WO2018127990A1 - 円形加速器の高周波加速装置及び円形加速器 - Google Patents

円形加速器の高周波加速装置及び円形加速器 Download PDF

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WO2018127990A1
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frequency
accelerator
adjustment mechanism
conductor
outer conductor
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PCT/JP2017/029589
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French (fr)
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智行 岩脇
山本　和男
裕次 宮下
裕介 坂本
啓 井上
大士 永友
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/02—Synchrocyclotrons, i.e. frequency modulated cyclotrons

Definitions

  • the present invention relates to the field of circular accelerators for particle beam therapy, and more particularly to a high-frequency accelerator that accelerates charged particles in response to a plurality of energies by changing the resonance frequency in a synchrocyclotron accelerator.
  • the synchrocyclotron accelerator is a circular accelerator that accelerates charged particles to high energy while rotating around a magnetic pole gap, which is a gap between opposing magnetic poles of a bending electromagnet, so as to draw a spiral orbit.
  • the charged particles are incident on the magnetic pole gap from the center of the synchrocyclotron accelerator, and revolve around the magnetic pole gap by the magnetic field formed by the deflection electromagnet and the magnetic pole.
  • the high-frequency accelerator forms an electric field in the electrode portion in synchronization with the circulating frequency of the charged particles, and imparts energy to the charged particles.
  • the resonant frequency of the high-frequency accelerator that supplies power to the electrode unit is charged in order to decrease the frequency of the electric field formed in the electrode unit in synchronization with this. It is necessary to decrease as the particles accelerate.
  • the circulating frequency of the charged particles is determined by the emission energy emitted from the synchrocyclotron accelerator and the magnetic field distribution of the deflection electromagnet of the synchrocyclotron accelerator.
  • the resonance frequency of the high frequency accelerator is determined by the capacitance and inductance of the high frequency accelerator.
  • the high-frequency accelerator includes, for example, a Dee electrode that is an electrode part that forms an electric field, a transmission line that transmits power to the Dee electrode, a rotating capacitor that changes a resonance frequency, and the like.
  • Patent Document 1 discloses an RF structure corresponding to a high-frequency accelerator that applies a high-frequency (RF) voltage to a dee electrode of a synchrocyclotron accelerator.
  • the high frequency accelerator of Patent Document 1 includes two variable reactance elements (variable capacitive reactance elements) that adjust the resonance frequency.
  • the first variable reactance element is a rotating capacitor
  • the second variable reactance element is a capacitor formed by an inner conductor and a plate facing the inner conductor. This plate partially changes the distance between the inner conductor and the outer conductor of the high-frequency accelerator and adjusts the capacitance.
  • a plate that adjusts the capacitance of the high-frequency accelerator is used to change the resonance frequency band of the rotating capacitor.
  • Patent Document 2 in order to prevent an increase in capacitance between the Dee electrode and the resonant cavity (acceleration cavity) in a cyclotron accelerator that is a circular accelerator, a coupling capacitor body facing the Dee electrode and a coupling capacitor body are connected.
  • a resonance frequency adjusting mechanism is disclosed that includes the inner conductor, the outer electrode surrounding the D electrode and the inner conductor, and a short plate slidably provided between the inner conductor and the outer conductor.
  • the resonance frequency adjustment mechanism of Patent Document 2 adjusts the resonance frequency of the resonance circuit by adjusting the inductance connected in series to the capacitance of the coupling capacitor body and the D electrode by changing the position of the short plate. It was.
  • JP-T-2015-532509 (0135 to 0138, FIG. 27) JP-A-11-354299 (steps 0033 to 0036, FIG. 11)
  • the synchrocyclotron accelerator used for particle beam therapy it is necessary to change the energy of the outgoing beam emitted from the synchrocyclotron accelerator in order to extract a charged particle beam having energy suitable for the treatment site.
  • the high-frequency accelerator of Patent Document 1 when the capacitance of the plate is increased when changing the energy of the outgoing beam, the capacitance adjustment width by the rotating capacitor becomes relatively small, and the frequency adjustment width of the high-frequency accelerator is small. Narrow the band. As a result, it is difficult to widen the energy change width of the outgoing beam. That is, it is difficult for the synchrocyclotron accelerator provided with the high frequency accelerator of Patent Document 1 to extract a charged particle beam having energy suitable for a treatment site having a wide depth range from the skin.
  • the resonance frequency adjustment mechanism of Patent Document 2 is provided with a coupling capacitor body facing the Dee electrode of the cyclotron accelerator in the resonance cavity (acceleration cavity), so that the cyclotron accelerator of Patent Document 2 is connected to the coupling capacitor body.
  • the formed inner conductor is disposed so as to penetrate the magnetic pole and the yoke surrounding the resonance cavity (acceleration cavity) in a direction perpendicular to the track surface around which the charged particles circulate.
  • the cyclotron accelerator of Patent Document 2 has a problem in that the shapes of the magnetic pole and yoke that form the magnetic field in the resonant cavity (acceleration cavity) are complicated. Even when the resonance frequency adjusting mechanism of Patent Document 2 is applied to a synchrocyclotron accelerator, there is a problem that the shapes of magnetic poles and yokes that form a magnetic field in a resonance cavity (acceleration cavity) become complicated.
  • An object of the present invention is to obtain a high-frequency accelerator for a circular accelerator that can change the adjustment band of the resonance frequency that changes in accordance with the capacitance adjustment width to a wide band without complicating the shapes of the magnetic pole and the yoke.
  • a high-frequency accelerator for a circular accelerator according to the present invention is a high-frequency accelerator for a circular accelerator that accelerates the charged particles by applying a high-frequency electric field to charged particles that circulate along a spiral orbit by a deflection magnetic field formed by a deflection electromagnet of the circular accelerator. It is.
  • a high-frequency accelerator for a circular accelerator includes an electrode that applies a high-frequency electric field to charged particles, an inner conductor and an outer conductor that surrounds the inner conductor, a transmission line that transmits high-frequency power to the electrode, a transmission line, and an electrode And a variable capacitive reactance element and a frequency adjustment mechanism for changing the resonance frequency of the acceleration cavity.
  • the frequency adjusting mechanism of the high-frequency accelerator of the circular accelerator includes an adjusting mechanism inner conductor connected to the inner conductor of the transmission line and extending in a direction away from the inner conductor, an outer conductor of the transmission line, and an adjusting mechanism inner conductor. Including the adjustment mechanism outer conductor, the adjustment mechanism inner conductor and the adjustment mechanism outer conductor electrically connected, and the conductor arranged so that the connection position of the adjustment mechanism inner conductor and the adjustment mechanism outer conductor can be changed.
  • a movable short plate is a movable short plate.
  • a high-frequency accelerator for a circular accelerator includes a variable capacitive reactance element that changes a resonance frequency of an acceleration cavity and a frequency adjustment mechanism, and the adjustment mechanism inner conductor of the frequency adjustment mechanism is connected to the inner conductor of the transmission line, and Extending in a direction away from the inner conductor, the movable short plate of the frequency adjustment mechanism electrically connects the adjustment mechanism inner conductor and the adjustment mechanism outer conductor, and the connection position between the adjustment mechanism inner conductor and the adjustment mechanism outer conductor. Therefore, the adjustment band of the resonance frequency that changes corresponding to the capacitance adjustment width can be changed significantly without narrowing the band.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the A1-A1 section of FIG. 1, showing a schematic configuration diagram of the circular accelerator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the rotating capacitor in the A3-A3 cross section of FIG. 4. It is a figure which shows the example of the upper limit and lower limit of a circulating frequency in the circular accelerator by Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the adjusting mechanism in the A4-A4 cross section of FIG. 4. It is a figure explaining the necessity of the outer conductor recessed part of FIG. It is a figure which shows the resonant frequency characteristic of the high frequency accelerator by Embodiment 1 of this invention. It is a figure which shows the resonant frequency characteristic of the high frequency accelerator by a comparative example.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration diagram of a circular accelerator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line A1-A1 of FIG. 1, showing a schematic configuration diagram of the circular accelerator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration diagram of the high-frequency accelerator of FIG. 2, and
  • FIG. 4 is an enlarged view of the adjusting mechanism of FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the rotating capacitor in the A3-A3 cross section of FIG. FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating examples of the upper limit value and the lower limit value of the circulation frequency in the circular accelerator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of changing the circulation frequency by the frequency adjusting mechanism of FIG. 2
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of characteristic impedance distribution of the high-frequency accelerator of FIG.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the adjusting mechanism in the A4-A4 cross section of FIG. 4, and
  • FIG. 10 is a view for explaining the necessity of the outer conductor concave portion of FIG.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the resonance frequency characteristics of the high-frequency accelerator according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG.
  • a synchrocyclotron accelerator 1 which is a circular accelerator is accelerated by a deflection electromagnet 41, an ion source 5 installed in the center of the deflection electromagnet 41, a high-frequency accelerator 2 for accelerating charged particles incident from the ion source 5.
  • An exit duct 15 for taking out charged particles out of the accelerator is provided. Charged particles are simply referred to as particles as appropriate.
  • the deflection electromagnet 41 includes two electric coils 3a and 3b arranged with a gap therebetween, and two yokes 4a and 4b facing each other, each having magnetic poles 32a and 32b excited by the electric coils 3a and 3b. Is provided.
  • the high-frequency accelerator 2 includes a dee electrode 6 disposed in a gap (magnetic pole gap) between the magnetic pole 32 a and the magnetic pole 32 b, a dummy dee electrode 7, and a transmission line 8 that transmits power to the dee electrode 6 and the dummy dee electrode 7.
  • An accelerating cavity 42 composed of the transmission line 8, the dee electrode 6 and the dummy dee electrode 7, an input port 9 for inputting power to the accelerating cavity 42, an input coupler 10, and a variable for changing the resonant frequency of the accelerating cavity 42.
  • a capacitive reactance element (rotating capacitor 11) and a frequency adjustment mechanism 43 are provided.
  • the variable capacitive reactance element is, for example, a rotating capacitor 11.
  • the frequency adjustment mechanism 43 includes an adjustment mechanism inner conductor 12, a movable short plate 13 composed of conductors, and an adjustment mechanism outer conductor 14, and a band in which the resonance frequency can be changed by the variable capacitive reactance element, that is, the resonance frequency. Adjust the bandwidth.
  • the high-frequency accelerator 2 has a coaxial structure and has an outer conductor 16 and an inner conductor 17.
  • the outer conductor 16 of the high-frequency accelerator 2 has five regions, and the inner conductor 17 of the high-frequency accelerator 2 has two regions.
  • the outer conductors 16 in the five regions are a magnetic pole side outer conductor 16A, a first transmission outer conductor 16B, a second transmission outer conductor 16C, a third transmission outer conductor 16D, and a fourth transmission outer conductor 16E, respectively.
  • the magnetic pole side outer conductor 16A is the outer conductor 16 in the region between the broken line 61a and the broken line 61b
  • the first transmission outer conductor 16B is the outer conductor 16 in the region between the broken line 61b and the broken line 61c.
  • the second transmission outer conductor 16C is the outer conductor 16 in the region between the broken line 61c and the broken line 61d
  • the third transmission outer conductor 16D is the outer conductor 16 in the region between the broken line 61d and the broken line 61e
  • the conductor 16E is the outer conductor 16 in the region between the broken line 61e and the broken line 61f.
  • the inner conductors 17 in the two regions are a first transmission inner conductor 17A and a second transmission inner conductor 17B, respectively.
  • the first transmission inner conductor 17A is the inner conductor 17 in the region between the broken line 62a and the broken line 62b
  • the second transmission inner conductor 17B is the inner conductor 17 in the region between the broken line 62b and the broken line 62c.
  • the inner conductor 17 in the transmission line 8 is connected to the dee electrode 6 at the position of the broken line 62a, and the outer conductor 16 is connected to the dummy dee electrode 7 at the position of the broken line 61a.
  • the electric power from the power supply 44 is input from the input port 9 and is fed to the high-frequency accelerator 2 through the input coupler 10 that is capacitively coupled to the transmission line 8.
  • the input coupler 10 is capacitively coupled to the second transmission inner conductor 17B of the inner conductor 17 is shown.
  • the frequency adjusting mechanism 43 is disposed on the third transmission outer conductor 16D of the outer conductor 16 and the second transmission inner conductor 17B of the inner conductor 17 facing the third transmission outer conductor 16D.
  • the adjusting mechanism inner conductor 12 is connected to the third transmission outer conductor 16D of the inner conductor 17, and is installed perpendicular to the third transmission outer conductor 16D of the inner conductor 17.
  • the movable short plate 13 is used for short-circuiting the inner conductor 17 and the outer conductor 16 at the position of the adjustment mechanism inner conductor 12, that is, for electrical connection, and along the adjustment mechanism inner conductor 12, Its position can be adjusted. As shown in FIG. 3, the movable short plate 13 can be moved to an arbitrary position by driving the moving rod 48 connected to the movable short plate 13 with a drive device 47 such as an air cylinder.
  • the adjustment mechanism outer conductor 14 of the frequency adjustment mechanism 43 includes an outer conductor recess 14A constricted so as to be closer to the inner conductor 17 than the second transmission outer conductor 16C and the fourth transmission outer conductor 16E, and an outer conductor recess 14A.
  • the outer conductor convex portion 14 ⁇ / b> B is extended to be separated from the bottom (surface on the inner conductor side) to the outside.
  • the adjustment mechanism inner conductor 12 and the outer conductor protrusion 14B have a coaxial structure.
  • the rotating condenser 11 includes a rotating condenser outer peripheral conductor 21, a rotating blade 20, a rotating condenser shaft 18, and a fixed blade 19.
  • the rotating capacitor outer peripheral conductor 21 is rotatably connected to the outer conductor 16 in the transmission line 8.
  • the rotating blade 20 is connected to a rotating capacitor outer peripheral conductor 21, and the fixed blade 19 is connected to a rotating capacitor shaft 18 connected to the inner conductor 17.
  • the rotating capacitor outer peripheral conductor 21 is connected to a rotating rod 46, and the rotating rod 46 is connected to a driving device 45 such as a motor.
  • the rotating blade 20 is rotated about the rotating capacitor shaft 18 by the driving device 45 together with the rotating capacitor outer peripheral conductor 21.
  • the rotating capacitor 11 increases in electrostatic capacity as the rotating blade 20 engages (overlaps) with the stationary blade 19 due to the rotation of the rotating blade 20. Conversely, the capacitance of the rotating condenser 11 decreases as the two blades (the fixed blade 19 and the rotating blade 20) do not mesh.
  • the shapes of the rotary blade 20 and the fixed blade 19 are mechanically processed so as to satisfy the time dependency of the required capacitance.
  • a predetermined deflection magnetic field is formed in the direction perpendicular to the plane of FIG. 1 by the deflection electromagnet 41 shown in FIGS. Due to this deflection magnetic field, the particles incident from the ion source 5 circulate like the particle orbit 31 on the orbital surface 33 in the gap between the magnetic pole 32a and the magnetic pole 32b, that is, the orbital surface 33 between the magnetic pole gaps.
  • An accelerating electric field is formed in the acceleration gap 30 at the timing when the orbiting particles reach the acceleration gap 30 constituted by the gap between the dee electrode 6 and the dummy dee electrode 7. Each time a particle passes through the acceleration gap 30, it is accelerated by an accelerating electric field and increases energy.
  • the acceleration gap 30 is a gap (gap) between the broken line 63a and the broken line 63b described in FIG.
  • the position indicated by the broken line 63a in FIG. 1 corresponds to the position indicated by the broken line 61a in FIG.
  • the resonance frequency of the high-frequency accelerator 2 and the frequency of the power supplied from the power supply 44 are made to coincide with the circulating frequency of the particles to be lowered, and the frequency changed from the power supply 44 to the acceleration gap 30 via the transmission line 8 Transmit power.
  • the resonance frequency is determined by the inductance and capacitance of the high-frequency accelerator 2.
  • variable capacitive reactance element of the high-frequency accelerator 2 can change the capacitance at high speed.
  • a variable capacitive reactance element such as is applied.
  • the change in the circulating frequency of particles will be described.
  • the strength of the magnetic field by the deflecting electromagnet 41 is set to 6 T constant in the radial direction (from the center to the outer periphery), and the proton is accelerated to 235 MeV as an example of charged particles.
  • the circumferential frequency f1 of the particle is determined by the following mathematical formula (1) by the magnetic field B of the deflection electromagnet 41, the charge q of the particle, the mass m of the particle, and the Lorentz factor ⁇ of the particle.
  • the initial circulating frequency of the proton is obtained as 91.4 MHz by substituting 1 into ⁇ in the formula (1).
  • the circulation frequency of the proton at the time of emission can be obtained as 73.2 MHz from Equation (1).
  • the circulation frequency decreases by about 20% from the initial stage of acceleration to the completion of acceleration.
  • the capacitance of the high-frequency accelerator 2 is changed at high speed by the rotating capacitor 11.
  • the position where the proton beam which is the charged particle beam 22 is extracted from the synchrocyclotron accelerator 1 from the equation (3) is a place where the radius r centering on the ion source 5 is 0.29 m.
  • the exit duct 15 shown in FIG. 1 is installed along a trajectory through which particles that have been accelerated to a desired energy and have completed acceleration pass.
  • FIG. 6 shows the upper limit value and the lower limit value of the particle emission energy and the orbital frequency of the particle with respect to the strength of the magnetic field B when the emission position is set to a radius r of 0.29 m.
  • the upper limit value and lower limit value of the circulating frequency of the particle are the circulating frequency at the initial stage of acceleration and the circulating frequency at the time of emission, respectively.
  • the resonance frequency of the high-frequency accelerator 2 In order to change the emission energy from, for example, 235 MeV to 68.5 MeV using FIG. 6, it is necessary to change the resonance frequency of the high-frequency accelerator 2 from a maximum value of 91.4 MHz to a minimum value of 42.6 MHz in a wide band. I understand that there is. In this case, the range of the resonance frequency is approximately ⁇ 40% at an average value (center value) of 67.0 MHz. Therefore, it can be seen that it is necessary to change the resonance frequency in a wide band such that the resonance frequency is approximately within a range of ⁇ 40% of the average value (center value).
  • the frequency adjusting mechanism 43 changes the inductance L of the high-frequency accelerator 2 in accordance with the emitted energy of the particles.
  • the distance d (see FIG. 9) from the movable short plate 13 to the outer conductor concave portion 14A of the adjusting mechanism outer conductor 14 is adjusted to adjust the resonance frequency and the variable capacitive reactance.
  • the resonance frequency band to be adjusted by the (rotating capacitor 11) is changed. Since the distance d in FIG. 9 is a distance for setting the inductance L of the high-frequency accelerator 2, the distance d in FIG. 9 is appropriately referred to as an inductance setting distance.
  • the acceleration time t1 is an initial acceleration time at which the circulation frequency becomes the upper limit value.
  • the acceleration time t2 is a time at the time of emission when the circulation frequency becomes the lower limit value.
  • FIG. 7 shows four circular frequency characteristics, that is, circular frequency characteristics 51, 52, 53, and 54.
  • the orbital frequency characteristic 51 is a characteristic when the particle emission energy is 235 MeV and the inductance setting distance d is d1 in FIG.
  • the orbital frequency characteristic 52 is a characteristic when the particle emission energy is 170 MeV and the inductance setting distance d is d2 in FIG.
  • the orbital frequency characteristic 53 is a characteristic when the particle emission energy is 114 MeV and the inductance setting distance d is d3 in FIG.
  • the orbital frequency characteristic 54 is a characteristic when the particle emission energy is 68.5 MeV and the inductance setting distance d is d4 in FIG.
  • the four circular frequency characteristics 51, 52, 53, and 54 shown in FIG. 7 are examples corresponding to the four emission energies shown in FIG.
  • the distance d between the movable short plate 13 and the outer conductor recess 14A of the adjustment mechanism outer conductor 14 is kept short, and the inductance is reduced. Set low.
  • the upper limit frequency and the lower limit frequency of the resonance frequency band are also low, so the distance d between the movable short plate 13 and the outer conductor recess 14A of the adjustment mechanism outer conductor 14 is increased. Keep the inductance high.
  • the relationship of the distance d in FIGS. 7 and 9 is d1 ⁇ d2 ⁇ d3 ⁇ d4.
  • FIG. 8 shows an example of characteristic impedance distribution in the high-frequency accelerator 2.
  • the characteristic impedance of the high-frequency accelerator 2 is set at the center of the high-frequency accelerator 2 (the first transmission outer conductor 16B, the first transmission). It has a distribution that is low at the inner conductor 17A) and higher toward both ends (the magnetic pole side outer conductor 16A portion and the rotating capacitor 11 side portion).
  • capacitances C 1 and C 2 are the capacitance of the acceleration gap 30 and the capacitance of the rotating capacitor 11, respectively.
  • the characteristic impedance Zdee in FIG. 8 is the characteristic impedance of the magnetic pole side outer conductor 16A.
  • the characteristic impedance Z 1 is the characteristic impedance of the portion of the first transmission in the conductor 17A
  • the characteristic impedance Z 2 is the characteristic impedance of the portion of the second transmission within the conductor 17B.
  • FIG. 8 shows an example in which the characteristic impedances Z dee , Z 1 , and Z 2 are 20 ⁇ , 5 ⁇ , and 30 ⁇ , respectively.
  • the frequency adjusting mechanism 43 In order to change the resonance frequency of the acceleration cavity 42, that is, the adjustment band of the resonance frequency of the high-frequency acceleration device 2 by the frequency adjustment mechanism 43, the combined impedance of the frequency adjustment mechanism 43 viewed from the dee electrode side (dee electrode 6 side).
  • the frequency adjusting mechanism 43 is disposed at a position where ZL is high. This is because when the impedance of the frequency adjustment mechanism 43 and the Z S, the combined impedance Z, including the frequency adjustment mechanism 43 is for determined by the following equation (4). That is, in order to increase the combined impedance Z L, it is effective to include a high characteristic impedance region. Therefore, it is desirable to arrange the frequency adjusting mechanism 43 in the portion of the transmission line 8 having the highest characteristic impedance closest to the rotating capacitor 11, that is, the second transmission inner conductor 17B.
  • the impedance Z S of the frequency adjusting mechanism 43 is determined by the following equation (5) using the characteristic impedance Z C , the distance d from the movable short plate 13 to the outer conductor recess 14A, and the wave number (propagation constant) ⁇ .
  • the frequency adjustment mechanism 43 by using the adjustment mechanism inner conductor 12 that is directly connected to the inner conductor 17 of the transmission line 8, the manufacturability is improved, and the adjustment mechanism inner conductor 12 and the inner conductor 17 of the transmission line 8 are improved. Heat loss at the interface can be reduced.
  • the portion having a high characteristic impedance that is, the portion of the second transmission inner conductor 17B, is clearly larger in diameter than the inner conductor 17 in the outer conductor 16 of the transmission line 8. .
  • the characteristic impedance Z 0 is determined by the following equation (6) using the diameter a of the outer conductor 16, the diameter b of the inner conductor 17, and the relative dielectric constant ⁇ . is there. That is, in order to increase the characteristic impedance in the second transmission inner conductor 17B portion of the transmission line 8, the diameter a of the outer conductor 16 relative to the diameter b of the inner conductor 17 in the first transmission inner conductor 17A portion of the transmission line 8.
  • the outer conductor 16 and the inner conductor 17 are designed so that the ratio a / b in the portion of the second transmission inner conductor 17B of the transmission line 8 is larger than the ratio a / b.
  • the diameters a and b for calculating the ratio a / b may be a diameter or a radius.
  • the ratio a / b may be set to 1.18 from Equation (6).
  • the diameter of the outer conductor 16 is set to 400 mm, for example, the diameter of the inner conductor 17 is 339 mm, and the distance between the inner conductor 17 and the outer conductor 16 is 30.5 mm.
  • the inductance is changed between the adjusting mechanism inner conductor 12 and the movable short plate 13 in a portion where the distance between the inner conductor 17 and the outer conductor 16 is 30.5 mm.
  • the outer conductor convex portion 71 in FIG. 10 is a convex portion extending from the outer conductor 16 and corresponds to the adjusting mechanism outer conductor 14 of the first embodiment.
  • the adjustment mechanism inner conductor 12 is inserted into the gap of 30.5 mm, that is, inside the outer conductor convex portion 71, but the movement is the distance from the end of the outer conductor convex portion 71 to the outer conductor 16.
  • the possible distance Db is a movable distance in which the inductance can be changed, and the inductance cannot be changed even if the movable short plate 13 moves inward of the gap of 30.5 mm.
  • a long extension region that cannot be adjusted in the adjustment mechanism inner conductor 12, that is, a region inside the outer conductor 16 is generated. become.
  • This extending portion region significantly limits the resonance frequency band that is changed by the movable short plate 13.
  • the outer conductor concave portion 14 ⁇ / b> A of the adjustment mechanism outer conductor 14 is provided around the adjustment mechanism inner conductor 12.
  • the distance D shown in the sectional view of the adjusting mechanism outer conductor 14 in FIG. 9 corresponds to the shortest distance of the adjusting mechanism inner conductor 12 to which the movable short plate 13 can move.
  • the inductance due to the adjusting mechanism inner conductor 12 and outer conductor convex portion 14B increases as the distance from the inner conductor 17 to the movable short plate 13 increases. Therefore, in order to shorten the distance D and reduce the inductance that cannot be adjusted by the movable short plate 13, the frequency adjusting mechanism 43 of the first embodiment includes the adjusting mechanism outer conductor 14. In FIG.
  • the outer conductor convex portion 14B of the frequency adjusting mechanism 43 of the first embodiment and the portions corresponding to the outer conductor concave portion 14A from the outer conductor convex portion 14B to the outer conductor 16 are indicated by broken lines.
  • the distance that the inductance can be adjusted that is, the movable distance that the movable short plate 13 can move is Db.
  • the distance that the inductance can be adjusted is the movable distance Da
  • the movable distance Da that the movable short plate 13 can move is the movable distance of the comparative example. Since it is longer than Db, the change range of the inductance can be expanded.
  • the frequency adjustment mechanism 43 including the adjustment mechanism outer conductor 14 having the outer conductor concave portion 14 ⁇ / b> A and the comparative example having the same length of the adjustment mechanism inner conductor 12 are compared. Even if the frequency adjustment mechanism 43 is not provided, the frequency adjustment mechanism 43 in which the length of the conductor 12 in the adjustment mechanism is increased can be applied. Even in the frequency adjustment mechanism 43 in which the length of the adjustment mechanism inner conductor 12 is increased without providing the outer conductor concave portion 14A, the adjustment band of the resonance frequency that changes corresponding to the capacitance adjustment width is narrowed.
  • the adjustment mechanism outer conductor 14 in the frequency adjustment mechanism 43 is only the outer conductor convex portion 14B, and there is an advantage that the structure is simplified.
  • the frequency adjustment mechanism 43 including the adjustment mechanism outer conductor 14 having the outer conductor recess 14A has an advantage that the length of the frequency adjustment mechanism 43 is shortened.
  • the high frequency acceleration device 2 using the frequency adjustment mechanism 43 including the adjustment mechanism outer conductor 14 having the outer conductor recess 14 ⁇ / b> A can shorten the circumferential length that is perpendicular to the extending direction of the D electrode 6.
  • the extending direction of the Dee electrode 6 is the horizontal direction in FIG. 3, and the circumferential direction is the vertical direction in FIG.
  • FIG. 11 shows the resonance frequency characteristics of the high-frequency accelerator 2 according to the first embodiment.
  • FIG. 12 shows a result in the case of applying a frequency adjustment mechanism using a plate, which is shown in the high-frequency accelerator of Patent Document 1.
  • 11 and 12 the horizontal axis represents the capacitance of the rotating capacitor, and the vertical axis represents the resonance frequency of the high-frequency accelerator.
  • the characteristic impedance distribution of the high-frequency accelerator used for the calculation of the characteristics in FIGS. 11 and 12 is the same.
  • the resonance frequency characteristics 55 and 56 shown in FIG. 11 are distributions of resonance frequencies when the inductance setting distance d is 3 cm and 9 cm, respectively.
  • the resonance frequency bands for the rotating capacitor capacitance of 100 pF to 300 pF are the resonance frequency bands WFB1 and WFB2, respectively.
  • the resonance frequency band WFB1 is 33 MHz
  • the resonance frequency band WFB2 is 27 MHz.
  • the resonance frequency band WFB2 is 82% of the resonance frequency band WFB1, and the distribution shape of the resonance frequency characteristic 56 is sufficiently maintained as the distribution shape of the resonance frequency characteristic 55, and is not narrowed.
  • Resonance frequency characteristics 57 and 58 shown in FIG. 12 are distributions of resonance frequencies when the electrostatic capacitances of the plates are 0 pF and 300 pF, respectively.
  • the adjustment band of the resonance frequency is lowered, but the distribution shape is narrower than that when the capacitance of the plate is 0 pF.
  • the resonance frequency band WFB3 when the plate capacitance is 0 pF is 23 MHz, whereas the resonance when the plate capacitance is 300 pF.
  • the frequency band WFB4 is 3 MHz.
  • the resonance frequency band WFB4 is 13% of the resonance frequency band WFB3, and the adjustment mechanism using the plate is narrowed when the resonance frequency band of the high-frequency accelerator is changed.
  • the frequency adjustment mechanism 43 of the first embodiment when changing the resonance frequency band of the high-frequency acceleration device 2, the resonance frequency band can be maintained in a sufficiently wide band. Therefore, when changing the emission energy of particles in the synchrocyclotron accelerator, the frequency adjustment mechanism 43 of the first embodiment is more advantageous.
  • the high-frequency accelerator 2 narrows the resonance frequency band that is changed when changing the emission energy of the particles at the position of the movable short plate 13 provided in the frequency adjustment mechanism 43. It can be changed without banding.
  • the high-frequency accelerator 2 of Embodiment 1 shortens the inductance setting distance d of the frequency adjusting mechanism 43 when raising the resonance frequency band, and lengthens the inductance setting distance d when lowering the resonance frequency band.
  • the arrangement position of the adjustment mechanism inner conductor 12 of the frequency adjustment mechanism 43 is arranged closer to the variable capacitive reactance element (rotating capacitor 11) than the center of the high frequency acceleration device 2. .
  • the synthetic impedance Z including the frequency adjusting mechanism 43 can be increased, and the adjustment band of the resonance frequency of the high-frequency accelerator 2 can be greatly changed.
  • the high frequency accelerator 2 can be synchronized without complicating the shapes of the magnetic pole and the yoke of the synchrocyclotron accelerator 1. It can be mounted on the cyclotron accelerator 1.
  • the arrangement position of the adjustment mechanism inner conductor 12 of the frequency adjustment mechanism 43 is arranged at a position away from the acceleration cavity 42, unlike the resonance frequency adjustment mechanism of Patent Document 2, Installation of the drive device 47 for moving the movable short plate 13 can be facilitated, and the degree of freedom of the installation position of the drive device 47 can be increased.
  • the high-frequency accelerator 2 changes the resonance frequency band adjusted by the variable capacitive reactance (rotating capacitor 11) by the frequency adjusting mechanism 43 within a range of ⁇ 40% of the center value, thereby synchronizing the cyclotron.
  • the energy of particles accelerated by the accelerator 1 can be changed over a wide range, for example, from 235 MeV to 68.5 MeV.
  • FIGS. 6 and 7 the example in which the resonance frequency band is changed in the range of + 36% of the center value to ⁇ 38% of the center value is shown, but the inductance setting distance d is longer than the longest d4. If the adjustable adjusting inner conductor 12 is employed in the frequency adjusting mechanism 43, the resonance frequency band can be changed within a range of ⁇ 40% of the center value.
  • the high-frequency accelerator 2 includes the adjustment mechanism inner conductor 12, the movable short plate 13, and the adjustment mechanism outer conductor 14 in which the frequency adjustment mechanism 43 is directly connected to the inner conductor 17. Manufacturability is improved, and heat loss at the interface between the adjusting mechanism inner conductor 12 and the inner conductor of the transmission line 8 can be reduced.
  • the high-frequency accelerator 2 according to Embodiment 1 is applied to a particle beam therapy apparatus, that is, the case where the radio frequency accelerator 2 is applied to a particle beam therapy circular accelerator.
  • a plurality of particle energies to be extracted from the synchrocyclotron accelerator 1 are determined in advance.
  • An inductance setting distance d corresponding to the energy is also determined in advance.
  • the optimum energy for each affected area is selected from a predetermined energy group (a plurality of energy).
  • the movable short plate 13 of the frequency adjusting mechanism 43 is set to an appropriate position from the outside by a driving device 47 such as an air cylinder before starting treatment.
  • the high-frequency accelerator 2 applies a high-frequency electric field to charged particles that circulate along the spiral orbit by the deflection magnetic field formed by the deflection electromagnet 41 of the circular accelerator (the synchrocyclotron accelerator 1).
  • This is a high-frequency accelerator for a circular accelerator that accelerates the charged particles.
  • the high-frequency accelerator 2 includes electrodes (dee electrode 6 and dummy dee electrode 7) for applying a high-frequency electric field to charged particles, an outer conductor 16 surrounding the inner conductor 17 and the inner conductor 17, and an electrode ( A transmission line 8 for transmitting high-frequency power to the dee electrode 6 and the dummy dee electrode 7), an acceleration cavity 42 constituted by the transmission line 8 and the electrodes (dee electrode 6, dummy dee electrode 7), and resonance of the acceleration cavity 42 A variable capacitive reactance element (rotating capacitor 11) for changing the frequency and a frequency adjusting mechanism 43 are provided.
  • the frequency adjustment mechanism 43 of the high-frequency accelerator 2 of the first embodiment includes an adjustment mechanism inner conductor 12 connected to the inner conductor 17 of the transmission line 8 and extending away from the inner conductor 17, and an outer conductor of the transmission line 8. 16, the adjustment mechanism outer conductor 14 including the adjustment mechanism inner conductor 12, and the adjustment mechanism inner conductor 12 and the adjustment mechanism outer conductor 14, and the adjustment mechanism inner conductor 12 and the adjustment mechanism outside.
  • positioned so that a connection position with the conductor 14 can be changed is provided, It is characterized by the above-mentioned.
  • the high-frequency accelerator 2 according to the first embodiment can greatly change the adjustment band of the resonance frequency that changes corresponding to the capacitance adjustment width without narrowing the band, due to the above-described characteristics.
  • the circular accelerator (synchronous cyclotron accelerator 1) is a circular accelerator that accelerates a charged particle incident at the center from the ion source 5 by a high-frequency electric field while circling along a spiral orbit by a deflection magnetic field.
  • the circular accelerator (synchronous cyclotron accelerator 1) according to the first embodiment emits deflected electromagnets 41 that form a deflection magnetic field, a high-frequency accelerator 2 that accelerates charged particles, and accelerated charged particles to the outside of the circular accelerator.
  • the high-frequency accelerator 2 includes an electrode (dee electrode 6, dummy dee electrode 7) that applies a high-frequency electric field to charged particles, and an outer conductor 16 that surrounds the inner conductor 17 and the inner conductor 17.
  • the frequency adjustment mechanism 43 of the high-frequency accelerator 2 of the first embodiment includes an adjustment mechanism inner conductor 12 connected to the inner conductor 17 of the transmission line 8 and extending away from the inner conductor 17, and an outer conductor of the transmission line 8.
  • the adjustment mechanism outer conductor 14 including the adjustment mechanism inner conductor 12, and the adjustment mechanism inner conductor 12 and the adjustment mechanism outer conductor 14, and the adjustment mechanism inner conductor 12 and the adjustment mechanism outside.
  • the movable short board 13 comprised with the conductor arrange
  • the circular accelerator (synchronous cyclotron accelerator 1) according to the first embodiment due to the above characteristics, greatly adjusts the adjustment band of the resonance frequency that changes in accordance with the capacitance adjustment width by the high-frequency accelerator 2 without narrowing the band.
  • the charged particle beam 22 having the energy suitable for the affected area which is the target of the particle beam therapy can be emitted.
  • the high-frequency accelerator 2 according to the first embodiment can also be applied to the cyclotron accelerator.
  • the resonance frequency of the high-frequency accelerator 2 is fixed.
  • fine adjustment is performed when the fixed value of the resonance frequency has shifted for some reason.
  • the entire length of the high-frequency accelerator is generally adjusted for fine adjustment of the resonance frequency, a large-scale adjustment mechanism is required.
  • the resonance frequency can be changed only by adjusting the position of the movable short plate 13 with the small-scale frequency adjusting mechanism 43 as described above.
  • the resonance frequency can be changed only by changing d.
  • the high-frequency accelerator 2 according to the first embodiment of the present invention can adjust the resonance frequency only by adjusting the position of the movable short plate 13. Can change.
  • the embodiments can be freely combined, or the embodiments can be appropriately modified or omitted within a consistent range.
  • SYMBOLS 1 Synchrocyclotron accelerator (circular accelerator), 2 ... High frequency accelerator, 5 ... Ion source, 6 ... Dee electrode (electrode), 7 ... Dummy dee electrode (electrode), 8 ... Transmission line, 11 ... Rotation capacitor (variable capacity) Reactive reactance element), 12 ... conductor in the adjustment mechanism, 13 ... movable short plate, 14 ... outer conductor in the adjustment mechanism, 14A ... outer conductor recess, 14B ... outer conductor projection, 15 ... emission duct, 16 ... outer conductor, 17 ... Inner conductor, 41 ... deflection electromagnet, 42 ... acceleration cavity, 43 ... frequency adjustment mechanism, 47 ... drive device, WFB1, WFB2 ... resonance frequency band

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

円形加速器の高周波加速装置及び円形加速器
　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。
　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－ｖ２／ｃ２）　　　・・・（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Ｃ１、Ｃ２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Ｚｄｅｅ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Ｚ１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Ｚ２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Ｚｄｅｅ、Ｚ１、Ｚ２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ＺＬ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ＺＳ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ＺＬ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＝ＺＳＺＬ／（ＺＳ＋ＺＬ）　　　・・・（４）
ただし、周波数調整機構４３のインピーダンスＺＳは、特性インピーダンスＺＣ、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。
　ＺＳ＝ｉＺＣ×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Ｚ０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。
　Ｚ０≒（１３８／√ε）ｌｏｇ１０（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 (9)

  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。
  4. 　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２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３または４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５のいずれか１項に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、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６記載の円形加速器の高周波加速装置。
  8. 　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。
  9. 　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８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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