JP6775148B2 - 加速器制御装置、加速器制御方法、および粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、加速器制御装置、加速器制御方法、および粒子線治療装置に関する。

一般的に、粒子線治療装置には、荷電粒子ビームを所望のエネルギーまで加速するための加速器が設けられている。加速器には、複数の電極を備える高周波加速空洞が設けられている。粒子線治療装置は、高周波加速空洞に設けられた電極に高周波電力を供給することで荷電粒子ビームを所望のエネルギーまで加速し、加速した荷電粒子ビームを腫瘍等の患部に照射する。

粒子線治療装置が荷電粒子ビームを患部に照射する際には、荷電粒子ビームの強度を安定化させることが重要である。しかしながら、高周波加速空洞の電極に印加される電圧の振幅の変動によって、患部に照射される荷電粒子ビームの強度が不安定になる場合があった。

特開２００８−４７４３８号公報 特許第２７９９０４９号公報 特許第５５７０１６４号公報

本発明が解決しようとする課題は、荷電粒子ビームの強度を安定化することができる加速器制御装置、加速器制御方法、および粒子線治療装置を提供することである。

実施形態の加速器制御装置は、信号生成部と、信号補正部とを持つ。加速器制御装置は、複数の電極を有する高周波加速空洞を用いて荷電粒子ビームを加速する加速器を制御する。前記信号生成部は、前記複数の電極に印加する電圧の振幅を制御するための振幅指令信号を生成する。前記信号補正部は、前記複数の電極のうちの少なくとも一つの電極に印加された電圧の振幅に基づいて、前記信号生成部によって生成された前記振幅指令信号を補正し、補正した前記振幅指令信号を用いて前記複数の電極に出力される高周波信号を生成する。前記信号補正部は、前記荷電粒子ビームを所望のエネルギーに保持する場合には、前記高周波信号の振幅を一定に保持する。

第１の実施形態に係る粒子線治療装置１０の全体構成を示すブロック図。 第１の実施形態に係る加速器制御装置３００、信号増幅回路４００、振幅検出回路５００、および高周波加速空洞１４０の詳細構成を示すブロック図。 第１の実施形態に係る振幅指令パターンＳ３の一例を示す図。 第１の実施形態に係るフィードバック制御部３３１の詳細構成を示す図。 第１の実施形態に係る振幅指令信号Ｓ６の一例を示す図。 第１の実施形態を適用しない場合の、線量モニタ２１０の測定値の一例を示す図。 第１の実施形態を適用した場合の、線量モニタ２１０の測定値の一例を示す図。 第１の実施形態に係る加速器制御装置３００、信号増幅回路４００、および振幅検出回路５００の動作を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る加速器制御装置３００、信号増幅回路４００、振幅検出回路５００、および高周波加速空洞１４０の詳細構成を示すブロック図。 第２の実施形態に係るフィードバック制御部３３１の詳細構成を示す図。 第３の実施形態に係るフィードバック制御部３３１の詳細構成を示す図。 第３の実施形態に係る補正後振幅指令信号Ｓ８の一例を示す図。

以下、実施形態の加速器制御装置、加速器制御方法、および粒子線治療装置を、図面を参照して説明する。実施形態の加速器制御装置は、粒子線治療装置に適用できる他、荷電粒子ビームを利用する種々の装置に適用可能である。例えば、荷電粒子ビームを照射することにより対象物を加工するエッチング装置等にも適用することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る粒子線治療装置１０の全体構成を示すブロック図である。粒子線治療装置１０は、荷電粒子ビームを所望のエネルギーまで加速し、加速した荷電粒子ビームを腫瘍等の患部に照射する装置である。粒子線治療装置１０は、加速器１００と、照射装置２００と、加速器制御装置３００と、信号増幅回路４００と、振幅検出回路５００とを備える。

加速器１００は、入射器１１０と、複数の四極電磁石１２０ａから１２０ｈと、複数の偏向電磁石１３０ａから１３０ｄと、高周波加速空洞１４０と、出射器１５０とを備える。入射器１１０は、荷電粒子ビームを加速器１００内の周回軌道に入射させる。四極電磁石１２０ａから１２０ｈは、荷電粒子ビームが周回軌道を安定して周回するように、荷電粒子ビームを収束または発散させる電磁石である。偏向電磁石１３０ａから１３０ｄは、荷電粒子ビームを偏向することにより、荷電粒子ビームを加速器１００内で周回させる電磁石である。

高周波加速空洞１４０は、真空ダクト内を通過する荷電粒子ビームを加速する。高周波加速空洞１４０の詳細については後述する。出射器１５０は、加速器１００に設けられた出射用電極に高周波電場を印加することにより、加速器１００内の周回軌道を周回する荷電粒子ビームの一部を照射装置２００に向けて出射する。

加速器１００から照射装置２００までの経路には、複数の四極電磁石１６０ａから１６０ｄと、複数の補正電磁石１７０ａから１７０ｄと、偏向電磁石１８０とが設けられている。四極電磁石１６０ａから１６０ｄは、荷電粒子ビームが、加速器１００から照射装置２００までの経路を安定して通過し、照射位置において荷電粒子ビームが目的のビーム径になるように、荷電粒子ビームを収束または発散させる電磁石である。偏向電磁石１８０は、荷電粒子ビームを偏向し、該荷電粒子ビームを加速器１００から照射装置２００まで導くための電磁石である。補正電磁石１７０ａから１７０ｄは、加速器１００から照射装置２００までの荷電粒子ビームの軌道を補正するための電磁石である。

照射装置２００は、治療室に設置され、加速器１００によって加速された荷電粒子ビームを腫瘍等の患部に照射する装置である。照射装置２００は、線量モニタ２１０を備える。線量モニタ２１０は、患部に照射される荷電粒子ビームの強度を検出する。

加速器制御装置３００は、加速器１００内を周回する荷電粒子ビームのエネルギーを制御する装置である。詳細は後述するが、信号増幅回路４００は、加速器制御装置３００によって生成された高周波信号を増幅する回路である。また、振幅検出回路５００は、高周波加速空洞１４０に備える複数の電極のうちの少なくとも一つの電極に印加された電圧の振幅を検出する回路である。

図２は、第１の実施形態に係る加速器制御装置３００、信号増幅回路４００、振幅検出回路５００、および高周波加速空洞１４０の詳細構成を示すブロック図である。加速器１００の高周波加速空洞１４０には、複数の電極が設けられている。ここでは、図２に示すように、４つの電極１４１ａから１４１ｄが設けられている形態を例として説明する。荷電粒子ビームＢは、複数の電極１４１ａから１４１ｄに電圧が印加されることによって加速される。

電極１４１ａおよび電極１４１ｂは対になっており、電極１４１ｂに印加される電圧の位相は、電極１４１ａに印加される電圧の位相に対して１８０°遅れている。また、電極１４１ｃおよび電極１４１ｄは対になっており、電極１４１ｄに印加される電圧の位相は、電極１４１ｃに印加される電圧の位相に対して１８０°遅れている。電極１４１ａおよび電極１４１ｂの電位差と、電極１４１ｃおよび電極１４１ｄの電位差によって、荷電粒子にエネルギーが供給される。これによって、荷電粒子ビームＢは、電極１４１ａと電極１４１ｂとの間で加速されるとともに、電極１４１ｃと電極１４１ｄとの間で加速される。

例えば、電極１４１ａには１［ｋＶｐ−ｐ］の交流電圧Ｖａが印加されており、電極１４１ｂには交流電圧Ｖａとは逆位相の１［ｋＶｐ−ｐ］の交流電圧Ｖｂが印加されている。また、電極１４１ｃには１［ｋＶｐ−ｐ］の交流電圧Ｖｃが印加されており、電極１４１ｄには交流電圧Ｖｃとは逆位相の１［ｋＶｐ−ｐ］の交流電圧Ｖｄが印加されている。このため、電極１４１ａから１４１ｄの全体に印加される電圧（空洞電圧）は、４［ｋＶｐ−ｐ］となる。また、交流電圧ＶａからＶｄの各々の振幅は５００［Ｖ］であるため、電極１４１ａから１４１ｄの全体に印加される電圧（空洞電圧）の振幅は、２０００［Ｖ］となる。

高周波加速空洞１４０には、電極１４１ａに印加された電圧を検出する電圧検出部１４２が設けられている。電圧検出部１４２は、検出した電圧を示す電圧検出信号Ｓ１３を振幅検出回路５００に出力する。

例えば、電圧検出部１４２は、電極１４１ａに印加された電圧の１０００分の１の値を、電圧検出信号Ｓ１３として検出する。具体的に、電極１４１ａに１［ｋＶｐ−ｐ］の交流電圧Ｖａが印加されている場合、電圧検出部１４２は、１［Ｖｐ−ｐ］の交流電圧を電圧検出信号Ｓ１３として検出する。交流電圧Ｖａの振幅は５００［Ｖ］であるため、検出した電圧検出信号Ｓ１３の振幅は０．５［Ｖ］である。

振幅検出回路５００は、振幅検出部５１０を備える。振幅検出部５１０は、電圧検出部１４２から電圧検出信号Ｓ１３が入力されると、入力された電圧検出信号Ｓ１３に基づき、電極１４１ａに印加された電圧の振幅を検出する。振幅検出部５１０は、検出した電圧の振幅を示す振幅検出信号Ｓ１４を信号補正部３３０に出力する。なお、本実施形態では、振幅検出回路５００を低コスト化するために、電極１４１ｂから１４１ｄに印加された電圧の振幅を検出する振幅検出部を設けないこととしている。

加速器制御装置３００は、タイミング制御部３１０と、信号生成部３２０と、信号補正部３３０とを備える。タイミング制御部３１０、信号生成部３２０、および信号補正部３３０は、従来公知のハードウェアにより実現される。かかるハードウェアとして、例えば、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、およびＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が挙げられる。

なお、加速器制御装置３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサと、プロセッサが実行するプログラムを格納するプログラムメモリとを備えてもよい。この場合、プロセッサがプログラムメモリに記憶されたプログラムを実行することで、タイミング制御部３１０、信号生成部３２０、および信号補正部３３０を実現してもよい。

タイミング制御部３１０は、加速器１００に荷電粒子ビームＢを入射するタイミングを制御するとともに、加速器１００から荷電粒子ビームＢを出射するタイミングを制御する。

図２に示されるように、タイミング制御部３１０は、荷電粒子ビームＢを加速器１００内の周回軌道に入射する場合には、ビーム入射信号Ｓ１６を入射器１１０に出力する。入射器１１０は、ビーム入射信号Ｓ１６がタイミング制御部３１０から入力されると、荷電粒子ビームＢを加速器１００内の周回軌道に入射する。

また、タイミング制御部３１０は、荷電粒子ビームＢを加速器１００内の周回軌道から出射する場合には、ビーム出射信号Ｓ１７を出射器１５０に出力する。出射器１５０は、ビーム出射信号Ｓ１７がタイミング制御部３１０から入力されると、荷電粒子ビームＢを加速器１００内の周回軌道から照射装置２００に向けて出射する。

信号生成部３２０は、振幅指令パターン記憶部３２１と、周波数指令パターン記憶部３２２とを備える。操作者が振幅指令パターンＳ３および周波数指令パターンＳ４を計算機６００に入力すると、計算機６００は、入力された振幅指令パターンＳ３および周波数指令パターンＳ４を信号生成部３２０に送信する。信号生成部３２０は、計算機６００から振幅指令パターンＳ３および周波数指令パターンＳ４を受信すると、受信した振幅指令パターンＳ３を振幅指令パターン記憶部３２１に記憶するとともに、受信した周波数指令パターンＳ４を周波数指令パターン記憶部３２２に記憶する。

ここで、振幅指令パターンＳ３は、高周波加速空洞１４０に設けられた複数の電極１４１ａから１４１ｄに印加する電圧の振幅を制御するための振幅指令パターンを示すデータである。即ち、振幅指令パターンＳ３は、電極１４１ａから電極１４１ｄに印加される電圧の振幅を指令する振幅指令値の集合であり、特定の順序で実行（出力）される（振幅指令信号Ｓ６として読み出される）。周波数指令パターンＳ４は、高周波加速空洞１４０に設けられた複数の電極１４１ａから１４１ｄに印加する電圧の周波数を制御するための周波数指令パターンを示すデータである。即ち、周波数指令パターンＳ４は、電極１４１ａから電極１４１ｄに印加される電圧の周波数を指令する周波数指令値の集合であり、特定の順序で実行（出力）される（周波数指令信号Ｓ７として読み出される）。

タイミング制御部３１０は、リセット信号Ｓ１とクロック信号Ｓ２とを、振幅指令パターン記憶部３２１に出力する。リセット信号Ｓ１は、振幅指令信号Ｓ６を振幅指令パターンＳ３の最初のデータから生成するよう（最初のデータから読み出すよう）にリセットするための信号である。クロック信号Ｓ２は、振幅指令信号Ｓ６を振幅指令パターンＳ３の次のデータから生成されるよう（次のデータから読み出すよう）に更新する際に用いられる同期信号である。また、タイミング制御部３１０は、リセット信号Ｓ１とクロック信号Ｓ２とを、周波数指令パターン記憶部３２２にも出力する。

図３は、第１の実施形態に係る振幅指令パターンＳ３の一例を示す図である。図３に示される振幅指令パターンＳ３において、横軸は時間を示し、縦軸は電極１４１ａから１４１ｄに印加する電圧を制御するための振幅指令値を示す。即ち、図３に示す振幅指令パターンＳ３は、図中最左の振幅指令値（最初の振幅指令値）から実行され、クロック信号が入力される度に次の（右隣の）振幅指令値が順に実行される。なお、振幅指令値が増大すると、電極１４１ａから１４１ｄに印加される電圧の振幅を増大させることができ、振幅指令値が減少すると、電極１４１ａから１４１ｄに印加される電圧の振幅を減弱させることができる。

詳細は後述するが、図３に示される振幅指令パターンＳ３は、振幅指令値が振幅指令値Ａ１まで増大し、その後、振幅指令値Ａ２、振幅指令値Ａ３、・・・、振幅指令値Ａｎへと減少するパターンを備える。ここで、リセット信号Ｓ１が振幅指令パターン記憶部３２１に入力されると、振幅指令パターンＳ３の最初の振幅指令値（図３の最左の振幅指令値）から順に実行するよう強制される。

信号生成部３２０は、振幅指令パターン記憶部３２１に記憶された振幅指令パターンＳ３を参照し、タイミング制御部３１０から入力されたクロック信号Ｓ２に応じて振幅指令信号Ｓ６を生成する。言い換えると、信号生成部３２０は、タイミング制御部３１０から入力されるクロック信号Ｓ２に応じて振幅指令パターン記憶部３２１から振幅指令値を読み出すことで、振幅指令信号Ｓ６を生成する。

具体的に、信号生成部３２０は、クロック信号Ｓ２の入力回数をカウントし、カウント値に対応する振幅指令値を振幅指令パターン記憶部３２１から読み出すことにより、振幅指令信号Ｓ６を生成する。信号生成部３２０は、クロック信号Ｓ２がタイミング制御部３１０から入力される度に、この動作を繰り返す。信号生成部３２０は、生成した振幅指令信号Ｓ６を信号補正部３３０に出力する。

一方、周波数指令パターン記憶部３２２には、周波数指令パターンＳ４が記憶されている。周波数指令パターンＳ４は、クロック信号Ｓ２に応じて変化する。ここで、リセット信号Ｓ１が周波数指令パターン記憶部３２２に入力されると、周波数指令パターンＳ４の最初の周波数指令値から順に実行するよう強制される。信号生成部３２０は、周波数指令パターン記憶部３２２に記憶された周波数指令パターンを参照し、タイミング制御部３１０から入力されたクロック信号Ｓ２に応じた周波数指令信号Ｓ７を生成する。また、信号生成部３２０は、生成した周波数指令信号Ｓ７を信号補正部３３０に出力する。

なお、タイミング制御部３１０は、振幅指令パターン記憶部３２１および周波数指令パターン記憶部３２２にリセット信号Ｓ１を出力した場合、信号補正部３３０にもリセット信号Ｓ１を出力する。また、詳細は後述するが、タイミング制御部３１０は、加速器１００を周回する荷電粒子ビームＢを所望のエネルギーに保持する場合には、信号生成部３２０へのクロック信号Ｓ２の出力を停止する。その後、タイミング制御部３１０は、クロック信号Ｓ２の出力を停止したことを示すクロック停止信号Ｓ１５を、信号補正部３３０に出力する。

信号補正部３３０は、フィードバック制御部３３１と、デジタルシンセサイザー３３２とを備える。計算機６００は、フィードバック制御部３３１によって行われるフィードバック演算に用いられる、比例ゲインや積分ゲインなどの演算設定値Ｓ５を信号補正部３３０に出力する。また、振幅検出部５１０は、高周波加速空洞１４０の電極１４１ａに印加された電圧の振幅の検出値を示す振幅検出信号Ｓ１４を、フィードバック制御部３３１に出力する。

フィードバック制御部３３１は、計算機６００から入力された演算設定値Ｓ５と、振幅検出部５１０から入力された振幅検出信号Ｓ１４とを用いて、信号生成部３２０によって生成された振幅指令信号Ｓ６を補正する。これによって、フィードバック制御部３３１は、補正後振幅指令信号Ｓ８を生成する。フィードバック制御部３３１は、生成した補正後振幅指令信号Ｓ８を、デジタルシンセサイザー３３２に出力する。

また、フィードバック制御部３３１は、信号生成部３２０によって生成された周波数指令信号Ｓ７についても補正し、補正後周波数指令信号Ｓ９を生成する。フィードバック制御部３３１は、加速器１００を周回する荷電粒子ビームＢの位相と高周波加速空洞１４０の電圧位相の差の検出値を用いて周波数指令信号Ｓ７を補正してもよいし、周波数指令信号Ｓ７を補正しないでそのまま出力してもよい。フィードバック制御部３３１は、生成した補正後周波数指令信号Ｓ９を、デジタルシンセサイザー３３２に出力する。

デジタルシンセサイザー３３２は、フィードバック制御部３３１から入力された補正後振幅指令信号Ｓ８および補正後周波数指令信号Ｓ９に基づき、正弦波の高周波信号Ｓ１０を生成する。高周波信号Ｓ１０は、高周波加速空洞１４０の複数の電極１４１ａから１４１ｄに出力される信号である。デジタルシンセサイザー３３２は、生成した高周波信号Ｓ１０を信号増幅回路４００に出力する。

信号増幅回路４００は、信号分配部４１０と、複数の増幅器４２０ａから４２０ｄとを備える。信号分配部４１０は、デジタルシンセサイザー３３２から高周波信号Ｓ１０が入力されると、入力された高周波信号Ｓ１０を増幅器４２０ａから４２０ｄに分配する。具体的に、信号分配部４１０は、入力された高周波信号Ｓ１０を４つの高周波信号Ｓ１１に分割し、分割した高周波信号Ｓ１１を増幅器４２０ａから４２０ｄの各々に出力する。

ここで、増幅器４２０ａおよび増幅器４２０ｂは対になっており、増幅器４２０ｃおよび増幅器４２０ｄは対になっている。信号分配部４１０は、増幅器４２０ｂに出力される高周波信号Ｓ１１の位相を、増幅器４２０ａに出力される高周波信号Ｓ１１の位相に対して１８０°遅らせる。また、信号分配部４１０は、増幅器４２０ｄに出力される高周波信号Ｓ１１の位相を、増幅器４２０ｃに出力される高周波信号Ｓ１１の位相に対して１８０°遅らせる。

増幅器４２０ａから４２０ｄの各々は、信号分配部４１０から入力された高周波信号Ｓ１１を増幅することで、高周波信号Ｓ１２を生成する。また、増幅器４２０ａから４２０ｄは、それぞれ、生成した高周波信号Ｓ１２を高周波加速空洞１４０に設けられた電極１４１ａから１４１ｄに出力する。これによって、荷電粒子ビームＢは、高周波加速空洞１４０内で加速される。

図４は、第１の実施形態に係るフィードバック制御部３３１の詳細構成を示す図である。フィードバック制御部３３１は、減算部３６０と、第１保持部３６１と、第１乗算部３６２と、加算部３６３と、積分停止部３６４と、積分部３６５と、第２保持部３６６と、第２乗算部３６７と、初期化部３６８とを備える。

まず、クロック停止信号Ｓ１５がタイミング制御部３１０からフィードバック制御部３３１に入力されていない場合における、フィードバック制御部３３１の処理について説明する。減算部３６０は、信号生成部３２０から入力された振幅指令信号Ｓ６と、振幅検出部５１０から入力された振幅検出信号Ｓ１４との差分Ｄを算出し、算出した差分Ｄを第１保持部３６１および積分部３６５に出力する。第１保持部３６１は、減算部３６０から入力された差分Ｄを第１乗算部３６２に出力する。

フィードバック制御部３３１には、計算機６００から出力された演算設定値Ｓ５に基づき、比例ゲインＫ_Ｐが予め設定されている。第１乗算部３６２は、第１保持部３６１から入力された差分Ｄに比例ゲインＫ_Ｐを乗算し、乗算値を加算部３６３に出力する。

一方、積分部３６５は、減算部３６０から入力された差分Ｄを積分することによって積分値を算出し、算出した積分値を第２保持部３６６に出力する。第２保持部３６６は、積分部３６５から入力された積分値を第２乗算部３６７に出力する。

フィードバック制御部３３１には、計算機６００から出力された演算設定値Ｓ５に基づき、積分ゲインＫ_Ｉが予め設定されている。第２乗算部３６７は、第２保持部３６６から入力された積分値に積分ゲインＫ_Ｉを乗算し、乗算値を加算部３６３に出力する。

加算部３６３は、第１乗算部３６２から入力された乗算値に、第２乗算部３６７から入力された乗算値を加算することで、補正後振幅指令信号Ｓ８を生成する。加算部３６３は、生成した補正後振幅指令信号Ｓ８をデジタルシンセサイザー３３２に出力する。

次に、クロック停止信号Ｓ１５がタイミング制御部３１０からフィードバック制御部３３１に入力された場合における、フィードバック制御部３３１の処理について説明する。タイミング制御部３１０は、加速器１００を周回する荷電粒子ビームＢを所望のエネルギーに保持する場合には、クロック信号Ｓ２を停止する。タイミング制御部３１０は、クロック信号Ｓ２を停止した場合、フィードバック制御部３３１にクロック停止信号Ｓ１５を出力する。タイミング制御部３１０から出力されたクロック停止信号Ｓ１５は、フィードバック制御部３３１の第１保持部３６１、積分停止部３６４、および第２保持部３６６に入力される。

減算部３６０は、信号生成部３２０から入力された振幅指令信号Ｓ６と、振幅検出部５１０から入力された振幅検出信号Ｓ１４との差分Ｄを算出し、算出した差分Ｄを第１保持部３６１および積分部３６５に出力する。

第１保持部３６１は、クロック停止信号Ｓ１５が入力されると、クロック停止信号Ｓ１５が入力される直前の差分Ｄを保持し、保持した差分Ｄを第１乗算部３６２に出力する。第１保持部３６１は、クロック停止信号Ｓ１５が入力されなくなるまで、差分Ｄを一定に保持し続ける。第１乗算部３６２は、第１保持部３６１から入力された差分Ｄに比例ゲインＫ_Ｐを乗算し、乗算値を加算部３６３に出力する。

積分停止部３６４は、クロック停止信号Ｓ１５が入力されると、積分停止信号を積分部３６５に出力する。積分部３６５は、積分停止部３６４から積分停止信号が入力されると、差分Ｄを積分する積分処理を停止する。

一方、第２保持部３６６は、クロック停止信号Ｓ１５が入力されると、クロック停止信号Ｓ１５が入力される直前の積分値を保持し、保持した積分値を第２乗算部３６７に出力する。第２保持部３６６は、クロック停止信号Ｓ１５が入力されなくなるまで、積分値を一定に保持し続ける。第２乗算部３６７は、第２保持部３６６から入力された積分値に積分ゲインＫ_Ｉを乗算し、乗算値を加算部３６３に出力する。

加算部３６３は、第１乗算部３６２から入力された乗算値に、第２乗算部３６７から入力された乗算値を加算することで、補正後振幅指令信号Ｓ８を生成する。加算部３６３は、生成した補正後振幅指令信号Ｓ８をデジタルシンセサイザー３３２に出力する。

このように、加速器１００を周回する荷電粒子ビームＢを所望のエネルギーに保持する場合には、第１保持部３６１は減算部３６０から入力された差分Ｄを一定に保持するとともに、第２保持部３６６は積分部３６５から入力された積分値を一定に保持する。これによって、補正後振幅指令信号Ｓ８が一定に保持される。

なお、初期化部３６８は、タイミング制御部３１０からリセット信号Ｓ１が入力されると、初期化指令信号を積分部３６５に出力する。積分部３６５は、初期化部３６８から初期化指令信号が入力されると、算出した積分値を０にする。これによって、初期化部３６８は、積分部３６５によって算出された積分値を初期化することができる。

次に、加速器制御装置３００によって行われる処理について具体的に説明する。振幅指令パターン記憶部３２１には、図３に示される振幅指令パターンＳ３が記憶されている。

タイミング制御部３１０は、荷電粒子ビームＢを加速する際には、リセット信号Ｓ１を信号生成部３２０の振幅指令パターン記憶部３２１に出力する。振幅指令パターン記憶部３２１は、タイミング制御部３１０からリセット信号Ｓ１が入力されると、振幅指令パターンＳ３の最初のデータから順に出力を開始する。これによって、信号生成部３２０から振幅指令信号Ｓ６が出力される。振幅指令信号Ｓ６は、クロック信号Ｓ２に応じて更新されていく。

リセット信号Ｓ１が出力されるタイミング付近において、信号増幅回路４００から各電極１４１ａから１４１ｄに出力される高周波信号Ｓ１２の電力は、荷電粒子ビームＢの入射レベルのエネルギーに相当する電力となっている。この状態で、タイミング制御部３１０がビーム入射信号Ｓ１６を入射器１１０に出力すると、入射器１１０は、荷電粒子ビームＢを加速器１００内の周回軌道に入射させる。その後、振幅指令信号Ｓ６および周波数指令信号Ｓ７に応じて荷電粒子ビームＢにエネルギーが与えられ、荷電粒子ビームＢは加速する。

なお、信号生成部３２０は、振幅指令パターンＳ３および周波数指令パターンＳ４に加えて、四極電磁石１２０ａから１２０ｈに供給する電流の電流値指令パターンと、偏向電磁石１３０ａから１３０ｄに供給する電流の電流値指令パターンについても記憶している。信号生成部３２０は、これらの電流値指令パターンに基づいて、四極電磁石１２０ａから１２０ｈに供給する電流および偏向電磁石１３０ａから１３０ｄに供給する電流を制御する。これによって、加速器制御装置３００は、加速器１００内の荷電粒子ビームＢに対して、リセット、入射、加速、減速を繰り返す。

図５は、第１の実施形態に係る振幅指令信号Ｓ６の一例を示す図である。図５に示される振幅指令信号Ｓ６において、横軸は時間を示し、縦軸は電極１４１ａから１４１ｄに印加する電圧の振幅指令値を示す。出射器１５０から荷電粒子ビームＢを出射させる際には、タイミング制御部３１０は、振幅指令信号Ｓ６が荷電粒子ビームＢの出射に必要な振幅を指令する振幅指令値になるまで待つ。例えば、タイミング制御部３１０は、荷電粒子ビームＢのエネルギーを計測する計測回路を用いて、振幅指令信号Ｓ６が荷電粒子ビームＢの出射に必要な振幅を指令する振幅指令値になったか否かを判定する。

例えば、タイミング制御部３１０は、振幅指令値Ａ１で荷電粒子ビームＢを出射させる場合、振幅指令信号Ｓ６が振幅指令値Ａ１に到達したタイミングでクロック信号Ｓ２を停止する。これによって、振幅指令信号Ｓ６は一定値（振幅指令値Ａ１）に保持される。また、タイミング制御部３１０は、クロック信号Ｓ２を停止すると、信号補正部３３０にクロック停止信号Ｓ１５を出力する。前述したように、信号補正部３３０は、タイミング制御部３１０からクロック停止信号Ｓ１５が入力されると、補正後振幅指令信号Ｓ８を一定に保持するとともに、補正後周波数指令信号Ｓ９を一定に保持する。これによって、信号補正部３３０は、正弦波である高周波信号Ｓ１０の振幅を一定に保持する。

タイミング制御部３１０は、クロック信号Ｓ２を停止している間において、ビーム出射信号Ｓ１７を出射器１５０に出力する。出射器１５０は、ビーム出射信号Ｓ１７がタイミング制御部３１０から入力されると、荷電粒子ビームＢを加速器１００内の周回軌道から照射装置２００に向けて出射する。これによって、振幅指令値Ａ１で荷電粒子ビームＢを出射させることができる。その後、タイミング制御部３１０は、信号生成部３２０へのクロック信号Ｓ２の出力を再開するとともに、信号補正部３３０へのクロック停止信号Ｓ１５の出力を停止する。

次に、タイミング制御部３１０は、振幅指令値Ａ２で荷電粒子ビームＢを出射させる場合、振幅指令信号Ｓ６が振幅指令値Ａ２に到達したタイミングでクロック信号Ｓ２を停止する。これによって、振幅指令信号Ｓ６は一定値（振幅指令値Ａ２）に保持される。また、タイミング制御部３１０は、クロック信号Ｓ２を停止すると、信号補正部３３０にクロック停止信号Ｓ１５を出力する。前述したように、クロック停止信号Ｓ１５が信号補正部３３０に入力されると、信号補正部３３０は補正後振幅指令信号Ｓ８を一定に保持する。

タイミング制御部３１０は、クロック信号Ｓ２を停止している間において、ビーム出射信号Ｓ１７を出射器１５０に出力する。出射器１５０は、ビーム出射信号Ｓ１７がタイミング制御部３１０から入力されると、荷電粒子ビームＢを加速器１００内の周回軌道から照射装置２００に向けて出射する。これによって、振幅指令値Ａ２で荷電粒子ビームＢを出射させることができる。その後、タイミング制御部３１０は、信号生成部３２０へのクロック信号Ｓ２の出力を再開するとともに、信号補正部３３０へのクロック停止信号Ｓ１５の出力を停止する。

以上の処理を繰り返すことにより、加速器制御装置３００は、電極１４１ａから１４１ｄに所望の振幅の電圧を印加しながら、荷電粒子ビームＢを加速器１００から照射装置２００に向けて出射させることができる。また、加速器制御装置３００は、補正後振幅指令信号Ｓ８を一定に保持した状態で加速器１００から荷電粒子ビームＢを出射させることで、荷電粒子ビームＢの強度を安定化することができる。

クロック停止信号Ｓ１５がフィードバック制御部３３１に入力されていない場合、フィードバック制御部３３１は、振幅検出部５１０から入力された振幅検出信号Ｓ１４（電極１４１ａに印加された電圧の振幅）に基づき、比例・積分フィードバック演算を常時行う。これによって、フィードバック制御部３３１は、振幅検出信号Ｓ１４が振幅指令信号Ｓ６に近づくように補正後振幅指令信号Ｓ８を変動させる。

フィードバック演算によって補正後振幅指令信号Ｓ８が変動すると、電極１４１ａから１４１ｄの全体に印加される電圧（空洞電圧）の振幅も変動する。このため、荷電粒子ビームＢの強度が不安定となる。

荷電粒子ビームＢの強度が不安定となるのは、電極１４１ａから１４１ｄが個体差を有するとともに、増幅器４２０ａから増幅器４２０ｄも個体差を有するためである。このため、フィードバック制御部３３１は、電極１４１ａに印加された電圧の振幅が一定値となるように制御したとしても、他の電極１４１ｂから１４１ｄに印加された電圧の振幅が一定値となるように制御できるとは限らない。したがって、フィードバック制御部３３１は、電極１４１ａに印加された電圧の振幅を示す振幅検出信号Ｓ１４のみに基づいて、他の電極１４１ｂから１４１ｄに印加された電圧の振幅を正確に制御することは困難である。

図６は、第１の実施形態を適用しない場合の、線量モニタ２１０の測定値の一例を示す図である。図６において、横軸は時間を示し、縦軸は荷電粒子ビームＢの強度を示す。図６に示される例においては、補正後振幅指令信号Ｓ８を一定に保持することなく、フィードバック制御部３３１がフィードバック演算を行いながら、出射器１５０が荷電粒子ビームＢを出射している。この場合、補正後振幅指令信号Ｓ８が変動するため、荷電粒子ビームＢの強度が不安定となる。

一方で、本実施形態において、信号補正部３３０は、加速器１００から荷電粒子ビームＢを出射させる際には、補正後振幅指令信号Ｓ８を一定に保持する。これによって、信号補正部３３０は、各電極１４１ａから１４１ｄに出力される高周波信号の振幅を一定に保持することができるため、電極１４１ａから１４１ｄの全体に印加される電圧（空洞電圧）の振幅を一定に保持することができる。

図７は、第１の実施形態を適用した場合の、線量モニタ２１０の測定値の一例を示す図である。図７に示されるように、本実施形態によれば、荷電粒子ビームＢの強度の変動を抑制することができ、荷電粒子ビームＢの強度を安定化することができる。

図８は、第１の実施形態に係る加速器制御装置３００、信号増幅回路４００、および振幅検出回路５００の動作を示すフローチャートである。まず、信号生成部３２０は、振幅指令パターン記憶部３２１に記憶された振幅指令パターンＳ３を参照し、クロック信号Ｓ２に応じた振幅指令信号Ｓ６を生成する（Ｓ１０１）。また、信号生成部３２０は、周波数指令パターン記憶部３２２に記憶された周波数指令パターンＳ４を参照し、クロック信号Ｓ２に応じた周波数指令信号Ｓ７を生成する。

Ｓ１０１と並行して、振幅検出部５１０は、電極１４１ａに印加された電圧の振幅を検出し、振幅検出信号Ｓ１４を信号補正部３３０に出力する（Ｓ１０２）。信号補正部３３０は、振幅検出部５１０から入力された振幅検出信号Ｓ１４に基づいて、信号生成部３２０から出力された振幅指令信号Ｓ６を補正する（Ｓ１０３）。また、信号補正部３３０は、信号生成部３２０から出力された周波数指令信号Ｓ７についても補正する。

信号補正部３３０は、補正後振幅指令信号Ｓ８および補正後周波数指令信号Ｓ９に基づき、高周波信号Ｓ１０を生成する（Ｓ１０４）。信号増幅回路４００は、信号補正部３３０によって生成された高周波信号Ｓ１０を増幅器４２０ａから４２０ｄに分配する（Ｓ１０５）。その後、信号増幅回路４００は、分配された高周波信号Ｓ１１を増幅する（Ｓ１０６）。増幅された高周波信号Ｓ１２は、各電極１４１ａから１４１ｄに出力される。その後、加速器制御装置３００は、前述のＳ１００に処理を戻す。

一方、タイミング制御部３１０は、前述した計測回路を用いて、加速器１００を周回する荷電粒子ビームＢが所望のエネルギーに達したか否かを判定する（Ｓ１００）。加速器１００を周回する荷電粒子ビームＢが所望のエネルギーに達していないとタイミング制御部３１０によって判定された場合、前述のＳ１０３に処理が進められる。

一方、加速器１００を周回する荷電粒子ビームＢが所望のエネルギーに達したとタイミング制御部３１０によって判定された場合、信号補正部３３０は、高周波信号Ｓ１０の振幅を一定に保持する（Ｓ１０７）。高周波信号Ｓ１０の振幅を一定に保持することで、荷電粒子ビームＢの強度を安定化することができる。その後、前述のＳ１０３に処理が進められる。

以上説明したように、第１の実施形態において、信号生成部３２０は、複数の電極１４１ａから１４１ｄに印加する電圧の振幅を制御するための振幅指令信号Ｓ６を生成する。振幅検出部５１０は、１の電極１４１ａに印加された電圧の振幅を検出する。信号補正部３３０は、振幅検出部５１０によって検出された振幅に基づいて振幅指令信号Ｓ６を補正し、補正後振幅指令信号Ｓ８を用いて電極１４１ａから１４１ｄに出力される高周波信号Ｓ１０を生成する。信号補正部３３０は、加速器１００を周回する荷電粒子ビームＢを所望のエネルギーに保持する場合には、高周波信号Ｓ１０の振幅を一定に保持する。これによって、荷電粒子ビームＢの強度を安定化することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態において、フィードバック制御部３３１は、電極１４１ａに印加された電圧の振幅のみに基づいて、フィードバック演算を行うこととした。これに対し、第２の実施形態において、フィードバック制御部３３１は、複数の電極に印加された電圧の振幅のそれぞれに基づいて、フィードバック演算を行うこととする。ここで、電極数を特に限定するものではないが、以下の説明では４つの電極１４１ａから１４１ｄに印加された電圧の振幅に基づいてフィードバック演算をする場合を例として説明する。即ち、本実施形態において、フィードバック制御部３３１は、電極１４１ａに印加された電圧の振幅と、電極１４１ｂに印加された電圧の振幅と、電極１４１ｃに印加された電圧の振幅と、電極１４１ｄに印加された電圧の振幅とに基づいて、フィードバック演算を行うこととする。これによって、信号補正部３３０は、荷電粒子ビームＢの強度をより安定化することができる。以下、第２の実施形態について詳細に説明する。

図９は、第２の実施形態に係る加速器制御装置３００、信号増幅回路４００、振幅検出回路５００、および高周波加速空洞１４０の詳細構成を示すブロック図である。図９において、図２の各部に対応する部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

高周波加速空洞１４０には、電圧検出部１４２ａから１４２ｄが設けられている。電圧検出部１４２ａから１４２ｄは、それぞれ、電極１４１ａから１４１ｄに印加された電圧を検出する。電圧検出部１４２ａから１４２ｄは、それぞれ、検出した電圧を示す電圧検出信号Ｓ１３を振幅検出回路５００に出力する。

振幅検出回路５００は、振幅検出部５１０ａから５１０ｄを備える。振幅検出部５１０ａから５１０ｄは、それぞれ、電圧検出信号Ｓ１３が入力されると、入力された電圧検出信号Ｓ１３に基づき、電圧検出部１４２ａから１４２ｄに印加された電圧の振幅を検出する。振幅検出部５１０ａから５１０ｄは、それぞれ、検出した電圧の振幅を示す振幅検出信号Ｓ１４を信号補正部３３０に出力する。

図１０は、第２の実施形態に係るフィードバック制御部３３１の詳細構成を示す図である。図１０において、図４の各部に対応する部分には同一の符号を付し、説明を省略する。フィードバック制御部３３１は、減算部３６０と、第１保持部３６１と、第１乗算部３６２と、加算部３６３と、積分停止部３６４と、積分部３６５と、第２保持部３６６と、第２乗算部３６７と、初期化部３６８と、平均演算部３６９とを備える。

まず、クロック停止信号Ｓ１５がタイミング制御部３１０からフィードバック制御部３３１に入力されていない場合における、フィードバック制御部３３１の処理について説明する。平均演算部３６９は、振幅検出部５１０ａから５１０ｄから入力された振幅検出信号Ｓ１４の平均値を算出し、算出した平均値を減算部３６０に出力する。

減算部３６０は、信号生成部３２０から入力された振幅指令信号Ｓ６と、平均演算部３６９から入力された平均値との差分Ｄを算出し、算出した差分Ｄを第１保持部３６１および積分部３６５に出力する。

第１保持部３６１は、減算部３６０から入力された差分Ｄを第１乗算部３６２に出力する。第１乗算部３６２は、第１保持部３６１から入力された差分Ｄに比例ゲインＫ_Ｐを乗算し、乗算値を加算部３６３に出力する。

一方、積分部３６５は、減算部３６０から入力された差分Ｄを積分し、積分値を第２保持部３６６に出力する。第２保持部３６６は、積分部３６５から入力された積分値を第２乗算部３６７に出力する。第２乗算部３６７は、第２保持部３６６から入力された積分値に積分ゲインＫ_Ｉを乗算し、乗算値を加算部３６３に出力する。

加算部３６３は、第１乗算部３６２から入力された乗算値に第２乗算部３６７から入力された乗算値を加算することで、補正後振幅指令信号Ｓ８を生成する。加算部３６３は、生成した補正後振幅指令信号Ｓ８をデジタルシンセサイザー３３２に出力する。

次に、クロック停止信号Ｓ１５がタイミング制御部３１０からフィードバック制御部３３１に入力された場合における、フィードバック制御部３３１の処理について説明する。タイミング制御部３１０は、加速器１００を周回する荷電粒子ビームＢを所望のエネルギーに保持する場合には、クロック信号Ｓ２を停止する。タイミング制御部３１０は、クロック信号Ｓ２を停止した場合、フィードバック制御部３３１にクロック停止信号Ｓ１５を出力する。タイミング制御部３１０から出力されたクロック停止信号Ｓ１５は、フィードバック制御部３３１の第１保持部３６１、積分停止部３６４、および第２保持部３６６に入力される。

減算部３６０は、信号生成部３２０から入力された振幅指令信号Ｓ６と、平均演算部３６９から入力された平均値との差分Ｄを算出し、算出した差分Ｄを第１保持部３６１および積分部３６５に出力する。

第１保持部３６１は、クロック停止信号Ｓ１５が入力されると、クロック停止信号Ｓ１５が入力される直前の差分Ｄを保持し、保持した差分Ｄを第１乗算部３６２に出力する。第１保持部３６１は、クロック停止信号Ｓ１５が入力されなくなるまで、差分Ｄを一定に保持し続ける。第１乗算部３６２は、第１保持部３６１から入力された差分Ｄに比例ゲインＫ_Ｐを乗算し、乗算値を加算部３６３に出力する。

積分停止部３６４は、クロック停止信号Ｓ１５が入力されると、積分停止信号を積分部３６５に出力する。積分部３６５は、積分停止部３６４から積分停止信号が入力されると、差分Ｄを積分する積分処理を停止する。

一方、第２保持部３６６は、クロック停止信号Ｓ１５が入力されると、クロック停止信号Ｓ１５が入力される直前の積分値を保持し、保持した積分値を第２乗算部３６７に出力する。第２保持部３６６は、クロック停止信号Ｓ１５が入力されなくなるまで、積分値を一定に保持し続ける。第２乗算部３６７は、第２保持部３６６から入力された積分値に積分ゲインＫ_Ｉを乗算し、乗算値を加算部３６３に出力する。

加算部３６３は、第１乗算部３６２から入力された乗算値に、第２乗算部３６７から入力された乗算値を加算することで、補正後振幅指令信号Ｓ８を生成する。加算部３６３は、生成した補正後振幅指令信号Ｓ８をデジタルシンセサイザー３３２に出力する。

このように、加速器１００を周回する荷電粒子ビームＢを所望のエネルギーに保持する場合には、第１保持部３６１は減算部３６０から入力された差分Ｄを一定に保持するとともに、第２保持部３６６は積分部３６５から入力された積分値を一定に保持する。これによって、補正後振幅指令信号Ｓ８が一定に保持される。

複数の電極１４１ａから１４１ｄのそれぞれに印加された電圧の振幅は、常時一致していることが理想的である。しかしながら、電極１４１ａから１４１ｄは個体差を有するとともに、増幅器４２０ａから増幅器４２０ｄも個体差を有する。このため、複数の電極１４１ａから１４１ｄのそれぞれに印加された電圧の振幅を、常時一致させることは難しい。

本実施形態の信号補正部３３０は、複数の電極１４１ａから１４１ｄのそれぞれに印加された電圧の振幅が一致していない場合であっても、複数の電極１４１ａから１４１ｄのそれぞれに印加された電圧の振幅の平均値に基づいて、振幅指令信号Ｓ６を補正する。これによって、複数の電極１４１ａから１４１ｄのそれぞれに印加された電圧の振幅が常時一致しない場合であっても、荷電粒子ビームＢに与えられるエネルギーを一定にすることができ、荷電粒子ビームＢの強度をより安定化することができる。

以上説明したように、第２の実施形態において、振幅検出部５１０ａから５１０ｄは、複数の電極１４１ａから１４１ｄのそれぞれに印加された電圧の振幅を検出する。信号補正部３３０は、振幅検出部５１０ａから５１０ｄによって検出された振幅の平均値を算出し、算出した平均値に基づいて信号生成部３２０によって生成された振幅指令信号Ｓ６を補正する。これによって、荷電粒子ビームＢの強度をより安定化することができる。

（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態において、信号補正部３３０は、荷電粒子ビームＢを出射させる際には、高周波信号Ｓ１０の振幅を一定に保持し続けることとした。これに対し、第３の実施形態において、信号補正部３３０は、一定に保持した高周波信号Ｓ１０の振幅を一定時間強制的に減弱させることで、荷電粒子ビームＢのバンチ状態を抑制することとする。ここで、バンチ状態とは、荷電粒子が集まって塊になった状態を意味する。以下、第３の実施形態について詳細に説明する。

図１１は、第３の実施形態に係るフィードバック制御部３３１の詳細構成を示す図である。図１１において、図４の各部に対応する部分には同一の符号を付し、説明を省略する。フィードバック制御部３３１は、減算部３６０と、第１保持部３６１と、第１乗算部３６２と、加算部３６３と、積分停止部３６４と、積分部３６５と、第２保持部３６６と、第２乗算部３６７と、初期化部３６８と、デバンチ部３７０とを備える。

第３の実施形態は、フィードバック制御部３３１にデバンチ部３７０が設けられている点で第１の実施形態とは異なる。デバンチ部３７０には、計算機６００から出力された演算設定値Ｓ５に基づき、待ち時間Ｔ１と、デバンチ時間Ｔ２と、リキャプチャ時間Ｔ３とが予め設定されている。

まず、クロック停止信号Ｓ１５がタイミング制御部３１０からフィードバック制御部３３１に入力されていない場合、デバンチ部３７０は、加算部３６３からの出力信号を、補正後振幅指令信号Ｓ８としてデジタルシンセサイザー３３２に出力する。

一方、クロック停止信号Ｓ１５がタイミング制御部３１０からフィードバック制御部３３１に入力された場合、デバンチ部３７０は、荷電粒子ビームＢのバンチ状態を抑制するデバンチ処理を行う。デバンチ処理は、一定に保持した高周波信号Ｓ１０を、一定時間強制的に下げる処理である。

荷電粒子ビームＢがバンチ状態（荷電粒子の塊の状態）となっている場合、荷電粒子ビームＢが加速器１００を周回している間、荷電粒子ビームＢにコヒーレントシンクロトロン振動が発生する。コヒーレントシンクロトロン振動の影響によって、荷電粒子ビームＢが進行方向に振動すると、荷電粒子ビームＢの強度が不安定になる。本実施形態のデバンチ部３７０は、デバンチ処理を行うことにより荷電粒子ビームＢのバンチ状態を抑制する。これによって、コヒーレントシンクロトロン振動を抑制し、荷電粒子ビームＢの強度を安定化することができる。

図１２は、第３の実施形態に係る補正後振幅指令信号Ｓ８の一例を示す図である。図１２は、補正後振幅指令信号Ｓ８の経時変化と、リセット信号Ｓ１、クロック信号Ｓ２およびクロック停止信号Ｓ１５がタイミング制御部３１０から出力されるタイミングとを、時間軸を揃えて示す。即ち、図１２において横軸は時間を示し、縦軸はそれぞれ補正後振幅指令信号Ｓ８、リセット信号Ｓ１、クロック信号Ｓ２、および、クロック停止信号Ｓ１５の信号強度を示す。出射器１５０から荷電粒子ビームＢを出射させる際には、タイミング制御部３１０は、振幅指令信号Ｓ６が荷電粒子ビームＢの出射に必要な振幅を指令する振幅指令値になるまで待つ。例えば、タイミング制御部３１０は、荷電粒子ビームＢのエネルギーを計測する計測回路を用いて、振幅指令信号Ｓ６が荷電粒子ビームＢの出射に必要な振幅を指令する振幅指令値になったか否かを判定する。

例えば、タイミング制御部３１０は、振幅指令値Ａ１で荷電粒子ビームＢを出射させる場合、振幅指令信号Ｓ６が振幅指令値Ａ１に到達したタイミングでクロック信号Ｓ２を停止する。これによって、振幅指令信号Ｓ６は一定値（振幅指令値Ａ１）に保持される。また、タイミング制御部３１０は、クロック信号Ｓ２を停止すると、信号補正部３３０にクロック停止信号Ｓ１５を出力する。前述したように、クロック停止信号Ｓ１５が信号補正部３３０に入力されると、信号補正部３３０は補正後振幅指令信号Ｓ８を一定に保持する。このとき、クロック停止信号Ｓ１５はデバンチ部３７０にも入力される。

デバンチ部３７０は、クロック停止信号Ｓ１５が入力されてから待ち時間Ｔ１が経過するまで待機する。待ち時間Ｔ１が経過するまでの間、デバンチ部３７０は、加算部３６３からの出力信号を、補正後振幅指令信号Ｓ８としてデジタルシンセサイザー３３２に出力する。即ち、デバンチ部３７０は、待ち時間Ｔ１が経過するまでの間、信号補正部３３０から出力される補正後振幅指令信号Ｓ８を一定に保持する。クロック停止信号Ｓ１５が入力されてから待ち時間Ｔ１が経過すると、デバンチ部３７０は、デバンチ時間Ｔ２が経過するまで補正後振幅指令信号Ｓ８を所定値（例えば、待ち時間Ｔ１における補正後振幅指令信号Ｓ８の５％以下、典型的には１％以下、好ましくは０％）まで強制的に下げる。

デバンチ部３７０が補正後振幅指令信号Ｓ８を強制的に下げることで、一定に保持した高周波信号Ｓ１０が強制的に下げられる。高周波信号Ｓ１０が下げられると、複数の電極１４１ａから１４１ｄのそれぞれに印加される電圧が小さくなる。複数の電極１４１ａから１４１ｄのそれぞれに印加される電圧が小さくなると、荷電粒子ビームＢはバンチ状態から解放され、荷電粒子が加速器１００内に一様に分布する。これによって、荷電粒子ビームＢのバンチ状態を抑制することができる。

その後、デバンチ部３７０は、リキャプチャ時間Ｔ３が経過するまで補正後振幅指令信号Ｓ８を直線的に振幅指令値Ａ１まで増加させるリキャプチャ処理を行う。補正後振幅指令信号Ｓ８を振幅指令値Ａ１まで徐々に増加させることによって、荷電粒子ビームＢは若干バンチ状態になる。しかしながら、デバンチ処理を行う前の荷電粒子ビームＢと比較して、コヒーレントシンクロトロン振動は抑制される。

本実施形態において、デバンチ部３７０は、補正後振幅指令信号Ｓ８を振幅指令値Ａ１まで急激に増加させるのではなく、リキャプチャ時間Ｔ３の間徐々に増加させる。これによって、荷電粒子ビームＢに対してスムーズにリキャプチャ処理を行うことができる。

なお、デバンチ部３７０は、信号補正部３３０（フィードバック制御部３３１）にリセット信号入力後にクロック停止信号Ｓ１５が最初に入力されたときにだけ、デバンチ処理を行う。すなわち、図１２の例において、デバンチ部３７０は、振幅指令値Ａ１に対してのみデバンチ処理を行い、振幅指令値Ａ２からＡｎに対してはデバンチ処理を行わない。デバンチ部３７０は、荷電粒子ビームＢが加速された後、デバンチ処理を１回実施すればコヒーレントシンクロトロン振動を十分抑制できる。逆に、デバンチ部３７０がデバンチ処理を複数回行うと、加速器１００を周回する荷電粒子の量が減ってしまう。このため、デバンチ部３７０は、クロック停止信号Ｓ１５が入力された後、１回だけデバンチ処理を行う。これによって、加速器１００を周回する荷電粒子の量が大幅に減少するのを防止できるとともに、コヒーレントシンクロトロン振動を抑制することができる。

以上説明したように、第３の実施形態において、信号補正部３３０は、一定に保持した高周波信号Ｓ１０を一定時間強制的に下げることで、荷電粒子ビームＢのバンチ状態を抑制する。これによって、荷電粒子ビームＢの強度をより安定化することができる。

なお、第３の実施形態において、フィードバック制御部３３１は、電極１４１ａに印加された電圧の振幅のみに基づいて、フィードバック演算を行うこととしたが、これに限られない。例えば、フィードバック制御部３３１は、第２の実施形態と同様に、複数の電極に印加された電圧の振幅のそれぞれに基づいて、フィードバック演算を行ってもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、加速器制御装置３００は、信号生成部３２０と、信号補正部３３０とを持つ。加速器制御装置３００は、複数の電極１４１ａから１４１ｄを有する高周波加速空洞１４０を用いて荷電粒子ビームＢを加速する加速器１００を制御する。信号生成部３２０は、複数の電極１４１ａから１４１ｄに印加する電圧の振幅を制御するための振幅指令信号Ｓ６を生成する。信号補正部３３０は、複数の電極１４１ａから１４１ｄのうちの少なくとも一つの電極に印加された電圧の振幅に基づいて、信号生成部３２０によって生成された振幅指令信号Ｓ６を補正することにより、複数の電極１４１ａから１４１ｄに出力される高周波信号Ｓ１０を生成する。信号補正部３３０は、荷電粒子ビームＢを所望のエネルギーに保持する場合には、高周波信号Ｓ１０の振幅を一定に保持する。これによって、荷電粒子ビームＢの強度を安定化することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…粒子線治療装置、１００…加速器、１１０…入射器、１４０…高周波加速空洞、１４１ａ…電極、１４１ｂ…電極、１４１ｃ…電極、１４１ｄ…電極、１４２…電圧検出部、１５０…出射器、２００…照射装置、２１０…線量モニタ、３００…加速器制御装置、３１０…タイミング制御部、３２０…信号生成部、３２１…振幅指令パターン記憶部、３２２…周波数指令パターン記憶部、３３０…信号補正部、３３１…フィードバック制御部、３３２…デジタルシンセサイザー、３６０…減算部、３６１…第１保持部、３６２…第１乗算部、３６３…加算部、３６４…積分停止部、３６５…積分部、３６６…第２保持部、３６７…第２乗算部、３６８…初期化部、３６９…平均演算部、３７０…デバンチ部、４００…信号増幅回路、４１０…信号分配部、４２０ａ…増幅器、４２０ｂ…増幅器、４２０ｃ…増幅器、４２０ｄ…増幅器、５００…振幅検出回路、５１０…振幅検出部

Claims (9)

1. 複数の電極を有する高周波加速空洞を用いて荷電粒子ビームを加速する加速器を制御する加速器制御装置であって、
   前記複数の電極に印加する電圧の振幅を制御するための振幅指令信号を生成する信号生成部と、
   前記複数の電極のうちの少なくとも一つの電極に印加された電圧の振幅に基づいて、前記信号生成部によって生成された前記振幅指令信号を補正し、補正した前記振幅指令信号を用いて前記複数の電極に出力される高周波信号を生成する信号補正部と、を備え、
   前記信号補正部は、前記荷電粒子ビームを所望のエネルギーに保持する場合には、前記高周波信号の振幅を一定に保持する
   加速器制御装置。
2. 前記加速器から前記荷電粒子ビームを出射させるタイミングを制御するタイミング制御部を更に備え、
   前記信号生成部は、前記タイミング制御部から入力されたクロック信号に応じて前記振幅指令信号を生成する
   請求項１記載の加速器制御装置。
3. 前記タイミング制御部は、前記加速器から前記荷電粒子ビームを出射させる際には、前記信号生成部への前記クロック信号の出力を停止するとともに、前記クロック信号の出力を停止したことを示すクロック停止信号を前記信号補正部に出力し、
   前記信号補正部は、前記タイミング制御部から前記クロック停止信号が入力されたことに応じて、前記高周波信号の振幅を一定に保持する
   請求項２記載の加速器制御装置。
4. 前記信号生成部は、前記振幅指令信号のパターンを示す振幅指令パターン情報を記憶する記憶部を備え、前記タイミング制御部から入力される前記クロック信号に応じて前記記憶部から前記振幅指令パターン情報を読み出すことで、前記振幅指令信号を生成する
   請求項２または３記載の加速器制御装置。
5. 前記信号補正部は、
   前記信号生成部によって生成された前記振幅指令信号と、前記複数の電極のうちの少なくとも一つの電極に印加された電圧の振幅の値を示す振幅検出信号との差分を保持する第１保持部と、
   前記差分を積分することによって積分値を算出する積分部と、
   前記積分部によって算出された前記積分値を保持する第２保持部と、を備え、
   前記荷電粒子ビームを所望のエネルギーに保持する場合には、前記第１保持部は前記差分を一定に保持するとともに、前記第２保持部は前記積分値を一定に保持する
   請求項１から４の何れか一項に記載の加速器制御装置。
6. 前記信号補正部は、前記複数の電極のそれぞれに印加された電圧の振幅の平均値を算出し、算出した前記平均値に基づいて前記信号生成部によって生成された前記振幅指令信号を補正する
   請求項１から５の何れか一項に記載の加速器制御装置。
7. 前記信号補正部は、一定に保持した前記高周波信号を一定時間強制的に下げることで、前記荷電粒子ビームのバンチ状態を抑制する
   請求項１から６の何れか一項に記載の加速器制御装置。
8. 複数の電極を有する高周波加速空洞を用いて荷電粒子ビームを加速する加速器を制御する加速器制御方法であって、
   前記複数の電極に印加する電圧の振幅を制御するための振幅指令信号を生成する信号生成工程と、
   前記複数の電極のうちの少なくとも一つの電極に印加された電圧の振幅に基づいて、前記信号生成工程で生成された前記振幅指令信号を補正し、補正した前記振幅指令信号を用いて前記複数の電極に出力される高周波信号を生成する信号補正工程と、
   前記荷電粒子ビームを所望のエネルギーに保持する場合には、前記高周波信号の振幅を一定に保持する保持工程と
   を備える加速器制御方法。
9. 複数の電極を有する高周波加速空洞を用いて荷電粒子ビームを加速する加速器と、
   前記複数の電極に印加する電圧の振幅を制御するための振幅指令信号を生成する信号生成部と、
   前記複数の電極のうちの少なくとも一つの電極に印加された電圧の振幅に基づいて、前記信号生成部によって生成された前記振幅指令信号を補正し、補正した前記振幅指令信号を用いて前記複数の電極に出力される高周波信号を生成する信号補正部と、を備え、
   前記信号補正部は、前記荷電粒子ビームを所望のエネルギーに保持する場合には、前記高周波信号の振幅を一定に保持する
   粒子線治療装置。

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