JP6316528B1 - 円形加速器の高周波加速装置及び円形加速器 - Google Patents

Abstract

静電容量調整幅に対応して変化する共振周波数の調整帯域を、狭帯域化することなく大幅に変更することを目的とする。本発明の円形加速器の高周波加速装置(2)は、内導体(17)及び内導体(17)を囲む外導体(16)を有し、電極(6,7)に高周波電力を伝送する伝送線路(8)と、加速空洞(42)の共振周波数を変更する可変容量性リアクタンス素子(11)及び周波数調整機構(43)と、を備える。周波数調整機構(43)は、伝送線路(8)の内導体(17)に接続され、かつ内導体(17)から離れる方向に延伸した調整機構内導体(12)と、伝送線路(8)の外導体(16)に接続され、かつ調整機構内導体(12)を包含する調整機構外導体(14)と、調整機構内導体(12)と調整機構外導体(14)とを電気的に接続し、かつ調整機構内導体(12)と調整機構外導体(14)との接続位置を変更可能に配置された導体で構成される可動ショート板(13)と、を備える。

Description

本発明は、粒子線治療用円形加速器の分野に係わり、特に、シンクロサイクロトロン加速器における共振周波数変更により複数のエネルギーに対応させて荷電粒子を加速する高周波加速装置に関するものである。

シンクロサイクロトロン加速器は、偏向電磁石の対向する磁極の隙間である磁極ギャップにおいて、荷電粒子を螺旋軌道を描くように周回させながら高エネルギーまで加速する円形加速器である。荷電粒子はシンクロサイクロトロン加速器の中心より磁極ギャップに入射され、偏向電磁石及び磁極により形成された磁場により、磁極ギャップにおいて周回運動する。高周波加速装置は、荷電粒子の周回周波数に同期した電場を電極部に形成し、荷電粒子にエネルギーを付与する。荷電粒子の周回周波数はエネルギーの増大に伴い低下するので、電極部に形成される電場の周波数をこれに同期させて低下させるために、電極部に電力を供給する高周波加速装置の共振周波数を荷電粒子の加速に伴い低下させる必要がある。荷電粒子の周回周波数は、シンクロサイクロトロン加速器から出射する出射エネルギー、及びシンクロサイクロトロン加速器の偏向電磁石の磁場分布により定まる。

高周波加速装置の共振周波数は、高周波加速装置の静電容量とインダクタンスにより定まる。高周波加速装置は、例えば、電場を形成する電極部であるディー電極、電力をディー電極まで伝える伝送線路、及び共振周波数を変化させる回転コンデンサー等により構成される。特許文献１には、シンクロサイクロトロン加速器のディー電極に高周波（ＲＦ）電圧を印加する高周波加速装置に相当するＲＦ構造体が開示されている。特許文献１の高周波加速装置は、共振周波数を調整する可変リアクタンス素子（可変容量性リアクタンス素子）を２つ備えている。第一の可変リアクタンス素子は回転コンデンサーであり、第二の可変リアクタンス素子は内導体とこれに対向するプレートにより形成されるコンデンサーである。このプレートは、高周波加速装置の内導体と外導体との距離を部分的に変更し、静電容量を調整する。このように、特許文献１の高周波加速装置においては、回転コンデンサーによる共振周波数帯域を変更するため、高周波加速装置の静電容量を調整するプレートを使用していた。

特許文献２には、円形加速器であるサイクロトロン加速器におけるディー電極と共振空洞（加速空洞）との静電容量の増大を防止するために、ディー電極に対向する結合コンデンサ体と、結合コンデンサ体に接続された内導体と、ディー電極及び内導体を囲む外導体と、内導体と外導体との間に摺動可能に設けられたショート板とを備えた共振周波数調整機構が開示されている。特許文献２の共振周波数調整機構は、ショート板の位置を変更することにより、結合コンデンサ体とディー電極との静電容量に直列に接続されたインダクタンスを調整し、共振回路の共振周波数を調整していた。

特表２０１５−５３２５０９号公報（０１３５段〜０１３８段、図２７） 特開平１１−３５４２９９号公報（００３３段〜００３６段、図１１）

粒子線治療に用いるシンクロサイクロトロン加速器において、治療部位に適したエネルギーの荷電粒子ビームを取り出すために、シンクロサイクロトロン加速器から出射される出射ビームのエネルギーを変更する必要がある。シンクロサイクロトロン加速器から出射される出射ビームのエネルギーを変更する際には、共振周波数を大幅に変更する必要がある。特許文献１の高周波加速装置では、出射ビームのエネルギーを変更する際にプレートによる静電容量を大きくすると、回転コンデンサーによる静電容量調整幅が相対的に小さくなり、高周波加速装置の周波数調整幅が狭帯域化する。その結果、出射ビームのエネルギー変更幅を広くすることが困難となる。すなわち、特許文献１の高周波加速装置を備えたシンクロサイクロトロン加速器は、皮膚からの深さ範囲が広い治療部位等に適したエネルギーの荷電粒子ビームを取り出すことが困難である。

また、特許文献２の共振周波数調整機構は、サイクロトロン加速器のディー電極に対向する結合コンデンサ体が共振空洞（加速空洞）に設けられているので、特許文献２のサイクロトロン加速器は、結合コンデンサ体に接続された内導体が、共振空洞（加速空洞）を囲む磁極及びヨークを荷電粒子が周回する軌道面に垂直な方向に貫通するように配置されることになる。このため、特許文献２のサイクロトロン加速器は、共振空洞（加速空洞）に磁場を形成する磁極及びヨークの形状が複雑になる問題がある。特許文献２の共振周波数調整機構をシンクロサイクロトロン加速器に適用する場合も、共振空洞（加速空洞）に磁場を形成する磁極及びヨークの形状が複雑になる問題がある。

本発明の目的は、磁極及びヨークの形状を複雑化させることなく、静電容量調整幅に対応して変化する共振周波数の調整帯域を、広帯域に変更できる円形加速器の高周波加速装置を得ることを目的とする。

本発明の円形加速器の高周波加速装置は、円形加速器の偏向電磁石が形成する偏向磁場により螺旋軌道に沿って周回する荷電粒子に高周波電場を印加して当該荷電粒子を加速する円形加速器の高周波加速装置である。円形加速器の高周波加速装置は、荷電粒子に高周波電場を印加する電極と、内導体及び内導体を囲む外導体を有し、電極に高周波電力を伝送する伝送線路と、伝送線路と電極とより構成される加速空洞と、加速空洞の共振周波数を変更する可変容量性リアクタンス素子及び周波数調整機構と、を備える。円形加速器の高周波加速装置の周波数調整機構は、伝送線路の内導体に接続され、かつ内導体から離れる方向に延伸した調整機構内導体と、伝送線路の外導体に接続され、かつ調整機構内導体を包含する調整機構外導体と、調整機構内導体と調整機構外導体とを電気的に接続し、かつ調整機構内導体と調整機構外導体との接続位置を変更可能に配置された導体で構成される可動ショート板と、を備えている。調整機構外導体は、外導体よりも内導体に近い位置に底が配置された外導体凹部と、外導体凹部の底から外周方向に延伸した外導体凸部と、を備えている。

本発明の円形加速器の高周波加速装置は、加速空洞の共振周波数を変更する可変容量性リアクタンス素子及び周波数調整機構を備え、周波数調整機構の調整機構内導体が伝送線路の内導体に接続され、かつ内導体から離れる方向に延伸しており、周波数調整機構の可動ショート板が調整機構内導体と調整機構外導体とを電気的に接続し、かつ調整機構内導体と調整機構外導体との接続位置を変更可能に配置されるため、静電容量調整幅に対応して変化する共振周波数の調整帯域を、狭帯域化することなく大幅に変更できる。

本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成図を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成図を示す、図１のＡ１−Ａ１断面における断面模式図である。 図２の高周波加速装置の概略構成図を示す断面模式図である。 図３の調整機構の拡大図である。 図４のＡ３−Ａ３断面における回転コンデンサーの断面図である。 本発明の実施の形態１による円形加速器における、周回周波数の上限値及び下限値の例を示す図である。 図２の周波数調整機構による周回周波数の変更例を示す図である。 図２の高周波加速装置の特性インピーダンスの分布例を示す図である。 図４のＡ４−Ａ４断面における調整機構の断面図である。 図４の外導体凹部の必要性を説明する図である。 本発明の実施の形態１による高周波加速装置の共振周波数特性を示す図である。 比較例による高周波加速装置の共振周波数特性を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成図を示す断面模式図である。図２は、本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成図を示す、図１のＡ１−Ａ１断面における断面模式図である。図３は図２の高周波加速装置の概略構成図を示す断面模式図であり、図４は図３の調整機構の拡大図である。図５は、図４のＡ３−Ａ３断面における回転コンデンサーの断面図である。図６は、本発明の実施の形態１による円形加速器における、周回周波数の上限値及び下限値の例を示す図である。図７は図２の周波数調整機構による周回周波数の変更例を示す図であり、図８は図２の高周波加速装置の特性インピーダンスの分布例を示す図である。図９は図４のＡ４−Ａ４断面における調整機構の断面図であり、図１０は図４の外導体凹部の必要性を説明する図である。図１１は本発明の実施の形態１による高周波加速装置の共振周波数特性を示す図であり、図１２は比較例による高周波加速装置の共振周波数特性を示す図である。円形加速器であるシンクロサイクロトロン加速器１は、偏向電磁石４１と、偏向電磁石４１の中央に設置されるイオン源５と、イオン源５から入射された荷電粒子を加速する高周波加速装置２と、加速された荷電粒子を加速器外に取り出す出射ダクト１５を備える。なお、荷電粒子を適宜、単に粒子と呼ぶことにする。

偏向電磁石４１は、隙間をあけて配置される２つの電気コイル３ａ、３ｂと、これら電気コイル３ａ、３ｂにて励磁される磁極３２ａ、３２ｂをそれぞれ有する、互いに対向する２つのヨーク４ａ、４ｂとを備える。高周波加速装置２は、磁極３２ａと磁極３２ｂとの隙間（磁極ギャップ）に配置されたディー電極６と、ダミーディー電極７と、ディー電極６及びダミーディー電極７に電力を伝送する伝送線路８と、伝送線路８、ディー電極６及びダミーディー電極７により構成される加速空洞４２と、加速空洞４２に電力を入力する入力ポート９と、入力カプラー１０と、加速空洞４２の共振周波数を変更する可変容量性リアクタンス素子（回転コンデンサー１１）及び周波数調整機構４３とを備える。可変容量性リアクタンス素子は、例えば回転コンデンサー１１である。周波数調整機構４３は、調整機構内導体１２、導体で構成される可動ショート板１３及び調整機構外導体１４を備え、可変容量性リアクタンス素子にて変更する共振周波数の変更可能な帯域、すなわち共振周波数帯域を調整する。

高周波加速装置２は同軸構造であり、外導体１６と内導体１７を有する。高周波加速装置２の外導体１６は５つの領域を有し、高周波加速装置２の内導体１７は２つの領域を有する。５つの領域における外導体１６は、それぞれ磁極側外導体１６Ａ、第一伝送外導体１６Ｂ、第二伝送外導体１６Ｃ、第三伝送外導体１６Ｄ、及び第四伝送外導体１６Ｅである。磁極側外導体１６Ａは破線６１ａと破線６１ｂの間の領域における外導体１６であり、第一伝送外導体１６Ｂは破線６１ｂと破線６１ｃの間の領域における外導体１６である。第二伝送外導体１６Ｃは破線６１ｃと破線６１ｄの間の領域における外導体１６であり、第三伝送外導体１６Ｄは破線６１ｄと破線６１ｅの間の領域における外導体１６であり、第四伝送外導体１６Ｅは破線６１ｅと破線６１ｆの間の領域における外導体１６である。２つの領域における内導体１７は、それぞれ第一伝送内導体１７Ａ、第二伝送内導体１７Ｂである。第一伝送内導体１７Ａは破線６２ａと破線６２ｂの間の領域における内導体１７であり、第二伝送内導体１７Ｂは破線６２ｂと破線６２ｃの間の領域における内導体１７である。

伝送線路８における内導体１７は破線６２ａの位置でディー電極６に接続され、外導体１６は破線６１ａの位置でダミーディー電極７に接続される。電源４４からの電力は入力ポート９から入力され、容量的に伝送線路８と結合する入力カプラー１０を介して高周波加速装置２へ給電される。ここでは、入力カプラー１０が内導体１７の第二伝送内導体１７Ｂに容量的に結合する例を示した。周波数調整機構４３は、外導体１６の第三伝送外導体１６Ｄと、この第三伝送外導体１６Ｄに対向する内導体１７の第二伝送内導体１７Ｂとに配置されている。調整機構内導体１２は内導体１７の第三伝送外導体１６Ｄと接続され、内導体１７の第三伝送外導体１６Ｄに対して垂直に設置される。可動ショート板１３は、内導体１７と外導体１６とを調整機構内導体１２の位置にて、短絡させるために、すなわち電気的に接続するために使用し、調整機構内導体１２に沿って、その位置を調整することが可能である。図３に示すように、可動ショート板１３に接続された移動棒４８をエアシリンダ等の駆動装置４７で駆動することにより、可動ショート板１３を任意の位置に移動することができる。

周波数調整機構４３の調整機構外導体１４は、第二伝送外導体１６Ｃ及び第四伝送外導体１６Ｅよりも内導体１７の近くになるように狭窄された外導体凹部１４Ａと、外導体凹部１４Ａの底（内導体側の面）から外側へ離れるように延伸した外導体凸部１４Ｂを有する。調整機構内導体１２と外導体凸部１４Ｂとは同軸構造である。

回転コンデンサー１１は、図４及び図５に示すように、回転コンデンサー外周導体２１、回転ブレード２０、回転コンデンサー軸１８、及び固定ブレード１９を備える。回転コンデンサー外周導体２１は、伝送線路８における外導体１６と回転可能に接続されている。回転ブレード２０は、回転コンデンサー外周導体２１に接続され、固定ブレード１９は内導体１７に接続された回転コンデンサー軸１８に接続されている。回転コンデンサー外周導体２１は、図３に示すように、回転棒４６に接続され、回転棒４６はモーターなどの駆動装置４５に接続されている。回転ブレード２０は、回転コンデンサー外周導体２１と共に駆動装置４５にて回転コンデンサー軸１８を中心に回転する。回転コンデンサー１１は、回転ブレード２０の回転により、回転ブレード２０が固定ブレード１９と噛み合う（重なる）につれて、静電容量が増加する。逆に、回転コンデンサー１１は、２つのブレード（固定ブレード１９、回転ブレード２０）が噛み合わなくなるにつれて、静電容量が低下する。回転ブレード２０及び固定ブレード１９の形状は、必要な静電容量の時間依存性を満たすように機械的に加工されている。

次に、実施の形態１のシンクロサイクロトロン加速器１の動作を説明する。図１、図２にて示した偏向電磁石４１により図１の紙面垂直方向に所定の偏向磁場を形成する。この偏向磁場により、イオン源５から入射された粒子が磁極３２ａと磁極３２ｂとの隙間の軌道面３３、すなわち磁極ギャップの間の軌道面３３において粒子軌道３１のように周回運動する。周回運動する粒子が、ディー電極６とダミーディー電極７との隙間にて構成される加速ギャップ３０に到達するタイミングで、加速ギャップ３０に加速電場を形成する。粒子は加速ギャップ３０を通過するたびに、加速電場により加速され、エネルギーを上昇させる。エネルギーの上昇に伴い、粒子の周回軌道が拡大する。粒子は所定のエネルギーまで到達すると出射ダクト１５に到達し、シンクロサイクロトロン加速器１の外へと出射される。所定のエネルギーまで到達した複数の粒子が荷電粒子ビーム２２として取り出される。加速ギャップ３０は、図１に記載した破線６３ａと破線６３ｂとの間の隙間（ギャップ）である。なお、図１の破線６３ａで示した位置は、図３の破線６１ａで示した位置に相当する。

粒子が加速ギャップ３０にて加速されるに従って、粒子の実効的な質量が相対論効果により増加し、周回周波数が低下する。粒子を加速ギャップ３０にて加速させ続けるためには、周回周波数の低下に合わせた加速電場を形成する必要がある。そのために、高周波加速装置２の共振周波数と電源４４から供給される電力の周波数とを、低下する粒子の周回周波数と一致させ、電源４４から伝送線路８を介して加速ギャップ３０まで変更した周波数の電力を伝送する。共振周波数は高周波加速装置２のインダクタンスと静電容量にて定まる。粒子がシンクロサイクロトロン加速器１に入射されてから出射されるまでの時間はｍｓ程度であるため、高周波加速装置２の可変容量性リアクタンス素子は高速に静電容量を変化させることが可能な回転コンデンサー１１等の可変容量性リアクタンス素子を適用する。

粒子の周回周波数の変化を説明する。粒子の周回周波数の変化を簡単に見積もるために、例えば偏向電磁石４１による磁場の強さが半径方向（中心から外周方向）に対して一定の６Ｔとし、荷電粒子の例として陽子を２３５ＭｅＶまで加速することを考える。粒子の周回周波数ｆ１は、偏向電磁石４１の磁場Ｂ、粒子の電荷ｑ、粒子の質量ｍ、粒子のローレンツ因子γにて、下記の数式（１）により定まる。
ｆ１＝ｑＢ／(２πγｍ) ・・・（１）
ただし、粒子のローレンツ因子γは、粒子の速度ｖ、光速ｃを用いて下記の数式（２）により定まる。
γ＝１／√（１−ｖ^２／ｃ^２） ・・・（２）

陽子の初期周回周波数は、数式（１）のγに１を代入して９１.４ＭＨｚと求められる。一方、出射の際における陽子のエネルギー２３５ＭｅＶに対応するローレンツ因子γは１.２５であるため、出射時の陽子の周回周波数は、数式（１）より７３．２ＭＨｚと求められる。このように加速の初期から加速の完了にかけて、周回周波数は２０％程度低下する。この周波数の低下に一致した共振周波数を得るために、回転コンデンサー１１にて高周波加速装置２の静電容量を高速に変更する。

また、粒子のローレンツ因子γと磁場Ｂに依存する粒子の軌道半径ｒは、下記の数式（３）により定まる。なお、適宜、軌道半径ｒを単に半径ｒと呼ぶことにする。
ｒ＝γｍｖ／ｑＢ ・・・（３）

この場合、数式（３）より荷電粒子ビーム２２である陽子線をシンクロサイクロトロン加速器１から取り出す位置は、イオン源５を中心とした半径ｒが０．２９ｍの箇所となる。図１に示す出射ダクト１５は、所望のエネルギーまで加速され、加速が完了した粒子が通過する軌道に沿うように設置される。

次に出射エネルギーを変更した場合においても、同一の出射ダクト１５を使用することを念頭に、磁場Ｂの強度を調整することにより粒子の出射エネルギーを変更することを考える。図６に、出射位置を０．２９ｍの半径ｒの位置にした場合における、磁場Ｂの強さに対する粒子の出射エネルギー、粒子の周回周波数の上限値及び下限値を示した。粒子の周回周波数の上限値及び下限値は、それぞれ加速初期の周回周波数及び出射時の周回周波数である。

図６を用いて、出射エネルギーを例えば２３５ＭｅＶから６８．５ＭｅＶまで変化させるためには、高周波加速装置２の共振周波数を最大値の９１．４ＭＨｚから最小値の４２．６ＭＨｚまで広帯域に変化させる必要があることが分かる。この場合の共振周波数の範囲は、概ね平均値（中心値）の６７．０ＭＨｚにおける±４０％の範囲になる。したがって、共振周波数を概ね平均値（中心値）の±４０％の範囲のように広帯域に変化させる必要があることが分かる。

実施の形態１のシンクロサイクロトロン加速器１では、粒子の出射エネルギーに応じて高周波加速装置２のインダクタンスＬを周波数調整機構４３にて変更する。高周波加速装置２のインダクタンスＬを変更する際には、可動ショート板１３から調整機構外導体１４の外導体凹部１４Ａまでの距離ｄ（図９参照）を調整し、共振周波数と、可変容量性リアクタンス（回転コンデンサー１１）にて調整する共振周波数帯域と、を変更する。図９の距離ｄは高周波加速装置２のインダクタンスＬを設定する距離なので、図９の距離ｄを、適宜、インダクタンス設定距離と呼ぶことにする。図７、図９を用いて、共振周波数及び共振周波数帯域を変更する基本概念を説明する。図７の横軸は粒子の加速時間であり、縦軸は粒子の周回周波数である。加速時間ｔ１は、周回周波数が上限値となる加速初期の時間である。加速時間ｔ２は、周回周波数が下限値となる出射時の時間である。

図７には、４つの周回周波数特性、すなわち周回周波数特性５１、５２、５３、５４を示した。周回周波数特性５１は、粒子の出射エネルギーが２３５ＭｅＶであり、インダクタンス設定距離ｄが図９のｄ１の場合の特性である。周回周波数特性５２は、粒子の出射エネルギーが１７０ＭｅＶであり、インダクタンス設定距離ｄが図９のｄ２の場合の特性である。周回周波数特性５３は、粒子の出射エネルギーが１１４ＭｅＶであり、インダクタンス設定距離ｄが図９のｄ３の場合の特性である。周回周波数特性５４は、粒子の出射エネルギーが６８．５ＭｅＶであり、インダクタンス設定距離ｄが図９のｄ４の場合の特性である。図７に示した４つの周回周波数特性５１、５２、５３、５４は、それぞれ図６に示した４つの出射エネルギーに対応した例を示した。

粒子の出射エネルギーが高い場合には、共振周波数帯域の上限周波数及び下限周波数も高い周波数となるため、可動ショート板１３と調整機構外導体１４の外導体凹部１４Ａまでの距離ｄを短く保ち、インダクタンスを低く設定する。逆に、粒子の出射エネルギーが低い場合には、共振周波数帯域の上限周波数及び下限周波数も低い周波数となるため、可動ショート板１３と調整機構外導体１４の外導体凹部１４Ａとの距離ｄを長く保ち、インダクタンスを高く設定する。図７、図９における距離ｄの関係は、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３＜ｄ４である。

図８には、高周波加速装置２における特性インピーダンスの分布例を示した。一般的に、回転コンデンサー１１にて加速空洞４２の共振周波数を広帯域に変更するために、高周波加速装置２の特性インピーダンスは、高周波加速装置２の中央部（第一伝送外導体１６Ｂ、第一伝送内導体１７Ａの部分）にて低く、両端（磁極側外導体１６Ａの部分と回転コンデンサー１１側の部分）に向かって高くなる分布を有する。図８における、容量Ｃ_１、Ｃ_２はそれぞれ、加速ギャップ３０の容量、回転コンデンサー１１の容量である。図８に示した破線６１ａ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃは、図３に示した破線６１ａ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃと同じである。図８の特性インピーダンスＺ_ｄｅｅは、磁極側外導体１６Ａの部分の特性インピーダンスである。特性インピーダンスＺ_１は第一伝送内導体１７Ａの部分の特性インピーダンスであり、特性インピーダンスＺ_２は第二伝送内導体１７Ｂの部分の特性インピーダンスである。図８では、特性インピーダンスＺ_ｄｅｅ、Ｚ_１、Ｚ_２が、それぞれ２０Ω、５Ω、３０Ωである例を示した。

加速空洞４２の共振周波数、すなわち高周波加速装置２の共振周波数の調整帯域を周波数調整機構４３によって大きく変えるためには、周波数調整機構４３からディー電極側（ディー電極６の側）を見た合成インピーダンスＺ_Ｌが高い位置に周波数調整機構４３を配置する。これは、周波数調整機構４３のインピーダンスをＺ_Ｓとした場合、周波数調整機構４３を含めた合成インピーダンスＺが下記の数式（４）により求まるためである。つまり、合成インピーダンスＺ_Ｌを高くするためには、特性インピーダンスの高い領域を含めることが効果的である。そのため、周波数調整機構４３は回転コンデンサー１１に最も近い特性インピーダンスの高い部分の伝送線路８、すなわち第二伝送内導体１７Ｂの部分に配置することが望ましい。

Ｚ＝Ｚ_ＳＺ_Ｌ／（Ｚ_Ｓ＋Ｚ_Ｌ） ・・・（４）
ただし、周波数調整機構４３のインピーダンスＺ_Ｓは、特性インピーダンスＺ_Ｃ、可動ショート板１３から外導体凹部１４Ａまでの距離ｄ、波数（伝搬定数）βを用いて下記の数式（５）により定まる。

Ｚ_Ｓ＝ｉＺ_Ｃ×ｔａｎ（βｄ） ・・・（５）
ただし、ｉは虚数単位である。

周波数調整機構４３において、伝送線路８の内導体１７と直接接続される調整機構内導体１２を用いることにより、製作性が向上し、かつ調整機構内導体１２と伝送線路８の内導体１７との境界面における熱損失が低減できる。周波数調整機構４３を配置する伝送線路８における、特性インピーダンスの高い部分、すなわち第二伝送内導体１７Ｂの部分は、伝送線路８の外導体１６の径が内導体１７の径に比べて明らかに大きい。これは、例えば円筒同軸管を例にとると、特性インピーダンスＺ_０が、外導体１６の径ａと内導体１７の径ｂ、比誘電率εを用いて下記の数式（６）により定まるためである。すなわち、伝送線路８の第二伝送内導体１７Ｂの部分における特性インピーダンスを大きくするために、伝送線路８の第一伝送内導体１７Ａの部分における、内導体１７の径ｂに対する外導体１６の径ａの比ａ／ｂよりも、伝送線路８の第二伝送内導体１７Ｂの部分における比ａ／ｂを大きくするように、外導体１６及び内導体１７が設計されている。なお、比ａ／ｂを計算するための径ａ、ｂは、直径でも半径でもよい。

Ｚ_０≒（１３８／√ε）ｌｏｇ_１０（ａ／ｂ） ・・・（６）

例えば、比誘電率１の真空中にて３０Ωの特性インピーダンスを達成するためには、数式（６）から比ａ／ｂを１．１８とすればよい。外導体１６の直径を例えば４００ｍｍと設定した場合、内導体１７の直径は３３９ｍｍとなり、内導体１７と外導体１６との間隔は３０．５ｍｍとなる。図１０の例を用いて、内導体１７と外導体１６との間隔が３０．５ｍｍとなる部分において、調整機構内導体１２と可動ショート板１３とにてインダクタンスを変更する場合を考える。図１０には、調整機構内導体１２の長さが同じ場合における比較例の周波数調整機構を示した。図１０の外導体凸部７１は、外導体１６から延伸した凸部であり、実施の形態１の調整機構外導体１４に相当する。図１０では３０．５ｍｍの隙間に、すなわち外導体凸部７１よりも内側に調整機構内導体１２が挿入されているものの、外導体凸部７１の端部から外導体１６までの距離である移動可能距離Ｄｂがインダクタンスの変更可能な移動可能距離となっており、この３０．５ｍｍの隙間よりも内側に可動ショート板１３が移動してもインダクタンスを変更することができない。図１０の比較例では、調整機構内導体１２と可動ショート板１３にてインダクタンスを変更する場合に、調整機構内導体１２における調整できない長い延伸部領域、すなわち外導体１６より内側の領域が生じることになる。この延伸部領域は、可動ショート板１３にて変更する共振周波数帯域を著しく制限する。

そのため、実施の形態１の周波数調整機構４３では、調整機構内導体１２の周囲に調整機構外導体１４の外導体凹部１４Ａを設ける。図９の調整機構外導体１４における断面図に示した距離Ｄは、可動ショート板１３が移動可能な調整機構内導体１２の最短距離に相当する。調整機構内導体１２及び外導体凸部１４Ｂによるインダクタンスは、内導体１７から可動ショート板１３までの距離が長くなるにつれて大きくなる。そのため、距離Ｄを短くし、可動ショート板１３にて調整できないインダクタンスを少なくするために、実施の形態１の周波数調整機構４３では調整機構外導体１４を設けている。図１０には、実施の形態１の周波数調整機構４３の外導体凸部１４Ｂと外導体凸部１４Ｂから外導体１６までの外導体凹部１４Ａに相当する部分を破線で示した。比較例の周波数調整機構では、インダクタンスが調整可能な距離、すなわち可動ショート板１３が移動可能な移動可能距離はＤｂである。これに対して、実施の形態１の周波数調整機構４３では、インダクタンスが調整可能な距離は移動可能距離Ｄａであり、可動ショート板１３が移動可能な移動可能距離Ｄａは、比較例の移動可能距離Ｄｂよりも長いので、インダクタンスの変更範囲を広げることができる。

なお、図１０では、外導体凹部１４Ａを有する調整機構外導体１４を備えた周波数調整機構４３と、調整機構内導体１２の同一の長さの比較例とを比較したが、外導体凹部１４Ａを備えない周波数調整機構４３であっても、調整機構内導体１２の長さを長くした周波数調整機構４３を適用することができる。外導体凹部１４Ａを備えることなく、調整機構内導体１２の長さを長くした周波数調整機構４３であっても、静電容量調整幅に対応して変化する共振周波数の調整帯域を、狭帯域化することなく大幅に変更できる。この場合は、周波数調整機構４３の長さが長くなるが、周波数調整機構４３における調整機構外導体１４が外導体凸部１４Ｂのみになり、構造が簡略化されるメリットがある。一方、外導体凹部１４Ａを有する調整機構外導体１４を備えた周波数調整機構４３では、周波数調整機構４３の長さが短くなるメリットがある。外導体凹部１４Ａを有する調整機構外導体１４を備えた周波数調整機構４３を用いた高周波加速装置２は、ディー電極６の延伸方向に垂直な方向である周方向の長さを短くできる。ディー電極６の延伸方向は図３の横方向であり、周方向は図３の縦方向である。

実施の形態１の高周波加速装置２の効果を、図１１、図１２を用いて説明する。図１１には、実施の形態１の高周波加速装置２の共振周波数特性を示した。比較のため、図１２に特許文献１の高周波加速装置に示されている、プレートによる周波数調整機構を適用した場合の結果を示す。図１１、図１２において、横軸は回転コンデンサーの静電容量であり、縦軸は高周波加速装置の共振周波数である。図１１、図１２の特性の計算に使用した高周波加速装置の特性インピーダンス分布は同一である。図１１に示した共振周波数特性５５、５６は、それぞれインダクタンス設定距離ｄを３ｃｍ、９ｃｍとした場合の共振周波数の分布である。インダクタンス設定距離ｄを３ｃｍから９ｃｍと長くすることにより、分布形状を維持しながら共振周波数を２０ＭＨｚ程度低下させることが可能であることが分かる。共振周波数特性５５、５６における、１００ｐＦ〜３００ｐＦの回転コンデンサー静電容量に対する共振周波数帯域は、それぞれ共振周波数帯域ＷＦＢ１、ＷＦＢ２である。共振周波数帯域ＷＦＢ１は３３ＭＨｚであり、共振周波数帯域ＷＦＢ２は２７ＭＨｚである。共振周波数帯域ＷＦＢ２は共振周波数帯域ＷＦＢ１の８２％であり、共振周波数特性５６の分布形状は共振周波数特性５５の分布形状を十分に維持しており、狭帯域化していない。

図１２に示した共振周波数特性５７、５８は、それぞれプレートによる静電容量を０ｐＦ、３００ｐＦとした場合の共振周波数の分布である。プレートにより静電容量を０ｐＦから３００ｐＦと大きくすることにより、共振周波数の調整帯域は低下するものの、その分布形状はプレートの静電容量が０ｐＦの場合と比べて狭帯域化する。具体的には静電容量範囲が１００〜３００ｐＦにおいて、プレートの静電容量が０ｐＦである場合の共振周波数帯域ＷＦＢ３は２３ＭＨｚであるのに対して、プレートの静電容量を３００ｐＦとする場合の共振周波数帯域ＷＦＢ４は３ＭＨｚとなる。このように、共振周波数帯域ＷＦＢ４は共振周波数帯域ＷＦＢ３の１３％であり、プレートによる調整機構では高周波加速装置の共振周波数帯域を変更する際に狭帯域化する。これに対して、実施の形態１の周波数調整機構４３では高周波加速装置２の共振周波数帯域を変更する際に、共振周波数帯域を十分に広帯域で維持できる。したがって、シンクロサイクロトロン加速器における、粒子の出射エネルギーを変更する際には、実施の形態１の周波数調整機構４３の方が有利となる。

以上のように、実施の形態１の高周波加速装置２は、粒子の出射エネルギーを変更する際に変化させる共振周波数帯域を、周波数調整機構４３内に設けた可動ショート板１３の位置にて、狭帯域化することなく変更することができる。

実施の形態１の高周波加速装置２は、共振周波数帯域を上昇させる際には周波数調整機構４３のインダクタンス設定距離ｄを短くし、共振周波数帯域を低下させる際にはインダクタンス設定距離ｄを長くする。実施の形態１の高周波加速装置２は、周波数調整機構４３の調整機構内導体１２の配置位置が高周波加速装置２の中心よりも可変容量性リアクタンス素子（回転コンデンサー１１）の側に配置されている。このため、周波数調整機構４３を含めた合成インピーダンスＺを高くでき、高周波加速装置２の共振周波数の調整帯域を大きく変えることがきる。また、実施の形態１の高周波加速装置２は、周波数調整機構４３の調整機構内導体１２の配置位置が可変容量性リアクタンス素子（回転コンデンサー１１）の側に配置されているので、特許文献２の共振周波数調整機構が加速空洞の直近に配置され、磁極及びヨークの形状が複雑になるのとは異なり、シンクロサイクロトロン加速器１の磁極及びヨークの形状を複雑にすることなく、高周波加速装置２をシンクロサイクロトロン加速器１に搭載することができる。実施の形態１の高周波加速装置２は、周波数調整機構４３の調整機構内導体１２の配置位置が加速空洞４２から離れた位置に配置されているので、特許文献２の共振周波数調整機構と異なり、可動ショート板１３を移動させる駆動装置４７の設置が容易にでき、かつ駆動装置４７の設置位置の自由度を高めることができる。

実施の形態１の高周波加速装置２は、可変容量性リアクタンス（回転コンデンサー１１）にて調整する共振周波数帯域を、中心値の±４０％の範囲で周波数調整機構４３により変更することにより、シンクロサイクロトロン加速器１で加速する粒子のエネルギーを例えば２３５ＭｅＶから６８．５ＭｅＶまでの広範囲に変更することができる。図６、図７に示した例では、共振周波数帯域を中心値の＋３６％から中心値の−３８％の範囲で変更する例を示したが、インダクタンス設定距離ｄを一番長いｄ４よりも長くできる調整機構内導体１２を周波数調整機構４３に採用すれば、共振周波数帯域を中心値の±４０％の範囲で変更することができる。

実施の形態１の高周波加速装置２は、周波数調整機構４３が内導体１７に直接接続された調整機構内導体１２、可動ショート板１３及び調整機構外導体１４を備えるので、調整機構内導体１２の製作性が向上し、調整機構内導体１２と伝送線路８の内導体との境界面における熱損失が低減できる。

次に、実施の形態１の高周波加速装置２を、粒子線治療装置に適応する場合、すなわち粒子線治療用円形加速器に適応する場合を考える。実施の形態１の高周波加速装置２を粒子線治療装置に適応する際には、あらかじめシンクロサイクロトロン加速器１から取り出す粒子のエネルギーを複数定めておく。それらのエネルギーに対応するインダクタンス設定距離ｄもまた、あらかじめ定めておく。治療の際には、患部ごとに最適なエネルギーを、あらかじめ定めたエネルギー群（複数のエネルギー）から選択する。選択されたエネルギーに対応するインダクタンス設定距離ｄとするために、治療開始前に、エアシリンダ等の駆動装置４７にて外部から周波数調整機構４３の可動ショート板１３を適切な位置に設定する。

以上のように、実施の形態１の高周波加速装置２は、円形加速器（シンクロサイクロトロン加速器１）の偏向電磁石４１が形成する偏向磁場により螺旋軌道に沿って周回する荷電粒子に高周波電場を印加して当該荷電粒子を加速する円形加速器の高周波加速装置である。実施の形態１の高周波加速装置２は、荷電粒子に高周波電場を印加する電極（ディー電極６、ダミーディー電極７）と、内導体１７及び内導体１７を囲む外導体１６を有し、電極（ディー電極６、ダミーディー電極７）に高周波電力を伝送する伝送線路８と、伝送線路８と電極（ディー電極６、ダミーディー電極７）とにより構成される加速空洞４２と、加速空洞４２の共振周波数を変更する可変容量性リアクタンス素子（回転コンデンサー１１）及び周波数調整機構４３と、を備えることを特徴とする。実施の形態１の高周波加速装置２の周波数調整機構４３は、伝送線路８の内導体１７に接続され、かつ内導体１７から離れる方向に延伸した調整機構内導体１２と、伝送線路８の外導体１６に接続され、かつ調整機構内導体１２を包含する調整機構外導体１４と、調整機構内導体１２と調整機構外導体１４とを電気的に接続し、かつ調整機構内導体１２と調整機構外導体１４との接続位置を変更可能に配置された導体で構成される可動ショート板１３と、を備えることを特徴とする。実施の形態１の高周波加速装置２は、上記の特徴により、静電容量調整幅に対応して変化する共振周波数の調整帯域を、狭帯域化することなく大幅に変更できる。

実施の形態１の円形加速器（シンクロサイクロトロン加速器１）は、イオン源５から中心に入射された荷電粒子を、偏向磁場により螺旋軌道に沿って周回させながら高周波電場によって加速する円形加速器である。実施の形態１の円形加速器（シンクロサイクロトロン加速器１）は、偏向磁場を形成する偏向電磁石４１と、荷電粒子を加速する、高周波加速装置２と、加速された荷電粒子を当該円形加速器外に出射する出射ダクト１５と、を備え、高周波加速装置２が荷電粒子に高周波電場を印加する電極（ディー電極６、ダミーディー電極７）と、内導体１７及び内導体１７を囲む外導体１６を有し、電極（ディー電極６、ダミーディー電極７）に高周波電力を伝送する伝送線路８と、伝送線路８と電極（ディー電極６、ダミーディー電極７）とにより構成される加速空洞４２と、加速空洞４２の共振周波数を変更する可変容量性リアクタンス素子（回転コンデンサー１１）及び周波数調整機構４３と、を備えることを特徴とする。実施の形態１の高周波加速装置２の周波数調整機構４３は、伝送線路８の内導体１７に接続され、かつ内導体１７から離れる方向に延伸した調整機構内導体１２と、伝送線路８の外導体１６に接続され、かつ調整機構内導体１２を包含する調整機構外導体１４と、調整機構内導体１２と調整機構外導体１４とを電気的に接続し、かつ調整機構内導体１２と調整機構外導体１４との接続位置を変更可能に配置された導体で構成される可動ショート板１３と、を備えることを特徴とする。実施の形態１の円形加速器（シンクロサイクロトロン加速器１）は、上記の特徴により、高周波加速装置２により静電容量調整幅に対応して変化する共振周波数の調整帯域を、狭帯域化することなく大幅に変更でき、粒子線治療の対象である患部に適したエネルギーの荷電粒子ビーム２２を出射することができる。

今まで実施の形態１の高周波加速装置２をシンクロサイクロトロン加速器に適用した例を説明したが、実施の形態１の高周波加速装置２はサイクロトロン加速器にも適用できる。サイクロトロン加速器では高周波加速装置２の共振周波数は固定されている。しかし、サイクロトロン加速器では、共振周波数の固定値が何らかの原因でずれてしまった場合に微調整を行う。サイクロトロン加速器では、この共振周波数の微調整に高周波加速装置の全長を調整することが一般的に行われているので、大規模な調整機構が必要となる。しかし、本発明の実施の形態１の高周波加速装置２では、前述したように小規模な周波数調整機構４３で、可動ショート板１３の位置を調整するのみで共振周波数が変更できる。例えば図７の加速時間ｔ１における特性５１、５２、５３、５４から分かるように、回転コンデンサー１１の静電容量が特性５１、５２、５３、５４で同一であっても、周波数調整機構４３の距離ｄを変更するだけで共振周波数により決定される周回周波数が変更されている。したがって、本発明の実施の形態１の高周波加速装置２をサイクロトロン加速器に適用しても、本発明の実施の形態１の高周波加速装置２は可動ショート板１３の位置を調整するのみで共振周波数を変更できる。

なお、本発明は、矛盾のない範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１…シンクロサイクロトロン加速器（円形加速器）、２…高周波加速装置、５…イオン源、６…ディー電極（電極）、７…ダミーディー電極（電極）、８…伝送線路、１１…回転コンデンサー（可変容量性リアクタンス素子）、１２…調整機構内導体、１３…可動ショート板、１４…調整機構外導体、１４Ａ…外導体凹部、１４Ｂ…外導体凸部、１５…出射ダクト、１６…外導体、１７…内導体、４１…偏向電磁石、４２…加速空洞、４３…周波数調整機構、４７…駆動装置、ＷＦＢ１、ＷＦＢ２…共振周波数帯域

Claims (8)

1. 円形加速器の偏向電磁石が形成する偏向磁場により螺旋軌道に沿って周回する荷電粒子に高周波電場を印加して、当該荷電粒子を加速する円形加速器の高周波加速装置であって、
   前記荷電粒子に高周波電場を印加する電極と、
   内導体及び前記内導体を囲む外導体を有し、前記電極に高周波電力を伝送する伝送線路と、
   前記伝送線路と前記電極とにより構成される加速空洞と、
   前記加速空洞の共振周波数を変更する可変容量性リアクタンス素子及び周波数調整機構と、を備え、
   前記周波数調整機構は、前記伝送線路の前記内導体に接続され、かつ前記内導体から離れる方向に延伸した調整機構内導体と、前記伝送線路の前記外導体に接続され、かつ前記調整機構内導体を包含する調整機構外導体と、前記調整機構内導体と前記調整機構外導体とを電気的に接続し、かつ前記調整機構内導体と前記調整機構外導体との接続位置を変更可能に配置された導体で構成される可動ショート板と、を備え、
   前記調整機構外導体は、
   前記外導体よりも前記内導体に近い位置に底が配置された外導体凹部と、前記外導体凹部の前記底から外周方向に延伸した外導体凸部と、を備えることを特徴とする円形加速器の高周波加速装置。
2. 前記可動ショート板の配置位置を移動する駆動装置をさらに備え、
   前記駆動装置は、
   前記可変容量性リアクタンス素子による前記加速空洞の前記共振周波数の変更可能な帯域である共振周波数帯域を前記共振周波数が高い方向に上昇させる際に、前記可動ショート板を前記調整機構外導体における前記内導体側の端部との距離が短くなるように移動し、
   前記共振周波数帯域を前記共振周波数が低い方向に低下させる際に、前記可動ショート板を前記調整機構外導体における前記内導体側の端部との距離が長くなるように移動することを特徴とする請求項１記載の円形加速器の高周波加速装置。
3. 前記可動ショート板の配置位置を移動する駆動装置をさらに備え、
   前記駆動装置は、
   前記可変容量性リアクタンス素子による前記加速空洞の前記共振周波数の変更可能な帯域である共振周波数帯域を前記共振周波数が高い方向に上昇させる際に、前記可動ショート板を前記調整機構外導体における前記外導体凹部の前記底との距離が短くなるように移動し、
   前記共振周波数帯域を前記共振周波数が低い方向に低下させる際に、前記可動ショート板を前記調整機構外導体における前記外導体凹部の前記底との距離が長くなるように移動することを特徴とする請求項１記載の円形加速器の高周波加速装置。
4. 前記周波数調整機構は、
   前記加速空洞の前記共振周波数における設定最大値及び設定最小値の中心値に対して、少なくとも−４０％から＋４０％の範囲を含むように、前記可変容量性リアクタンス素子が変更する前記共振周波数帯域を変更することを特徴とする請求項２または３に記載の円形加速器の高周波加速装置。
5. 前記周波数調整機構は、前記電極側から離れた位置で、かつ前記可変容量性リアクタンス素子側に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の円形加速器の高周波加速装置。
6. 前記周波数調整機構は、前記電極及び前記伝送線路の構造体における、延伸方向の中心位置よりも前記電極から遠方に配置されていることを特徴とする請求項５記載の円形加速器の高周波加速装置。
7. 前記周波数調整機構は、当該円形加速器の高周波加速装置が搭載される前記円形加速器から出射する前記荷電粒子のエネルギーを変更する際に、前記可動ショート板の配置位置が変更されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の円形加速器の高周波加速装置。
8. イオン源から中心に入射された荷電粒子を、偏向磁場により螺旋軌道に沿って周回させながら高周波電場によって加速する円形加速器であって、
   前記偏向磁場を形成する偏向電磁石と、
   前記荷電粒子を加速する、請求項１から７のいずれか１項に記載の円形加速器の高周波加速装置と、
   加速された前記荷電粒子を当該円形加速器外に出射する出射ダクトと、を備えることを特徴とする円形加速器。

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