JP6138466B2 - サイクロトロン - Google Patents

Description

本発明は、イオンビームを出射するサイクロトロンに関する。

従来、イオンビームを出射する加速器に関する技術文献として例えば特開平６―０７７０４９号公報が知られている。この公報には、中空の鉄心の内部に磁極及びコイルを備える荷電粒子加速器システム（シンクロトロン）であって、鉄心には温度センサ及び電気ヒータが取り付けられ、鉄心の温度に基づいて加熱手段の熱量を調整することにより電磁石を速やかに定常状態にするものが示されている。

特開平６―０７７０４９号公報

ところで、サイクロトロンから送り出されるイオンビームの電流値を安定させるためには、ポール（磁極）から発生する磁場を精度良く制御する必要がある。しかしながら、磁場を直接測定するための機構は大掛かりなものとなり、コストがかかる。また、磁場の測定精度も十分ではない。一方、前述した従来のシンクロトロンと異なり、サイクロトロンの場合にはポールに大きな熱量が加わるため、ポールの温度制御による磁場の制御は容易ではない。

そこで、本発明は、イオンビームの制御を安定化することができるサイクロトロンを提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意研究した結果、サイクロトロンにおいては、ポール及びヨークの温度が定常状態であったとしても、常温から温度が変化したことで磁場の制御に影響が生じることを新たに発見した。すなわち、サイクロトロンの運転中には、ディー電極が形成する電場により一対のポールの対向する面に電流が生じて熱が発生すると共に、イオンビームの一部が衝突することによってもポールに熱が加えられる。この熱がポールからヨークに伝わり、ポール及びヨークに熱膨張が生じると、一対のポールの間隔であるポールギャップが変化する。ポールギャップが変化すると、同じ電流量をコイルに供給しても生じる磁場が変化するためイオンビームの制御が不安定となることを見出した。

上記課題を解決するため、本発明は、互いに対向する第１ヨーク部及び第２ヨーク部と、第１ヨーク部及び第２ヨーク部を連結する側ヨーク部と、を有する中空のヨークと、ヨーク内に設けられ、互いに対向する第１のポール及び第２のポールと、第１のポール及び第２のポールを囲むように配置されたコイルと、第１のポール及び第２のポールの間に設けられたディー電極と、コイルへ電力を供給する電源と、第１のポール及び第２のポールの少なくとも一方の温度を検出するポール温度検出手段と、側ヨーク部の温度を検出するヨーク温度検出手段と、ポール温度検出手段及びヨーク温度検出手段の検出結果に基づいて電源による前記コイルへの電力供給を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るサイクロトロンによれば、第１のポール及び第２のポールの少なくとも一方の温度と側ヨーク部の温度に基づいてコイルへの電力供給を制御するので、ポール及びヨークの熱膨張によりポールギャップに変化が生じても、温度によるポールギャップの変化の影響を反映して磁場を高精度に制御することができ、イオンビームの制御を安定化することができる。

本発明に係るサイクロトロンにおいて、ヨーク温度検出手段は、第１のポール及び第２のポールの対向方向において、側ヨーク部の略中央に設けられていてもよい。
このサイクロトロンによれば、熱が加えられる第１のポール及び第２のポールからほぼ等しく離れた位置において側ヨーク部の温度を測定することができる。このため、ヨーク温度検出手段がいずれかのポールに片寄って配置される場合と比べて、側ヨーク部の平均的な温度を適切に検出することができるので、温度によるポールギャップの変化の影響を精度良く制御に反映することができる。

本発明に係るサイクロトロンにおいて、ポール温度検出手段は、第１のポールに設けられた第１のポール温度検出手段と、第２のポールに設けられた第２のポール温度検出手段と、を有してもよい。
このサイクロトロンによれば、第１のポール及び第２のポールの両方の温度を検出することで、より精度良くポールギャップの変化の影響を制御に反映することができるので、イオンビームの制御安定化に有利である。

本発明によれば、イオンビームの制御を安定化することができるサイクロトロンを提供できる。

第１の実施形態に係るサイクロトロンを示す断面図である。 第１の実施形態に係るサイクロトロンの制御の流れを示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るサイクロトロンを示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１に示されるように、第１の実施形態に係るサイクロトロン１は、イオン源（図示せず）から送り出されるイオンビームを加速して出力する加速器である。イオンビームを構成するイオンとしては、例えば陽子や重イオンなどが挙げられる。サイクロトロン１は、その中心軸Ｃが上下方向に延在する横置き型のサイクロトロンである。

このようなサイクロトロン１は、例えば、ＰＥＴ［Positron Emission Tomography］用サイクロトロン、ホウ素中性子捕捉療法用サイクロトロン、ＲＩ［Radio Isotope］製剤用サイクロトロン、中性子源用サイクロトロン、陽子用サイクロトロン、重陽子用サイクロトロンとして用いられる。

本実施形態に係るサイクロトロン１は、ヨーク２、ポール３、コイル４、ディー電極５、制御部（制御手段）６、及び電源７を備えている。

ヨーク２は、鉄や鉄合金（例えばコバルト鉄合金）、ケイ素銅板の積層体などからなる中空の部材である。ヨーク２は、上ヨーク部（第１ヨーク部）８、下ヨーク部（第２ヨーク部）９、及び側ヨーク部１０によって中空の円盤形状に構成されている。

上ヨーク部８及び下ヨーク部９は、中心軸Ｃの延在方向（上下方向）で互いに対向する略円板状の部位である。上ヨーク部８及び下ヨーク部９の外周側は、環状の側ヨーク部１０を介して連結されている。ヨーク２内には、上ヨーク部８、下ヨーク部９、及び側ヨーク部１０によって閉じられた内部空間が形成されており、この内部空間にポール３やコイル４が配置されている。

なお、上ヨーク部８、下ヨーク部９、及び側ヨーク部１０は、個別の部材である必要はなく、一体的に構成されていてもよい。側ヨーク部１０は、単一の部材からなる必要はなく、複数の部材から構成されていてもよく、例えば上下に分割可能であってもよい。側ヨーク部１０とは、ヨーク２の内部空間の側方に位置する部位を意味する。すなわち、側ヨーク部１０の上下方向における長さＬｙは、内部空間の上下方向における長さ（上ヨーク部８と下ヨーク部９との間隔）に等しい。

ポール３は、イオンビームを制御するための磁場を発生させる磁極であり、例えば鉄や鉄合金（例えばコバルト鉄合金）、ケイ素銅板の積層体などから構成されている。ポール３の材質は、ヨーク２と同じであってもよく、ヨーク２と異なっていてもよい。

ポール３は、上ヨーク部８の内面に固定された上ポール（第１のポール）１２と、下ヨーク部９の内面に固定された下ポール（第２のポール）１３と、を有している。上ポール１２の周囲には、上ポール１２を中心として囲むように第１のコイル１４が配置されている。同様に、下ポール１３の周囲には、下ポール１３を中心として囲むように第２のコイル１５が配置されている。

上ポール１２及び下ポール１３は、同じ形状の部材であり、上下方向の長さ（厚さ）Ｌｐは等しい。上ポール１２及び下ポール１３の間に、ポールギャップＬｇが形成されている。ポールギャップＬｇには、一対のディー電極５が設けられている。ポールギャップＬｇは、側ヨーク部１０の上下方向の長さＬｙと、上ポール１２及び下ポール１３の上下方向の長さＬｐを用いて以下の式（１）で表わされる。なお、必ずしも一対のディー電極を設ける必要はなく、例えば一つのディー電極と一つのダミーディー電極を設ける構成であってもよい。
(数１)
Ｌｇ＝Ｌｙ−２Ｌｐ…（１）

一対のディー電極５は、イオンビームを加速する電場を発生させるための部材である。ディー電極５は、上下方向から見て扇状の部材であり、中心軸Ｃの周方向に貫通された空洞を有している。また、ディー電極５には、その周方向端部に対応してダミーディー電極１６が配置されている。ディー電極５及びダミーディー電極１６は、ディー電極５に高周波の交流電流が付与されることにより周方向に変化する電場を発生させる。

制御部６は、サイクロトロン１の運転を制御する電子制御ユニットである。制御部６は、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]等を有している。制御部６は、コイル４、ディー電極５、電源７、ポール温度センサ（ポール温度検出手段）１７、及びヨーク温度センサ（ヨーク温度検出手段）１８と接続されている。

ポール温度センサ１７は、上ポール１２の温度を検出するセンサである。ポール温度センサ１７は、図１において上ポール１２の右側端部の下端に配置されている。

ヨーク温度センサ１８は、側ヨーク部１０の温度を検出するセンサである。ヨーク温度センサ１８は、図１における側ヨーク部１０の左端で、上下方向（上ポール１２と下ポール１３の対向方向）における側ヨーク部１０の略中央に位置している。ヨーク温度センサ１８は、上ポール１２及び下ポール１３から等しく離れた位置で、且つ、ポール温度センサ１７から遠い位置に配置されている。

制御部６は、コイル４及びディー電極５に対して電源７からの電力の供給を制御している。制御部６は、ポール温度センサ１７及びヨーク温度センサ１８の検出結果に基づいて、コイル４及びディー電極５に対する電力供給を制御する。

ここで、サイクロトロン１における熱の発生について説明する。サイクロトロン１の運転中には、ディー電極５が発生させる電場によって上ポール１２及び下ポール１３の対向面に電流による熱が生じると共に、これらの対向面にイオンビームの一部が衝突することによっても熱が生じる。上ポール１２及び下ポール１３の対向する面に入力された熱は、上ポール１２及び下ポール１３を通じてヨーク２に伝わる。

具体的には、上ポール１２の対向面に入力された熱は、上ポール１２を通じて上ヨーク部８に伝わり、その一部は上ヨーク部８の端部から側ヨーク部１０に伝わる。同様に、下ポール１３の対向面に入力された熱は、下ポール１３を通じて下ヨーク部９に伝わり、その一部は下ヨーク部９の端部から側ヨーク部１０に伝わる。このように、熱が上ポール１２、下ポール１３、及び側ヨーク部１０に伝わると、熱膨張が生じて上ポール１２及び下ポール１３も上下方向の長さＬｐが変化すると共に、側ヨーク部１０の上下方向の長さＬｙが変化する。その結果、上記式（１）に示されるようにポールギャップＬｇにも変化が生じる。

具体的には、ポールギャップＬｇの変化量ΔＬｇは、側ヨーク部１０の平均温度の基準温度からの変化量ΔＴｙ、上ポール１２及び下ポール１３の平均温度の基準温度からの変化量ΔＴｐ、上ポール１２、下ポール１３、及び側ヨーク部１０の線膨張率αを用いて以下の式（２）で表わすことができる。
(数２)
ΔＬｇ＝α（Ｌｙ×ΔＴｙ−２Ｌｐ×ΔＴｐ）…（２）

このように、ポールギャップＬｇに変化が生じると、上ポール１２と下ポール１３の間の磁場にも変化が生じる。このため、温度によるポールギャップＬｇの変化を考慮して磁場を制御する必要がある。

制御部６は、ポール温度センサ１７及びヨーク温度センサ１８の検出結果に基づいて、温度によるポールギャップＬｇの変化を考慮したコイル４への電力供給を行う。制御部６は、運転中のサイクロトロン１においては熱が入力される上ポール１２側が高温で側ヨーク部１０側が低温の熱分布となることから、ポール温度センサ１７及びヨーク温度センサ１８の検出結果に基づいて上ポール１２から側ヨーク部１０の略中央までの熱分布を考慮して電力供給を制御する。

制御部６において、例えばコイル４に対する電流量の変化ΔＩは、側ヨーク部１０の平均温度の基準温度（例えば常温）からの変化量ΔＴｙと、上ポール１２及び下ポール１３の平均温度の基準温度からの変化量ΔＴｐを用いて以下の式（３）で表わすことができる。なお、Ａ，Ｂは係数である。
(数３)
ΔＩ＝Ａ×ΔＴｙ−２Ｂ×ΔＴｐ…（３）

次に、サイクロトロン１の制御部６における制御の流れについて図２を参照して説明する。

図２に示されるように、本実施形態に係るサイクロトロン１の制御部６では、コイル４の励磁開始時において、所定の初期化処理を行う（ステップＳ１）。次に、制御部６は、ポール温度センサ１７により上ポール１２の温度を検出すると共に、ヨーク温度センサ１８により側ヨーク部１０の温度を検出する（ステップＳ２）。制御部６は、ポール温度センサ１７及びヨーク温度センサ１８の検出結果を取得する。

続いて、制御部６は、ポール温度センサ１７及びヨーク温度センサ１８の検出結果に基づいて、コイル４及びディー電極５に対する電力供給を制御する（ステップＳ３）。

その後、制御部６は、コイル４の励磁終了の指示が入力されたか否かを判定する（ステップＳ４）。制御部６は、コイル４の励磁終了の指示が入力されていないと判定した場合、ステップＳ２に戻って処理を繰り返す。制御部６は、コイル４の励磁終了の指示が入力された判定した場合、コイル４の励磁を終了する。なお、コイル４の励磁終了の判定は別のフローで処理してもよい。

以上説明した第１の実施形態に係るサイクロトロン１によれば、上ポール１２の温度と側ヨーク部１０の温度に基づいてコイル４への電力供給を制御するので、ポール３及びヨーク２の熱膨張によりポールギャップＬｇに変化が生じても、温度によるポールギャップＬｇの変化の影響を反映して磁場を高精度に制御することができ、イオンビームの制御の安定化を図ることができる。

しかも、このサイクロトロン１によれば、上ポール１２の温度と側ヨーク部１０の温度に基づいてディー電極５への電力供給を制御するので、温度によるポールギャップＬｇの変化の影響を反映して電場を高精度に制御することができる。従って、このサイクロトロン１によれば、磁場及び電場の制御精度の向上により、磁場及び電場によりイオンビームの制御を一層安定化させることができる。

また、このサイクロトロン１によれば、上下方向における側ヨーク部１０の略中央にヨーク温度センサ１８が配置されているので、熱が加えられる上ポール１２及び下ポール１３からほぼ等しく離れた位置において側ヨーク部１０の温度を検出することができる。このため、ヨーク温度センサ１８が上下いずれかに片寄って配置される場合と比べて、側ヨーク部１０の平均的な温度を適切に測定して温度によるポールギャップＬｇの変化の影響を精度良く制御に反映することができる。

（第２の実施形態）
図３に示されるように、第２の実施形態に係るサイクロトロン２１は、第１の実施形態に係るサイクロトロン１と比べて、温度センサの数を増やした点のみが異なっている。温度センサ以外の構成要素については、第１の実施形態と同じため同じ符号を付して説明を省略する。

具体的には、サイクロトロン２１のポール温度センサ２２は、上ポール１２の温度を検出する第１のポール温度センサ２４と、下ポール１３の温度を検出する第２のポール温度センサ２５と、を有している。第１のポール温度センサ２４は、第１の実施形態に係るポール温度センサ１７と同じ位置に配置されている。一方、第２のポール温度センサ２５は、下ポール１３の右側端部の上端に配置されている。

また、ヨーク温度センサ２３は、側ヨーク部１０の上下方向の略中央に配置された第１のヨーク温度センサ２６と、側ヨーク部１０と上ヨーク部８の境界に配置された第２のヨーク温度センサ２７と、側ヨーク部１０と下ヨーク部９の境界に配置された第３のヨーク温度センサ２８と、を有している。

なお、側ヨーク部１０と上ヨーク部８の境界とは、部材の境界を意味するものではない。側ヨーク部１０及び上ヨーク部８が一つの部材である場合には、中空のヨーク２の内部空間の側方に位置する部位と当該内部空間より上方に位置する部位との境界が側ヨーク部１０と上ヨーク部８の境界に相当する。側ヨーク部１０と下ヨーク部９の場合も同じである。

第２の実施形態に係るサイクロトロン２１の制御部６では、第１のポール温度センサ２４、第２のポール温度センサ２５、第１のヨーク温度センサ２６、第２のヨーク温度センサ２７、及び第３のヨーク温度センサ２８の検出結果に基づいて、コイル４及びディー電極５への電力供給を制御する。

以上説明した第２の実施形態に係るサイクロトロン２１によれば、上ポール１２及び下ポール１３の両方の温度を検出することで、より精度良くポールギャップの変化の影響を制御に反映することができるので、イオンビームの制御の安定化に有利である。しかも、このサイクロトロン２１では、側ヨーク部１０の上ポール１２と下ポール１３との境界にも温度センサ２７，２８を対称的に配置することで、側ヨーク部１０の平均的な温度をより正確に検出することができるので、側ヨーク部１０の熱膨張に起因するポールギャップＬｇの変化をより確実に制御に反映することができ、イオンビームの制御を一層安定化させることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明に係るサイクロトロンは、一対のポールが上下方向で対向する横置き型のサイクロトロンに限られず、一対のポールが水平方向で対向する縦置き型のサイクロトロンであってもよい。

また、ポール温度センサ及びヨーク温度センサの位置や数は、上述したものに限られない。第１の実施形態において、上ポールに代えて下ポールに温度センサを設けてもよく、両方に温度センサを設けてもよい。また、第２の実施形態において、ヨーク温度センサは三つではなく何れか二つであってもよい。また、上ポールと上ヨークの境界や下ポールと下ヨークの境界に温度センサを配置してもよい。

１，２１…サイクロトロン ２…ヨーク ３…ポール ４…コイル ５…ディー電極 ６…制御部（制御手段） ７…電源 ８…上ヨーク部 ９…下ヨーク部 １０…側ヨーク部 １２…上ポール １３…下ポール １６…ダミーディー電極 １７，２２…ポール温度センサ（ポール温度検出手段） １８，２３…ヨーク温度センサ（ヨーク温度検出手段） ２４…第１のポール温度センサ（第１のポール温度検出手段） ２５…第２のポール温度センサ（第２のポール温度検出手段） ２６…第１のヨーク温度センサ ２７…第２のヨーク温度センサ ２８…第３のヨーク温度センサ Ｃ…中心軸 Ｌｇ…ポールギャップ

Claims (3)

1. 互いに対向する第１ヨーク部及び第２ヨーク部と、前記第１ヨーク部及び前記第２ヨーク部を連結する側ヨーク部と、を有する中空のヨークと、
   前記ヨーク内に設けられ、互いに対向する第１のポール及び第２のポールと、
   前記第１のポール及び第２のポールを囲むように配置されたコイルと、
   前記第１のポール及び第２のポールの間に設けられたディー電極と、
   前記コイルへ電力を供給する電源と、
   前記第１のポール及び前記第２のポールの少なくとも一方の温度を検出するポール温度検出手段と、
   前記側ヨーク部の温度を検出するヨーク温度検出手段と、
   前記ポール温度検出手段及び前記ヨーク温度検出手段の検出結果に基づいて、前記電源による前記コイルへの電力供給を制御する制御手段と、
   を備える、サイクロトロン。
2. 前記ヨーク温度検出手段は、前記第１のポール及び前記第２のポールの対向方向において、前記側ヨーク部の略中央に設けられている、請求項１に記載のサイクロトロン。
3. 前記ポール温度検出手段は、前記第１のポールに設けられた第１のポール温度検出手段と、前記第２のポールに設けられた第２のポール温度検出手段と、を有する、請求項１又は２に記載のサイクロトロン。
   

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