(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流基準情報に応じたコイル電流を磁場コイルに供給して、加速される荷電粒子の軌道に磁場を発生させる加速器の制御装置であって、
経過時間に伴って、磁束密度が初期値から初期加速完了レベルまで増加する変化である初期上げパターンと、前記初期値と前記初期加速完了レベルとの差よりも小さい減少幅で磁束密度が減少する変化である減少パターンと、経過時間に伴って磁束密度が所定の増加幅で増加する変化である増加パターンと、磁束密度が終了値まで減少する変化である終了パターンとを記憶しており、初期上げ指令を受けた場合には前記初期上げパターンに従った磁束密度情報を経過時間に応じて出力し、前記初期上げパターンに従った磁束密度情報の出力後に減少指令を受けた場合には前記減少パターンに従った磁束密度情報を経過時間に応じて出力し、前記初期上げパターンに従った磁束密度情報の出力後に増加指令を受けた場合には前記増加パターンに従った磁束密度情報を経過時間に応じて出力し、終了指令を受けた場合には前記終了パターンに従った磁束密度情報を経過時間に応じて出力する磁場基準発生部と、
前記磁場基準発生部が出力する磁束密度情報が更新される毎に、更新された磁束密度情報に応じた磁場を発生させる前記コイル電流の大きさを求めて前記電流基準情報として前記磁場コイルの電源供給部に入力する電流基準変換部と
を備えていることを特徴とする加速器の制御装置。
【請求項２】
前記加速器は、第１の前記電流基準情報に応じた前記コイル電流を第１の前記磁場コイルに供給すると共に第２の前記電流基準情報に応じた前記コイル電流を第２の前記磁場コイルに供給するものであり、
前記電流基準変換部は、前記磁場基準発生部が出力する磁束密度情報が更新される毎に、更新された磁束密度情報に応じた磁場を前記第１の磁場コイルによって発生させる前記コイル電流の大きさを前記第１の電流基準情報として前記第１の磁場コイルの前記電源供給部に入力すると共に、更新された磁束密度情報に応じた磁場を前記第２の磁場コイルによって発生させる前記コイル電流の大きさを前記第２の電流基準情報として前記第２の磁場コイルの前記電源供給部に入力することを特徴とする請求項１記載の加速器の制御装置。
【請求項３】
前記加速器は、前記荷電粒子を周回させるために、周波数基準情報に応じた加速周波数の電力を供給する周波数制御部を備えたものであり、
前記磁場基準発生部が出力する磁束密度情報が更新される毎に、更新された磁束密度情報に応じた加速周波数を求めて、求めた加速周波数を前記周波数基準情報として前記周波数制御部に入力する周波数基準変換部を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の加速器の制御装置。
【請求項４】
前記磁場基準発生部が出力する磁束密度情報の変化を経過時間と共に記録する記録部を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の加速器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子を加速する加速器の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、シンクロトロンなどの加速器の制御装置では、陽子や炭素イオンなどの荷電粒子の加速完了時のエネルギーが（最高レベルとして）一定値となるよう加速器を運転し、その荷電粒子を取り出して利用している。
【０００３】
図１１は、このような加速器の制御系統の要部の従来例を示すブロック図である。図に示すように、シンクロトロン１０は、偏向電磁石１２と、偏向電磁石電源１４と、パターンメモリ装置１６と、タイミング装置１８とを有する。偏向電磁石１２は、荷電粒子を円形軌道に沿って周回させるための偏向磁場を発生させる。パターンメモリ装置１６は、タイミング装置１８からのクロック信号に応じて動作し、偏向電磁石１２に供給すべき電流の値を電流指令値として偏向電磁石電源１４に入力する。偏向電磁石電源１４は、この電流指令値に従った大きさの電流を偏向電磁石１２に供給し、偏向電磁石１２は、電流値に応じた磁束密度の磁場を荷電粒子の軌道に生じさせる。
【０００４】
図１２は、偏向電磁石１２に供給される電流により生じる磁場の磁束密度の時間変化の一従来例を上側に、入射ビームの取り込みおよび出射ビーム取り出しのタイミングを下側に示したものである。図に示すように、はじめの磁束密度が一定の期間において入射ビームの取り込みが行われる。この後、偏向電磁石１２に供給される電流値が増加することで磁場の磁束密度が増加する。これに併せて高周波電力（図示せず）が供給されることで、荷電粒子のビームは、シンクロトロン１０の円形軌道を周回しながら加速完了時のレベルまでエネルギーを増加させる。加速完了時において、磁場の磁束密度も荷電粒子のエネルギーも一定となり、この期間に出射ビームの取り出しが行われる。パターンメモリ装置１６は、このように偏向電磁石１２に供給すべき電流を電流指令値のパターンとして出力するものであり、これに関する従来技術として、特許文献１と特許文献２が知られている。
【０００５】
特許文献１の従来技術では、制御回路の構成を工夫することで、荷電粒子の軌道となる磁場の磁束密度を初期レベルから加速完了レベルまで増加させる途中において定常状態（磁束密度が一定の状態）を設けている。この定常状態の間に入射ビームの取り込みと共に各種装置の調整を行い、定常状態の後、磁場の磁束密度を加速完了時のレベル（最高レベル）まで増加させている。
【０００６】
特許文献２の従来技術では、パターンメモリ装置が第１のメモリおよび第２のメモリを備え、これらの一方のメモリのみを動作させ、その間に他方のメモリの内容を書き換え可能としている。これにより、加速器の動作中に他方のメモリのパターンデータを書き換え可能とし、書き換え後に一方のメモリを停止して他方のメモリを動作させることで、書き換え後のパターンでの加速器の運転を可能にしている。
【０００７】
いずれの従来技術も、磁場の磁束密度が加速完了時のレベル（最高レベル）に達した定常状態において、荷電粒子のビームを一定値で取り出すことを前提としている。
【０００８】
加速器の用途として、粒子線の照射による癌治療などが挙げられるが、荷電粒子のビームを照射すべき部分の体内の深さは様々であり、ビームの到達深さはビームエネルギーに依存する。ここで粒子線照射の治療の一例として、体の表面からの深さが４ｃｍから６ｃｍの位置に亘って癌細胞が存在し、深さ６ｃｍの位置から順に、深さ０．４ｃｍの間隔で深さが４ｃｍの位置まで合計６回の照射を行う場合を考える。
【０００９】
従来は、加速完了時のエネルギーレベルで深さ６ｃｍに到達するように調整後、加速完了後の定常状態において同じエネルギーのビームを６回出射させ、ビーム経路に挿入するアクリル板でビームエネルギーを減衰させ、ビームの到達深さを調整していた。例えば、アクリル板無しの状態でビームを出射させて深さ６ｃｍの位置に照射後、次はアクリル板を１枚挟んでビームを出射させて深さ５．６ｃｍの位置に照射し、次はアクリル板を２枚挟んでビームを出射させる、といった手順で照射を行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６３−２１３３００号公報
【特許文献２】特開平０３−７８９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の粒子線照射の治療では、アクリル板の挿入作業の手間を要することに加え、アクリル板の挿入時の騒音や、アクリル板によるビームの散乱などが生じる。このため、エネルギーの異なる複数のビームを短時間で容易に取り出す技術が要望されていた。
【００１２】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、荷電粒子の加速器において、エネルギーの異なる複数のビームを短時間で取り出す技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る加速器の制御装置は、電流基準情報に応じたコイル電流を磁場コイルに供給して、加速される荷電粒子の軌道に磁場を発生させる加速器の制御装置であって、上記目的を達成するために、磁場基準発生部と、電流基準変換部とを備えるものである。
【００１４】
前記磁場基準発生部は、経過時間に伴って、磁束密度が初期値から初期加速完了レベルまで増加する変化である初期上げパターンと、前記初期値と前記初期加速完了レベルとの差よりも小さい減少幅で磁束密度が減少する変化である減少パターンと、経過時間に伴って磁束密度が所定の増加幅で増加する変化である増加パターンと、磁束密度が終了値まで減少する変化である終了パターンとを記憶しており、初期上げ指令を受けた場合には前記初期上げパターンに従った磁束密度情報を経過時間に応じて出力し、前記初期上げパターンに従った磁束密度情報の出力後に減少指令を受けた場合には前記減少パターンに従った磁束密度情報を経過時間に応じて出力し、前記初期上げパターンに従った磁束密度情報の出力後に増加指令を受けた場合には前記増加パターンに従った磁束密度情報を経過時間に応じて出力し、終了指令を受けた場合には前記終了パターンに従った磁束密度情報を経過時間に応じて出力する。
【００１５】
前記電流基準変換部は、前記磁場基準発生部が出力する磁束密度情報が更新される毎に、更新された磁束密度情報に応じた磁場を発生させる前記コイル電流の大きさを求めて前記電流基準情報として前記磁場コイルの電源供給部に入力する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、荷電粒子の加速器において、エネルギーの異なる複数のビームを短時間で取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態における加速器の構成を示すブロック図。
【図２】磁場基準発生器に記憶され、磁場基準値として出力される磁束密度の時間変化のパターンを示す説明図。
【図３】偏向電磁石の磁場コイルに供給するコイル電流値と、発生する磁束密度との対応関係として、電流基準変換器に記憶されたデータの一例を示す図。
【図４】磁場基準値の時間変化の一例を上側に示し、そのときの入射ビームの取り込みおよび出射ビームの取り出しのタイミングと、それらのエネルギーレベルとを下側に示した図。
【図５】本発明の第２の実施形態における加速器の構成を示すブロック図。
【図６】四極電磁石の磁場コイルに供給するコイル電流値と、発生する磁束密度との対応関係として、電流基準変換器に記憶されたデータの一例を示す図。
【図７】本発明の第３の実施形態における加速器の構成を示すブロック図。
【図８】荷電粒子の軌道となる磁場の磁束密度と、供給すべき加速周波数との対応関係の一例を示すグラフ。
【図９】本発明の第４の実施形態における加速器の構成を示すブロック図。
【図１０】本発明の第５の実施形態における加速器の構成を示すブロック図。
【図１１】従来の加速器における制御系統の要部の構成を示すブロック図。
【図１２】従来の加速器において、偏向電磁石に供給される電流により生じる磁場の磁束密度の時間変化を上側に、入射ビームの取り込みおよび出射ビーム取り出しのタイミングを下側に示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、各図において同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態における加速器３０の構成を示すブロック図である。図に示すように、シンクロトロンとして構成された加速器３０は、イオン源３２と、入射用加速器３４と、電源装置３６、３８と、主加速部４０と、高周波発生器４２と、ビーム輸送系４４と、ビーム照射系４６と、制御装置４８とを備えている。
【００２０】
主加速部４０は、４個の偏向電磁石５０と、８個の四極電磁石５２と、入射用電磁石５４と、出射用電磁石５６と、高周波加速空洞５８とを有する。
【００２１】
ビーム照射系４６は、ビームシャッタ６０と、線量モニタ６２とを有する。
【００２２】
制御装置４８は、パターン発生装置６４と、タイミング制御装置６６と、操作部６８とを有する。パターン発生装置６４は、磁場基準発生器７０と、電流基準変換器７２とを有する。磁場基準発生器７０は、偏向電磁石５０により発生させるべき磁場の磁束密度を経過時間に応じて磁場基準値として決定し、この磁場基準値を電流基準変換器７２に入力する。
【００２３】
電流基準変換器７２は、磁場基準値により示される磁束密度の磁場を生じさせるためには、偏向電磁石５０の磁場コイル（図示せず）にどれだけの大きさの電流を流す必要があるかを算出し、算出した値を電流基準値として電源装置３６に入力する。電源装置３６は、電流基準値が示す値のコイル電流を４つの偏向電磁石５０の各磁場コイルに供給する（図１では煩雑となるので、電源装置３６から偏向電磁石５０への矢印を４本ではなく１本のみで示している）。これにより、磁場基準値に等しい磁束密度の磁場が偏向電磁石５０により荷電粒子の軌道中に発生する。
【００２４】
本実施形態の主な特徴は、制御装置４８による上記の磁場の磁束密度の制御にあり、他の部分の機能については、従来技術と同様であるので詳細な説明を省略する。
【００２５】
図２は、磁場基準発生器７０に記憶され、磁場基準値として出力される磁束密度の時間変化のパターンを示す説明図であり、（ａ）は初期上げパターン、（ｂ）は増加パターン、（ｃ）は減少パターン、（ｄ）は終了パターンを示す。
【００２６】
初期上げパターンでは、まず、磁束密度ゼロの状態から、入射ビームを主加速部４０に取り込めるレベル（以下、入射用レベルという）まで磁束密度を増加させた後、磁束密度が一定の状態を所定期間維持する。この所定期間は、入射用加速器３４から主加速部４０の入射用電磁石５４への入射ビームの取り込みを行うための期間である。この所定期間の経過後、磁束密度は初期加速完了レベルまで増加し、（磁束密度を増加または減少させる）次の指令に備えて磁束密度が一定の状態となる。出射用電磁石５６からの出射ビームの取り出しは、磁場の磁束密度が初期加速完了レベルに達した後に行われる。
【００２７】
増加パターン、減少パターン、終了パターンは、初期上げパターンの後に行われるものである。
【００２８】
増加パターンは、その直前に出力していた磁場基準値と同じ磁束密度を一定期間だけ維持した状態から始まり、その後、所定の増加幅で磁束密度を増加させてから、次の指令に備えて磁束密度が一定の状態となるものである。
【００２９】
減少パターンは、その直前に出力していた磁場基準値と同じ磁束密度を一定期間だけ維持した状態から始まり、その後、所定の減少幅で磁束密度を減少させてから、次の指令に備えて磁束密度が一定の状態となるものである。
【００３０】
終了パターンは、その時点での磁束密度の状態を一定期間だけ維持した状態から始まり、その後、入射用レベルまで磁束密度を減少させ、所定期間、磁束密度が一定の状態を維持する。この所定期間は、タイミング制御装置６６から所定の指令が入力されることにより、入射用加速器３４から主加速部４０へ入射ビームを再度取り込み、磁束密度を初期加速完了レベルまで再度増加させることを選択可能としたものである。この所定期間の経過後、磁束密度はゼロレベルまで減少する。
【００３１】
なお、初期上げパターン、増加パターン、減少パターン、終了パターンに従った磁場基準値の出力は、それぞれ、初期上げ指令ＴＡ、増加指令ＴＢ、減少指令ＴＣ、終了指令ＴＤがタイミング制御装置６６から磁場基準発生器７０に入力された場合に行われる。また、図２（ａ）〜（ｄ）では煩雑となるので磁束密度の増加部分および減少部分を直線的に示したが、実際には、タイミング制御装置６６から磁場基準発生器７０に入力されるクロック信号ＣＫの１周期の期間に応じて、磁場基準値が示す磁束密度は階段状に増加または減少する。
【００３２】
図３は、横軸にとった磁束密度の磁場を生じさせるためには、偏光電磁石５０の磁場コイルにどれだけのコイル電流を供給する必要があるかを示したグラフの一例である。電流基準変換器７２は、図３に示されるコイル電流値と磁束密度との対応関係をテーブルデータあるいは関数として記憶している。このテーブルデータあるいは関数については、偏向電磁石５０の設計により予め決定してもよいし、あるいは、主加速部４０の完成後に測定を行って決定してもよい。
【００３３】
図４は、磁場基準値の時間変化の一例を上側に示し、そのときの入射ビームの取り込みおよび出射ビームの取り出しのタイミングと、それらのエネルギーレベルとを下側に示したタイミング図である。
【００３４】
図４では加速器３０の動作の一例として、４００ＭｅＶ、３９０ＭｅＶ、３６０ＭｅＶ、３７０ＭｅＶの出射ビームを順に取り出す場合を示している。従って、荷電粒子の軌道の磁束密度が初期加速完了レベルである場合に、高周波電力によって荷電粒子のビームエネルギーが約４００ＭｅＶ（メガ・エレクトロンボルト）に相当するものとしている。また、増加パターンの磁束密度の増加幅と減少パターンの磁束密度の減少幅とは絶対値が等しく、この幅で荷電粒子の軌道の磁束密度が増減した場合に、高周波電力の増減によってビームエネルギーが１０ＭｅＶ増減するものとしている。
【００３５】
上記のように４００ＭｅＶ、３９０ＭｅＶ、３６０ＭｅＶ、３７０ＭｅＶの出射ビームを順に取り出すため、本実施形態では、各指令の出力タイミングを予めタイミング制御装置６６に書き込んでおく。具体的には、タイミング制御装置６６が初期上げ指令ＴＡを出力する時刻ｔ０を基準として、ｔ４秒後に出射可能信号ＴＰを、ｔ５秒後に減少指令ＴＣを、ｔ７秒後に出射可能信号ＴＰを、ｔ８秒後とｔ１０秒後とｔ１２秒後に減少指令ＴＣを、ｔ１４秒後に出射可能信号ＴＰを、ｔ１５秒後に増加指令ＴＢを、ｔ１７秒後に出射可能信号ＴＰを、ｔ１８秒後に終了指令ＴＤを出力するように書き込んでおく。
【００３６】
なお、タイミング制御装置６６から出力される出射可能信号ＴＰは、主加速部４０やビーム照射系４６の各部に入力されるが、図１では煩雑となるので、その信号線を省略している（後述の第２〜第５の実施形態における図５、図７、図９、図１０についても同様）。また、初期加速完了レベルや増加幅、減少幅については、磁場基準発生器７０に対して任意に書き換え可能であり、減少指令ＴＣ、増加指令ＴＢ、出射可能信号ＴＰ、終了指令ＴＤの出力タイミングについても、タイミング制御装置６６に対して任意に書き換え可能である。
【００３７】
以下、図１を適宜参照しながら、図４に示した時刻ｔ０〜ｔ１９のタイミングに従って、本実施形態の加速器３０の動作について説明する。
【００３８】
まず、操作部６８のスタートボタン（図示せず）が押されると、イオン源３２は荷電粒子を生成し、入射用加速器３４は、生成された荷電粒子を主加速部４０で加速可能なエネルギーレベルまで加速する。一方で、タイミング制御装置６６は、磁場基準発生器７０に対しクロック信号ＣＫの入力を開始し、時刻ｔ０において、初期上げ指令ＴＡを磁場基準発生器７０に入力する。磁場基準発生器７０は、初期上げ指令ＴＡの入力に同期して、初期上げパターンに従った磁場基準値を時刻ｔ０からの経過時間に応じて電流基準変換器７２に入力し始める。磁場基準発生器７０が出力する磁場基準値は、クロック信号ＣＫの入力のサイクル毎に更新される。
【００３９】
電流基準変換器７２は、磁場基準値が更新される毎に、図３で説明したコイル電流値と磁束密度との対応関係に従って、磁場基準値が示す磁束密度の磁場を生じさせるコイル電流の値を算出し、算出値を電流基準値として電源装置３６に入力する。電源装置３６は、電流基準値が示す値のコイル電流を各偏向電磁石５０の磁場コイルに供給する。これにより、磁場基準値に等しい磁束密度の磁場が荷電粒子の軌道中に発生する。
【００４０】
時刻ｔ１において、電流基準変換器７２に入力される磁場基準値は入射用レベルとなり、時刻ｔ２まで磁場基準値は一定となる。このとき、主加速部４０内の円形軌道の磁場は、ビームの取り込みに適した磁束密度となっており、入射用加速器３４からの入射用電磁石５４に荷電粒子のビームが取り込まれる。同時に、高周波発生器４２は、高周波加速空洞５８を介して荷電粒子の軌道に高周波電力を供給している。
【００４１】
時刻ｔ２において、電流基準変換器７２に入力される磁場基準値は増加し始める。高周波発生器４２は、磁場の磁束密度に対応した高周波電力を高周波加速空洞５８を介して供給し、荷電粒子は、この高周波電力によりエネルギーを得て加速する。
【００４２】
時刻ｔ３において、磁場基準値は初期加速完了レベルに達し、タイミング制御装置６６からの次の指令（増加指令ＴＢ、減少指令ＴＣ、終了指令ＴＤ、リセット指令ＲＥのいずれか）が電流基準変換器７２に入力されるまで、磁場基準値は初期加速完了レベルを維持する。
【００４３】
時刻ｔ４において、タイミング制御装置６６は、主加速部４０やビーム照射系４６の各部に出射可能信号ＴＰを入力する。この後、ビーム照射系４６は、対象物に４００ＭｅＶのビームを照射する。より詳細には、主加速部４０で加速した荷電粒子は、出射用電磁石５６から出射して、治療室等にあるビーム照射系４６までビーム輸送系４４により輸送される。ビーム照射系４６は、線量モニタ６２で荷電粒子ビームパルスの線量を測定し、その積算値が規定値に達した時点でビームシャッタ６０を閉鎖して照射を止めることにより、照射量を制御する。
【００４４】
この後、時刻ｔ５において、タイミング制御装置６６は、減少指令ＴＣを磁場基準発生器７０に入力する。ここで、磁場基準発生器７０に記憶された増加パターン、減少パターン、終了パターンの磁場基準値の開始レベルは、磁場基準値が初期加速完了レベルに達した後に増加指令ＴＢと減少指令ＴＣとが既に何回ずつ入力されたかにより異なる。このため、磁場基準発生器７０は、初期加速完了レベルに達した後に増加指令ＴＢと減少指令ＴＣとが既に何回ずつ入力されたかを記憶しており、増加指令ＴＢ、減少指令ＴＣ、終了指令ＴＤのいずれかが入力された場合の磁場基準値の開始レベルを算出して更新している。
【００４５】
磁場基準値が初期加速完了レベルに達した時刻ｔ３から、時刻ｔ５の直前までにおいて、増加指令ＴＢも減少指令ＴＣも入力されていないので、時刻ｔ５において磁場基準発生器７０は、増加指令ＴＢ、減少指令ＴＣ、終了指令ＴＤのいずれかが入力された場合の磁場基準値の開始レベルを初期加速完了レベルに設定している。
【００４６】
従って、磁場基準発生器７０は、時刻ｔ５での減少指令ＴＣの入力に同期して、磁場基準値が初期加速完了レベルから減少幅だけ減少するように、減少パターンに従った磁場基準値を時刻ｔ５からの経過時間に応じて電流基準変換器７２に入力し始める。この後、磁場基準値の減少に併せて電流基準値も減少し、荷電粒子の軌道の磁束密度も減少し、磁束密度の減少に併せて、高周波発生器４２から供給される高周波電力も減少する。
【００４７】
時刻ｔ６において荷電粒子のエネルギーは、初期加速完了レベルに対応する４００ＭｅＶから、減少幅に対応する１０ＭｅＶだけ減少した状態となり、磁場基準値も荷電粒子のエネルギーも一定値を維持した状態に入る。
【００４８】
この後、時刻ｔ７において、タイミング制御装置６６は、前記同様に出射可能信号ＴＰを出力し、ビーム照射系４６は、対象物に３９０ＭｅＶのビームを照射する。
【００４９】
この後、タイミング制御装置６６は、時刻ｔ８、ｔ１０、ｔ１２においてそれぞれ、減少指令ＴＣを磁場基準発生器７０に入力する。この３回の減少指令ＴＣにより、上記同様の動作が行われ、荷電粒子のエネルギーは３０ＭｅＶ減少する。具体的には、時刻ｔ９における荷電粒子のエネルギーは、３９０ＭｅＶであった時刻ｔ８のときよりも１０ＭｅＶ減少して３８０ＭｅＶとなり、時刻ｔ１１での荷電粒子のエネルギーは３７０ＭｅＶとなり、時刻１３での荷電粒子のエネルギーは３６０ＭｅＶとなる。
【００５０】
この後、時刻ｔ１４において、タイミング制御装置６６は、前記同様に出射可能信号ＴＰを出力し、ビーム照射系４６は、対象物に３６０ＭｅＶのビームを照射する。
【００５１】
この後、時刻ｔ１５においてタイミング制御装置６６は、増加指令ＴＢを磁場基準発生器７０に入力する。ここで、磁場基準値が初期加速完了レベルに達した時刻ｔ３から、時刻ｔ１５の直前までにおいて、増加指令ＴＢは入力されていないが減少指令ＴＣが４回入力されているので、時刻ｔ１５において磁場基準発生器７０は、増加指令ＴＢ、減少指令ＴＣ、終了指令ＴＤのいずれかが入力された場合の磁場基準値の開始レベルを初期加速完了レベルよりも減少幅の４倍分低いレベルに設定している。
【００５２】
そして、磁場基準発生器７０は、時刻ｔ１５での増加指令ＴＢの入力に同期して、増加パターンに従った磁場基準値を時刻ｔ１５からの経過時間に応じて電流基準変換器７２に入力し始める。これにより、磁場基準値の増加に併せて電流基準値も増加し、時刻ｔ１６において荷電粒子のエネルギーは、増加幅に対応する１０ＭｅＶだけ増加した３７０ＭｅＶとなる。
【００５３】
この後、時刻ｔ１７において、タイミング制御装置６６は、前記同様に出射可能信号ＴＰを出力し、ビーム照射系４６は、対象物に３７０ＭｅＶのビームを照射する。
【００５４】
この後、時刻ｔ１８において、タイミング制御装置６６は、終了指令ＴＤを磁場基準発生器７０に入力する。ここで、磁場基準値が初期加速完了レベルに達した時刻ｔ３から、時刻ｔ１８の直前までにおいて、増加指令ＴＢが１回、減少指令ＴＣが４回入力されているので、磁場基準発生器７０は、磁場基準値の開始レベルを初期加速完了レベルよりも減少幅の３倍分だけ低いレベルに設定している。
【００５５】
そして、磁場基準発生器７０は、終了指令ＴＤの入力に同期して、終了パターンに従って磁場基準値を時刻ｔ１８からの経過時間に応じて電流基準変換器７２に入力し始める。これにより、磁場基準値は、時刻ｔ１９において入射用レベルまで減少して、時刻ｔ１９から所定期間、一定状態を保つ。その後、磁場基準値は磁束密度ゼロまでさらに減少する。これにより、電流基準値も磁場の磁束密度も減少し、高周波発生器４２から高周波加速空洞５８を介して供給される高周波電力も併せて減少し、荷電粒子のエネルギーもゼロとなる。
【００５６】
この後、操作部６８の終了ボタン（図示せず）が押されると、タイミング制御装置６６は、磁場基準発生器７０にリセット指令ＲＥを入力する。これにより、パターン発生装置６４は初期状態に戻るので、操作部６６のスタートボタンを押すことにより、上記の動作を繰り返すことができる。
【００５７】
以上が本実施形態の動作説明であり、以下、従来技術との違いを説明する。従来技術では、出射ビームのエネルギーが一定であるため、異なるエネルギーのビームを取り出すためには、偏向電磁石に供給すべき電流指令値のパターンを出射ビームのエネルギーレベル毎に書き換える必要があった。具体的には、磁場の磁束密度を初期レベルから加速完了レベルまで立ち上げ、そこで一旦ビームを出射させてから磁場の磁束密度を終了値に立ち下げた後、加速完了レベルが変わるように電流指令値のパターンを書き換え、再度磁場の磁束密度を初期レベルから加速完了レベルまで立ち上げ、ビームを出射させることになる。この場合、ビームエネルギーの立ち上げおよび立ち下げの動作を２度以上行うため、エネルギーの異なる複数のビームを短時間で取り出すことはできなかった。
【００５８】
一方、本実施形態では、タイミング制御装置６６に対し時刻ｔ０を基準とした増加指令ＴＢおよび減少指令ＴＣの入力タイミングを予め設定しておくだけで、エネルギーを所望の回数だけ変えてビームを取り出すことができる。即ち、ビームエネルギーの立ち上げおよび立ち下げの動作を２度行うことなく、エネルギーの異なる複数のビームを短時間で容易に取り出すことができる。
【００５９】
従って、粒子線照射の治療において、到達深さを変えた複数のビームを短い時間間隔で照射することができるため、患者の負担は軽減する。この結果、アクリル板の挿入作業の手間や、アクリル板の挿入時の騒音、アクリル板によるビームの散乱といった従来課題は解消し、粒子線の照射治療が格段に行い易くなる。
【００６０】
また、減少幅、増加幅を小さく設定しておくことでビームの到達深さの間隔を細かく変えることもでき、減少幅、増加幅を大きく設定しておくことでビームの到達深さの間隔を大きくすることもできる。
【００６１】
さらに、従来はアクリル板の挿入によりビームエネルギーを下げる調整しかできなかったが、本実施形態では、増加指令ＴＢおよび増加パターンによりビームエネルギーを上げる調整も可能となる。
【００６２】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態における加速器３０Ａの構成を示すブロック図である。第１の実施形態との違いは、電流基準変換器７２に代えて、２つの電流基準値を生成して各電源装置３６、３８に入力する電流基準変換器７２Ａを配置した点のみであるので、第１の実施形態との違いのみを説明する。この電流基準変換器７２Ａは、磁場基準値に基づいて、第１の実施形態の電流基準値と同じである第１電流基準値を求めて電源装置３６に入力すると共に、第２電流基準値を電源装置３８に入力する。以下、この第２電流基準値について説明する。
【００６３】
図６は、横軸にとった磁束密度の磁場を生じさせるためには、各々の四極電磁石５２の磁場コイルにどれだけのコイル電流を供給する必要があるかを示したグラフの一例である。電流基準変換器７２Ａは、図６に示す四極電磁石５２に流すコイル電流値とこれにより生じる磁束密度との対応関係に加え、図３に示した偏向電磁石５０に流すコイル電流値とこれにより生じる磁束密度との対応関係をテーブルデータあるいは関数として記憶している。
【００６４】
電流基準変換器７２Ａは、四極電磁石５２のコイル電流値と、生じる磁束密度との対応関係に基づいて、四極電磁石５２が磁場基準値に等しい磁束密度の磁場を発生させるように、第２電流基準値を電源装置３８に入力する。電源装置３８は、第２電流基準値に等しいコイル電流を四極電磁石５２に供給し、これにより四極電磁石５２は、磁場基準値に等しい磁束密度の磁場を発生させる。
【００６５】
以上、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第２の実施形態では、偏向電磁石５０に対する第１電流基準値に加え、四極電磁石５２に対する第２電流基準値も同時に生成および出力するので、複数の電磁石によりそれぞれ発生する磁場の磁束密度を同期して調整できる。即ち、荷電粒子の周回ビームを作るための電磁石電流の調整および修正が容易となる。
【００６６】
［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施形態における加速器３０Ｂの構成を示すブロック図である。第１の実施形態との違いは、周波数基準変換器８０をさらに設けた点のみである。この周波数基準変換器８０は、磁場基準発生器７０からの磁場基準値の入力を受けて、磁場基準値に応じた周波数基準値を求め、この周波数基準値を高周波発生器４２に入力する。高周波発生器４２は、高周波加速空洞５８を介して、加速周波数が周波数基準値に等しくなるように高周波電力を供給する。
【００６７】
より詳細には、荷電粒子ビームは、同じ軌道を周回するので、高周波発生器４２から高周波加速空洞５８を介して供給される加速電圧で加速されるに従って周回周波数が高くなり、この加速に応じて加速電圧の加速周波数を高くする必要がある。また、荷電粒子ビームの加速に伴ってそのエネルギーが増加すれば、その軌道を円形に曲げるための磁場の磁束密度も大きいものである必要がある。
【００６８】
そこで本実施形態では、主加速器４０における荷電粒子の軌道となる磁場が取り得る範囲の磁束密度に対して、与えるべき加速周波数を公知の計算式により予め求めておく。求めた磁束密度と加速周波数との対応関係は、例えばテーブルデータとして周波数基準変換器８０に記憶されている。周波数基準変換器８０は、この対応関係に基づいて、磁場基準値が示す磁束密度に対応する加速周波数を決定し、決定した加速周波数を周波数基準値として高周波発生器４２に入力する。図８は、荷電粒子の軌道となる磁場の磁束密度と、供給すべき加速周波数との対応関係の一例を示すグラフである。
【００６９】
以上、第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第３の実施形態では、磁場基準値を与えれば、電流基準値と共に周波数基準値を生成するため、荷電粒子のビームエネルギーをタイミング制御装置６６により予め設定した値にするためのパターンデータの調整および修正が容易となる。
【００７０】
［第４の実施形態］
図９は、本発明の第４の実施形態における加速器３０Ｃの構成を示すブロック図である。第１の実施形態との違いは、ログメモリ８４をさらに設けた点のみである。このログメモリ８４は、磁場基準発生器７０からの磁場基準値の入力を受けて、磁場基準値の変化を経過時間と共に記録する。かかる構成においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第４の実施形態では、ログメモリ８４に記録された磁場基準値の時間変化に基づいて、どの程度のエネルギーのビームを取り出すための運転を行おうとしたかを後から確認することができる。これを用いれば、例えば粒子線の照射治療において、実際に患者に照射されたビームの強度が治療計画通りであったのか（即ち、タイミング制御装置６６から出力された各指令通りのものであったのか）、あるいは、何らかの理由で計画外の強度となってしまったのかを検証することができる。
【００７１】
［第５の実施形態］
図１０は、本発明の第５の実施形態における加速器３０Ｄの構成を示すブロック図である。第２の実施形態との違いは、第３の実施形態で説明した周波数基準変換器８０と、第４の実施形態で説明したログメモリ８４とをさらに設けた点である。かかる構成では、第１〜第４の実施形態の全ての効果を得ることができる。
【００７２】
以上、本発明の各実施形態について説明してきたが、エネルギーが異なる複数のビームを短時間で取り出す本発明の技術は、粒子線照射の治療用に限定されるものではない。例えば、Ｊ−ＰＡＲＣ（Ｊａｐａｎ  Ｐｒｏｔｏｎ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｍｐｌｅｘ）のような大強度陽子加速器にも適用可能である。
【００７３】
最後に、請求項で用いた用語と実施形態との対応関係を説明する。なお、以下に示す対応関係は、参考のために示した一解釈であり、本発明を限定するものではない。
【００７４】
初期上げパターンの開始時点の磁場基準値が示す磁束密度（第１の実施形態では一例として磁束密度ゼロとして説明した）は、請求項記載の初期値の一例である。  
終了パターンの終了時点の磁場基準値が示す磁束密度（第１の実施形態では一例として磁束密度ゼロとして説明した）は、請求項記載の終了値の一例である。  
電流基準値、第１電流基準値、第２電流基準値は、請求項記載の電流基準情報の一例である。  
磁場基準値は、請求項記載の磁束密度情報の一例である。  
磁場基準発生器７０は、請求項記載の磁場基準発生部の一例である。  
電源装置３６、３８は、請求項記載の電源供給部の一例である。  
偏光電磁石５０の磁場コイルおよび四極電磁石５２の磁場コイルの内、一方が請求項記載の第１の磁場コイルの一例であり、他方が請求項記載の第２の磁場コイルの一例である。  
電流基準変換器７２、７２Ａは、請求項記載の電流基準変換部の一例である。  
高周波発生器４２および高周波加速空洞５８は、請求項記載の周波数制御部の一例である。  
周波数基準変換器８０は、請求項記載の周波数基準変換部の一例である。  
周波数基準値は、請求項記載の周波数基準情報の一例である。  
ログメモリ８４は、請求項記載の記録部の一例である。
【符号の説明】
【００７５】
１０  シンクロトロン
１２  偏向電磁石
１４  偏向電磁石電源
１６  パターンメモリ装置
１８  タイミング装置
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ  加速器
３２  イオン源
３４  入射用加速器
３６、３８  電源装置
４０  主加速部
４２  高周波発生器
４４  ビーム輸送系
４６  ビーム照射系
４８、４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、４８Ｄ  制御装置
５０  偏向電磁石
５２  四極電磁石
５４  入射用電磁石
５６  出射用電磁石
５８  高周波加速空洞
６０  ビームシャッタ
６２  線量モニタ
６４、６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃ、６４Ｄ  パターン発生装置
６６  タイミング制御装置
６８  操作部
７０  磁場基準発生器
７２、７２Ａ  電流基準変換器
８０  周波数基準変換器
８４  ログメモリ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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