JPH03122997A - 加速器のビーム調整方法およびビーム調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はサイクロトロン等の加速器のビーム調整方法お
よびビーム調整装置に関し、特に未熟練者にも比較的容
易にビーム調整を可能とさせる加速器のビーム調整方法
およびビーム調整装置に関する。

［従来の技術］ サイクロトロン装置においては、イオンビームが注入さ
れた後、渦巻状の軌跡を画きながら加速され、デフレク
タを介して取り出される。このようなサイクロトロン装
置は、電磁石、高周波装置等多数の機器から構成されて
おり、運転開始時には各機器の設定値を微調整してビー
ム引き出し効率を最大にする作業が必要である。この調
整作業は、ビームパターンを測定しつつ行われる。

ビームパターンの測定は、ビーム電流プローブをサイク
ロトロン内部の中央部まで挿入し、半径方向に走査して
、ビーム電流の半径方向分布を測定することによって行
われる。測定したビームパターンはそのままＣＲ７等デ
イスプレィ上に表示する。

ビームパターンを参照しながらの調整作業は、■操作パ
ラメータが２０〜５０個と多いこと、■計測されたビー
ムパターンの評価には熟練を要すること、 ■操作パラメータと計測量との因果関係が不明確である
こと、 ■熟練オペレータは勘に頼って試行錯誤的に調整してお
り、その調整規則が明確でないこと等により未熟練者に
よる調整は容易でなかった。

［発明が解決しようとする課題］ 以上述べたように、従来のサイクロトロン等の加速器に
おいては、イオンビームのターンパターンを計測し、調
整パラメータを試行錯誤的に調整したため、その作業は
熟練を必要とした。

本発明の目的は、ビームパターンを測定すると、未熟練
者にもその後の調整指針を与えることのできるビーム調
整方法を提供することである。

本発明の他の目的は、ビームパターンを測定すると、未
熟達者にもその後の調整指針を与えることのできるビー
ム調整装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 加速器のビーム調整において、操作することのできる操
作パラメータと、加速器のビームパターンの特微量との
間の因果関係の強さを、ファジィ行列として定める。調
整においては、ビームパターンを測定し、そこから特微
量を抽出する。この特微量と、因果関係を表わすファジ
ィ行列とを用いてファジィ逆演算によって操作すべき操
作パラメータの選択可能性を算出し、表示する。得られ
た選択可能性ある操作パラメータを利用して加速器のビ
ーム調整を行う。

［作用］ 加速器の操作パラメータと、結果として得られるビーム
パターンとの間には、因果関係が存在するが、その関係
は曖昧性を有するものである。そのため、通常の数式で
因果関係を表現することは極めて難しいが、この因果関
係をファジィ行列として定めることができる。ビームパ
ターンからファジィ逆演算を用いることによって、不良
の原因となっている操作パラメータの可能性を知ること
ができる。そこで、選択可能性ある操作パラメータを表
示する０表示された操作パラメータを操作することによ
り、未熟練者にも加速器のビーム調整を比較的容易に行
うことができる。

［実施例］ 第１図（Ａ）、（Ｂ）にサイクロトロン装置の概略を示
す。

第１図（Ａ）において、サイクロトロン１においては１
対のデイー電［’２１ａ、２１ｂによってイオンビーム
が加速される。デイ−電極２１ａ、２１ｂによって加速
されたイオンビームは、次第にその半径を拡げつつ螺旋
状の軌道を描く、このビーム軌道を測定するには、ビー
ムパターン用プローブ２を半径方向に走査する。

第１図（Ｂ）はビームパターン用グローブを拡大して示
す、ビームパターン用１０−ブ２はディファレンシャル
ヘッド１１とインテグラルヘッド１２とを有する。イン
テグラルヘッド１２の先端よりも突き出すディファレン
シャルヘッド１１の量は調整することができる。この２
つのヘッドを有するプローブをビーム軌道２２の内に挿
入すると、これらのヘッドを照射するイオンビームの量
に応じた検出電流が得られる。すなわち、ディファレン
シャルヘッド１１からはインテグラルヘッドから突出す
る狭い幅に照射するイオンビームの量が検出され、イン
テグラルヘッド１２からはその広い幅に照射するイオン
電流か検出される。なお、ディファレンシャルヘッドの
検出電流はそのまま、インテグラルヘッドの検出を流は
加算回路１３によってディファレンシャルヘッド１１の
検出電流と加算されて供給されている。ビームパターン
計測用プローブ２の駆動やその位置の検出等は、ビーム
パターン計測装置３によって行われる。

測定したビームパターンデータ２３はビーム調整支援装
置４に入力される。ビーム調整支援装置４には、ビーム
パターンの特微量抽出部５、因果マトリクス算出部６、
因果関係有向グラフメモリ７、ファジィ逆演算部８、操
作パラメータ候補表示部９、ＣＲＴデイスプレィ１０等
が備えられている。

ビームパターンデータはビームパターンの特微量抽出部
５に入力し、そのパターンを特徴づけるパラメータであ
る特徴量が抽出される。

第２図（Ａ＞、（Ｂ）、（Ｃ）にビームパターンの代表
的特徴量を示す。

第２図（Ａ）は、ディファレンシャルへラド１１によっ
て測定されたディファレンシャルビーム電流パターンを
示すグラフである。横軸は軌道半径を示し、縦軸はビー
ム電流を示す、軌道半径が小さな所から大きな所に向う
に従って、ビーム電流はミクロ的に大きく振幅しながら
、マクロ的な緩やかな変化も示す、ビーム電流のミクロ
的変動が収束する位置が幾つか観察される。このような
ミクロ所的変動のなくなる位置をノードと呼び、ノード
の数をＣｎで示す、また、軌道半径が大きくなるとミク
ロ的構造が消滅するが、その消滅する半径を消失半径Ｒ
ｄと表わす。

第２図（Ｂ）は、第２図（Ａ）に示したディファレンシ
ャルビーム電流パターンのエンベロー１で画定される頭
載を示す、すなわち、局所的に振動するビーム電流の包
絡線を取ることによって輪郭を得ている。この輪郭内に
含まれる面積をエンベロー１面積Ａｅと定める。

第２図（Ｃ）は、空間周波数の低い成分であるマクロス
トラクチャの波形を示す、この波形と横軸によって囲ま
れる面積を整流面積Ａｒと定める。

以上説明したビームパターンの包絡線面積Ａｅ、ミクロ
ストラフチャの消失半径Ｒｄ、包絡線パターンの節の数
Ｃｎ、マクロストラクチャ波形の囲む面積Ａｒがビーム
パターンの代表的な特徴量である。なお、これらの特徴
量は規格化して表現する。

サイクロトロンの直接制御パラメータとしては、マグネ
ットのＴｒｈ流として、主コイルを流Ｉｍ、トリムコイ
ル電流Ｉｃｎ、加速用高周波電源のパラメータとして、
デイ−電極に与えられるデイ−電圧ＶＤ、デイ−の位相
φＤ、ハーモニックフィールドのコイル電流Ｉｈ、フェ
ーズスリットを定めるスリットの位置Ｒｓ、スリットの
ギャップＧｓ、パンチャのパンチャ電圧ＶＢ、パンチャ
位相φＢ、インフレクタの電圧Ｖｉｎｆ、インフレクタ
の角度θｉｎｆ　、インフレクタの高さＺｉｎｆ、イン
ジェクタのＱ磁石電流ＩＱｎ、グレーザ電流Ｉ　Ｇｉｎ
等の操作パラメータがある。これらの操作パラメータを
調整することによって、ビームパターンは変化する。変
化するビームパターンの特徴量と操作パラメータとの間
の関係を第３図に概略的に示す。

上に説明した操作パラメータを◎で示し、ビームパター
ンの特徴量を口で示す、また、これらの量の中間的なノ
ードを○で示す、これらの操作パラメータ、中間ノード
、特徴量を平面状に配置しておき、それらの間の因果間
係を自然法則、経験則等によって求め、該当するものを
結ぶ矢印で表わす、たとえば、左側の列の２番目と３番
目に示される操作パラメータＶＢとφＢとから矢印がφ
０に向っている。これはパンチャ電圧とパンチャ位相が
原因となって、注入ビームの位相が決まることを示す、
また、矢印の近傍に付した数値はその因果関係の強さを
示す、この強さないし重みは、理論的、特徴蓋と操作パ
ラメータの感度、不良な特徴蓋の改善に有効であった頻
度、応答性、再現性等操作の容易性等を考慮して経験的
に定めるものである。このように、原因と結果との関係
を矢印によって示したグラフを有向グラフと言い、その
関係の重みを添加したものをファジィグラフと呼ぶ。

１つの操作パラメータから１つの特徴蓋に至る経路の因
果関係の強さは、その経路中の最小の重みによって定め
られる。すなわち、１つの経路が３つの部分に分れ、そ
の各部分の重みがそれぞれ０．１．０．５．０．９であ
れば、その経路の全体としての重みは０．１である。

また、１つの操作パラメータから１つの特徴蓋に至る経
路が複数ある場合には、各経路の重みの内最大の重みを
持つ経路がその２つの量を結ぶ経路となる。このような
最大（ｍａｘ）−Ａｔ小（ｍｉｎ）の関係を用いると１
つの操作パラメータと１つの特徴蓋との間の因果関係の
強さが求まる。

複数の操作パラメータと複数の特徴蓋との間の関係は重
みの集合として表現される。これらの操作パラメータと
特徴蓋との間の因果関係の強さを重みの行列によって示
すことができる。

第４図はこのような因果関係の強さを示すファジィ行列
の例を示す、すなわち、縦に示す操作パラメータが横に
示す特徴蓋に与える因果関係の強さが交差部分の数値に
よって示されている。

１組の操作パラメータが定まると、ファジィ行列を用い
て演算することによって結果として得られるビームパタ
ーンの特徴蓋が得られる。

操作パラメータの選択可能性を示すメンバーシップ関数
をａｉとし、各特徴蓋の不良の程度を示すメンバーシッ
プ関数をｂｊとすると、これらの関係はｂ＝ａ−Ｒと言
うファジィ関係式であられされる。なお、・の記号は上
に述べたｍａｘ−ｍ１ｎの関係を示す、すなわち、操作
パラメータを調整するとそれに伴って特徴蓋が変化する
ことが示される。

ところで、ビームパターンの不良を改善するために操作
するべき操作パラメータの選択を、ｂＲよりａを求める
ファジィ逆演算として求めることができる。

第１図（Ａ）に戻って、ビーム調整支援装置４内には因
果関係の有向グラフを記憶するメモリ７と、因果マトリ
クスを算出する因果マトリクス算出部６が設けられてお
り、有向グラフメモリ７の内容が因果関係マトリクス算
出部６において解釈され、上に説明したアルゴリズムに
より操作パラメータとビームパターン計測量との因果関
係マトリクス（第４図に示すもの）が算出される。ビー
ムパターン特微量抽出部５から得たビームパターン特徴
蓋すと、因果マトリクス算出部６がら得た因果関係マト
リクスＲとを用いることによって、ファジィ逆演算のア
ルゴリズムを利用してａ！算出することができる。この
逆演算部を８で示す。

演算結果は、計測されるビームパターンを改善するのに
どの操作パラメータを調整すれば良いかを示している。

この結果を操作パラメータ候補表示部９で編集してＣＲ
Ｔデイスプレィ１０に表示する。オペレータはその表示
を利用して制御装置２５を操作することによってより良
いビームパターンを得る。

第５図（Ａ）、（Ｂ）はこのような表示の例を示す。

第５図（Ａ）は上部に測定したディファレンシャルビー
ムパターンを示し、このビームパターンの特徴蓋Ａｅ、
Ｒｄ、Ｃｎ、Ａｒのセットがｂ−［，２，１，７１，Ｏ
Ｊとして示されている。この下に選択可能性のある操作
パラメータとして、θ：ｎｆ：　［０，７，１，０］と
ＶＤ　：　［０，５，１，０コが示されている。この表
示は、このビームパターンを改善するために、操作すべ
き操作パラメータとしてθｉｎｒ　、ＶＤの２つがあり
、それぞれその関係の強さは０．７〜１．０の範囲およ
び０．５〜１．０の範囲であることを示している。すな
わち、操作者はこの表示に従ってθｉｎｆまたはＶＤを
調整すればよいことになる。たとえば、少なくとも０．
７の関連が示唆されているθｉｎｆを調整し、続いてＶ
Ｄを調整すればよい。

第５図（Ｂ）はビームパターンの他の例を示す。

図中上部に示すのがビームパターンのグラフであり、そ
の下に特ｆｆｉ量の組［，８，９，２，１］が示されて
いる。また、このビームパターンを改良するのに有効で
あろうと算出された操作パラメータがその下に３つ示さ
れている。すなわち、φＳ：０．８、Ｒｓ　：　［０，
５，１，０］　、Ｇｓ　：　［０，５，１，０］の３つ
の操作パラメータが調整に利用すべき操作パラメータで
ある。また、これらの操作パラメータの重み付けはそれ
ぞれの数値範囲で示唆されている。

以上述べたように、ビームパターンを計測することによ
って、表示装置にはそのビームパターン、特徴量と共に
、不良を改善すべき場合に操作すべき操作パラメータお
よびその関連の強さが表示される。従って、未熟練者で
あってもビームパターンの調整を比較的容易に行うこと
ができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、加速器のビーム
パターンの調整が未熟練者によっても比較的容易に行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）はサイクロトロン装置を説明する
図であり、第１図（Ａ）はシステム構成の全体を概略的
に示すブロック図、第１図（Ｂ）はビームパターン用グ
ローブを拡大して示すダイアグラム、 第２図（Ａ＞、（Ｂ）、（Ｃ）はビームパターンの特徴
量を示すグラフ、 第３図は有向グラフで示されたファジィグラフを示すダ
イアグラム、 第４図はファジィ行列を示す表、 第５図（Ａ）、（Ｂ）はビーム調整支援の表示例を示す
線図である。 図において、 ０ １ ２ ３ ２１ａ、２ ２ ５ サイクロトロン ビームパターン用グローブ ビームパターン計測装！ ビーム調整支援装置 ビームパターンの特徴量抽出部 因果マトリクス算出部 因果関係有向グラフメモリ ファジィ逆演算部 操作パラメータ候補表示部 ＣＲＴデイスプレィ ディファレンシャルヘッド インテグラルヘッド 加算回路 ｂデイ−電極 ビーム軌道 制御装置 （Ｂ）エンベロー１面積　Ａｅ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、加速器のビームを調整するために操作すること
   のできる操作パラメータを｛ｘｉ｝とし、加速器のビー
   ムパターンの特徴を表わす特徴量を｛ｙｊ｝とした時、
   操作パラメータ｛ｘｉ｝と特徴量｛ｙｊ｝との間の因果
   関係をファジィ行列｛ｒｉｊ｝として準備する工程と、 ビームパターンの測定データから特徴量 ｛ｙｊ｝を抽出する工程と、 操作パラメータ｛ｘｉ｝の選択可能性を示すメンバーシ
   ップ関数を｛ａｉ｝、特徴量｛ｙｊ｝の不良の程度を示
   すメンバーシップ関数を ｛ｂｊ｝としてファジィ逆演算によって｛ｂｉ｝から操
   作すべき操作パラメータの選択可能性を示すメンバーシ
   ップ関数｛ａｉ｝を演算する工程と、 得られた選択可能性ある操作パラメータを表示する工程
   と、 表示を利用してビームパターンを調整する工程と を含む加速器のビーム調整方法。
2. （２）、加速器のビーム調整にあたって、調整操作する
   ことのできる操作パラメータとビームパターンの特徴量
   との因果関係を格納するメモリと、加速器のビームパタ
   ーンの計測データを記憶し、その特徴量を抽出する手段
   と、 ビームパターンの特徴量と因果関係からファジィ逆演算
   を行って、不良の原因となっている操作パラメータとそ
   の程度を算出する手段と、その結果をオペレータに表示
   する表示手段とを備えた加速器のビーム調整装置。