專利名稱：圓形加速器、及圓形加速器的運行方法
技術領域：
本發明涉及一種圓形加速器，該圓形加速器為了用于粒子射線治療裝置等，利用高頻電壓將帶電粒子進行加速，并取出被加速的帶電粒子。
背景技術：
將同步加速器用于以下物理實驗或癌癥治療等醫療用途即，用同步加速器等圓形加速器使帶電粒子回旋加速，從該回旋軌道取出加速至高能量的帶電粒子，用粒子束輸送系統輸送呈束狀的帶電粒子(也稱為帶電粒子束、粒子射線)，對所希望的對象物照射該呈束狀的帶電粒子。同步加速器包括用于使帶電粒子束長時間回旋的真空導管；用于控制回旋軌道或帶電粒子束尺寸的產生致偏磁場或聚束磁場的電磁鐵組；以與回旋周期同步的高頻電壓(也稱為加速電壓)將粒子束進行加速的高頻加速空洞；對施加于高頻加速空洞的高頻電壓進行控制的高頻產生裝置；將帶電粒子導入真空導管的射入裝置；以及將帶 電粒子取出至圓形加速器外的射出裝置。在上述構成要素中，高頻產生裝置包括產生加速電壓的高頻源；對該高頻的頻率、電壓進行控制的高頻控制裝置；以及將所產生的高頻進行放大的放大器。圓形加速器的運行包括射入、加速、及射出。高頻產生裝置對高頻加速空洞施加加速電壓，從而對在時間上均勻分布的射入粒子束在穩定加速區域上形成粒子束的塊(聚束)。在加速中，使施加于高頻加速空洞的加速電壓的頻率增加。在作為圓形加速器的一種的同步加速器(圓形加速器除了回旋半徑一定的同步加速器以外，還有回旋半徑隨著加速而變大的回旋加速器)中，為了保持粒子束的回旋半徑一定，高頻產生裝置根據由用于形成帶電粒子的回旋軌道的致偏電磁鐵所產生的致偏磁場強度，來對加速電壓頻率進行控制。最后，利用射出用磁體使加速至目標能量的粒子束的軌道彎曲，并將粒子束取出至圓形加速器外。一般，圓形加速器中的帶電粒子以設計軌道為中心，一邊進行電子感應加速豈蕩( '一夕卜口 >振動Betatron Oscillation), —邊進行回旋。此時,存在被稱為分界面的穩定界限，穩定界限內、即穩定區域的帶電粒子進行穩定的回旋，但超出穩定區域的帶電粒子具有振動振幅增加而發生發散的特性。為了利用該特性來射出帶電粒子，在現有的圓形加速器中，使用四極電磁鐵，使表示加速器每一周的電子感應加速頻率的自由振蕩頻率接近整數±1/3，將六極電磁鐵進行勵磁(三次共振)等。提出有以下方式即，在射出時，例如使施加于圓形加速器的高頻加速空洞的高頻電壓的頻率發生變化，從而使作為回旋的帶電粒子團的帶電粒子束的中心動量發生位移，使電子感應加速豈蕩的穩定區域變窄，并進行射出(例如專利文獻I)。在該方法中，為了根據動量的位移量將粒子束射出，一邊使高頻加速空洞的高頻電壓的頻率逐漸發生變化，一邊將粒子束進行射出。另外，還提出有以下方法S卩，除了高頻加速空洞以外，還包括產生高頻電壓的電極，利用該電極間所產生的電場，保持分界面(電子感應加速豈蕩的穩定區域與共振區域之間的邊界)一定而增大電子感應加速豈蕩的振幅，不使中心動量發生位移，將粒子束從穩定區域逐出至共振區域，從而進行射出(RF逐出法，專利文獻2)。在該方法中，由于不使中心動量發生位移，因此，使具有中心動量的粒子的回旋頻率(中心頻率)保持一定較為理想，施加于電極的高頻信號包含與電子感應加速頻率同步的頻率分量。此時，考慮到嚴格來講粒子的自由振蕩頻率具有連續的部分，通過增大頻帶，能更有效地進行射出。近年來，在利用圓形加速器的粒子射線治療中，需要一種能高精度地照射癌癥部位、且無需對每位患者使用治療輔助工具的掃描照射法。在掃描照射中，一般利用照射系統的兩個雙極電磁鐵將粒子束進行二維掃描，并調整能量，從而也沿深度方向進行掃描，以對目標部位進行照射。在原則上不停地持續照射相同能量的粒子束的掃描照射法(光柵掃描照射)的情況下，需要在時間上具有較高的穩定性的照射粒子束電流強度。由于穩定性越高，照射劑量的管理越容易，能增加照射粒子束電流量，因此，能縮短照射時間。專利文獻I :日本專利特開2003-086399號公報
專利文獻2 日本專利特開平5-198397號公報

發明內容
專利文獻I的射出方法具有無需射出專用的高頻電極的特長。然而，在掃描照射法中，在考慮到為了縮短照射時間而提高照射粒子束電流強度的時間穩定性、或為此而進行的調整的容易性的情況下，存在以下的問題。所射出的粒子束反映出橫向(相對于粒子束的前進方向的垂直的方向)的相位平面上的粒子分布、或縱向(粒子束前進方向)的高頻穩相區(RF bucket)內部的粒子分布。因此，在想要提高照射粒子束電流的穩定性的情況下，由于需要對施加于高頻加速空洞的高頻電壓的頻率、頻率的變化速度、構成圓形加速器的多個電磁鐵的磁場等進行較為精密的調整，因此，存在不容易進行調整的情況、或調整時間較長的情況。本發明用于解決上述問題，其目的在于，提供一種提高射出粒子束電流的時間穩定性、容易地進行調整且調整時間較短的圓形加速器。本發明所涉及的圓形加速器包括致偏電磁鐵，該致偏電磁鐵使帶電粒子沿回旋軌道回旋，從而形成帶電粒子束；高頻加速空洞，該高頻加速空洞用于將帶電粒子進行加速；高頻產生裝置，該高頻產生裝置對該高頻加速空洞輸出高頻；高頻控制裝置，該高頻控制裝置對該高頻產生裝置所產生的高頻進行控制；區域分割裝置，該區域分割裝置將沿回旋軌道回旋的帶電粒子的電子感應加速豈蕩分割成穩定區域和共振區域；射出裝置，該射出裝置用于從回旋軌道取出帶電粒子；以及粒子束電流檢測器，該粒子束電流檢測器對由該射出裝置射出后的帶電粒子的粒子束電流進行檢測，在所述圓形加速器中，高頻控制裝置包括目標電流值存儲器，該目標電流值存儲器存儲從射出裝置射出的帶電粒子的粒子束電流的目標電流值；以及頻率決定部，該頻率決定部基于粒子束電流檢測器的檢測信號與存儲于目標電流值存儲器的目標電流值之間的誤差信號來進行反饋控制，從而求出頻率變化率，并根據該求出的頻率變化率和當前的頻率，來決定下一個頻率，將該頻率決定部所決定的下一個頻率存儲于頻率存儲器，并使高頻產生裝置產生所決定的下一個頻率的高頻。根據本發明，能獲得控制穩定、且調整簡單的、調整時間較短的圓形加速器。


圖I是詳細表示作為本發明的實施方式I的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結構的框圖。圖2是表示本發明的實施方式I的整個圓形加速器中的必要構成設備的框圖。圖3是詳細表示作為本發明的實施方式I的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的其他結構的框圖。圖4是詳細表示作為本發明的實施方式I的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的又一其他結構的框圖。圖5是詳細表示作為本發明的實施方式2的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結構的框圖。
圖6是詳細表示作為本發明的實施方式3的圓形加速器主要部分的高頻控制裝置的結構的框圖。圖7是詳細表示作為本發明的實施方式4的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結構的框圖。圖8是詳細表示作為本發明的實施方式5的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結構的框圖。圖9是詳細表示作為本發明的實施方式6的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結構的框圖。圖10是詳細表示作為本發明的實施方式7的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結構的框圖。圖11是詳細表示作為本發明的實施方式8的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結構的框圖。圖12是對成為本發明基礎的同步加速器振動進行說明的圖。圖13是對成為本發明基礎的加速中(射出中)的同步加速器振動進行說明的圖。圖14是對成為本發明基礎的三次共振激勵時的電子感應加速豈蕩和分界面進行說明的圖。圖15是對成為本發明基礎的射出中的電子感應加速豈蕩和分界面進行說明的圖。
具體實施例方式首先，對本發明中的圓形加速器的基本理論進行描述。在圓形加速器為利用設置于圓形加速器內的、高頻加速空洞的電場進行加速的類型的情況下，除了相對于粒子束的前進方向正交的兩個方向的電子感應加速豈蕩以外，粒子束還沿粒子束的前進方向進行振動，同時，使帶電粒子穩定地進行加速。該振動被稱為同步加速器振動。使用對于所設計的、成為基準的射出前的頻率fo和磁場強度Btl的圓形加速器內部的磁場強度的偏移△ B/Bp以及粒子束所受到的高頻電壓的頻率的位移從而利用數學式(I)來表現正在進行同步加速器振動的帶電粒子。[數學式I]
權利要求
1.一種圓形加速器，包括致偏電磁鐵，該致偏電磁鐵使帶電粒子沿回旋軌道回旋，從而形成帶電粒子束；高頻加速空洞，該高頻加速空洞用于將所述帶電粒子進行加速；高頻產生裝置，該高頻產生裝置對該高頻加速空洞輸出高頻；高頻控制裝置，該高頻控制裝置對該高頻產生裝置所產生的高頻進行控制；區域分割裝置，該區域分割裝置將沿所述回旋軌道回旋的帶電粒子的電子感應加速豈蕩分割成穩定區域和共振區域；射出裝置，該射出裝置用于從所述回旋軌道取出所述帶電粒子；以及粒子束電流檢測器，該粒子束電流檢測器對由該射出裝置射出后的帶電粒子的粒子束電流進行檢測，其特征在于， 在所述圓形加速器中，所述高頻控制裝置包括 目標電流值存儲器，該目標電流值存儲器存儲從所述射出裝置射出的帶電粒子的粒子束電流的目標電流值；以及 頻率決定部，該頻率決定部利用反饋控制，來求出頻率變化率，并根據該求出的頻率變化率和當前的頻率，來決定下一個頻率，所述反饋控制基于所述粒子束電流檢測器的檢測信號與存儲于所述目標電流值存儲器的目標電流值之間的誤差信號， 將該頻率決定部所決定的下一個頻率存儲于頻率存儲器，并使所述高頻產生裝置產生所述所決定的下一個頻率的高頻。
2.如權利要求I所述的圓形加速器，其特征在于，包括 頻率變化率設定值存儲器，該頻率變化率設定值存儲器為了利用所述射出裝置將所述目標電流值的所述帶電粒子射出，將使所述高頻產生裝置所產生的高頻的頻率發生變化的比例、即頻率變化率作為時間序列數據來進行存儲， 所述頻率決定部包括 頻率變化率修正值運算器，該頻率變化率修正值運算器對所述粒子束電流檢測器的檢測信號與存儲于所述目標電流值存儲器的目標電流值之間的誤差信號進行運算，以決定頻率變化率修正值；以及 頻率變化率修正器，該頻率變化率修正器利用由所述頻率變化率修正值運算器所決定的頻率變化率修正值，來修正存儲于所述頻率變化率設定值存儲器的頻率變化率，并求出頻率變化率。
3.如權利要求I所述的圓形加速器，其特征在于， 所述高頻控制裝置包括 頻率設定值存儲器，該頻率設定值存儲器存儲預先決定的頻率；以及切換開關，該切換開關將由所述頻率決定部所決定的頻率、與存儲于所述頻率設定值存儲器的頻率進行切換， 所述高頻產生裝置產生由所述切換開關進行了切換的頻率的高頻。
4.如權利要求3所述的圓形加速器，其特征在于， 所述切換開關在從射出所述帶電粒子束開始經過規定時間后，從存儲于所述頻率設定值存儲器的頻率切換成由所述頻率決定部所決定的頻率。
5.如權利要求3所述的圓形加速器，其特征在于， 所述切換開關基于所述粒子束電流檢測器的檢測信號，將存儲于所述頻率設定值存儲器的頻率、與由所述頻率決定部所決定的頻率進行切換。
6.如權利要求3所述的圓形加速器，其特征在于，所述圓形加速器包括檢測所述圓形加速器內部的殘留粒子束電流的殘留粒子束電流監視器，所述切換開關基于所述殘留粒子束電流監視器的檢測信號，將存儲于所述頻率設定值存儲器的頻率、與由所述頻率決定部所決定的頻率進行切換。
7.如權利要求2所述的圓形加速器，其特征在于， 將被修正后的頻率變化率存儲于所述頻率變化率設定值存儲器。
8.如權利要求I所述的圓形加速器，其特征在于， 所述高頻控制裝置基于在所述頻率決定部中所求出的頻率變化率和當前的頻率，來求出由所述高頻產生裝置所產生的高頻的電壓值，并將所求出的該電壓值傳送至所述高頻產生裝置。
9.如權利要求3所述的圓形加速器，其特征在于， 所述高頻控制裝置包括頻率比較器，該頻率比較器將預先決定的最終到達頻率的值進行保持，在判斷為由所述頻率控制器所決定的頻率達到了所述最終到達頻率的情況下，將信號傳送至所述切換開關。
10.如權利要求2所述的圓形加速器，其特征在于， 所述高頻控制裝置包括增益設定值存儲器，該增益設定值存儲器存儲預先設定的、從開始射出起每隔一定時間的增益值，所述高頻控制裝置根據從所述增益設定值存儲器所讀出的增益值，來設定所述頻率變化率修正值運算器的增益。
11.一種圓形加速器的運行方法，所述圓形加速器包括致偏電磁鐵，該致偏電磁鐵使帶電粒子沿回旋軌道回旋，從而形成帶電粒子束；高頻加速空洞，該高頻加速空洞用于將所述帶電粒子進行加速；高頻產生裝置，該高頻產生裝置對該高頻加速空洞輸出高頻；區域分割裝置，該區域分割裝置將沿所述回旋軌道回旋的帶電粒子的電子感應加速豈蕩分割成穩定區域和共振區域；射出裝置，該射出裝置用于從所述回旋軌道取出所述帶電粒子；以及粒子束電流檢測器，該粒子束電流檢測器對從該射出裝置射出后的帶電粒子的粒子束電流進行檢測，其特征在于，在所述圓形加速器的運行方法中， 利用反饋控制，來求出頻率變化率，根據該求出的頻率變化率和當前的頻率，來決定所述高頻產生裝置所產生的下一個頻率，以進行運行，所述反饋控制基于所述粒子束電流檢測器的檢測信號與預先決定的目標電流值之間的誤差信號。
12.如權利要求11所述的圓形加速器的運行方法，其特征在于， 利用反饋控制，對為了利用所述射出裝置射出所述目標電流值的所述帶電粒子而預先決定的頻率變化率進行修正，并求出所述頻率變化率，所述反饋控制基于所述粒子束電流檢測器的檢測信號與預先決定的目標電流值之間的誤差信號。
13.如權利要求12所述的圓形加速器的運行方法，其特征在于， 將所求出的所述頻率變化率作為從開始射出起的時間序列數據來進行存儲，在其他的加速后的射出時，將所述預先決定的頻率變化率替換成所述所求出的頻率變化率，以進行運行。
14.如權利要求11所述的圓形加速器的運行方法，其特征在于，使所述目標電流值按時間序列變化。
全文摘要
本發明提供能穩定進行控制、調整簡單、調整時間較短的圓形加速器。包括目標電流值存儲器，該目標電流值存儲器存儲從射出裝置射出的帶電粒子的粒子束電流的目標電流值；以及頻率決定部，該頻率決定部基于粒子束電流檢測器的檢測信號與存儲于目標電流值存儲器的目標電流值之間的誤差信號來進行反饋控制，從而求出頻率變化率，并根據該求出的頻率變化率和當前的頻率，來決定下一個頻率，將該頻率決定部所決定的下一個頻率存儲于頻率存儲器，并使高頻產生裝置產生所決定的下一個頻率的高頻。
文檔編號H05H13/04GK102762023SQ20121002333
公開日2012年10月31日 申請日期2012年1月16日 優先權日2011年4月28日
發明者吉田克久, 春名延是, 池田昌廣, 田中博文, 菅原賢悟 申請人:三菱電機株式會社