JP5581530B2 - シンクロトロンの電磁石電源制御システム及び制御方法並びにシンクロトロン - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビームを加速するシンクロトロンの電磁石電源制御システム及び制御方法並びにシンクロトロンに関する。

シンクロトロンは、線形加速器である程度加速した後に入射された荷電粒子ビーム（以下、ビームという）を、所望のエネルギーまで加速し、粒子線がん治療装置などのビーム利用設備に出射するものである。

シンクロトロンにおいて、ビームは環状の真空ダクト内を周回し、高周波加速空胴を繰返し通過することで所望のエネルギーまで加速する。シンクロトロンはビームを同一軌道上で周回させるため、ビームを偏向する偏向電磁石と、ビームの位置を測定するモニタと、その測定結果にもとづきビーム軌道を調整する補正用電磁石（ステアリング電磁石）を有する。シンクロトロンの各機器は、偏向されたビームが同一軌道上を周回するように設計・設置されるが、実際には各機器の形状誤差や設置誤差によりビームの軸が微妙にずれてしまうため、ステアリング電磁石によってビームの軌道を補正する。

ステアリング電磁石がある場合、各偏向電磁石はビーム軌道のずれに構わずそれぞれ同じ角度でビームを曲げようとするだけでよいため、共通の電源によって同じ強度で励磁される。それに対してビーム軌道補正を行うステアリング電磁石は、ビーム軌道のずれに応じて励磁強度を変える必要があるため、それぞれ個別の電源によって異なる強度で励磁される。

以上のように、シンクロトロンは共通電源によって励磁される偏向電磁石がビームを偏向し、個別電源によって励磁されるステアリング電磁石がビーム軌道を補正するのが一般的である。この種のシンクロトロンの例としては、特許文献１に記載のものがある。

それに対し、偏向電磁石がビームを単に偏向するだけでなくビーム軌道の補正も行うシンクロトロンにおいては、偏向電磁石は励磁強度を変えてビームの偏向角度を微調整することで、ビーム軌道の補正を行う。上述の一般的なシンクロトロンのステアリング電磁石と同じく、各偏向電磁石はビーム軌道のずれに応じて励磁強度を変える必要があるため、共通の電源ではなく個別の電源によって、異なる強度で励磁される。

このように、偏向電磁石が個別の電源によって制御され、ビームの偏向と軌道補正を行うシンクロトロンの例としては、非特許文献１に記載のものがある。この論文には「The 12 main dipoles are excited in pairs by 6 Magnet Power Supplies (MPS).（中略）These errors can be corrected to around 1 mm with the 6 main dipole power supplies and the 6 vertical corrector magnets.」と記載されている。この例では、12の偏向電磁石が２つで一組としてそれぞれ個別の電源によって励磁され、水平方向のビーム軌道誤差を補正する。

シンクロトロンはビームの「入射−加速−出射−減速」を所定の周期で繰返し、偏向電磁石はそのビームエネルギー（加速度）の変化に応じて、励磁強度のパターンを所定の周期で繰り返す。偏向電磁石がビームの偏向のみを行い、ステアリング電磁石がビームの軌道補正を行う場合は、共通の電源一つに励磁強度パターンデータを設定する。それに対して、偏向電磁石がビームの偏向と軌道補正の両方を行う場合は、各偏向電磁石電源にそれぞれ異なるパターンデータを設定する。

特開２００６−２２８５７９号公報

S.P. Moller, "Status of the Particle Therapy Accelerator System Built by DANFYSIK A/S", EPAC08(TUPP124), 2008（Mollerのoはoに斜めスラッシュ）

特許文献１に記載のように、偏向電磁石がビームの偏向のみを行い、ステアリング電磁石がビームの軌道補正を行うシンクロトロンでは、ステアリング電磁石の設置スペースが必要であり、その分、シンクロトロンが大型化する問題がある。

非特許文献１に記載のシンクロトロンでは、偏向電磁石がビームの偏向と軌道補正の両方を行うため、ステアリング電磁石が不要となり、シンクロトロンを小型化することができる。

しかし、偏向電磁石がビームの偏向と軌道補正の両方を行うシンクロトロンには、電磁石電源制御において二つの問題がある。

第一に、励磁強度パターンの個別化による問題がある。上述のように、偏向電磁石がビーム軌道補正を行わない場合は、共通の電源一つにパターンを設定する。それに対して偏向電磁石がビーム軌道補正を行う場合は、それぞれの電源に異なるパターンを設定する必要があるため、パターンの数が多くなり、パターンの調整に手間がかかる。例えばビーム軌道が全体的に外側にずれていたとすると、全偏向電磁石の励磁強度を一律に上げてビームの偏向角度を大きくし、軌道を内側に寄せる。その際、各偏向電磁石を共通の電源によって励磁する場合は、共通の電源に設定するパターン一つを調整すればよい。それに対して、偏向電磁石を個別の電源によって励磁する場合は、偏向電磁石電源の台数分のパターンを調整しなければならない。

第二に、励磁強度パターンのうち、ビーム軌道補正のための励磁調整分がグラフ上で見分けにくいという問題がある。偏向電磁石がビーム軌道補正を行わない場合は、ビーム加減速に応じた励磁強度パターンを偏向電磁石電源に設定し、それとは別にビーム軌道補正用の励磁調整パターンをステアリング電磁石電源に設定する。それに対して偏向電磁石がビーム軌道補正を行う場合、各偏向電磁石電源に設定する励磁強度パターンは、ビーム加減速に合わせて励磁を大きく変化させる分と、ビーム軌道のずれに応じて励磁強度を微調整する分を兼ねるものになる。ビーム加減速に応じた励磁強度に対して、ビーム軌道を補正するための励磁調整量は微小である。従ってパターンデータをグラフ上で作成する際、ビーム軌道補正用の励磁調整分を判別しにくく、調整が困難である。

本発明の目的は、偏向電磁石がビームの偏向と軌道補正の両方を行うシンクロトロンにおいて、偏向電磁石の励磁調整を容易に行うことができる電磁石電源制御システム及び制御方法並びにシンクロトロンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、各偏向電磁石の励磁強度パターンを、ビーム加減速に応じた主パターンと、ビーム軌道補正用のパターンに分けて作成し管理する。主パターンは全偏向部の偏向電磁石に共通であり、補正パターンは各偏向部の偏向電磁石に個別である。運転時は、共通の主パターンと個別の補正パターンを合算した結果を、各偏向電磁石電源に設定する。

本発明によれば次のような効果が得られる。

第一に、全偏向電磁石の励磁量を一律に変更する際、ビームの曲げ量が大きく励磁調整に手間が掛かる主パターンひとつを変更すれば全偏向部の偏向電磁石に反映されるため、偏向電磁石の励磁調整が容易となる。

第二に、励磁強度が大きい主パターンとは別に励磁変化が微細な補正パターンを管理するため、パターンデータをグラフ表示する際にビーム軌道補正のための励磁調整分を見分けやすく、励磁強度の微調整が容易となる。

以上の結果、偏向電磁石がビームの偏向と軌道補正の両方を行うシンクロトロンにおいて、偏向電磁石の励磁調整を容易かつ速やかに行うことができ、励磁強度パターンの作成・調整時間の短縮が可能となる。

本発明の適用対象である、ビーム位置モニタと、その測定結果に基づいてビーム軌道補正を行う偏向電磁石を備えるシンクロトロンの構成を示す図である。 粒子ビームを常に同一角度で偏向するため、ビーム加減速に合わせて励磁強度を変化させた偏向電磁石の励磁強度パターンを示す図である。 偏向電磁石共通の主パターンと、個別のビーム軌道補正パターンを分けて管理し、両パターンを合算した結果を各偏向電磁石のパターンとする、本発明の制御原理を示す図である。 シンクロトロンの電磁石電源制御システムの全体構成を示す図である。 電磁石電源制御システムを構成する計算機と制御装置の機能の詳細を示す図である。 偏向電磁石電源制御で用いるパターンデータの作成プロセスを示すフローチャートである。 偏向電磁石パターンを作成する際に用いる、各ビーム位置モニタの測定結果を示す図である。 ビーム入射時と出射時においてビーム軌道補正のための励磁調整量を求め、その２点をグラフ上でなめらかに結ぶことで作成した、偏向電磁石のビーム軌道補正用パターンのグラフ表示の一例を示す図である。 偏向電磁石のビーム偏向半径の説明図である。 本発明を実施しない場合の各偏向電磁石の励磁強度パターンを示す図である。 本発明の第２の実施の形態における偏向電磁石電源制御システムの計算機と制御装置の機能の詳細を示す図である。 本発明の第３の実施の形態における偏向電磁石電源制御システムの計算機と制御装置の機能の詳細を示す図である。 シンクロトロンが５つ以上の偏向電磁石を備える場合の偏向電磁石と電源の対応関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を説明する。
〜シンクロトロンの全体構成〜
図１はシンクロトロンの構成図である。

シンクロトロン１００は、前段加速器１０１、偏向電磁石１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ、四極電磁石１０３、六極電磁石１０４、静電インフレクタ１０５、静電デフレクタ１０６、出射セプタム電磁石１０７、入射バンプ電磁石１０８、ビーム位置モニタ１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄ、高周波加速空胴１１０などを備える。偏向電磁石１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄは４つの偏向部１０２−１，１０２−２，１０２−３，１０２−４に１つづつ配置されている。ビームは前段加速器１０１で予備加速された後に、静電インフレクタ１０５からシンクロトロン１００に入射され、偏向電磁石１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄによって偏向されて環状の真空ダクト内を周回する。ビームは高周波加速空胴１１０を通過するたびに高周波電圧を印加されて加速していき、所望のエネルギーに達すると出射セプタム電磁石１０７からビーム利用設備へ出射される。
〜偏向電磁石の励磁強度パターン〜
図２は、偏向電磁石１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄの励磁強度パターンを示す図である。

偏向電磁石１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄはビームを偏向するために、ビームのエネルギー（加速度）に合わせて、図２のように励磁の強弱をつける。ビームのエネルギーが高まるほど強い力でビームを偏向する必要があるため、ビームのエネルギーに応じて偏向電磁石の励磁強度を変化させる。最初はビーム入射時の低いエネルギーに合わせて磁場を低く設定し（入射運転２０１）、ビームが加速するごとに磁場を強めていき（加速運転２０２）、出射時のエネルギーに合わせて磁場を一定に保った後（出射運転２０３）、次のビーム入射のため磁場を低くする（減速運転２０４）。このように偏向電磁石の励磁強度は大きな山形となる。シンクロトロン１００はビームの「入射−加速−出射−減速」を所定の周期で繰り返すため、図２の励磁強度の変化を一つのパターンとし、偏向電磁石はビームの「入射−加速−出射−減速」の周期に合わせて励磁強度パターンを繰り返す。このパターンは出射時のエネルギーの高さに応じて変える必要があり、所望する出射エネルギーの種類分のパターンが必要である。
〜ビーム軌道補正〜
また偏向電磁石１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄは、ビーム位置モニタ１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄの地点においてビームが正しい位置を通るように、励磁強度を微調整してビームを偏向する角度を変え、ビーム軌道の補正を行う。例えば偏向電磁石１０２ａは、ビーム位置モニタ１０９ａの地点においてビーム軌道が所望の位置と一致するように、ビーム偏向角度を調整する。ビーム軌道のずれは各ビーム位置モニタの地点でそれぞれ異なるため、各モニタに対応する電磁石ごとにビーム軌道の補正角度はそれぞれ異なり、励磁強度の調整量も異なる。従って、従来は、偏向電磁石の台数分のパターンが必要であった。つまり、４台の偏向電磁石を備えるシンクロトロン１００で３００種類のエネルギーのビームを出射するためには、「４台分のパターンの組み合わせ×３００通り」が必要であった。
〜本発明の制御原理〜
図３は本発明の制御原理を示す図である。

本発明では、偏向電磁石のパターンデータは、図３のように偏向電磁石１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ（偏向部１０２−１，１０２−２，１０２−３，１０２−４）に共通の主パターン３０１と、ビーム軌道を補正するための偏向電磁石１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ（偏向部１０２−１，１０２−２，１０２−３，１０２−４）に個別の補正パターン３０２ａ，３０２ｂ，３０３ｃ，３０２ｄに分けて作成し管理する。主パターン３０１とは、図２のようにビーム入射時と出射時のエネルギーに合わせたパターン、すなわちビームエネルギーが高いほど強い励磁でビームを偏向させるという励磁強度のパターンである。補正パターン３０２ａ，３０２ｂ，３０３ｃ，３０２ｄとは、偏向電磁石の励磁強度を微調整してビームの偏向角度をわずかに変え、ビーム位置モニタの地点においてビーム軌道が所望の位置と一致するように補正するための励磁調整パターンである。「主パターン３０１＋補正パターン３０２ａ，３０２ｂ，３０３ｃ，３０２ｄ＝偏向電磁石パターン３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃ，３０３ｄ」とし（すなわち、共通の主パターン３０１と個別のビーム軌道補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを合算し、合算した結果を偏向電磁石パターン３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃ，３０３ｄとして求め）、そのパターン３０３ａ〜３０３ｄに従って各偏向電磁石を励磁する。本発明では、主パターン３０１は、エネルギー数分の３００パターンがあればよい。
〜電磁石電源制御システムの全体構成〜
図４は、シンクロトロン１００の電磁石電源制御システムの全体構成を示す図である。

電磁石電源制御システム４１０は、複数の端末（表示装置）４００ａ，４００ｂ，４００ｃを有する計算機４０１（管理装置）と、制御装置４０２とを備えている。

オペレータは、端末４００ａ，４００ｂ，４００ｃの表示部のグラフ作成画面に図３に示した主パターン３０１のデータと補正パターン３０２ａ〜３０２ｄのデータを表示して主パターン３０１と補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを作成し、計算機４０１の記憶装置に保存する。計算機４０１は保存された複数のパターンデータを、電流・電圧パターンなど電源制御で使用できる形に変換し、制御装置４０２のメモリに設定する。制御装置４０２はビームの「入射−加速−出射−減速」のタイミングに合わせて，メモリに設定された複数のパターンデータの中から所望のエネルギーに対応したパターンを選び出し、電磁石電源（Bending Magnet Power Supply）４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃ，４０３ｄに出力する。電磁石電源４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃ，４０３ｄは偏向電磁石１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ（偏向部１０２−１，１０２−２，１０２−３，１０２−４）に個別に設けられ、制御装置４０２から受け取った値に従って、偏向電磁石１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄを励磁する。
〜電磁石電源制御システムの機能の詳細〜
図５は、計算機４０１と制御装置４０２の機能の詳細を示す図である。

図５に示すように、計算機４０１は主パターン３０１と補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを分けたまま計算機４０１に保存する。計算機４０１は以下のように、両パターンを合算して制御装置４０２に設定する。例えばビームの「入射−加速−出射−減速」の周期が（可変である出射許可の時間を除いて）３秒であり、パターンデータが１ミリ秒ごとの計３０００点の励磁強度データから構成される場合、計算機４０１は主パターン３０００点と補正パターン３０００点の同じ時点のデータを合算する。その励磁強度データを、電流・電圧データなど電源制御で使用できる形に変換し、制御装置４０２のメモリに保存する。なお、主パターン・補正パターンの合算と、励磁強度データから電流・電圧データへの変換は、逆の順序で行ってもよい。

制御装置４０２の出力装置４０２ａは、メモリに保存された複数のパターンから所望の出射エネルギーに合うものを選び出し、電流・電圧データ３０００点を各時点のタイミングに合わせて、偏向電磁石電源４０３ａ〜４０３ｄに出力する。なお、制御装置４０２は、３０００点のデータを３００００点などに展開して出力することもできる。電磁石電源４０３ａ〜４０３ｄは、制御装置４０２から受け取った電流・電圧データに従って、偏向電磁石１０２ａ〜１０２ｄを励磁する。
〜励磁パターンデータの作成プロセス〜
図６は、偏向電磁石電源制御で用いるパターンデータの作成プロセスを示すフローチャートである。

偏向電磁石電源制御で用いるパターンデータは次のように作成する。まず、オペレータは、計算機４０１の例えば端末４００ａを用いて、所望の出射エネルギーに対応した主パターン３０１を作成し（ステップＳ５０１）、その主パターン３０１のみを制御装置４０２に設定してシンクロトロン１００を運転する。そして、誤差を補正したい時点（ビーム入射時、出射時など）におけるビームの位置をビーム位置モニタ１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄにより測定し、その測定結果を計算機４０１の例えば端末４００ａに表示する（ステップＳ５０２）。

図７は、各ビーム位置モニタの測定結果を示す図である。最初のビーム位置モニタ１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄの測定結果は、例えば図７の画面６０１のようになる。画面中、０はビーム軌道がモニタの中心に位置することを意味し、プラスは軌道が外側に、マイナスは軌道が内側に寄っていることを示す。画面６０１に示すように、所望のビーム軌道位置が０であり、軌道が全体的に所望位置の外側にずれていた場合、全偏向電磁石１０２ａ〜１０２ｄのビーム偏向角度を大きくして軌道を全体的に内側に寄せるため、偏向電磁石共通である主パターンの励磁強度を強める（ステップＳ５０１）。軌道全体を内側に寄せるための主パターンの調整は、オペレータが例えば端末４００ａにおいて画面６０１を見ながら行い、計算機４０１は、その操作結果に基づいて主パターンの励磁強度を増大させる。主パターンを作成するステップＳ５０１の操作とシンクロトロン１００の運転及びビーム軌道の測定を行うステップＳ５０２の操作は、図７の画面６０２に示すようにビームの平均軌道が０を基準とした所望の位置になるまで繰り返す。

また、作成した主パターンを用いてシンクロトロン１００の運転を行うステップＳ５０２では、オペレータは、作成した主パターンを、適宜、計算機４０１の例えば端末４００ｂにグラフ表示し、どのような主パターンに従ってシンクロトロン１００を運転しているかを確認する。このときの主パターンの表示は例えば図２に示すようなものである。

次に、偏向電磁石ごとに異なるビーム軌道補正パターン３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃ，３０２ｄを作成する（ステップＳ５０３）。ここで、各ビーム位置モニタ１０９ａ〜１０９ｄの地点におけるビーム軌道の誤差量（調整量）と各偏向電磁石１０２ａ〜１０２ｄによる軌道補正角度とは相関関係にあり、各偏向電磁石１０２ａ〜１０２ｄによる軌道補正角度は各ビーム位置モニタ１０９ａ〜１０９ｄの地点におけるビーム軌道の誤差量（調整量）から一意に決まる。式（１）に示すように、ビーム位置モニタ１〜nの地点におけるビーム軌道の調整量ΔX１〜ΔXnは、偏向電磁石１〜nによる軌道補正の角度ΔX'１〜ΔX'nと正方行列Aの積で表される。従って偏向電磁石による軌道補正の角度ΔX'１〜ΔX'nは、ビーム位置モニタの地点におけるビーム軌道の調整量ΔX１〜ΔXnに、正方行列Aの逆行列を左からかけることにより求められる。なお、本実施形態のシンクロトロン１００はビーム位置モニタおよび偏向電磁石を４台ずつ備えているため、Aは４×４の正方行列となる。また正方行列Aは、シンクロトロン１００の機器配置及び運転条件から解析的に求めるか、もしくは偏向電磁石の励磁量を一台のみ変化させた際の軌道誤差の変化量から試験的に求める。

ステップＳ５０３では、オペレータは、図７の画面６０２を見ながら各ビーム位置モニタ１０９ａ〜１０９ｄの地点におけるビーム軌道の誤差量（調整量）を設定する。計算機４０１は、上述の手法で各偏向電磁石１０２ａ〜１０２ｄによる軌道補正の角度を導き出し、その補正角度から励磁調整量を求める。また、計算機４０１は、主パターン３０１の複数の時点（ビーム入射時、出射時など）における励磁調整量を求め、例えば端末４００ｂのグラフ上でその点同士をなめらかに結ぶことで、各偏向電磁石のビーム軌道補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを作成する。

本実施の形態では、計算機４０１が励磁調整量を求める例を示したが、計算機４０１に接続された外部の他の計算機（図示せず）が励磁調整量を求める構成であってもよい。この場合、他の計算機は、求めた励磁調整量の情報を計算機４０１に出力する。計算機４０１は、この励磁調整量に基づいて、各偏向電磁石のビーム軌道補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを作成する。

図８は、ビーム入射時と出射時においてビーム軌道補正のための励磁調整量を求め、その２点をグラフ上でなめらかに結ぶことで作成した、偏向電磁石のビーム軌道補正用パターンのグラフ表示の一例を示す図である。オペレータは、計算機４０１の端末４００ｂにグラフ表示された補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを見ながら、手操作入力で補正パターンの微調整を行い（すなわち、ビーム軌道の誤差量（調整量）を設定し）、軌道が所望の位置に合うようにする。

ここで、図８に示すように、ビーム軌道補正のための励磁調整量の補正パターン３０２ａ〜３０２ｄのグラフ表示における励磁強度の上限（図８の縦軸の励磁強度の値）は、図２に示す主パターン３０１よりも小さい値で表示する（主パターン＞補正パターン）。これにより補正パターン３０２ａ〜３０２ｄの励磁量は主パターン３０１に比べて拡大表示され、微細な励磁調整分が明確になる。例えば図２のように主パターン３０１のグラフ励磁強度の上限を３.００Tmとし、図８のように補正パターン３０２ａ〜３０２ｄのグラフ励磁強度の上下限を±０.０１Tmとした場合、ビーム軌道補正分の励磁強度の視認性（拡大率）は図２の３０００倍となる。従って、オペレータによる補正パターンの作成・調整が容易になる。

こうして作成した各偏向電磁石の励磁調整パターンを用いて、再びシンクロトロン１００を運転し、ビーム軌道の位置を測定する（ステップＳ５０４）。補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを作成するステップＳ５０３の操作とシンクロトロン１００の運転及びビーム軌道の測定を行うステップＳ５０４の操作は、図７の画面６０３に示すように各ビーム位置モニタにおけるビーム軌道が所望の位置になるまで繰り返す。

また、作成した補正パターンを用いてシンクロトロン１００を運転するステップＳ５０４において、オペレータは、作成したビーム軌道補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを計算機４０１の例えば端末４００ｃにグラフ表示し、どのような補正パターンに従ってシンクロトロン１００を運転しているかを確認する。
〜効果〜
以上のように本実施の形態においては、まず共通の主パターン３０１によって全体的にビーム軌道を調整し、次に偏向電磁石１０２ａ〜１０２ｄごとの補正パターン３０２ａ〜３０２ｄによって各ビームモニタ１０９ａ〜１０９ｄの地点におけるビーム軌道を調整する。この過程において、各偏向電磁石のパターンを主パターンと補正パターンに分ける手法は、以下の利点がある。

第一に、共通の主パターン３０１を変更すれば全偏向電磁石１０９ａ〜１０９ｄのパターンに反映されるため、全偏向電磁石１０９ａ〜１０９ｄの強度を一律で変更したい場合は共通の主パターン一つを変更すればよい。ビーム軌道が全体的に外側にずれていた場合（画面６０１）、主パターン３０１の励磁強度を強めると全偏向電磁石１０９ａ〜１０９ｄのビーム偏向角度が大きくなり、ビーム軌道を中心に寄せることができる（画面６０２）。

前述のように、パターンデータは出射エネルギーごとに作成する必要があり、例えば所望の出射エネルギーが３００種類ある場合は３００組のパターンデータが必要である。偏向電磁石を４つ備えるシンクロトロン１００において、３００組のパターンデータについて同様の調整を行うとすると、全偏向電磁石分の「３００×４＝１２００」パターンを変更することになる。このとき偏向電磁石共通の主パターンがあれば、エネルギー数分の３００パターンを変更すればよい。

所望の出射エネルギーごとの、ビームを大きく曲げる主パターン３０１の作成には、ビームの軌道を微調整する補正パターンの作成に比べて多くの時間を要する。従って、ビームを大きく曲げる主パターン３０１を共通パターンとすることで、全体パターンの作成時間を短縮することができる。

第二に、励磁強度が大きい主パターンと励磁強度が微細な補正パターンを分けることで、ビーム軌道補正用の励磁調整分が明確になる。例えば図９に示すように偏向半径が１.４ｍの偏向電磁石を４つ備えるシンクロトロン１００において、エネルギー２５０MeVのビームを偏向する場合、各偏向電磁石による軌道補正角度は本来の偏向角度である９０度の０.２〜０.３％にとどまる。このとき主パターンと補正パターンを分けない従来の場合の各偏向電磁石１０２ａ〜１０２ｄの励磁強度パターンは図１０に示すようであり（実線がビーム軌道補正分を含むパターン、破線がビーム軌道補正分を含まないパターン）、各偏向電磁石１０２ａ〜１０２ｄの励磁調整分を見分けにくい。

これに対して主パターン３１０と補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを分けて作成し、偏向電磁石１０２ａ〜１０２ｄのビーム軌道補正用パターン３０２ａ〜３０２ｄをグラフ表示する場合は、図８に示したように、例えばビーム軌道補正分の励磁強度の視認性（拡大率）を図２の３０００倍にも拡大表示することができ、オペレータによる補正パターンの作成・調整が容易になる。

以上の二つの利点により、励磁強度パターンの作成・調整時間の短縮が可能となる。
＜第２の実施の形態＞
図１１は本発明の第２の実施の形態における偏向電磁石電源制御システムの計算機と制御装置の機能の詳細を示す図である。

本発明の第２の実施の形態における偏向電磁石電源制御システム４１０Ａは、図１１に示すように、上述した第１の実施の形態（図５）と同様に、偏向電磁石共通の主パターン３０１と偏向電磁石個別のビーム軌道補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを分けて作成し、計算機４０１Ａに保存する。第１の実施の形態と異なる点は、共通の主パターン３０１と個別の補正パターン３０２ａ〜３０２ｄの合算を計算機４０１Ａが行うのではなく、制御装置４０２Ａが行う点である。すなわち、計算機４０１Ａは主パターン３０１と補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを分けたまま制御装置４０２Ａに設定し、制御装置４０２Ａは自身が主パターン３０１と補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを合算してメモリに保存する。制御装置４０２Ａは、シンクロトロン１００を運転する際は、主パターン３０１と補正パターン３０２ａ〜３０２ｄの合算結果３０３ａ〜３０３ｄから所望の出射エネルギーに対応したものを選び出し、各偏向電磁石電源４０３ａ〜４０３ｄに出力する。
＜第３の実施の形態＞
図１２は本発明の第３の実施の形態における偏向電磁石電源制御システムの計算機と制御装置の機能の詳細を示す図である。

本発明の第３の実施の形態における偏向電磁石制御システム４１０Ｂは、図１２に示すように、上述した第１の実施の形態（図５）及び第２の実施の形態（図１１）と同様に、偏向電磁石共通の主パターン３０１と偏向電磁石個別のビーム軌道補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを分けて作成し、計算機４０１Ｂに保存する。第１及び第２の実施の形態と異なる点は、共通の主パターン３０１と個別の補正パターン３０２ａ〜３０２ｄをシンクロトロン１００の運転前に合算するのではなく、運転中に制御装置４０２Ｂの出力装置４０２ｂがリアルタイムで合算しながら電磁石電源４０３ａ〜４０３ｄに出力する点である。すなわち、制御装置４０２Ｂは主パターン３０１と補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを分けたままメモリに保存し、シンクロトロン１００を運転する際は所望のエネルギーに対応した主パターン３０１と補正パターン３０２ａ〜３０２ｄを選び出し、両パターンを合算して各偏向電磁石電源４０３ａ〜４０３ｄに出力する。
＜その他＞
本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、図１で示したシンクロトロン１００は、偏向電磁石を配置した偏向部を４つ備えるが、５つ以上の偏向部を備えていてもよい。また、水平方向（ビームを偏向する方向）のビーム軌道補正を行う偏向電磁石とは別に、垂直方向の軌道補正を行う電磁石を備えていてもよい。図１３はそのような変形を示す図である。図１３の左側は、上述した実施の形態の偏向部を示すものであり、４つの偏向部１０２−１〜１０２−４のうち偏向部１０２−２で代表して示している。偏向部１０２−２は偏向電磁石１０２ｂを１つ備え、偏向電磁石１０２ｂと電磁石電源４０３ｂは１：１で電源線１００１を介して接続されている。図１３の右側は、各偏向部に複数の偏向電磁石を配置する場合を、左側と同様に、偏向部１０２−２で代表して示すものである。偏向部１０２−２は２つの偏向電磁石１０２ｂ１，１０２ｂ２を備え、偏向電磁石１０２ｂ１，１０２ｂ２と電磁石電源４０３は２：１で電源線１００２を介して接続されている。このように各偏向部に複数の偏向電磁石を配置する場合においても、本発明を適用し、同様の効果を得ることができる。本発明は、偏向電磁石の励磁量を微小に変えることで、ビーム軌道を補正する様々な形態のシンクロトロン電磁石電源制御に適用可能である。

１００ シンクロトロン
１０１ 前段加速器
１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ 偏向電磁石
１０２ｂ１．１０２ｂ２ 偏向電磁石
１０２−１，１０２−２，１０２−３，１０２−４ 偏向部
１０３ 四極電磁石
１０４ 六極電磁石
１０５ 静電インフレクタ
１０６ 静電デフレクタ
１０７ 出射セプタム電磁石
１０８ 入射バンプ電磁石
１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄ ビーム位置モニタ
１１０ 高周波加速空洞
２０１ 入射運転
２０２ 加速運転
２０３ 出射運転
２０４ 減速運転
３０１ 偏向電磁石共通の主パターン
３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃ，３０２ｄ 偏向電磁石個別の補正パターン
３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃ，３０３ｄ 偏向電磁石パターン（主パターンと補正パターンの合算結果）
４００ａ，４００ｂ，４００ｃ 端末（表示装置）
４０１ 計算機（管理装置）
４０１Ａ 計算機（管理装置）
４０１Ｂ 計算機（管理装置）
４０２ 制御装置
４０２Ａ 制御装置
４０２Ｂ 制御装置
４０２ａ 出力装置（図５、図１１）
４０２ｂ 出力装置（図１２）
４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃ，４０３ｄ 電磁石電源
４１０，４１０Ａ，４１０Ｂ 電磁石電源制御システム
６０１，６０２，６０３ 測定結果表示画面

Claims (11)

1. 荷電粒子ビームの偏向とビーム軌道の補正の役割を兼ねる少なくとも１つの偏向電磁石（１０２ａ〜１０２ｄ）を配置した複数の偏向部（１０２−１〜１０２−４）と、
   前記複数の偏向部を個別に励磁するための複数の電磁石電源（４０３ａ〜４０３ｄ）とを備え、
   前記荷電粒子ビームを所望のエネルギーまで加速してビーム利用設備に出射するシンクロトロン（１００）の電磁石電源制御システムにおいて、
   前記複数の偏向部それぞれの励磁強度パターンを、前記複数の偏向部に共通の主パターン（３０１）と、前記複数の偏向部に個別のビーム軌道補正パターン（３０２ａ〜３０２ｄ）に分けて作成する管理装置（４０１）と、
   前記管理装置で作成した前記共通の主パターンと前記個別のビーム軌道補正パターンを合算して前記複数の偏向部それぞれの励磁強度パターンを作成し、この作成したそれぞれの励磁強度パターンに従って、前記荷電粒子ビームの加減速時に前記複数の偏向部をそれぞれ励磁するよう前記複数の電磁石電源を個別に制御する制御装置（４０２）とを備えることを特徴とするシンクロトロンの電磁石電源制御システム。
2. 請求項１に記載のシンクロトロンの電磁石電源制御システムにおいて、
   前記管理装置（４０１）は、前記共通の主パターン（３０１）と前記個別のビーム軌道補正パターン（３０２ａ〜３０２ｄ）を作成する際に、前記共通の主パターンデータと前記個別のビーム軌道補正パターンデータを表示する表示装置（４００ａ〜４００ｃ）を有し、
   前記表示装置は、前記共通の主パターンのデータと前記個別のビーム軌道補正パターンデータを別々にグラフ表示し、かつ前記共通の主パターンデータに対して前記個別のビーム軌道補正パターンデータを拡大してグラフ表示することを特徴とするシンクロトロンの電磁石電源制御システム。
3. 請求項１に記載のシンクロトロンの電磁石電源制御システムにおいて、
   前記制御装置（４０２）は、前記共通の主パターン（３０１）と前記個別のビーム軌道補正パターン（３０２ａ〜３０２ｄ）をあらかじめ合算し、その合算した結果のパターン（３０３ａ〜３０３ｄ）のみを保存することを特徴とするシンクロトロンの電磁石電源制御システム。
4. 請求項１に記載のシンクロトロンの電磁石電源制御システムにおいて、
   前記制御装置（４０２Ａ）は、前記共通の主パターン（３０１）と前記個別のビーム軌道補正パターン（３０２ａ〜３０２ｄ）を分けたまま別々に保存し、さらに両パターンを合算した結果のパターン（３０３ａ〜３０３ｄ）を保存することを特徴とするシンクロトロンの電磁石電源制御システム。
5. 請求項１に記載のシンクロトロンの電磁石電源制御システムにおいて、
   前記制御装置は、前記共通の主パターン（３０１）と前記個別のビーム軌道補正パターン（３０２ａ〜３０２ｄ）を分けたまま別々に保存し、前記荷電粒子ビームの加減速時に、両パターンを合算しながら前記複数の電磁石電源（４０３ａ〜４０３ｄ）を制御することを特徴とするシンクロトロンの電磁石電源制御システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の電磁石電源制御システム（４１０；４１０Ａ；４１０Ｂ）を備えることを特徴とするシンクロトロン。
7. 荷電粒子ビームの偏向とビーム軌道の補正の役割を兼ねる少なくとも１つの偏向電磁石（１０２ａ〜１０２ｄ）を配置した複数の偏向部（１０２−１〜１０２−４）と、
   前記複数の偏向部を個別に励磁するための複数の電磁石電源（４０３ａ〜４０３ｄ）とを備え、
   前記荷電粒子ビームを所望のエネルギーまで加速してビーム利用設備に出射するシンクロトロン（１００）の電磁石電源制御方法において、
   前記複数の偏向部それぞれの励磁強度パターンを、前記複数の偏向部に共通の主パターン（３０１）と、前記複数の偏向部に個別のビーム軌道補正パターン（３０２ａ〜３０２ｄ）に分けて作成する第１手順と、
   前記第１手順で作成した前記共通の主パターンと前記個別のビーム軌道補正パターンを合算して前記複数の偏向部それぞれの励磁強度パターンを作成し、この作成したそれぞれの励磁強度パターンに従って、前記荷電粒子ビームの加減速時に前記複数の偏向部をそれぞれ励磁するよう前記複数の電磁石電源を個別に制御する第２手順とを有することを特徴とするシンクロトロンの電磁石電源制御方法。
8. 請求項７に記載のシンクロトロンの電磁石電源制御方法において、
   前記第１手順は、前記共通の主パターン（３０１）と前記個別のビーム軌道補正パターン（３０２ａ〜３０２ｄ）を作成する際に、前記共通の主パターンデータと前記個別のビーム軌道補正パターンデータを別々にグラフ表示し、かつ前記共通の主パターンデータに対して前記個別のビーム軌道補正パターンデータを拡大してグラフ表示することを特徴とするシンクロトロンの電磁石電源制御方法。
9. 請求項７に記載のシンクロトロンの電磁石電源制御方法において、
   前記第２手順は、前記共通の主パターン（３０１）と前記個別のビーム軌道補正パターン（３０２ａ〜３０２ｄ）をあらかじめ合算し、その合算した結果のパターン（３０３ａ〜３０３ｄ）のみを保存することを特徴とするシンクロトロンの電磁石電源制御方法。
10. 請求項７に記載のシンクロトロンの電磁石電源制御方法において、
    前記第２手順は、前記共通の主パターン（３０１）と前記個別のビーム軌道補正パターン（３０２ａ〜３０２ｄ）を分けたまま別々に保存し、さらに両パターンを合算した結果のパターン（３０３ａ〜３０３ｄ）を保存することを特徴とするシンクロトロンの電磁石電源制御方法。
11. 請求項７に記載のシンクロトロンの電磁石電源制御方法において、
    前記第２手順は、前記共通の主パターン（３０１）と前記個別のビーム軌道補正パターン（３０２ａ〜３０２ｄ）を分けたまま別々に保存し、前記荷電粒子ビームの加減速時に、両パターンを合算しながら前記複数の電磁石電源（４０３ａ〜４０３ｄ）を制御することを特徴とするシンクロトロンの電磁石電源制御方法。

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