JP5597162B2 - 円形加速器、および円形加速器の運転方法 - Google Patents
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Description
われる。
ロン振動数に同期する周波数成分を含む。このとき粒子のチューンが厳密には連続的な分をもっていることを考慮して、周波数帯域を広げることでより効果的な出射が可能である。
本発明では、上記の課題を解決し、出射ビーム電流の時間安定度向上と、その調整が容易で調整時間が短い円形加速器を提供することを目的とする。
図1は、本発明の実施の形態1による円形加速器の要部である高周波制御装置の構成を詳細に示すブロック図、図2は本実施の形態1による円形加速器全体における必要構成機
器を示すブロック図である。イオンビーム発生装置を含む初段加速器1によって十分なエネルギーまで加速された荷電粒子は、入射装置38を経て円形加速器本体100に入射され、円形加速器本体100内で目的のエネルギーまで加速される。荷電粒子は、円形加速器本体100内の高周波加速空洞2で加速される。また、円形加速器本体100には、偏向電磁石3が設けられており、荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する。円形加速器本体100で加速された荷電粒子は出射前に六極電磁石4により3次共鳴を励起してセパラトリクスを形成することで、ベータトロン振動を安定領域(セパラトリクスの内側)と共鳴領域(セパラトリクスの外側)に分割する。すなわち、六極電磁石4が、周回軌道に沿って周回する荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割する領域分割装置を構成する。四極電磁石5はベータトロン振動数およびセパラトリクスの面積を調整するために用いられる。また、六極電磁石6が、クロマティシティを調整する。
DSP(Digital signal processor)が用いられる。
ームモニタ8と高周波制御装置10の間での信号伝送距離が数十m以上となる場合があり
、フィードバック制御の伝送損失やノイズによる信号劣化によりフィードバック制御の効果が低下する恐れがある。このような場合、ビームモニタ8から高周波制御装置10の間に電気光変換装置および光電気変換装置を設けて光信号でフィードバック信号を伝送することでこの劣化を防ぐことができる。さらに、図1では、ビームモニタ8からの信号を、ローパスフィルタ25を通して電流比較器15に入力している。このローパスフィルタ25は必ずしも必要ではないが、ノイズ等のフィードバック信号の高周波成分はフィードバック制御の不安定性の原因となるため、例えば数kHz以上の高周波信号を減衰させるローパスフィルタ25を用いることが好ましい。
t)と表したとき、f(t)の時間変化率df(t)/dtをフィードバック制御することで出射ビーム電流強度を効果的に制御できることが見出された。
なお、式(3)、式(4)における・は、時間微分を表す。この式(4)を実現したのが図1の構成である。
図5は、本発明の実施の形態2による円形加速器の要部である高周波制御装置の構成を詳細に示すブロック図である。図5において、図1と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態2では、高周波制御装置10の内部に、ビームモニタ8の信号を参照する内部タイミングシステム36を設けた。実施の形態1では、円形加速器の運転において加速、減速、出射の開始、終了のタイミングは外部のタイミングシステム27からのタイミング信号により行い、出射中は、フィードバック制御により決定される周波数を、高周波制御装置10が高周波発生装置9に出力するようにした。
図6は、本発明の実施の形態3による円形加速器の要部である高周波制御装置の構成を詳細に示すブロック図である。図6において、図1、図4および図5と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態3では、円形加速器内の残留ビーム電流値を測定する残留ビーム電流モニタ28を設けた。残留ビーム電流モニタ28の信号を微分演算器37により微分演算して求められるビーム電流値と、ビームモニタ8により測定されるビーム電流値が同じでなければ、出射されたビームがシンクロトロンからビームモニタ8までの間でロスしていることがわかる。このため、両者を比較する比較器29からの信号を、内部タイミングシステム36に送ることで出射停止用の信号として利用することが可能である。
図7は、本発明の実施の形態4による円形加速器の要部である高周波制御装置の構成を詳細に示すブロック図である。図7において、図1と同一符号は、同一または相当する部分を示す。実施の形態1で説明したように、本出射方法の場合、出射されるビームは、横
方向の位相平面における粒子分布や、縦方向のRFバケット内部の粒子の分布を反映することになるが、これらの粒子分布をあらかじめ知ることは難しい。よって、フィードフォワード制御により、出射されるビーム電流値を精確に目標電流値に制御することは難しい。本発明では、周波数変化率をフィードバック制御することとしたので、運動量変位率の変化する速さを制御することで出射ビーム電流を安定化することができ、磁場変動による外乱の効果をフィードバック制御により小さくできる。このうち前記の効果は再現性が高いため、フィードバック後に決定した周波数変化率を、例えば周波数変化率設定値メモリ322に格納しておき、次の加速時の出射のときには、予め設計により決めた周波数変化率設定値のデータを用いずに、前回のフィードバック制御で得られた周波数変化率データを用いる。その上で、磁場変動の外乱の効果はこのデータの補正値とすることでフィードバック利得を小さくすることが可能となる。本実施の形態4による制御方法では、フィードバック利得が小さいため制御の安定性がさらに高い効果がある。
図8は、本発明の実施の形態5による円形加速器の要部である高周波制御装置の構成を詳細に示すブロック図である。図8において、図1と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態5では、現在の周波数値と、次の周波数を決定するためのΔf値から電圧値を求める電圧演算器34と、高周波電圧メモリ323からの電圧値と電圧演算器34で求めた電圧値を切り替えるための切替スイッチ33を設けた。本出射方法では、運動量変位を変化させて(エネルギーを増加させて)出射を行うため、最適な電圧値が時々刻々と変化する。フィードフォワード制御で出射を行った場合は、あらかじめ周波数の値がわかるため、加速されるエネルギーの値が事前にわかり、その結果、最適な電圧値を事前に予測して、これを高周波電圧メモリ323に格納しておき、フィードフォワード制御で電圧を変化させる。
図9は、本発明の実施の形態6による円形加速器の要部である高周波制御装置の構成を詳細に示すブロック図である。図9において、図1と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態6では、周波数比較器35を設けた。本出射方法ではビームを加速して運動量を変化させながら出射を行う。フィードバック制御を行わない場合は、事前に周波数の値が決まっているため、出射中に到達するエネルギーがあらかじめわかる。よって出射させたいエネルギーの範囲内の周波数変化にあらかじめ設計できる。しかしながらフィードバック制御をした場合、最終的に到達周波数の値が事前にわからない。つまり、出射されるエネルギー範囲が事前に予測できない。そこで予め決定した最終到達周波数の値を保持し、この値とフィードバック後の周波数の値とを比較する周波数比較器35を設けた。周波数比較器35により、フィードバック後の周波数が最終到達周波数まで変化したと判断された場合、フィードバック制御を停止するフィードバック制御停止信号をスイッチ26に送るとともに、円形加速器内に残留する粒子を捨てて、加速の初期化を行う。これにより、フィードバック制御を効果的に使えかつ、設計のエネルギー範囲の出射を行うことができる。
図10は、本発明の実施の形態7による円形加速器の要部である高周波制御装置の構成を詳細に示すブロック図である。図10において、図1と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態7では、周波数変化率補正演算器16の利得を時間によって変化させるため、予め利得の設定値の時間変化を記憶する利得設定値メモリ325を設けた。本出射方法ではRFバケット内部の粒子分布の影響を強く受け、また横方向の位相平面における粒子分布も影響する。よって、出射開始後の時間経過に適したフィードバック利得の値が異なる。特に出射後半はRFバケット内の荷電粒子の大半が出射されているため、ビーム電流量は低下しやすく、フィードバック利得は大きくしたほうが制御は効果的となる。本実施の形態7では、周波数変化率補正演算器16で使用される利得を、予め決定した、出射開始からの時間毎の利得を記憶する利得設定値メモリ325から読み出し、出射開始してからの時間帯によって利得を変えることによって、フィードバック制御をより効果的にすることが可能となる。
図11は、本発明の実施の形態8による円形加速器の要部である高周波制御装置の構成を詳細に示すブロック図である。図11において、図1と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態8では、円形加速器本体100に、高速四極電磁石41を設けた。スキャニング照射では、照射する深さ方向の位置は、荷電粒子のエネルギーにより決定し、異なるエネルギーの荷電粒子を照射することで異なる深さ方向の位置に照射する。すなわち、エネルギーを変えることにより、深さ毎に決められた照射範囲(スライスと呼ぶ。ただし、厳密には体内不均一性、体型によって単一エネルギーで照射しても完全に同じ深さにはならない。)を照射する。出射されるエネルギーは、円形加速器の加速で決まるため、1回の入射による加速において同一エネルギー(同一スピル)で出射可能である。一方、照射対象において、重要臓器を避ける、飛び地になっている等、また体内の動きにあわせて出射する(例えば呼吸同期照射)等で一時的に出射を停止することが必要な場合がある。出射を停止するには、タイミング信号でフィードバック制御を停止し、周波数の変化する方向を急速に逆転させることで出射を停止させる方法がある。すなわち、周波数を下げて出射していた場合は上げる。周波数を上げて出射していた場合は下げる。タイミング信号により出射を再開した後は、再びフィードバック制御を開始する。しかしながら、このような方法では、停止のために周波数を変化させるため、出射開始後のフィードバック制御が不安定になる場合も考えられる。そこで、本実施の形態8では、周波数メモリ21の値を呼び出し続けることにより周波数を変化させずに、インダクタンスが小さく高速に応答する高速四極電磁石41を励磁して出射を一時停止させる。この場合、周波数メモリ21の値を呼び出し続けることにより周波数の値をホールドするだけで良いため、制御が容易となる。上記方法を用いて出射の一次停止、再出射が可能になれば1回の入射で加速されたシンクロトロン内のビームの利用効率が高まるため、照射時間を短縮できる。
3:偏向電磁石 4:六極電磁石
7:出射用電極 8:ビームモニタ(ビーム電流検出器)
9:高周波発生装置 10:高周波制御装置
15:電流比較器 16:周波数変化率補正値演算器
17:周波数変化率補正器 18:乗算器
19:周波数制御器 21:周波数メモリ
26:切替スイッチ 28:残留ビーム電流モニタ
30:周波数決定部 35:周波数比較器
36:内部タイミングシステム 37:微分演算器
70:出射装置 80:ビーム電流検出器
100:円形加速器本体
321:目標電流値メモリ 322:周波数変化率設定値メモリ
323:高周波電圧メモリ 324:周波数設定値メモリ
325:利得設定値メモリ
Claims (14)
- 荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、上記荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、この高周波加速空洞に高周波を出力する高周波発生装置と、この高周波発生装置が発生する高周波を制御する高周波制御装置と、上記周回軌道に沿って周回する荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割する領域分割装置と、上記荷電粒子を上記周回軌道から取り出すための出射装置と、この出射装置によって出射された後の荷電粒子のビーム電流を検出するビーム電流検出器とを備えた円形加速器において、
上記高周波制御装置は、
上記出射装置から出射する荷電粒子のビーム電流の目標電流値を記憶する目標電流値メモリと、
上記ビーム電流検出器の検出信号と上記目標電流値メモリに記憶された目標電流値との誤差信号に基づくフィードバック制御により、周波数変化率を求め、この求めた周波数変化率と現在の周波数とから次の周波数を決定する周波数決定部と、
を備え、
この周波数決定部で決定された次の周波数を周波数メモリに記憶するとともに、上記決定された次の周波数の高周波を上記高周波発生装置が発生することを特徴とする円形加速器。 - 上記目標電流値の上記荷電粒子を、上記出射装置によって出射させるために、上記高周波発生装置が発生する高周波の周波数を変化させる割合である周波数変化率を時系列データとして記憶する周波数変化率設定値メモリを備え、
上記周波数決定部は、上記ビーム電流検出器の検出信号と上記目標電流値メモリに記憶された目標電流値との誤差信号に対して演算を行い、周波数変化率補正値を決定する周波数変化率補正値演算器と、
上記周波数変化率設定値メモリに記憶された周波数変化率を、上記周波数変化率補正値演算器で決定した周波数変化率補正値により補正して周波数変化率を求める周波数変化率補正器と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の円形加速器。 - 上記高周波制御装置は、予め決定した周波数を記憶する周波数設定値メモリと、
上記周波数決定部により決定された周波数と、上記周波数設定値メモリに記憶された周波数とを切り替える切替スイッチと
を備え、上記高周波発生装置は上記切替スイッチにより切り替えられた周波数の高周波を発生することを特徴とする請求項1に記載の円形加速器。 - 上記切替スイッチは、上記荷電粒子ビームの出射開始から所定時間後に、上記周波数設定値メモリに記憶された周波数から、上記周波数決定部により決定された周波数に切り替えることを特徴とする請求項3に記載の円形加速器。
- 上記切替スイッチは、上記ビーム電流検出器の検出信号に基づいて、上記周波数設定値メモリに記憶された周波数と、上記周波数決定部により決定された周波数とを切り替えることを特徴とする請求項3に記載の円形加速器。
- 上記円形加速器内部の残留ビーム電流を検出する残留ビーム電流モニタを備え、上記切替スイッチは、上記残留ビーム電流モニタの検出信号に基づいて、上記周波数設定値メモリに記憶された周波数と、上記周波数決定部により決定された周波数とを切り替えることを特徴とする請求項3に記載の円形加速器。
- 補正された周波数変化率を、上記周波数変化率設定値メモリに記憶することを特徴とす
る請求項2に記載の円形加速器。 - 上記高周波制御装置は、上記周波数決定部において求めた周波数変化率と現在の周波数に基づいて上記高周波発生装置により発生する高周波の電圧値を求めて、この求めた電圧値を上記高周波発生装置に送ることを特徴とする請求項1に記載の円形加速器。
- 上記高周波制御装置は、予め決定した最終到達周波数の値を保持し、上記周波数決定部により決定された周波数が上記最終到達周波数に達したと判断した場合に上記切替スイッチに信号を送る周波数比較器を備えたことを特徴とする請求項3に記載の円形加速器。
- 上記高周波制御装置は、予め決定した、出射開始からの時間毎の利得値を記憶する利得設定値メモリを備え、上記周波数変化率補正値演算器の利得を、上記利得設定値メモリから読み出した利得値により設定することを特徴とする請求項2に記載の円形加速器。
- 荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、上記荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、この高周波加速空洞に高周波を出力する高周波発生装置と、上記周回軌道に沿って周回する荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割する領域分割装置と、上記荷電粒子を上記周回軌道から取り出すための出射装置と、この出射装置から出射された後の荷電粒子のビーム電流を検出するビーム電流検出器とを備えた円形加速器の運転方法において、
上記ビーム電流検出器の検出信号と予め決定された目標電流値との誤差信号に基づくフィードバック制御により、周波数変化率を求め、この求めた周波数変化率と現在の周波数とから上記高周波発生装置が発生する次の周波数を決定して運転することを特徴とする円形加速器の運転方法。 - 上記ビーム電流検出器の検出信号と予め決定された目標電流値との誤差信号に基づくフィードバック制御により、上記目標電流値の上記荷電粒子を上記出射装置により出射させるために予め決定された周波数変化率を補正して、上記周波数変化率を求めることを特徴とする請求項11に記載の円形加速器の運転方法。
- 上記求めた周波数変化率を、出射開始からの時系列データとして記憶し、別の加速後の出射時に、上記予め決定された周波数変化率を、上記求めた周波数変化率に置き換えて運転することを特徴とする請求項12に記載の円形加速器の運転方法。
- 上記目標電流値を、時系列に変化させることを特徴とする請求項11に記載の円形加速器の運転方法。
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