(57)【要約】【課題】荷電粒子ビームが生成する電場を高速に算出すること。【解決手段】荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法は、荷電粒子装置の持つビームダクトの軌道方向を複数の周期的な所定領域１２２に分割する第１手順と、分割された各所定領域において、ビームの通過可能領域２をビームの軌道軸方向に平行に連結した要素群３を形成する規則的なメッシュ空間を構成する第２手順と、ビームの軌道方向に連なる要素群に単位電荷密度ならびに単位勾配電荷密度を配置した２種類のビームの静止系における基本電場を算出したデータを用意する第３手順と、荷電粒子群が形成するビームの静止系における電場を各基本電場の線形和として合成して算出する第４手順と、算出された電場をビームの静止系から実験室系における電磁場に変換することにより、電磁力を算出する第５手順と、を実行する。【選択図】図１
2020184468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子装置内のビームにより形成されるビーム静止系の電磁場を計算機を用いて解析する荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法であって、
荷電粒子装置の持つビームダクトの軌道方向を複数の周期的な所定領域に分割する第１手順と、
前記分割された各所定領域において、ビームの通過可能領域をビームの軌道軸方向に平行に連結した要素群を形成する規則的なメッシュ空間を構成する第２手順と、
ビームの軌道方向に連なる要素群に単位電荷密度ならびに単位勾配電荷密度を配置した２種類のビームの静止系における基本電場を算出したデータを用意する第３手順と、
荷電粒子群が形成するビームの静止系における電場を前記各基本電場の線形和として合成して算出する第４手順と、
前記算出された電場をビームの静止系から実験室系における電磁場に変換することにより、電磁力を算出する第５手順と、を実行する
荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法。
【請求項２】
前記第３手順は、ビームの進行方に沿う長手方向の両端部のビーム静止系における電場を、ビーム進行方向に前記所定領域よりも長い真空領域において、ビームの要素軸の所定領域のみに単位電荷密度ならびに単位勾配電荷密度を配置した２種類のビームの静止系における基本電場を算出したデータを用意する、
請求項１に記載の荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法。
【請求項３】
前記ビームダクトの内面には、軌道方向に離間する複数の突起部が配置されており、前記各突起部によって前記複数の周期的な所定領域が形成される、
請求項１または２のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法。
【請求項４】
前記荷電粒子装置は、粒子線治療装置に用いられる加速器として構成される、
請求項３に記載の荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法。
【請求項５】
荷電粒子装置内のビームにより形成されるビーム静止系の電磁場を計算機により解析させるコンピュータプログラムであって、
前記計算機に、
荷電粒子装置の持つビームダクトの軌道方向を複数の周期的な所定領域に分割する第１手順と、
前記分割された各所定領域において、ビームの通過可能領域をビームの軌道軸方向に平行に連結した要素群を形成する規則的なメッシュ空間を構成する第２手順と、
ビームの軌道方向に連なる要素群に単位電荷密度ならびに単位勾配電荷密度を配置した２種類のビームの静止系における基本電場を算出したデータを用意する第３手順と、
荷電粒子群が形成するビームの静止系における電場を前記各基本電場の線形和として合成して算出する第４手順と、
前記算出された電場をビームの静止系から実験室系における電磁場に変換することにより、電磁力を算出する第５手順とを、
実行させるためのコンピュータプログラム。
【請求項６】
前記第３手順は、ビームの進行方向に沿う長手方向の両端部のビーム静止系における電場を、ビーム進行方向に前記所定領域よりも長い真空領域において、ビームの要素軸の所定領域のみに単位電荷密度ならびに単位勾配電荷密度を配置した２種類のビームの静止系における基本電場を算出したデータを用意する手順である、
請求項５に記載のコンピュータプログラム。
【請求項７】
荷電粒子装置内のビームにより形成されるビーム静止系の電磁場を解析する荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析システムであって、
所定のデータを記憶する記憶部と、
前記所定のデータを用いて解析処理を実施する解析部と、
前記解析部の解析結果を出力する解析結果出力部とを備え、
荷電粒子装置の持つビームダクトの軌道方向を複数の周期的な所定領域に分割されており、かつ、前記分割された各所定領域において、ビームの通過可能領域をビームの軌道軸方向に平行に連結した要素群を形成する規則的なメッシュ空間が構成されており、
前記記憶部には、ビームの軌道方向に連なる要素群に単位電荷密度ならびに単位勾配電荷密度を配置した２種類のビームの静止系における基本電場を算出したデータが前記所定のデータとして記憶されており、
前記解析部は、荷電粒子群が形成するビームの静止系における電場を前記各基本電場の線形和として合成して算出し、前記算出された電場をビームの静止系から実験室系における電磁場に変換することにより、電磁力を算出する
荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析システム。
【請求項８】
前記所定のデータは、ビームの進行方向に沿う長手方向の両端部のビーム静止系における電場を、ビーム進行方向に前記所定領域よりも長い真空領域において、ビームの要素軸の所定領域のみに単位電荷密度ならびに単位勾配電荷密度を配置した２種類のビームの静止系における基本電場を算出したデータである、
請求項７に記載の荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析システム。
【請求項９】
加速器用のバーチャル・ビームモニタとして使用される、
請求項７または８のいずれかに記載の荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析システム。
【請求項１０】
加速器の運転を支援する加速器運転支援装置として使用される、
請求項７または８のいずれかに記載の荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法、システムおよびコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
加速器等の荷電粒子装置を設計製造する場合、あらかじめ荷電粒子ビームの挙動を把握しておくことが重要である。光速よりも遅い陽子や重粒子といった荷電粒子ビームは、ビーム電流値が大きくなるに従って、ビーム自身が誘起する電磁場による電磁力の影響を強く受けるようになる。この効果は空間電荷効果と呼ばれている。この空間電荷効果により、粒子密度の高いコアの周囲に比較的粒子密度の低い領域が発生するビームハロー現象が起こり、安定領域から外れた粒子は失われてしまい、利用可能な荷電粒子数が減少する。また、加速器においては、荷電粒子の横方向の振動であるベータトロン振動数が低くなり、ベータトロン共鳴に近づいてこれによるビームロスも発生する。
【０００３】
電磁場による電磁力の影響を考慮した荷電粒子ビーム挙動を解析する代表的な方法として、ＰＩＣ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ−Ｉｎ−Ｃｅｌｌ）法がある。ＰＩＣ法では、電磁場を解くために、解析空間を有限要素（有限セル）で分割する。また、ＰＩＣ法では、計算コストを削減するために、荷電粒子群を実際の粒子数よりもはるかに少ないマクロ粒子（超粒子）で表現する。ＰＩＣ法では、有限要素に存在するマクロ粒子数により荷電粒子密度を割り出し、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式を解いて電磁場を求める。そして、ＰＩＣ法では、マクロ粒子に作用する電磁力を算出して、マクロ粒子の挙動を解析する。
【０００４】
マクロ粒子に作用する電磁力を解析する方法として、荷電粒子群のエネルギー幅が小さい場合には、荷電粒子群中心に乗った静止系において、概ね静電場とみなせる。そこで、この静電場（E'x, E'y, E'z）を求め、数１および数２に示す逆ローレンツ変換により、実験室系における電場（Ex, Ey, Ez）および磁場（Bx, By, Bz）を求める。
【０００５】
【数１】
2020184468.tif 000003
【０００６】
【数２】
2020184468.tif 000004
【０００７】
ここで、ｖはビーム速度、γ＝１／（１−β２）１／２、β＝ｖ／ｃ、ｃは光速である。電磁場に基づいて、数３により電磁力ベクトルＦが算出される。
【０００８】
【数３】
2020184468.tif 000005
ここで、βｘ＝ｖｘ／ｃ、βｙ＝ｖｙ／ｃ、βｚ＝ｖｚ／ｃであり、（ｖｘ,ｖｙ,ｖｚ）は速度ベクトル成分である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】R. Wanzenberg: ” Nonlinear Motion of a Point Charge in the 3D Space Charge Field of a Gaussian Bunch”, Internal Report DESY M 10-01 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
荷電粒子ビームが誘起する電磁場を有限要素法等の数値解法を用いて解析する場合、荷電粒子の密度分布を、有限要素で構成されたビーム通過領域（以下、ビームメッシュと呼ぶ）に設定する。荷電粒子ビームを多数のマクロ粒子で模擬する場合、ビームメッシュの各有限要素にマクロ粒子を配置した後、ビームメッシュにおける荷電粒子密度分布を基にして、ビームに乗った座標系にて電場を解析する。この場合、ビームの移動に応じて、毎時刻電場を解析するのでは数値解析上の負担が重く、計算量が膨大になる。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、荷電粒子ビームが生成する電磁場を高速に算出できるようにした荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法、システムおよびコンピュータプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の一つの観点にしたがう荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法は、荷電粒子装置内のビームにより形成されるビーム静止系の電磁場を計算機を用いて解析する荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法であって、荷電粒子装置の持つビームダクトの軌道方向を複数の周期的な所定領域に分割する第１手順と、分割された各所定領域において、ビームの通過可能領域をビームの軌道軸方向に平行に連結した要素群を形成する規則的なメッシュ空間を構成する第２手順と、ビームの軌道方向に連なる要素群に単位電荷密度ならびに単位勾配電荷密度を配置した２種類のビームの静止系における基本電場を算出したデータを用意する第３手順と、荷電粒子群が形成するビームの静止系における電場を各基本電場の線形和として合成して算出する第４手順と、算出された電場をビームの静止系から実験室系における電磁場に変換することにより、電磁力を算出する第５手順と、を実行する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、荷電粒子ビームが生成する電磁場を高速に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１の説明図であり、ビームダクト内の真空領域をメッシュ分割した図である。
【図２】２本の要素軸を示す説明図である。
【図３】要素軸に一様密度の荷電粒子密度を配置したときの基本電場分布を示す説明図である。
【図４】要素軸に一様勾配密度の荷電粒子密度を配置したときの基本電場分布を示す説明図である。
【図５】実施例２に係り、荷電粒子ビーム周辺の電場分布を示す説明図である。
【図６】実施例１，２で使用可能な解析プロセスを示すフローチャートである。
【図７】実施例１，２を具現化した解析システムのハードウェアおよびソフトウェアの構成図である。
【図８】実施例１，２を具現化した解析システムの機能構成図である。
【図９】実施例３に係り、シンクロトロンの機器構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態は、荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法、解析システム、またはコンピュータプログラムとして実現することができる。さらに、解析システムは、バーチャル・ビームモニタ、または加速器運転支援装置として用いることもできる。
【００１６】
本実施形態では、以下のような方法で荷電粒子ビームの形成する電場を算出する。まず、荷電粒子ビーム（以下、ビームと略記する場合がある）が周回するビームダクト内部を、ビームの軌道方向に沿って有限個に分離する。例えば、ビームダクトの内側に軌道方向に離間する複数の突起部（例えばリブ）が形成されている場合のように、ビームダクトが周期構造をもつ場合は、一つの周期長の空間（所定領域）を取り出す。すなわち、本実施形態では、軌道方向に隣接する突起部同士の間を一つの周期長を持つ空間として取り扱う。
【００１７】
本実施形態では、この分離された空間（所定領域）をメッシュ分割する。ビームの通過が可能な領域を軌道軸方向に平行に連結した要素群を形成するように、規則的なメッシュ空間を形成する。本明細書では、連結した要素群を１本の要素軸と呼ぶ。
【００１８】
ビームの通過する領域を複数本の要素軸で構成し、そのうちのｋ番目の要素軸に一様な単位電荷密度を配置したときの、ビームに乗った座標系における電場をあらかじめ求めておく。この電場を第１の基本場Ｅ’１ｋとする。
【００１９】
さらに、ｋ番目の要素軸において、軌道方向両端の要素で正負の単位電荷密度を持つように、軌道方向に沿って各要素の電荷密度が単調に増加するように電荷密度を配置したときの、ビームに乗った座標系における電場もあらかじめ求めておく。この電場を第２の基本場Ｅ’２ｋとする。ビームの静止系においてビームが生成する電場は、線形場であるため、数４に示すように、これら第１の基本場と第２の基本電場との合成として表現することができる。
【００２０】
【数４】
2020184468.tif 000006
【００２１】
ここで、ｇは要素軸の長さ、ρｋはｋ番目の要素軸における平均荷電粒子密度、ｄρｋ/ｄｓはｋ番目の要素軸における平均荷電粒子密度勾配、Ｎは２種類の基本電場の個数である。基本場Ｅ’２ｋを算出する場合、軌道方向両端の要素で正負の単位電荷密度をもつように、軌道方向に沿って各要素の電荷密度が単調に減少するように電荷密度を配置してもよい。この場合、ビームが生成する電場Ｅ’は、数５となる。
【００２２】
【数５】
2020184468.tif 000007
【００２３】
数４あるいは数５で求められる数３を用いて得られたビームの静止系においてビームが生成する電場Ｅ’を数３へ代入することにより、ビーム内の各マクロ粒子に作用する電磁力を算出することができる。
【００２４】
さらに、本実施形態に係る荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法に関するコンピュータプログラムは、上述した荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法における一連のプロセスをコーディングすることにより得ることができる。そして、本実施形態に係る解析方法または解析システムを実現する前記コンピュータプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶させて、流通させることもできる。さらには、このコンピュータプログラムは、インターネット等の通信ネットワークを介して転送することもできる。
【実施例１】
【００２５】
図１〜図４を用いて、実施例１を説明する。図１（１）は、荷電粒子ビームが通過する荷電粒子ビーム通過領域２を含むビームダクト内真空領域１をメッシュ分割した説明図である。図１（２）は、ビームダクト（真空ダクト）１２０（図９で後述）の内部構造の模式図である。ビームダクト１２０の内面には突起部としてのリブ１２１が軌道方向に離間して設けられている場合を示してある。本実施例では、リブ１２１間の所定領域１２２において、荷電粒子ビームの電場を計算する。リブ１２１が無い場合には、適宜、所定領域１２２を設定する。
【００２６】
荷電粒子ビームは、ビーム通過領域２内を矢印４の方向へ進行する。実際のビームダクト内真空領域１は、荷電粒子ビームの進行方向（矢印４）に、図１に示した空間が直線状および円弧状に多数連結された形になる。荷電粒子ビーム通過領域２を含むビームダクト内真空領域１の全領域を、荷電粒子ビーム進行方向に、前述の要素軸３を形成できるようにメッシュ分割する。
【００２７】
本実施例では、系の上下左右対称性を仮定し、前述の基本場を構成するために、上下左右１本ずつの計４本の要素軸３に荷電粒子密度を配置する。このときの要素軸を図２に示す。図２は、４本の要素軸のうち２本を明示するために、図１に示したビームダクト内真空領域１を要素軸の見える部分でカットした図である。
【００２８】
なお、上下左右の対称性は必須の条件ではなく、１本の要素軸３に荷電粒子密度を配置してもよい。あるいは、上下対称性のみを仮定して、２本の要素軸３に荷電粒子密度を配置してもよい。
【００２９】
図３は、要素軸３に一様密度の荷電粒子密度を配置したときの電場分布を示す。
【００３０】
図３には、ビームダクト内真空領域１において、荷電粒子ビームの出入口の面に電位を表現するための電気スカラポテンシャルに関する周期境界条件を設定し、その他の面、すなわちビームダクト壁には電位０の条件を設定して、有限要素法で解析された電場分布が示されている。図３に示すように、電場は、概ね荷電粒子ビーム進行方向に垂直な方向５を向いている。
【００３１】
図４は、要素軸３に一様勾配密度の荷電粒子密度を配置したときの電場分布を示す。荷電粒子ビーム進行方向において、ビーム入口面で−１Ｃ/ｍ３、ビーム出口面で＋１Ｃ/ｍ３となるように、４本の要素軸の各要素に電荷密度を配置する。
【００３２】
図４には、ビームダクト内真空領域１において、荷電粒子ビームの出入口の面に電気スカラポテンシャルに関する半周期境界条件を設定し、その他の面、すなわちビームダクト壁には電位０の条件を設定して、有限要素法で解析した電場分布が示されている。
【００３３】
電場は、概ね荷電粒子ビーム進行方向の負の方向６を向いている。ビームが生成する電場Ｅを数４で算出する。
【００３４】
本実施例によれば、あらかじめ基本電場Ｅ１ｋＥ２ｋ（k = 1, …, N）を算出したデータを用意することにより、荷電粒子ビームが誘起する電場を従来よりも高速に算出することができる。
【実施例２】
【００３５】
図５を用いて実施例２を説明する。図５は、ビーム静止系において、荷電粒子ビーム７がビームダクト内真空領域１の内部に誘起する電場分布の模式図である。荷電粒子ビームの進行方向４に沿う長手方向の両端部（すなわちビームの先頭部および後端部）では、図５に示すように、荷電粒子ビーム７が誘起する電場は、荷電粒子ビーム７の前後に広がる。このため、荷電粒子ビーム進行方向４に沿う長手方向の両端部における基本電場では、電荷密度を配置する要素軸３よりも、解析空間であるビームダクト内真空領域１を数倍長めに設定する。荷電粒子ビームの進行方向４に沿う長手方向の両端部を除くビーム領域では、実施例１で述べた方法で電場を求めることができる。
【００３６】
本実施例によれば、荷電粒子ビーム７の進行方向４の両端部における電場を、実施例１よりも高精度に求めることができる。
【００３７】
図６は、実施例１，２に関する全体の解析処理（Ｓ１０）を示す。解析処理（解析プロセス）では、最初に、所定のデータＤ１〜Ｄ３を取得する（Ｓ１１）。すなわち、荷電粒子ビームが走行するビームダクト内真空領域１に関する三次元メッシュのデータＤ１と、解析条件を記述したコントロールデータＤ２と、荷電粒子ビーム通過領域２における基本電場データＤ３とを用意する。
【００３８】
解析処理では、荷電粒子ビームのビーム軌道方向の一つの区域（所定領域）における荷電粒子の密度分布を算出する（Ｓ１２）。次に、解析処理では、荷電粒子密度分布をもとに各区域におけるビーム静止系における電場を、第１の基本電場と第２の基本電場との合成により算出する（Ｓ１３）。
【００３９】
さらに、解析処理では、電場を逆ローレンツ変換により実験室系における電磁場へ変換し、ビームの通過可能領域２の各要素における電磁力を算出する（Ｓ１４）。
【００４０】
解析処理では、電磁力をマクロ粒子に作用させてマクロ粒子の運動方程式を解き、マクロ粒子の位置と運動量とを更新する（Ｓ１５）。そして、解析を続行するか否かが判定される（Ｓ１６）。
【００４１】
解析を続行する場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、ステップＳ１２へ戻り、上記一連の解析ステップＳ１２〜Ｓ１５が実行される。解析が終了した場合（Ｓ１６：ＮＯ）、解析結果は記憶装置９３（図７で後述）へ記憶される（Ｓ１７）。解析結果は、ディスプレイ装置等の出力装置９５（図７で後述）へ出力させることもできる（Ｓ１８）。解析結果の記憶および出力は、解析処理の途中で適宜実行してもよい。
【００４２】
図７は、実施例１，２に係る解析システムを示す構成図である。上述した荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法をコンピュータプログラムとして作成し、そのコンピュータプログラムを計算機９で実行させることにより、解析システムを実現することができる。以下では、計算機９を解析システム９と呼ぶ。
【００４３】
解析システム９は、例えば、マイクロプロセッサ（図中、ＣＰＵ）９１と、メモリ９２と、記憶装置９３と、入力装置９４と、出力装置９５と、通信部９６と、媒体インターフェース部９７と、を備える。図中では、インターフェースを「ＩＦ」と略記する。
【００４４】
マイクロプロセッサ９１は、記憶装置９３に記憶されたコンピュータプログラム１００，１０１をメモリ９２に読み込んで実行することにより、実施例１，２で述べた解析処理を実現する。
【００４５】
記憶装置９３は、例えば、ハードディスク装置またはフラッシュメモリ装置等のように、比較的大容量の不揮発性記憶媒体を用いる装置として構成される。記憶装置９３は、例えば、オペレーティングシステム１００および解析プログラム１０１をあらかじめ記憶している。記憶装置９３は、解析システム９の内部に設けることもできるし、ファイルサーバ等のように解析システム９の外部に設けることもできる。
【００４６】
記憶装置９３には、例えば、離散化データ記憶部１０２と、コントロールデータ記憶部１０３と、基本電場データ記憶部１０４と、解析結果記憶部１０５とが設けられる。離散化データ記憶部１０２は、三次元メッシュのデータＤ１を記憶する記憶領域である。コントロールデータ記憶部１０３は、コントロールデータＤ２を記憶する記憶領域である。同様に、基本電場データ記憶部１０は、基本電場データＤ３を記憶する記憶領域である。解析結果記憶部１０５は、解析処理の結果を記憶する記憶領域である。
【００４７】
入力装置９４は、ユーザからの情報が入力される装置である。入力装置９４は、例えば、キーボード、ポインティングデバイス（マウス等）、タッチパネルである。出力装置９５は、解析結果を出力する装置である。出力装置９５は、例えば、ディスプレイ装置、プリンタなどである。解析結果記憶部１０５に記憶された解析結果は、オペレーティングシステム１００（またはデバイスドライバ等）により、出力装置９５から出力される。また、解析システム９へ入力されるデータも出力装置９５で確認することができる。
【００４８】
通信部９６は、通信ネットワークＣＮに接続して外部装置９８と通信するための装置である。通信ネットワークＣＮは、例えば、インターネットまたは専用回線網である。外部装置９８は、例えば、計算機またはネットワークストレージ等である。
【００４９】
媒体インターフェース部９７は、外部記憶媒体ＭＭと通信するための装置である。外部記憶媒体ＭＭは、例えば、フラッシュメモリまたはハードディスク等である。
【００５０】
記憶装置９３に格納されるコンピュータプログラム１００，１０１の少なくとも一部と、データＤ１〜Ｄ３の少なくとも一部と、解析結果の少なくとも一部とのうち少なくともいずれかを、通信ネットワークＣＮを介して外部装置９８へ送信してもよいし、あるいは、外部記憶媒体ＭＭへ格納してもよい。
【００５１】
逆に、外部装置９８または外部記憶媒体ＭＭから記憶装置９３に、入力データの少なくとも一部と、コンピュータプログラム１００，１０１の少なくとも一部と、データＤ１〜Ｄ３の少なくとも一部とのうち少なくともいずれかを、転送して記憶させてもよい。
【００５２】
計算機（解析システム９）は、記憶装置９３に記憶されたデータファイルの内容をもとに、図６で述べた解析処理を実現するための解析プログラム１０１を実行する。このプログラム１０１は、例えば、本実施例の手法が記載されたアルゴリズムがコーディングされたソースファイルをコンパイルすることにより得られる解析実行モジュールである。
【００５３】
図８は、図７で述べた解析システムの機能構成図である。解析システムは、例えば、離散化データ記憶部１０２と、コントロールデータ記憶部１０３と、基本電場データ記憶部１０４と、解析部１０１と、解析結果記憶部１０５と、解析結果表示部とを含んで構成される。
【００５４】
離散化データ記憶部１０２は、上述の通り、ビームダクト内真空領域１に関するメッシュデータＤ１を、離散化データとして記憶する。この離散化データＤ１には、解析領域におけるメッシュデータ（メッシュを構成する各節点の位置座標成分ならびに各要素を構成する節点の節点番号や各要素の材料番号等）が含まれている。  
【００５５】
コントロールデータ記憶部１０３は、解析部１０１（解析プログラム１０１）による解析処理を実行するための解析条件等をまとめたコントロールデータＤ２を記憶する。コントロールデータＤ２には、荷電粒子装置（例えば加速器）の各構成要素に関する情報と、マクロ粒子を使ったビーム軌道解析に必要な種々の解析パラメータとが含まれる。
【００５６】
基本電場データ記憶部１０４は、ビーム静止系におけるビームダクト内の基本電場のデータＤ３が記憶される。基本電場データＤ３は、マクロ粒子に作用する電磁力を解析部１０１により高速に算出するために使用されるデータである。
【００５７】
これらの離散化データ記憶部１０２とコントロールデータ記憶部１０３と基本電場データ記憶部１０４とに記憶される各種のデータＤ１〜Ｄ３は、入力装置９４を介して解析システムへ入力され、記憶装置９３に記憶される。
【００５８】
解析部１０１は、離散化データ記憶部１０２とコントロールデータ記憶部１０３と基本電場データ記憶部１０４とにそれぞれ記憶されたデータＤ１〜Ｄ３に基づいて、荷電粒子ビームのビーム特性を計算する。解析部１０１は、上述の通り、解析領域を対象としてマクロ粒子の振舞いを数値的に解くなどの解析処理を実行する。
【００５９】
解析結果記憶部１０５は、解析部１０１による解析結果を記憶する。解析結果表示部１０６は、解析部１０１による解析結果を出力装置９５の画面へ表示させる。解析部１０１の解析結果は、オペレーティングシステム１００が解析部１０１の指示にしたがって出力装置９５を制御することにより、出力装置９５に表示される。また、ユーザが入力装置９４を介して入力する操作は、オペレーティングシステム１００から解析部１０１に伝達される。
【００６０】
荷電粒子装置の例である加速器に実施例１，２を適用する場合を説明する。加速器の運転パラメータを解析パラメータとして解析処理に取り込むことにより、解析システム９を、荷電粒子ビームの挙動を事前に把握するためのバーチャルビームモニタとして利用することができる。また、解析パラメータを調整することにより、ビームロスを減らすための、電磁石系およびに高周波加速系の運転パラメータを適切な値に設定できる。
【実施例３】
【００６１】
図９を用いて、実施例３を説明する。本実施例では、荷電粒子ビーム空間電荷電磁力解析法を利用する加速器運転支援装置に関する。空間電荷効果が問題となる環状型加速器を対象とする。
【００６２】
図９は、環状型加速器の一例であるシンクロトロン装置を示す。シンクロトロン装置１２０は、例えば、偏向磁石１２１と、４極磁石１２２と、６極磁石１２３と、高周波加速装置１２４と、ビーム位置モニタ１２５と、ビーム電流モニタ１２６と、これら機器の励磁電源装置および制御装置（いずれも図示せず）等を備える。
【００６３】
偏向磁石１２１は、荷電粒子ビームの軌道を曲げて閉軌道を形成する磁石であり、４箇所に設けられている。４極磁石１２２は、荷電粒子ビームを、ある有限の大きさに絞り込むための磁石である。６極磁石１２３は、荷電粒子ビームの水平方向および垂直方向の、ビーム振動の色収差（クロマティシティ）を補正するための磁石である。高周波加速装置１２４は、荷電粒子ビームを加速するための装置である。ビーム位置モニタ１２５は、荷電粒子ビームの位置を検出する。ビーム電流モニタ１２６は、荷電粒子ビームの電流を検出する。
【００６４】
前段加速器１１０からインフレクタ１３１を用いてシンクロトロン装置１２０へ入射された荷電粒子ビームは、真空ダクト１２０の内部に蓄積され、高周波加速装置１２４により加速される。加速された荷電粒子ビームは、ディフレクタ１３２から出射され、ビーム照射装置１３０へ導かれる。粒子線治療装置の場合、荷電粒子ビームは、ビーム出射装置１３０から回転ガントリの照射ヘッド（いずれも不図示）を介して、患者の患部へ照射される。
【００６５】
荷電粒子ビームの空間電荷がビーム特性に与える影響は、例えば実施例１あるいは実施例２で述べた方法により事前に把握することができる。しかし、実際の装置１２０の運転時では、事前に計算された値と実際の値とで差異が生じる。装置１２０の製造時の公差、装置１２０の据え付け時における設置誤差、装置１２０を構成する材質の磁気特性の製造工程、装置１２０の組立工程における劣化等により、荷電粒子ビームの特性は、設計値から多少はずれる。
【００６６】
ここで、加速器の運転に際しては、ビームモニタ１２５によりビーム電流とビーム位置とビームの大きさとビームがもつ水平方向および垂直方向の振動数（チューン）等の情報を得ることができる。これらビームモニタ１２５で検出される情報には、荷電粒子ビームが誘起する空間電荷による様々な影響が含まれており、特に水平・垂直チューンへの影響が大きい。ビーム入射時およびビーム出射時においては、水平・垂直チューンの調整が運転効率に多大な影響を及ぼす。
【００６７】
そこで、本実施例では、ビームモニタ１２５から得られる情報をもとに、実施例１，２で述べたように、空間電荷を考慮した荷電粒子ビーム挙動に関する数値シミュレーションを実施する。そして、シミュレーション結果に基づいて、装置１２０（加速器）を構成する各機器の運転パターンを調整する。
【００６８】
このように構成される本実施例によれば、加速器の運転を支援する装置または方法を実現することができ、空間電荷効果を考慮した複数の機器の運転パターンを最適な方向に調整することができる。
【００６９】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。上述の実施形態において、添付図面に図示した構成例に限定されない。本発明の目的を達成する範囲内で、実施形態の構成や処理方法は適宜変更することが可能である。
【００７０】
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれる。さらに特許請求の範囲に記載された構成は、特許請求の範囲で明示している組合せ以外にも組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１：ビームダクト内真空領域、２：ビーム通過領域、３：要素軸、４：ビームの進行方向、５，６：電場の向き、７：荷電粒子ビーム、８：電気力線、９：解析システム（計算機）、１２０：荷電粒子装置（加速器）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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