JP6041975B2 - 高周波加速器の製造方法、高周波加速器、および円形加速器システム - Google Patents

Description

本発明は、粒子線を腫瘍など患部に照射して治療を行う粒子線治療装置などの粒子線を発生するための高周波加速器、特にシンクロトロンなどの円形加速器に粒子線を入射させるための入射器としての高周波加速器に関する。

粒子線がん治療装置では、円形加速器に入射する前段加速装置として入射器が用いられる。入射器として線形加速器が用いられることが多い。イオンビームにおいて、イオンビームの各粒子(イオン)間の相互作用(電気的な反発力)のことを空間電荷効果(スペースチ
ャージ)と呼ぶ。この反発力は、エネルギーが大きくなるにつれて緩和されるため、円形
加速器に入射する前段でなるべく加速しておきたいという要求がある。

例えば陽子であれば、イオン源からのビームを加速するのに適した線形加速器と、２段加速として比較的小型に作ることが可能な線形加速器とは構造が異なることが知られている。粒子線がん治療装置以外の用途でも複数種類の線形加速器を直列につないで、比較的高エネルギーまで加速するということは行われている。

通常２台の高周波空洞を用いた加速器（高周波加速器）のそれぞれの高周波空洞に高周波を供給する場合は、供給する高周波がビームに対して同期している必要がある。このため、それぞれの高周波空洞には、同じ周波数の高周波を投入し、位相を同期させる必要があった。また、それぞれの高周波空洞へ投入する高周波の電力および２つの高周波空洞に投入する高周波のそれぞれの位相は、ビーム品質および透過効率がよくなるように設計および調整を行なっていた（例えば特許文献１）。

高周波加速器に供給する高周波は、大電力が必要である。高周波の大電力発生装置は高価であり、かつ真空管を用いて作られることが多いため、交換が必要となり保守費用が増加する問題があった。そのため、２台の高周波空洞への電力供給は、電力分配装置を用いると、電力発生装置の数が減るため、安価にかつ、信頼性が向上するというメリットがあった（例えば特許文献２）。

しかしながら、１台の電力発生装置でこれを実現し、共鳴型の電力分配装置で高周波電力を分配すると、その電力分配装置の原理的な問題から、それぞれの空洞へ供給する高周波電力の位相を独立に調整することができなかった。また、ビーム品質および透過効率がよくなるような、各空洞への電力調整も比較的困難であった。

特開平３−３４２５２号公報 特開２０１０−２７５２９号公報

上記のように、２台の異なる方式の高周波加速器を直列に配置して荷電粒子を加速する場合、従来は、２台の高周波加速器に供給する高周波の電力および位相をそれぞれ最適になるように調整し、高周波の電力および位相は、設計値近傍の狭い範囲でのみ荷電粒子を加速することができると考えられていた。

しかしながら、本願発明者らは、投入高周波電力に対する荷電粒子のエネルギーおよび位相の挙動について解明することにより、より広い範囲の高周波電力においても荷電粒子の加速が可能な条件が存在することを見出した。

本願では、１段目の線形加速器と２段目の線形加速器とを直列に配置し、それら２台の線形加速器を電力分配装置で結合した高周波加速器において、供給する高周波電力を変化させても、１段目の加速器と２段目の加速器とのマッチングが崩れず、調整が容易な高周波加速器を得ることを目的とする。

この発明の高周波加速器の製造方法は、イオン源から出射される荷電粒子を入射して加速する１段目の線形加速器と、この１段目の線形加速器から出射される荷電粒子を、マッチングセクションを介して入射して加速する、１段目の線形加速器と方式が異なる２段目の線形加速器と、１段目の線形加速器および２段目の線形加速器に供給する高周波電力を発生する高周波電源と、高周波電源から供給される全高周波電力を、１段目の線形加速器と２段目の線形加速器とに分配して供給する共鳴型電力分配装置と、を備えた高周波加速器の製造方法において、各位相の入射荷電粒子に対する位相アクセプタンスに基づいて決定される前記全高周波電力の許容範囲のうちの最大許容範囲よりも広い前記全高周波電力の範囲において、２段目の線形加速器から荷電粒子ビームが出射されるように、共鳴型電力分配装置の２段目の線形加速器に供給する高周波電力の電力分配率Ｒの値と、１段目の線形加速器の出口から２段目の線形加速器の入口までのマッチングセクションの長さＬと高周波電力の角周波数ωとの比Ｌ／ωの値と、を設定する工程を含むものである。

高周波電源から発生される高周波電力Ｐ_rf,totalの広い範囲において、２段目の線形加速器から荷電粒子ビームが出射されるように、電力分配装置の２段目の線形加速器に供給する高周波電力の電力分配率Ｒの値と、１段目の線形加速器の出口から２段目の線形加速器の入口までのマッチングセクションの長さＬと高周波電力の角周波数ωとの比Ｌ／ωの値と、を設定したので、供給する高周波電力を変化させても、１段目の加速器と２段目の加速器とのマッチングが崩れず、調整が容易な高周波加速器を得ることができる。この結果、さらに、円形加速器への入射器として用いる場合に、円形加速器に入射する荷電粒子ビームとして好ましい荷電粒子ビーム特性を、高周波電力の調整により得られる高周波加速器を提供できるという効果も奏する。

本発明の実施の形態１による高周波加速器の概略構成を示すブロック図である。 本願で用いる、各パラメータの表記を説明する概念図である。 本発明による高周波加速器の、１段目の線形加速器から出射される荷電粒子ビームのエネルギー特性例を示す図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の、２段目の線形加速器に入射される荷電粒子ビームに要求される設計値としてのエネルギー特性例を示す図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の、１段目の線形加速器から出射される荷電粒子ビームの電力分配率をパラメータとしたエネルギー特性例を示す図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の、２段目の線形加速器に入射される荷電粒子ビームに要求される、電力分配率をパラメータとした設計値としてのエネルギー特性例を示す図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の、１段目の線形加速器から出射される荷電粒子ビームのエネルギー特性と２段目の線形加速器に入射される荷電粒子ビームに要求されるエネルギー特性とのマッチングを示す図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の、２段目の線形加速器に入射される荷電粒子ビームに要求される設計値としての位相特性と設計許容範囲を説明する図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の、２段目の線形加速器に入射される荷電粒子ビームに要求される設計値としての位相特性と設計許容範囲を説明する別の図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の、１段目の線形加速器から出射される荷電粒子ビームの位相特性例を示す図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の、１段目の線形加速器から出射される荷電粒子ビームが２段目の線形加速器に入口に到達したときの位相特性例を示す図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の、１段目の線形加速器から出射される荷電粒子ビームが２段目の線形加速器に入口に到達したときの位相特性と、２段目の線形加速器に入射される荷電粒子ビームに要求される設計値としての位相特性とのマッチングを説明する図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の、動作特性を、比較例として従来の高周波加速器の動作特性と合わせて示す図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の動作を説明する概念図である。 従来の高周波加速器の動作を説明する概念図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器の、製造工程を示すフロー図である。 本発明の実施の形態２による高周波加速器を含む円形加速システム全体の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器から出力される荷電粒子ビームの特性を位相−エネルギー空間で表わした概念図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速器から出力される荷電粒子ビームのエネルギー幅の特性を表わした図である。

図１は、本発明の実施の形態１による高周波加速器１０の概略構成を示すブロック図である。イオン源１で発生したイオン（荷電粒子）を、高周波加速器１０を構成する１段目の線形加速器２に入射させる。１段目の線形加速器２で加速された荷電粒子は２段目の線形加速器３に入射されてさらに加速される。２段目の線形加速器３から出射される荷電粒子ビームが本発明の実施の形態１による高周波加速器１０から出射される荷電粒子ビーム９である。ここでは、１段目の線形加速器２としてＲＦＱ（Radio Frequency Quadrupole）型線形加速器、２段目の線形加速器３としてＡＰＦ（Alternating Phase Focus）方式ＩＨ（Interdigital-H）型ＤＴＬ（Drift Tube Linac）加速器を例にして説明する。なお、一段目の加速器はＲＦＱに限らず、ＲＦＩ（Rf-Focused Interdigital）でも良い。また、２段目の加速器は、ＡＰＦに限らず、一般のＤＴＬでも良い。

高周波加速器１０において、荷電粒子を加速するための高周波は、高周波電源６により発生させ、ＡＰＦ方式ＩＨ型ＤＴＬ加速器である２段目の線形加速器３に供給する。ＲＦＱ型線形加速器である１段目の線形加速器２への高周波は、レゾナントカップラ（共鳴型電力分配装置）と呼ばれる電力分配装置７により、２段目の線形加速器３と高周波結合することにより供給される。

１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子の、２段目の線形加速器３へ入射される位相が、ＡＰＦ方式ＩＨ型ＤＴＬ加速器である２段目の線形加速器３の加速に適した位相になるよう、位相および横方向ビームプロファイル(縦方向はビーム進行方向)を調整する部分としてマッチングセクション８が設けられている。

高周波による荷電粒子の加速器は、高周波加速空洞に高周波電力を供給して、高周波加速空洞中に発生する電界により荷電粒子を加速する構成となっている。高周波空洞に高周波電力を供給すると高周波空洞内部に、高周波電界が定在波として誘起される。高周波電界は、その位相に応じて、正にも負にもなるため、その発生電界を荷電粒子の加速と同期する形で設計する。計算機を用いた最適設計を施さないと、正の電界と負の電界を交互に受けるため、荷電粒子は加速と減速を繰り返し、高エネルギーまで加速することはできない。その電界分布設計方針の違いによって、ＲＦＱやＤＴＬ、ＲＦＩなどの加速器の種類が存在する。以下に、ＲＦＱ型線形加速器、ＡＰＦ方式ＩＨ型ＤＴＬ型線形加速器、および共鳴型電力分配装置の動作の特性を説明する。

（１）ＲＦＱ（Radio Frequency Quadrupole）型線形加速器
ＲＦＱ型線形加速器は、イオン源から発生するイオンビームを高周波捕獲(バンチング)させ、初段加速を行う直線型加速器である。ベインと呼ばれる電極対を対向して高周波４重極電場を発生させる。ベイン上にモジュレーションとよばれる変位を設けることにより、荷電粒子の速度と高周波の位相とを同期させて荷電粒子を加速する。ベインの外側には空洞を設け、ある周波数において共振する構造となっている。ＲＦＱ型線形加速器は、５０ｋｅＶ程度の低いエネルギーで位相が揃っていない荷電粒子をＭｅＶ程度のエネルギーまで加速するのに適した加速器である。このため、イオン源から発生される荷電粒子を直接入射して加速する１段目の加速器として適した加速器である。

（２）ＡＰＦ（Alternating Phase Focus）方式ＩＨ（Interdigital-H）型ＤＴＬ（Drift Tube Linac）型線形加速器
ＩＨ型ＤＴＬ加速器とは、共振器内部の上下の加速ビーム軸方向に据え付けられたリッジと呼ばれる板に、ドリフトチューブと呼ばれる中空の円筒形導体が上下交互に取り付けられている構造を持つ線形加速器である。さらに、ＡＰＦ方式とは共振器内に発生する高周波電場によりイオンの加速と収束を同時に行うという収束方式である。これにより従来の線形加速器において、ビーム収束に必要であった四極電磁石等の収束要素が一切不要となり、ＩＨ型のＤＴＬ線形加速器の小型化が実現できる。しかし、この加速器では、電界で加速も収束も行うため、入口のビームエネルギー、および入口のビームの位相に対して、非常に敏感であり、設計値からずれたエネルギー、位相の荷電粒子が入射されても加速できない。

（３）共鳴型電力分配装置
共鳴型電力分配装置とは、複数台の加速空洞を同軸管で接続し、同軸管の長さを積極的に設計することで共振させ、３つの空洞を連成空洞のように動作させる技術である。３つの空洞を、π/2モードで動作させることで、両端にある加速空洞には、多くの高周波電力が投入されるが、共鳴型電力分配装置自身には、高周波電力が投入されず、高周波電力の分配は、共鳴型電力分配装置に取り付けられたスタブ構造などを有する同軸管の長さなどで調整する。π/2モードにしないと、共鳴型電力分配装置自身にも高周波電力投入がされ、放電などが発生する。π/2モードにすると、両端の空洞には、厳密に両空洞間の位相差が１８０°に固定された高周波が供給される。

従来、２個の異なる加速器に、２個の高周波電源から別々に高周波電力を給電することが行われている。２個の高周波電源を用いた場合には、位相を制御などで合わせるため、温度や外乱による制御の不安定性による変動などを受けるが、共鳴型電力分配装置を用いた場合には、そのような外乱要因による不安定性はなくなる。しかし、初期設置段階における位相の設定値の調整が不可能になる。また、電力分配率を変更するためには、共鳴型分配装置に取り付けられたスタブ構造などを有する同軸管の長さを変えるなどの変更が必要となり、電源の投入電力を電源の設定パネル上で変更するほど電力分配率の変更は容易でないため、初期設置段階における調整が比較的難しかった。

次に、各加速器の出射荷電粒子ビームの特性、ＡＰＦ方式ＩＨ型ＤＴＬ型線形加速器である２段目の線形加速器３に入射される荷電粒子ビームに要求される特性などを説明する。特に、高周波電力に対する荷電粒子ビームの、エネルギーおよび位相の挙動について解明することにより、本発明の構成を見出した過程を説明する。

説明に当たって、パラメータの表記について説明する。荷電粒子ビームに含まれる荷電粒子のエネルギー分布の中心エネルギーをＥ、位相分布の中心位相をφと表わす。また、加速器の入口に関するパラメータについてはサフィックスｉ、出口についてはサフィックスｏ、１段目の線形加速器２に関するパラメータについてはサフィックス１、２段目の線形加速器３についてはサフィックス２、として表わす。例えば、１段目の線形加速器２の出口の荷電粒子ビームの中心エネルギーはＥ_o,1、中心位相はφ_o,1として表わす。また１段目の線形加速器２に供給される高周波電力はＰ_rf,1、２段目の線形加速器３に供給される高周波電力はＰ_rf,2と表わす。これらの表記を図２に示す。

高周波電力は、両加速器に供給される高周波電力の和Ｐ_rf,1＋Ｐ_rf,2が高周波電源６から供給される全高周波電力Ｐ_rf,totalとなる。ここで、共鳴型電力分配装置７を用いることによって２段目の線形加速器３に分配される高周波電力の電力分配率Ｒを下式で定義する。
Ｐ_rf,2＝Ｒ＊Ｐ_rf,total
Ｐ_rf,1＝（１−Ｒ）＊Ｐ_rf,total

本発明の高周波加速器は、ＲＦＱ型線形加速器である１段目の線形加速器２から出射された荷電粒子を、マッチングセクション８を通してＡＰＦ方式ＩＨ型ＤＴＬ型線形加速器である２段目の線形加速器３に入射させる。１段目の線形加速器２から出射された荷電粒子は進行方向の位置(位相)が中心値付近に集まっているビーム状の塊となっている。このようなビームの塊をバンチドビーム（bunched-beam）と呼ぶ。２段目の線形加速器３に入射された荷電粒子ビーム中の荷電粒子のうち、２段目の線形加速器３における加速に適した中心エネルギーと中心位相近傍の荷電粒子のみ加速される。２段目の線形加速器３において、入射される荷電粒子の加速に適した中心エネルギーと中心位相はある値であり、その近傍に許容出来る範囲がある。この許容範囲の中に入る粒子のみが加速される。したがって入射される荷電粒子のエネルギーおよび位相の中心値がずれていると２段目の線形加速器３では全く加速されないという状態が発生する。また、入射される荷電粒子のエネルギーおよび位相が許容範囲よりも広く分布する場合には、中心値がずれていなくても透過効率が下がる。

この許容範囲のことを加速器の分野ではアクセプタンスと呼んでいる。ここでは、エネルギーに対するアクセプタンスをエネルギーアクセプタンス、位相に対するアクセプタンスを位相アクセプタンスと呼ぶことにする。これら加速に適した中心エネルギー、中心位相、エネルギーアクセプタンス、位相アクセプタンスは、計算機を用いた解析によって求めることができる。

まず、荷電粒子のエネルギーについて考察する。マッチングセクション８は通常は電界発生装置が無く、磁界は仕事をしないためエネルギー変化は無いので、荷電粒子のエネルギーはマッチングセクション８を通過しても変化しない。よって、１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子のエネルギーが、２段目の線形加速器３に入射される荷電粒子のエネルギーとなる。１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子ビームの中心エネルギーＥ_o,1が、１段目の線形加速器２に供給される高周波電力Ｐ_rf,1に対して変化する様子を図３に示す。１段目の線形加速器２では、ある範囲の高周波電力Ｐ_rf,1で荷電粒子を加速することができ、この範囲でＰ_rf,1を増加させるとＥ_o,1が減少する特性となっている。一方、ＡＰＦ方式ＩＨ型ＤＴＬ型線形加速器である２段目の線形加速器３における加速に適した荷電粒子ビームの、入口でのエネルギーＥ_i,2が、２段目の線形加速器３に供給される高周波電力Ｐ_rf,2に対して変化する様子を図４に示す。Ｐ_rf,2を増加させると、加速に適したＥ_i,2が減少する特性となっている。図４では、中心エネルギーを実線で、上述のエネルギーアクセプタンスの限界を、２本の破線の曲線で示している。エネルギーアクセプタンス外のエネルギーの荷電粒子は、一切加速できない。

本発明の実施の形態１による高周波加速器の構成では、１段目の線形加速器２および２段目の線形加速器３に供給する高周波電力は、共鳴型電力分配装置７により分配して供給するため、両加速器に供給される高周波電力の変化の割合は同じになる。高周波電源６の出力を増加させると、１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子のエネルギーＥ_o,1が減少し、２段目の線形加速器３に入射される荷電粒子のエネルギーＥ_i,2の加速に適したエネルギーも減少するため、適切に設計すると高周波電力を変化させてもエネルギーマッチングする加速器が得られる。

図３および図４の横軸を高周波電源６の出力Ｐ_rf,totalに替えて、２段目の線形加速器３に分配される高周波電力の電力分配率Ｒをパラメータとして特性を表わした図を図５および図６に示す。２段目の線形加速器３に分配される高周波電力Ｐ_rf,2はＲ＊Ｐ_rf,totalであるから、Ｒが大きいとＰ_rf,totalとしては比較的少ない側が加速に適した高周波電力となる。Ｒが小さいと、逆にＰ_rf,totalとしては比較的多い側が加速に適した高周波電力となる。したがって、Ｒ_１＞Ｒ_２＞Ｒ_３の関係にあるＲをパラメータとして、２段目の線形加速器３に入射される荷電粒子ビームのエネルギーＥ_i,2の加速に適したエネルギーの特性を示すと図６のようになる。図６では、加速に適した中心エネルギーを実線で、エネルギーアクセプタンスの限界を２本の破線で示している。すなわち、図６では、あるＲに対して、２本の破線の間の範囲のエネルギーの荷電粒子が加速可能であることを示している。一方、１段目の線形加速器２に分配される高周波電力は（１−Ｒ）＊Ｐ_rf,totalであるから、Ｒが大きいとＰ_rf,totalとしては比較的多い側が加速に適した高周波電力となる。Ｒが小さいと、逆にＰ_rf,totalとしては比較的少ない側が加速に適した高周波電力となる。したがって、上記と同様のＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３をパラメータとして１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子ビームのエネルギー特性を示すと図５のようになる。

図５の特性における、Ｅ_o,1の変化特性のうち電力分配率Ｒ₂における特性と、図６のエネルギーアクセプタンス特性における、Ｅ_i,2の変化特性のうち電力分配率Ｒ₂におけるエネルギーアクセプタンス特性とがマッチングしている。共鳴型電力分配装置７の電力分配率をＲ₂に設定することにより、１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子ビームのエネルギーは、高周波電源６の出力の広い範囲で、２段目の線形加速器３に入射される荷電粒子のエネルギーＥ_i,2の加速に適したエネルギーとなる。このように、２段目の線形加速器３に入射される荷電粒子のエネルギーＥ_i,2の加速に適したエネルギーの高周波電力の変化に対する特性であるエネルギーアクセプタンス特性と、１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子のエネルギーＥ_o,1の高周波電力の変化に対する特性である出射エネルギー特性とがマッチングする電力分配率Ｒが存在することが解った。

ここで、上記の両特性がどの程度マッチングしていれば良いかについて説明する。図５の特性曲線であるＥ_o,1（Ｐ_rf,total）と、図６の特性曲線、すなわちエネルギーアクセプタンス中の中心エネルギーを、あるＲにおいて完全に一致させることは難しい。１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子ビームの中心エネルギーＥ_o,1（Ｐ_rf,total）が、図６のエネルギーアクセプタンス内にあれば、１段目の線形加速器２から出射された荷電粒子の全部が、あるいは透過効率が下がっても一部の荷電粒子が、２段目の線形加速器３で加速される。この様子を図７に模式的に示す。図５におけるＲ_２での出射エネルギー特性曲線であるＥ_o,1（Ｐ_rf,total）が、図６におけるＲ_２でのエネルギーアクセプタンスの範囲内にあるとした場合に図７に示すような関係となる。

次に、荷電粒子の位相について考察する。２段目の線形加速器３に入射される荷電粒子が加速されるためには、荷電粒子が２段目の線形加速器３の入口に位置する時の高周波位相φ_i,2として適した位相がある。この適した位相を、横軸を高周波電源が供給する全高周波電力Ｐ_rf,totalとして示すと、図８のようになる。図８では、加速に適した荷電粒子ビームの中心位相を実線で、その近傍で加速される許容範囲の限界、すなわち位相アクセプタンスの限界を２本の破線曲線で示している。中心位相および位相アクセプタンスは計算機解析により、すなわち設計で求めることができる。位相アクセプタンスの範囲は、図８に示すように、ある位相φｄに対してΔφｄで示す範囲となっている。この位相アクセプタンス特性に基づいて、ある位相φｄの荷電粒子ビームが２段目の線形加速器３で加速できる高周波電力の範囲、すなわち許容範囲は、図９に示すΔＰｂとなることがわかる。従来は、加速できる高周波電力の範囲はこのΔＰｂの範囲のみであると考えられていた。しかしながら、本発明者らの以下の解析により、ΔＰｂよりも広い範囲の高周波電力の範囲で２段目の線形加速器３において加速できる条件が存在することが解った。

１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子の１段目の線形加速器２の出口における位相、すなわち荷電粒子が１段目の線形加速器２の出口に位置するときの荷電粒子の速度ｖ_o,1、そのときの高周波の位相をφ_o,1とする。荷電粒子の速度ｖ_o,1はＥ_o,1から簡単に変換できる。マッチングセクションの長さ、すなわち１段目の線形加速器２の出口から２段目の線形加速器３の入口までの距離をＬ、高周波の角周波数をωとすると、荷電粒子がマッチングセクションを進む間に、高周波の位相は、
Ｌ／（ω＊ｖ_o,1）
だけ進むため、１段目の線形加速器２の出口に位置するときの高周波の位相がφ_o,1であった荷電粒子が２段目の線形加速器３の入口に到達したときの高周波の位相は、
φ_o,1＋Ｌ／（ω＊ｖ_o,1） （１）
となる。

１段目の線形加速器２の出口における荷電粒子ビームの位相φ_o,1は、図１０に示すよ
うに、高周波電力に対して大きくは変化しない。また、荷電粒子の速度が相対論的速度ではない場合、荷電粒子のエネルギーＥは速度ｖの２乗に比例する。図１０と、図３および図５に示した特性を考慮して、１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子ビームが２段目の線形加速器３の入口に到達したときの荷電粒子ビームの位相、すなわち式（１）の値を、横軸を高周波電源が供給する全高周波電力Ｐ_rf,totalとして示すと、図１１のようになる。図１１は、マッチングセクションの長さＬをパラメータとして、Ｌ ₁ ＜Ｌ ₂ ＜Ｌ ₃
の３個のＬについて示している。Ｌが大きいほど位相の変化が大きいため、傾きが大きくなっている。式（１）から解るように、実際にはＬ／ωがパラメータとなるが、上記の説明ではωは一定と仮定して説明した。

したがって、図１１のようなＬをパラメータとした特性中、より好ましくは、図９の位相アクセプタンスの範囲に最も多く入る特性となるＬを選択すると、高周波電源の出力電力を広範囲に変化させても、荷電粒子は２段目の線形加速器３において加速されることになる。この様子を図１２に示す。図１２は、図８や図９と同様、２段目の線形加速器３において加速できる荷電粒子ビームの中心位相φ_i,2（細い実線）と位相アクセプタンスの範囲（破線曲線で示す範囲）、および式（１）の特性の中でこの位相アクセプタンス内に最も多く入るＬの値の特性（太い実線）を模式的に示している。図１２で示す特性の場合、高周波電力としてΔＰａの範囲で１段目および２段目の線形加速器で荷電粒子を加速することができ、２段目の線形加速器３から荷電粒子ビームを出射することができる。このように、１段目の線形加速器２をＲＦＱ型線形加速器、２段目の線形加速器３をＡＰＦ方式ＩＨ型ＤＴＬ型線形加速器という組み合わせの高周波加速器１０において、マッチングセクション８の長さＬを適切に設定することにより、広い範囲の高周波電力において荷電粒子ビームを出射できる高周波加速器が得られることが解明できた。

なお、１段目の線形加速器２から出力される荷電粒子ビームが２段目の線形加速器３の入口に到達したときの位相の中心値が、２段目の線形加速器３の位相アクセプタンスの中心値にあっており、１段目の線形加速器２から出力される荷電粒子ビームの位相の拡がりが位相アクセプタンス内に入っている場合には透過効率が１００％となる。２段目の線形加速器３の入口における荷電粒子ビームの位相の中心値がずれてしまうと、拡がりが位相アクセプタンス内であっても透過効率は下がる。更に、２段目の線形加速器３の入口における荷電粒子ビームの位相の中心値が位相アクセプタンスを超えると拡がりにかかわらず透過効率は０％になってしまう。特にＡＰＦ−ＩＨ型のＤＴＬでは、位相アクセプタンスが狭いため、１段目の線形加速器２から出力される荷電粒子ビームが２段目の線形加速器３の入口到達したときの位相の中心値を２段目の線形加速器３の位相アクセプタンスの中心値に近づける必要がある。

本発明の実施の形態１による高周波加速器１０は、１段目の線形加速器２がＲＦＱ型線形加速器、２段目の線形加速器３がＡＰＦ方式ＩＨ型ＤＴＬ型線形加速器という組み合わせの高周波加速器１０に対して、１台の高周波電源から、高周波分配器によって高周波を分配して１段目の線形加速器２および２段目の線形加速器３に供給して荷電粒子を加速する構成としている。この構成の高周波加速器において、高周波分配器の電力分配率Ｒと、１段目の線形加速器２の出口と２段目の線形加速器３の入口の間、すなわちマッチングセクション８の長さＬを適切に設定することにより、広い範囲の高周波電力において大電流の荷電粒子ビームを出射できる高周波加速器を提供できることが解明された。ただし、一段目の加速器はＲＦＱに限らず、ＲＦＩ（Rf-Focused Interdigital）でも良く、２段目の加速器は、ＡＰＦに限らず、一般のＤＴＬでも良く、これらの線形加速器の場合も上記で説明したのと同様の特性を示す。

図１３に、本発明の実施の形態１による高周波加速器１０の出力特性の一例を示す。図１３は、横軸を高周波電源が供給する全高周波電力Ｐ_rf,totalとして、２段目の線形加速器３から出射される荷電粒子の単位時間当たりの出射量に相当する、荷電粒子ビームの電流値Ｉ_o,2を示している。実線が本発明の実施の形態１による高周波加速器１０から出射されるＩ_o,2の特性例を示し、破線は、従来の設計によって得られるＩ_o,2の特性例を示している。従来は、破線で示すように、全高周波電力の狭い範囲、すなわち図９に示した２段目の線形加速器における許容範囲ΔＰｂ程度の範囲でしか適切に加速されず、高周波電力の値を広い範囲で変化させて加速器の出力を得ることは難しいと考えられていた。しかし、本発明によれば、図１３の実線で示すように、全高周波電力の値を広い範囲ΔＰａで変化させても加速器の出力を得ることができることが解った。

上記の説明のように、本願発明者らにより、２つの加速器への高周波電力の電力分配率と、２つの加速器間のマッチングセクションの長さを適切に設定することで、高周波電力の広い範囲ΔＰａで荷電粒子を加速でき、高周波電力を変化させても出射される荷電粒子ビームの電流値の変化が少ない高周波加速器を得ることができることが解明された。図９で示す、２段目の線形加速器における、入射荷電粒子の位相に対する全高周波電力Ｐ_rf,totalの許容範囲ΔＰｂは位相φｄの値により変化するが、ΔＰｂの最大値よりも広い範囲で２段目の線形加速器３において加速できる条件が存在することが解った。

以上の本発明の高周波加速器の動作と従来の設計による高周波加速器の動作とを、概念的な図を用いて説明する。図１４は本発明の高周波加速器の動作を説明する概念図であり、図１５は従来の設計による高周波加速器の動作を説明する概念図である。図１４および図１５において、横方向は荷電粒子の位相、矢印方向は全高周波電力Ｐ_rf,totalであり、実線は１段目の線形加速器から出射される荷電粒子の位相分布、破線は２段目の線形加速器の位相アクセプタンスを示している。図１４に示すように、本発明によれば、全高周波電力を変化させたとき、１段目の線形加速器から出射される荷電粒子の位相分布の変化が、２段目の線形加速器の位相アクセプタンスの変化に追随するため、１段目の線形加速器から出射される荷電粒子の位相分布と２段目の線形加速器の位相アクセプタンスとが全高周波電力の広い範囲にわたってマッチングする。

これに対し、図１５に示すように、従来の設計では、ある全高周波電力Ｐ_０において１段目の線形加速器から出射される荷電粒子の位相分布と２段目の線形加速器の位相アクセプタンスとがマッチングするように設計したとき、全高周波電力がＰ_０からずれるに従って、急速に両者のマッチングがずれてしまう。よって、全高周波電力Ｐ_０前後の狭い電力の範囲でしか、１段目の線形加速器から出射される荷電粒子が２段目の線形加速器で加速できなかった。

以上のように、本発明によれば、２段目の線形加速器における、各位相の入射荷電粒子に対する位相アクセプタンスに基づいて決定される全高周波電力の許容範囲のうち最大許容範囲（図９において、φｄを変化させてφｄ毎のΔＰｂを決定した際の各ΔＰｂの内の最大値のことを言う）よりも広いＰ_rf,totalの範囲において、２段目の線形加速器から荷電粒子ビームが出射されるように、電力分配装置７の２段目の線形加速器３に供給する高周波電力の電力分配率Ｒの値と、１段目の線形加速器２の出口から２段目の線形加速器３の入口までのマッチングセクション８の長さＬと高周波電力の角周波数ωとの比Ｌ／ωの値と、を調整、あるいは設定できることがわかった。どの程度広い高周波電力の範囲まで荷電粒子ビームが出射されるようにできるかは、１段目の線形加速器および２段目の線形加速器の構成などに依存する。ただし、２段目の線形加速器における、各位相の入射荷電粒子に対する位相アクセプタンスに基づいて決定される全高周波電力の許容範囲のうち最大許容範囲の少なくとも２倍以上の範囲で荷電粒子ビームを出射できることが解った。

図１６に、上記した本発明の実施の形態１による高周波加速器１０の設計方法の工程をフロー図としてまとめて示す。まず、図５に示したような、高周波電源から発生される高周波電力Ｐ_rf,totalに対して、１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子ビームの、電力分配装置７の電力分配率Ｒをパラメータとする出射エネルギー特性を求める（ＳＴ１）。ステップＳＴ１と並行して、図６に示したような、Ｐ_rf,totalに対し、２段目の線形加速器３に入射される荷電粒子ビームのエネルギーＥ_i,2の、電力分配率Ｒをパラメータとするエネルギーアクセプタンス特性を求める（ＳＴ２）。次に、ステップＳＴ１において求めた出射エネルギー特性のうち、ステップＳＴ２において求めたエネルギーアクセプタンス特性の範囲にできるだけ多く入る特性、すなわちマッチングする電力分配率Ｒを決定する（ＳＴ３）。

次に、ステップＳＴ３において決定した電力分配率Ｒを用いて、図１０に示したような、Ｐ_rf,totalに対して、１段目の線形加速器２から出射される荷電粒子ビームの１段目の線形加速器２の出口における中心位相φ_o,1（Ｐ_rf,total）の特性である出射位相特性を求める（ＳＴ４）。次に、この出射位相特性を用いて、図１１に示したような、１段目の線形加速器２から出射された荷電粒子ビームが２段目の線形加速器３の入口に到達したときの荷電粒子ビームの中心位相であるφ_o,1（Ｐ_rf,total）＋（Ｌ／ω）／ｖ（Ｐ_rf,total）の、Ｌ／ωの値をパラメータとする特性である入口位相特性を求める（ＳＴ５）。

一方、ステップＳＴ３において決定した電力分配率Ｒを用いて、Ｐ_rf,totalに対する、２段目の線形加速器３に入射される荷電粒子ビームの位相アクセプタンス特性を求める（ＳＴ６）。次に、ステップＳＴ５において求めたＬ／ωの値をパラメータとする入口位相特性のうち、ステップＳＴ６において求めた位相アクセプタンス特性とマッチングする特性に基づいてＬ／ωの値を決定する（ＳＴ７）。すなわち、ステップＳＴ５において求めたＬ／ωの値をパラメータとする入口位相特性のうち、ステップＳＴ６において求めた位相アクセプタンス特性の範囲内に、各位相の入射荷電粒子に対する位相アクセプタンス特性に基づいて決定される全高周波電力の許容範囲のうちの最大許容範囲よりも広い範囲、少なくとも最大許容範囲の２倍以上の全高周波電力の範囲において含まれる入口位相特性に基づいてＬ／ωの値を決定する。

以上の工程を含んだ設計、調整により製造した高周波加速器は、供給する高周波電力を図９で説明した、各位相の入射荷電粒子に対する位相アクセプタンス特性に基づいて決定される全高周波電力の許容範囲のうちの最大許容範囲よりも広い範囲で変化させても、１段目の加速器と２段目の加速器とのマッチングが崩れず、調整が容易な高周波加速器とすることができる。また、実施の形態２で説明するように、この高周波加速器を円形加速器への入射器として用いる場合に、円形加速器に入射する荷電粒子ビームとして好ましい荷電粒子ビーム特性を、高周波電力の調整により得られる高周波加速器とすることができる。

実施の形態２．
図１７は、本発明の実施の形態２による円形加速器システムの概略構成を示すブロック図である。図１７における高周波加速器１０は、実施の形態１で説明した高周波加速器である。本実施の形態２による円形加速器システムは、高周波加速器１０から出射される荷電粒子ビームをシンクロトロンなどの円形加速器５に入射して、粒子線治療装置など、照射対象に照射して利用できるエネルギーまで加速して、荷電粒子ビームとして出射させるシステムである。

従来の高周波加速器を用いる場合はデバンチャ―という、荷電粒子ビームの荷電粒子のエネルギーを揃え、位相幅を拡大する機器を介して荷電粒子ビームをシンクロトロンに入射させる必要があった。しかし、本発明の実施の形態１による高周波加速器１０を用いれば、出射される荷電粒子ビームは、デバンチャ―のようなエネルギーの拡がりと位相の拡がりとの関係を調整する機器を介することなく、ビーム進行方向を曲げるための偏向磁石と、ビームの横方向の拡がりを制御する４極電磁石、ビームの軌道を補正するステアリング電磁石のように、荷電粒子ビームに作用する物理量が磁界のみであるビーム輸送系４を介して円形加速器５に入射される。

実施の形態１による高周波加速器１０の高周波電力に対する出力特性は図１３の実線の様であることを説明した。高周波電力を変化させても出射される荷電粒子ビームの電流値は大きく変化しないが、出射される荷電粒子ビームの性質は変化する。図１８はこの変化を説明する図である。図１８は、出射される荷電粒子ビームに含まれる荷電粒子の分布を、位相φとエネルギーＥの空間で表現した概念図である。図１８の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ高周波電力Ｐ_rf,totalが異なる場合の荷電粒子ビーム中の個々の荷電粒子の分布を示すもので、出射される個々の荷電粒子が各図の楕円内に分布していることを示している。このように、高周波電力を変化させると、出射される荷電粒子ビームは、φ−Ｅ空間で楕円が面積を変化させながら回転する特性を示す。

図１９は、図１８のように変化する荷電粒子の分布を、エネルギーの幅に相当する運動量の拡がりの幅√|ΔＰ/Ｐ_o,2|^２（運動量スペクトラムとも言われている）の高周波電力Ｐ_rf,totalに対する特性として表わした図である。図１９に示すように、高周波電力の変化に対応して運動量スペクトラム幅が変化する。

シンクロトロンのような円形加速器５より荷電粒子が加速されるためには、運動量スペクトラムは所望の小さな値を有した荷電粒子ビームを入射する必要がある。例えば、円形加速器５の加速に適した運動量スペクトラムが図１９のΔｐ_iであるとすると、図１９の
ように、本発明の実施の形態１による高周波加速器１０の高周波電力をＰ₁あるいはＰ₂に設定することによって、円形加速器５の加速に適した運動量スペクトラムの荷電粒子ビームを高周波加速器１０から出射させることができる。この結果、従来の高周波加速器を用いる場合は、デバンチャ―のようにエネルギーの拡がりと位相の拡がりとの関係を調整する機器が必要であったが、本発明の実施の形態１による高周波加速器１０を用いることにより、エネルギーの拡がりと位相の拡がりとの関係を調整する機器を配置することなく、円形加速器５により高周波加速器１０から出射される荷電粒子ビームを効率よく加速できる円形加速器システムが得られる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１…イオン源、２…１段目の線形加速器、３…２段目の線形加速器、４…ビーム輸送系、５…円形加速器、６…高周波電源、７…共鳴型電力分配装置、８…マッチングセクション、１０…高周波加速器

Claims (10)

1. イオン源から出射される荷電粒子を入射して加速する１段目の線形加速器と、
   この１段目の線形加速器から出射される荷電粒子ビームを、マッチングセクションを介して入射して加速する、前記１段目の線形加速器と方式が異なる２段目の線形加速器と、
   前記１段目の線形加速器および前記２段目の線形加速器に供給する高周波電力を発生する高周波電源と、
   前記高周波電源から供給される全高周波電力を、前記１段目の線形加速器と前記２段目の線形加速器とに分配して供給する共鳴型電力分配装置と、を備えた高周波加速器の製造方法において、
   前記２段目の線形加速器における、各位相の入射荷電粒子に対する位相アクセプタンスに基づいて決定される前記全高周波電力の許容範囲のうちの最大許容範囲より広い前記全高周波電力の範囲において、前記２段目の線形加速器から荷電粒子ビームが出射されるように、前記共鳴型電力分配装置の前記２段目の線形加速器に供給する高周波電力の電力分配率Ｒの値と、前記１段目の線形加速器の出口から前記２段目の線形加速器の入口までの前記マッチングセクションの長さＬと前記高周波電力の角周波数ωとの比Ｌ／ωの値と、を設定する工程を含むことを特徴とする高周波加速器の製造方法。
2. 前記全高周波電力に対する、前記１段目の線形加速器から出射される荷電粒子ビームの中心エネルギーの特性である出射エネルギー特性を、前記Ｒをパラメータとして求める第一工程と、
   前記全高周波電力に対する、前記２段目の線形加速器に入射される荷電粒子ビームの、前記Ｒをパラメータとするエネルギーアクセプタンス特性を求める第二工程と、
   前記第一工程において求めた出射エネルギー特性と、前記第二工程において求めたエネルギーアクセプタンス特性とがマッチングする前記Ｒを決定する第三工程と、
   前記第三工程において決定した前記Ｒを用いて、前記全高周波電力に対する、前記１段目の線形加速器から出射される荷電粒子ビームの前記１段目の線形加速器の出口における中心位相φo,1の特性である出射位相特性を求める第四工程と、
   前記１段目の線形加速器から出射される荷電粒子ビームの荷電粒子の速度をｖとしたとき、前記第四工程において求めた前記出射位相特性を用いて、前記１段目の線形加速器から出射された荷電粒子ビームが前記２段目の線形加速器の入口に到達したときの荷電粒子ビームの中心位相であるφo,1＋（Ｌ／ω）／ｖの、前記Ｌ／ωの値をパラメータとする特性である入口位相特性を求める第五工程と、
   前記第三工程において決定した前記Ｒを用いて、前記全高周波電力に対する、前記２段目の線形加速器に入射される荷電粒子ビームの位相アクセプタンス特性を求める第六工程と、
   前記第五工程において求めた前記Ｌ／ωの値をパラメータとする前記入口位相特性のうち、前記第六工程において求めた位相アクセプタンス特性内に、各位相の入射荷電粒子に対する位相アクセプタンスに基づいて決定される前記全高周波電力の許容範囲のうちの最大許容範囲よりも広い前記全高周波電力の範囲において含まれる前記入口位相特性に基づいて前記Ｌ／ωの値を決定する第七工程と、
   前記共鳴型電力分配装置の電力分配率Ｒを、前記第三工程において決定した値に設定し、前記マッチングセクションの長さＬを前記第七工程において決定した値に設定する第八工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波加速器の製造方法。
3. 前記２段目の線形加速器における、各位相の入射荷電粒子に対する位相アクセプタンスに基づいて決定される前記全高周波電力の許容範囲のうちの最大許容範囲の２倍以上の前記全高周波電力の範囲において、前記２段目の線形加速器から荷電粒子ビームが出射されるように、前記共鳴型電力分配装置の前記２段目の線形加速器に供給する高周波電力の電力分配率Ｒの値と、前記１段目の線形加速器の出口から前記２段目の線形加速器の入口までの前記マッチングセクションの長さＬと前記高周波電力の角周波数ωとの比Ｌ／ωの値と、を設定する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波加速器の製造方法。
4. 前記第七工程において、前記第五工程において求めた前記Ｌ／ωの値をパラメータとする前記入口位相特性のうち、前記第六工程において求めた位相アクセプタンス特性内に、各位相の入射荷電粒子に対する位相アクセプタンスに基づいて決定される前記全高周波電力の許容範囲のうちの最大許容範囲の、少なくとも２倍以上の前記全高周波電力の範囲において含まれる前記入口位相特性に基づいて前記Ｌ／ωの値を決定することを特徴とする請求項２に記載の高周波加速器の製造方法。
5. 前記１段目の線形加速器はＲＦＱ型線形加速器であり、前記２段目の線形加速器はＡＰＦ方式ＩＨ型ＤＴＬ型線形加速器であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の高周波加速器の製造方法。
6. イオン源から出射される荷電粒子を入射して加速して荷電粒子ビームとして出射する１段目の線形加速器と、
   この１段目の線形加速器から出射される荷電粒子ビームを、マッチングセクションを介して入射して加速して荷電粒子ビームとして出射する、前記１段目の線形加速器と方式が異なる２段目の線形加速器と、
   前記１段目の線形加速器および前記２段目の線形加速器に供給する高周波電力を発生する高周波電源と、
   前記高周波電源から供給される全高周波電力を、前記１段目の線形加速器と前記２段目の線形加速器とに分配して供給する共鳴型電力分配装置と、を備えた高周波加速器において、
   前記２段目の線形加速器における、各位相の入射荷電粒子に対する位相アクセプタンスに基づいて決定される前記全高周波電力の許容範囲のうちの最大許容範囲よりも広い前記全高周波電力の範囲において、前記２段目の線形加速器から荷電粒子ビームが出射されるように、前記共鳴型電力分配装置の前記２段目の線形加速器に供給する高周波電力の電力分配率Ｒの値と、前記１段目の線形加速器の出口から前記２段目の線形加速器の入口までの前記マッチングセクションの長さＬと前記高周波電力の角周波数ωとの比Ｌ／ωの値と、
   が設定されていることを特徴とする高周波加速器。
7. 前記２段目の線形加速器における、各位相の入射荷電粒子に対する位相アクセプタンスに基づいて決定される前記全高周波電力の許容範囲のうちの最大許容範囲の２倍以上の前記全高周波電力の範囲において、前記２段目の線形加速器から荷電粒子ビームが出射されるように、前記共鳴型電力分配装置の前記２段目の線形加速器に供給する高周波電力の電力分配率Ｒの値と、前記１段目の線形加速器の出口から前記２段目の線形加速器の入口までの前記マッチングセクションの長さＬと前記高周波電力の角周波数ωとの比Ｌ／ωの値と、が設定されていることを特徴とする請求項６に記載の高周波加速器。
8. 前記１段目の線形加速器はＲＦＱ型線形加速器であり、前記２段目の線形加速器はＡＰＦ方式ＩＨ型ＤＴＬ型線形加速器であることを特徴とする請求項６または７に記載の高周波加速器。
9. 請求項６に記載の高周波加速器と、この高周波加速器から出射される荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、このビーム輸送系により輸送されてきた荷電粒子ビームを入射して加速する円形加速器を備えた円形加速器システムであって、
   前記ビーム輸送系において前記荷電粒子ビームに作用する物理量が磁界のみであることを特徴とする円形加速器システム。
10. 前記円形加速器に入射する荷電粒子ビームのエネルギー幅が、前記円形加速器に入射する荷電粒子ビームの設計エネルギー幅となるよう、前記高周波電源の高周波電力が設定されたことを特徴とする請求項９に記載の円形加速器システム。

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