专利名称：圆形加速器、及圆形加速器的运行方法
技术领域：
本发明涉及一种圆形加速器，该圆形加速器为了用于粒子射线治疗装置等，利用高频电压将带电粒子进行加速，并取出被加速的带电粒子。
背景技术：
将同步加速器用于以下物理实验或癌症治疗等医疗用途即，用同步加速器等圆形加速器使带电粒子回旋加速，从该回旋轨道取出加速至高能量的带电粒子，用粒子束输送系统输送呈束状的带电粒子(也称为带电粒子束、粒子射线)，对所希望的对象物照射该呈束状的带电粒子。同步加速器包括用于使带电粒子束长时间回旋的真空导管；用于控制回旋轨道或带电粒子束尺寸的产生致偏磁场或聚束磁场的电磁铁组；以与回旋周期同步的高频电压(也称为加速电压)将粒子束进行加速的高频加速空洞；对施加于高频加速空洞的高频电压进行控制的高频产生装置；将带电粒子导入真空导管的射入装置；以及将带 电粒子取出至圆形加速器外的射出装置。在上述构成要素中，高频产生装置包括产生加速电压的高频源；对该高频的频率、电压进行控制的高频控制装置；以及将所产生的高频进行放大的放大器。圆形加速器的运行包括射入、加速、及射出。高频产生装置对高频加速空洞施加加速电压，从而对在时间上均匀分布的射入粒子束在稳定加速区域上形成粒子束的块(聚束)。在加速中，使施加于高频加速空洞的加速电压的频率增加。在作为圆形加速器的一种的同步加速器(圆形加速器除了回旋半径一定的同步加速器以外，还有回旋半径随着加速而变大的回旋加速器)中，为了保持粒子束的回旋半径一定，高频产生装置根据由用于形成带电粒子的回旋轨道的致偏电磁铁所产生的致偏磁场强度，来对加速电压频率进行控制。最后，利用射出用磁体使加速至目标能量的粒子束的轨道弯曲，并将粒子束取出至圆形加速器外。一般，圆形加速器中的带电粒子以设计轨道为中心，一边进行电子感应加速岂荡( '一夕卜口 >振動Betatron Oscillation), —边进行回旋。此时,存在被称为分界面的稳定界限，稳定界限内、即稳定区域的带电粒子进行稳定的回旋，但超出稳定区域的带电粒子具有振动振幅增加而发生发散的特性。为了利用该特性来射出带电粒子，在现有的圆形加速器中，使用四极电磁铁，使表示加速器每一周的电子感应加速频率的自由振荡频率接近整数±1/3，将六极电磁铁进行励磁(三次共振)等。提出有以下方式即，在射出时，例如使施加于圆形加速器的高频加速空洞的高频电压的频率发生变化，从而使作为回旋的带电粒子团的带电粒子束的中心动量发生位移，使电子感应加速岂荡的稳定区域变窄，并进行射出(例如专利文献I)。在该方法中，为了根据动量的位移量将粒子束射出，一边使高频加速空洞的高频电压的频率逐渐发生变化，一边将粒子束进行射出。另外，还提出有以下方法S卩，除了高频加速空洞以外，还包括产生高频电压的电极，利用该电极间所产生的电场，保持分界面(电子感应加速岂荡的稳定区域与共振区域之间的边界)一定而增大电子感应加速岂荡的振幅，不使中心动量发生位移，将粒子束从稳定区域逐出至共振区域，从而进行射出(RF逐出法，专利文献2)。在该方法中，由于不使中心动量发生位移，因此，使具有中心动量的粒子的回旋频率(中心频率)保持一定较为理想，施加于电极的高频信号包含与电子感应加速频率同步的频率分量。此时，考虑到严格来讲粒子的自由振荡频率具有连续的部分，通过增大频带，能更有效地进行射出。近年来，在利用圆形加速器的粒子射线治疗中，需要一种能高精度地照射癌症部位、且无需对每位患者使用治疗辅助工具的扫描照射法。在扫描照射中，一般利用照射系统的两个双极电磁铁将粒子束进行二维扫描，并调整能量，从而也沿深度方向进行扫描，以对目标部位进行照射。在原则上不停地持续照射相同能量的粒子束的扫描照射法(光栅扫描照射)的情况下，需要在时间上具有较高的稳定性的照射粒子束电流强度。由于稳定性越高，照射剂量的管理越容易，能增加照射粒子束电流量，因此，能缩短照射时间。专利文献I :日本专利特开2003-086399号公报
专利文献2 日本专利特开平5-198397号公报
发明内容
专利文献I的射出方法具有无需射出专用的高频电极的特长。然而，在扫描照射法中，在考虑到为了缩短照射时间而提高照射粒子束电流强度的时间稳定性、或为此而进行的调整的容易性的情况下，存在以下的问题。所射出的粒子束反映出横向(相对于粒子束的前进方向的垂直的方向)的相位平面上的粒子分布、或纵向(粒子束前进方向)的高频稳相区(RF bucket)内部的粒子分布。因此，在想要提高照射粒子束电流的稳定性的情况下，由于需要对施加于高频加速空洞的高频电压的频率、频率的变化速度、构成圆形加速器的多个电磁铁的磁场等进行较为精密的调整，因此，存在不容易进行调整的情况、或调整时间较长的情况。本发明用于解决上述问题，其目的在于，提供一种提高射出粒子束电流的时间稳定性、容易地进行调整且调整时间较短的圆形加速器。本发明所涉及的圆形加速器包括致偏电磁铁，该致偏电磁铁使带电粒子沿回旋轨道回旋，从而形成带电粒子束；高频加速空洞，该高频加速空洞用于将带电粒子进行加速；高频产生装置，该高频产生装置对该高频加速空洞输出高频；高频控制装置，该高频控制装置对该高频产生装置所产生的高频进行控制；区域分割装置，该区域分割装置将沿回旋轨道回旋的带电粒子的电子感应加速岂荡分割成稳定区域和共振区域；射出装置，该射出装置用于从回旋轨道取出带电粒子；以及粒子束电流检测器，该粒子束电流检测器对由该射出装置射出后的带电粒子的粒子束电流进行检测，在所述圆形加速器中，高频控制装置包括目标电流值存储器，该目标电流值存储器存储从射出装置射出的带电粒子的粒子束电流的目标电流值；以及频率决定部，该频率决定部基于粒子束电流检测器的检测信号与存储于目标电流值存储器的目标电流值之间的误差信号来进行反馈控制，从而求出频率变化率，并根据该求出的频率变化率和当前的频率，来决定下一个频率，将该频率决定部所决定的下一个频率存储于频率存储器，并使高频产生装置产生所决定的下一个频率的高频。根据本发明，能获得控制稳定、且调整简单的、调整时间较短的圆形加速器。
图I是详细表示作为本发明的实施方式I的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。图2是表示本发明的实施方式I的整个圆形加速器中的必要构成设备的框图。图3是详细表示作为本发明的实施方式I的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的其他结构的框图。图4是详细表示作为本发明的实施方式I的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的又一其他结构的框图。图5是详细表示作为本发明的实施方式2的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。
图6是详细表示作为本发明的实施方式3的圆形加速器主要部分的高频控制装置的结构的框图。图7是详细表示作为本发明的实施方式4的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。图8是详细表示作为本发明的实施方式5的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。图9是详细表示作为本发明的实施方式6的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。图10是详细表示作为本发明的实施方式7的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。图11是详细表示作为本发明的实施方式8的圆形加速器的主要部分的高频控制装置的结构的框图。图12是对成为本发明基础的同步加速器振动进行说明的图。图13是对成为本发明基础的加速中(射出中)的同步加速器振动进行说明的图。图14是对成为本发明基础的三次共振激励时的电子感应加速岂荡和分界面进行说明的图。图15是对成为本发明基础的射出中的电子感应加速岂荡和分界面进行说明的图。
具体实施例方式首先，对本发明中的圆形加速器的基本理论进行描述。在圆形加速器为利用设置于圆形加速器内的、高频加速空洞的电场进行加速的类型的情况下，除了相对于粒子束的前进方向正交的两个方向的电子感应加速岂荡以外，粒子束还沿粒子束的前进方向进行振动，同时，使带电粒子稳定地进行加速。该振动被称为同步加速器振动。使用对于所设计的、成为基准的射出前的频率fo和磁场强度Btl的圆形加速器内部的磁场强度的偏移△ B/Bp以及粒子束所受到的高频电压的频率的位移从而利用数学式(I)来表现正在进行同步加速器振动的带电粒子。[数学式I]
权利要求
1.一种圆形加速器，包括致偏电磁铁，该致偏电磁铁使带电粒子沿回旋轨道回旋，从而形成带电粒子束；高频加速空洞，该高频加速空洞用于将所述带电粒子进行加速；高频产生装置，该高频产生装置对该高频加速空洞输出高频；高频控制装置，该高频控制装置对该高频产生装置所产生的高频进行控制；区域分割装置，该区域分割装置将沿所述回旋轨道回旋的带电粒子的电子感应加速岂荡分割成稳定区域和共振区域；射出装置，该射出装置用于从所述回旋轨道取出所述带电粒子；以及粒子束电流检测器，该粒子束电流检测器对由该射出装置射出后的带电粒子的粒子束电流进行检测，其特征在于， 在所述圆形加速器中，所述高频控制装置包括 目标电流值存储器，该目标电流值存储器存储从所述射出装置射出的带电粒子的粒子束电流的目标电流值；以及 频率决定部，该频率决定部利用反馈控制，来求出频率变化率，并根据该求出的频率变化率和当前的频率，来决定下一个频率，所述反馈控制基于所述粒子束电流检测器的检测信号与存储于所述目标电流值存储器的目标电流值之间的误差信号， 将该频率决定部所决定的下一个频率存储于频率存储器，并使所述高频产生装置产生所述所决定的下一个频率的高频。
2.如权利要求I所述的圆形加速器，其特征在于，包括 频率变化率设定值存储器，该频率变化率设定值存储器为了利用所述射出装置将所述目标电流值的所述带电粒子射出，将使所述高频产生装置所产生的高频的频率发生变化的比例、即频率变化率作为时间序列数据来进行存储， 所述频率决定部包括 频率变化率修正值运算器，该频率变化率修正值运算器对所述粒子束电流检测器的检测信号与存储于所述目标电流值存储器的目标电流值之间的误差信号进行运算，以决定频率变化率修正值；以及 频率变化率修正器，该频率变化率修正器利用由所述频率变化率修正值运算器所决定的频率变化率修正值，来修正存储于所述频率变化率设定值存储器的频率变化率，并求出频率变化率。
3.如权利要求I所述的圆形加速器，其特征在于， 所述高频控制装置包括 频率设定值存储器，该频率设定值存储器存储预先决定的频率；以及切换开关，该切换开关将由所述频率决定部所决定的频率、与存储于所述频率设定值存储器的频率进行切换， 所述高频产生装置产生由所述切换开关进行了切换的频率的高频。
4.如权利要求3所述的圆形加速器，其特征在于， 所述切换开关在从射出所述带电粒子束开始经过规定时间后，从存储于所述频率设定值存储器的频率切换成由所述频率决定部所决定的频率。
5.如权利要求3所述的圆形加速器，其特征在于， 所述切换开关基于所述粒子束电流检测器的检测信号，将存储于所述频率设定值存储器的频率、与由所述频率决定部所决定的频率进行切换。
6.如权利要求3所述的圆形加速器，其特征在于，所述圆形加速器包括检测所述圆形加速器内部的残留粒子束电流的残留粒子束电流监视器，所述切换开关基于所述残留粒子束电流监视器的检测信号，将存储于所述频率设定值存储器的频率、与由所述频率决定部所决定的频率进行切换。
7.如权利要求2所述的圆形加速器，其特征在于， 将被修正后的频率变化率存储于所述频率变化率设定值存储器。
8.如权利要求I所述的圆形加速器，其特征在于， 所述高频控制装置基于在所述频率决定部中所求出的频率变化率和当前的频率，来求出由所述高频产生装置所产生的高频的电压值，并将所求出的该电压值传送至所述高频产生装置。
9.如权利要求3所述的圆形加速器，其特征在于， 所述高频控制装置包括频率比较器，该频率比较器将预先决定的最终到达频率的值进行保持，在判断为由所述频率控制器所决定的频率达到了所述最终到达频率的情况下，将信号传送至所述切换开关。
10.如权利要求2所述的圆形加速器，其特征在于， 所述高频控制装置包括增益设定值存储器，该增益设定值存储器存储预先设定的、从开始射出起每隔一定时间的增益值，所述高频控制装置根据从所述增益设定值存储器所读出的增益值，来设定所述频率变化率修正值运算器的增益。
11.一种圆形加速器的运行方法，所述圆形加速器包括致偏电磁铁，该致偏电磁铁使带电粒子沿回旋轨道回旋，从而形成带电粒子束；高频加速空洞，该高频加速空洞用于将所述带电粒子进行加速；高频产生装置，该高频产生装置对该高频加速空洞输出高频；区域分割装置，该区域分割装置将沿所述回旋轨道回旋的带电粒子的电子感应加速岂荡分割成稳定区域和共振区域；射出装置，该射出装置用于从所述回旋轨道取出所述带电粒子；以及粒子束电流检测器，该粒子束电流检测器对从该射出装置射出后的带电粒子的粒子束电流进行检测，其特征在于，在所述圆形加速器的运行方法中， 利用反馈控制，来求出频率变化率，根据该求出的频率变化率和当前的频率，来决定所述高频产生装置所产生的下一个频率，以进行运行，所述反馈控制基于所述粒子束电流检测器的检测信号与预先决定的目标电流值之间的误差信号。
12.如权利要求11所述的圆形加速器的运行方法，其特征在于， 利用反馈控制，对为了利用所述射出装置射出所述目标电流值的所述带电粒子而预先决定的频率变化率进行修正，并求出所述频率变化率，所述反馈控制基于所述粒子束电流检测器的检测信号与预先决定的目标电流值之间的误差信号。
13.如权利要求12所述的圆形加速器的运行方法，其特征在于， 将所求出的所述频率变化率作为从开始射出起的时间序列数据来进行存储，在其他的加速后的射出时，将所述预先决定的频率变化率替换成所述所求出的频率变化率，以进行运行。
14.如权利要求11所述的圆形加速器的运行方法，其特征在于，使所述目标电流值按时间序列变化。
全文摘要
本发明提供能稳定进行控制、调整简单、调整时间较短的圆形加速器。包括目标电流值存储器，该目标电流值存储器存储从射出装置射出的带电粒子的粒子束电流的目标电流值；以及频率决定部，该频率决定部基于粒子束电流检测器的检测信号与存储于目标电流值存储器的目标电流值之间的误差信号来进行反馈控制，从而求出频率变化率，并根据该求出的频率变化率和当前的频率，来决定下一个频率，将该频率决定部所决定的下一个频率存储于频率存储器，并使高频产生装置产生所决定的下一个频率的高频。
文档编号H05H13/04GK102762023SQ20121002333
公开日2012年10月31日 申请日期2012年1月16日 优先权日2011年4月28日
发明者吉田克久, 春名延是, 池田昌广, 田中博文, 菅原贤悟 申请人:三菱电机株式会社