補正値が必ずしも正しくなくなるが、ビーム強度を制限するのは、加速の初期であり、その期間の波形が理想の波形に近いように調整する。これは、制御を簡単にしたことから来る制限になる。

本発明のシステムでは、このような制限はあるが、利用する高調波の次数には制限が無いと言う特徴がある。利用する高調波の次数は、実際には加速空洞で出せる電圧の範囲で制限される。たとえば、良く使われる３次までの高調波だけでなく、４次までの高調波を使う事も、同じシステムでＲＯＭの波形データに４次までの高調波を入れることででき、それによってバンチ長を長くする効果が得られる。

もし４次までの高調波の利用を、従来のシステムのようにそれぞれの高調波の出力の振幅と位相を制御することによって行うとすれば７個のパターン制御が必要になる。これに対して本発明のシステムでは、２個のパターン制御だけで可能になる。つまり本発明のシステムでは、加える高調波の数を増やしても、全く同じ制御システムで実現できると言うメリットがある。又、本発明のシステムの延長として、周波数を掃引して出てくる誤差を補正することや、全く新しい波形に乗り換えるために３個の波形データを利用する構成も考えられる。

本発明の高周波加速制御装置を使用するシンクロトロンの概略図である。 本発明の高周波加速制御装置の主要部を構成するＤＤＳの構成図である。 図２のＤＤＳの一方のＲＯＭに記憶された波形データに基づく高周波波形を示すグラフである。 図２のＤＤＳの他方のＲＯＭに記憶された波形データに基づく高周波波形を示すグラフである。 図２のＤＤＳによって足し合わされた高周波波形を示すグラフである。 加速空洞のインピーダンスの周波数依存性を示すグラフであり、黒丸「・」は実数部、白四角印「□」は虚数部を示す。 従来の高周波加速制御装置に使用されるＤＤＳの構成図である。

符号の説明

１ シンクロトロンリング
２ 加速空洞
３ 偏向電磁石
４ 入射装置
５ 出射装置
６ 高周波加速制御装置
７ パターンメモリ
８ ダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）
９ 増幅器
１１ 第１ＲＯＭ
１２、７２ アドレスプロセッサ
１３、２３、７３ 乗算器
１４、７４ デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）
１５、７５ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２１ 第２ＲＯＭ
２２ 加算器
７１ ＲＯＭ

Claims (4)

1. 円形加速器の加速空洞に基本波と高調波の合成波の高周波電圧を加えて加速を行う高周波加速制御装置であってダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）を有する高周波加速制御装置において、
   上記ＤＤＳが、
   それぞれ異なる高周波のデジタル波形データを記憶する少なくとも２つの波形データ記憶手段と、
   １つの高周波パターンメモリからの高周波周波数制御信号に基づいて上記少なくとも２つの波形データ記憶手段に記憶された波形データを読み出すための１つのアドレスプロセッサと、
   上記各波形データ記憶手段の出力にそれぞれ接続された少なくとも２つの乗算器であって、各波形データ記憶手段に関連する高周波電圧パターンメモリから供給された高周波電圧を上記読み出された波形データと乗算する乗算器と、
   上記少なくとも２つの乗算器のデジタル出力を足し合わせる加算器と、
   上記加算器から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログコンバータと、を備え、
   上記少なくとも２つの波形データ記憶手段に記憶された波形データは、基本波に高調波が加えられた合成波の波形データであって、且つ、上記加算器によって足し合わされた波形データが、円形加速器の一サイクルの各段階において最適な波形となるように設定されていることを特徴とする高周波加速制御装置。
2. 上記少なくとも２つの波形データ記憶手段は、第１のＲＯＭと第２のＲＯＭとで構成され、第１のＲＯＭは、ビームを閉じ込めておくのに適した高周波波形の波形データを記憶し、第２のＲＯＭは、平坦な加速部分を持つ高周波波形の波形データを記憶することを特徴とする請求項１に記載の高周波加速制御装置。
3. 上記加算器は、円形加速器の捕獲段階において第１のＲＯＭに記憶された波形データの高周波波形のみを出力し、円形加速器の初期の加速段階において、第１のＲＯＭに記憶された波形データの高周波波形と第２のＲＯＭに記憶された波形データの高周波波形とを足し合わせて出力することを特徴とする請求項２に記載の高周波加速制御装置。
4. 上記少なくとも２つの波形データ記憶手段に記憶された波形データは、上記加速空洞のインピーダンスの周波数依存性を考慮して設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高周波加速制御装置。

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