(57)【要約】【課題】中心運動量の変化が少なく、また加速した粒子のほとんどを出射させることができる円形加速器を提供すること。【解決手段】荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、荷電粒子を周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器において、高周波加速空洞内の高周波の周波数を制御する周波数制御部と偏向電磁石の磁場強度を制御する磁場制御部とを有し、高周波加速空洞内の高周波の周波数と偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させる制御を行う制御装置を備えた。【選択図】図１
2011129353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、上記荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、上記荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、上記荷電粒子を上記周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器の運転方法において、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを変化させることにより上記荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、上記荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させるよう制御して上記円形加速器内の荷電粒子を上記円形加速器外に荷電粒子ビームとして出射させることを特徴とする円形加速器の運転方法。
【請求項２】
磁場強度の変化率をΔＢ／Ｂとし、高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化率をΔｆ／ｆとし、円形加速器のモーメンタムコンパクションファクタをαとした場合、
Δｆ／ｆ＝αΔＢ／Ｂ
の関係を満たすように、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより円形加速器内の荷電粒子ビームの中心軌道を変位させることを特徴とする請求項１に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項３】
高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化Δｆに、Δｆよりも高速な変化Δｆｈを加えることを特徴とする請求項２に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項４】
偏向電磁石の磁場強度に対してフィードフォーワード制御を行い、高周波加速空洞内の高周波の周波数に対して、円形加速器外に出射された荷電粒子ビームをモニタするビームモニタからの信号によりフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項５】
ビームモニタからの信号は荷電粒子ビームのビーム強度の信号であることを特徴とする請求項４に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項６】
円形加速器から出射される荷電粒子ビームに必要な荷電粒子ビームの時間波形から偏向電磁石の磁場強度の指令値を生成してフィードフォーワード制御することを特徴とする請求項４に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項７】
荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、上記荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、上記荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、上記荷電粒子を上記周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器において、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数を制御する周波数制御部と上記偏向電磁石の磁場強度を制御する磁場制御部とを有し、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより上記荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、上記荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させる制御を行う制御装置を備えたことを特徴とする円形加速器。
【請求項８】
磁場強度の変化率をΔＢ／Ｂとし、高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化率をΔｆ／ｆとし、円形加速器のモーメンタムコンパクションファクタをαとした場合、周波数制御部と磁場制御部は、
Δｆ／ｆ＝αΔＢ／Ｂ
の関係を満たすように、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを制御するように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の円形加速器。
【請求項９】
周波数制御部は、高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化Δｆに、Δｆよりも高速な
変化Δｆｈを加えるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の円形加速器。
【請求項１０】
出射装置から出射された荷電粒子ビームをモニタするビームモニタを備え、磁場制御部は偏向電磁石の磁場強度に対してフィードフォーワード制御を行い、周波数制御部は高周波加速空洞内の高周波の周波数に対して上記ビームモニタからの信号によりフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項７に記載の円形加速器。
【請求項１１】
ビームモニタは荷電粒子ビームの強度をモニタするビーム強度モニタであることを特徴とする請求項１０に記載の円形加速器。
【請求項１２】
磁場制御部は、円形加速器から出射された荷電粒子ビームを対象物に照射するビーム照射系から、あらかじめ照射に必要な荷電粒子ビームの時間波形を受け取り、この荷電粒子ビームの時間波形から偏向電磁石の磁場強度の指令値を生成してフィードフォーワード制御することを特徴とする請求項７に記載の円形加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、荷電粒子を周回させて加速する円形加速器、特に円形加速器から荷電粒子ビームを出射する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
シンクロトロン等の円形加速器で荷電粒子を周回加速させ、その周回軌道から取り出されビーム状となった荷電粒子（荷電粒子ビーム）が、ビーム輸送系で輸送されて所望の対象物に照射される物理実験や、癌の治療などの医療用として利用されている。一般に、円形加速器中の荷電粒子は、設計軌道を中心としてベータトロン振動をしながら周回している。この際、周回する荷電粒子にはセパラトリクスと呼ばれる安定限界が存在し、安定限界内、すなわち、安定領域の荷電粒子は安定した周回を行うが、安定限界を越えた荷電粒子は振動振幅が増加して発散する性質を有する。この性質を利用して荷電粒子を出射する方法として、四極電磁石を用いて、加速器１周当たりのベータトロン振動数を表すチューンを整数±１／３に近づけ六極電磁石を励磁（３次共鳴）することにより、荷電粒子の振動振幅を大きくする方法がある。また、円形加速器の空洞の周波数を変化させることにより、周回する荷電粒子の束である荷電粒子ビームの中心運動量を変位させてベータトロン振動の安定領域を狭め、出射する方式が提案されている（例えば特許文献１）
【０００３】
また、高周波電界を周回荷電粒子に与えて、ベータトロン振動の振幅を大きくし、安定限界の外に出すことにより出射する方法も提案されている。この方法では、出射開始、停止はその高周波電界をON/OFFすることにより実施されており、RFKOと呼ばれている（例えば特許文献２）。
【０００４】
一方、近年癌治療に応用されている粒子線治療装置で提案されているスキャニング照射（例えば特許文献３）になると、1スポットごとの照射を管理する必要があるため、荷電
粒子ビームの粒子線強度時間波形の安定度が従来よりも強く要求される。また、癌に照射する際に、１スポットずつ照射するスポットスキャニング照射方式や、癌を一筆書きでなぞっていくラスタースキャン方式においても一筆書きできない場合など、スキャニング照射では、加速器から出射される荷電粒子ビームを一時停止・再開する必要がある。さらに、過照射をさけるためビームを切ったときの切れは高速である必要がある。また、加速器で加速された粒子を序々に出射して癌治療に用いるが、一回に加速できる粒子の数は限られている。そこで、加速した粒子をすべて癌治療に使えることが求められている。
【０００５】
また、出射のさいに中心運動量が変化してしまうと、加速器とビーム照射系を結ぶビーム輸送路を荷電粒子が設計通りに通過しない、照射する際に荷電粒子が到達する深さが変わってしまうなどの問題が発生するので、中心運動量を一定に保つことが望ましい。
さらには、スキャニング照射を実現するための加速器制御として、できるだけ追加の機器を設けずに、加速に必要な機器のみでon/offが実現できる出射方式が望ましい。
【０００６】
以上、円形加速器からの荷電粒子ビームをスキャニング照射に適用する場合に求められている要求を整理すると、
（１）出射される粒子線強度が安定であること。
（２）出射される荷電粒子ビーム（粒子線）がon/offできること。
（３）加速した粒子がすべて出射できること。
（４）出射される際に、中心運動量が変化しないこと。
（５）加速に必要な機器から追加機器なく、（１）〜（４）を実現できること。
以上を満足するような円形加速器が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−８６３９９号公報
【特許文献２】特開平５−１９８３９７号公報
【特許文献３】特開２００５−３３２７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような要求に対して、特許文献１に示されている従来の円形加速器の出射方式では、出射のさいに中心運動量が変化してしまうため、加速器とビーム照射系を結ぶビーム輸送路を荷電粒子が設計通りに通過しないことや、照射する際に荷電粒子が到達する深さが変わってしまうといった問題点があった。また、特許文献２の方式では、加速した粒子全てを出射させることができなかった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、中心運動量の変化が少なく、また加速した粒子のほとんどを出射させることができる円形加速器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】
【０００９】
本発明に係る円形加速器は、荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、荷電粒子を周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器において、高周波加速空洞内の高周波の周波数を制御する周波数制御部と偏向電磁石の磁場強度を制御する磁場制御部とを有し、高周波加速空洞内の高周波の周波数と偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させる制御を行う制御装置を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば高周波加速空洞内の高周波の周波数と偏向電磁石の磁場強度とを制御して荷電粒子ビームの中心軌道を変化させることで、出射される荷電粒子ビームの中心運動量の変化が少なく、かつ加速した粒子のほとんどを出射させることができる円形加速器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１による円形加速器の加速器内の荷電粒子団の様子を示す模式図である。
【図３】本発明が適用される一例の治療装置として必要な粒子線強度の時間変化の例を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１による粒子線強度の時間変化、加速器空洞内の粒子数の時間変化、中心軌道の時間変化の例を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１による制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１による円形加速器の動作の一例をシミュレーションした結果を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１による円形加速器の動作の他の一例をシミュレーションした結果を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２による円形加速器の動作の一例を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態２による円形加速器から出射される粒子線強度の時間波形の一例を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態３による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の実施の形態３による円形加速器の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の実施の形態４による円形加速器の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の実施の形態４による円形加速器の動作の一例をシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
まず本発明の基本的な理論を述べる。本発明者らは、まず、加速器内部のビームの中心軌道を変化させてビームを出射させ、その際ビームの中心運動量は変化させないことを検討した。中心軌道を変化させる手段として、加速器に必要な機器を積極的に利用することを考えると、高周波加速空洞内の高周波の周波数ｆと、偏向電磁石の磁場強度Ｂを制御することが望ましい。そこで、高周波の周波数のずれΔｆ／ｆ、磁場強度のずれΔＢ／Ｂを利用することを検討した。ここで、周波数ｆおよび磁場強度Ｂは必要なビーム強度から算出される値であり、ΔｆおよびΔＢはビームを出射させるために中心軌道を変化させるために決定するずれ量である。ここでは、微小な変化を想定し、比較的単純な線形モデルを用いて検討を行うため、Δｆ／ｆ、ΔＢ／Ｂと表現したが、一般にはfとＢで制御を行う
ことも可能である。
【００１３】
まず、高周波加速空洞の周波数のずれΔｆ／ｆと、偏向電磁石の磁場強度のずれΔＢ／Ｂを利用した出射方式の理論について整理する。
【数１】
2011129353.tif 000003
【数２】
2011129353.tif 000004
数１式と数２式は、加速器力学で本マルチビーム出射方式の原点となる基本の式である。数１式は、シンクロトロンの加速空洞内の高周波の周波数ｆの変化Δｆと、荷電粒子ビームの中心運動量ｐの変化Δｐ、磁場強度Ｂの変化ΔＢの関係について述べた式である。
ｘｃは、中心軌道。
γは、出射の際のエネルギーを静止エネルギーで割り算したもの。
αは、モーメンタムコンパクションファクタ（momentum compaction factor）で、運動量に対する軌道周長の変化の割合である。
ηは、ディスパーション（dispersion）であり、運動量に対する軌道中心のずれの割合である。
【００１４】
【数３】
2011129353.tif 000005
とおく。αは加速器の電磁石設計によって変化する値であり、加速器の設計および出射エネルギーによっては、κは正にも負にもなりえる。
【００１５】
簡単な代入で、数４式へ変形できる。
【数４】
2011129353.tif 000006
これを、数５式のように行列表記することが可能である。
【数５】
2011129353.tif 000007
【００１６】
つまり、高周波加速空洞内の高周波の周波数のずれΔｆ／ｆと、偏向電磁石の磁場強度のずれΔＢ／Ｂを利用した出射を行うと、中心運動量変化率Δｐ／ｐと、中心軌道ｘｃが同時に制御可能であることがわかる。すなわち、磁場強度と高周波加速空洞内の高周波の周波数という２個のパラメータを制御すれば、中心運動量変化率Δｐ／ｐと、中心軌道ｘｃの２個の量を制御できる、というのが実施の形態１による本発明の本質である。特許文献１では、中心運動量を変化させて出射する技術が開示されていたが、本発明は、中心軌道ｘｃを変化させながら、中心運動量変化率Δｐ／ｐをも制御して荷電粒子を出射させる技術である。
【００１７】
数５式に着目すると、
【数６】
2011129353.tif 000008
を満たしておけば、中心運動量変化率Δｐ／ｐ＝０が実現できることがわかる。
【００１８】
では、次に、円形加速器から出射された荷電粒子ビームの強度、すなわち粒子線強度の時間波形と、円形加速器内の荷電粒子ビームの中心軌道ｘｃの関係について考察する。まず、粒子線強度時間波形を考える前に、加速器内部に残っている粒子の数Ｎ（ｘｃ）を検討する。
【００１９】
図２は、四極電磁石１０４の励磁により、加速器１周当たりのベータトロン振動数を表すチューンを整数±１／３（３次共鳴）に近づけた場合のセパラトリクス２０とそのセパラトリクスを埋める粒子団の密度分布の様子を模式的に示した図である。ここでセパラトリクス２０を形成する、すなわちベータトロン振動の安定領域と共鳴領域に分割するのは出射用六極電磁石１０２である。図２の横軸xは粒子の水平方向の位置であり、縦軸x’はｘ座標と粒子の進行方向との傾きである。図２（ａ）は●印で示す中心軌道２１のｘ座標ｘｃ＝０、すなわちビーム軌道が円形加速器の設計軌道にある場合のセパラトリクス２０
を埋める粒子団の密度分布を模式的に示している。また、図２（ｂ）は中心軌道２１のｘ座標ｘｃ＝ｘ０≠０、すなわちビーム軌道が円形加速器の設計軌道からずれた場合のセパラトリクス２０を埋める粒子団の密度分布を模式的に示している。
【００２０】
図２（ａ）、（ｂ）から推察されるように、元の粒子分布を、ｆ（ｘ、ｘ‘）とすると、中心位置ｘｃにおける粒子の数Ｎ（ｘｃ）は次式で書ける。
【数７】
2011129353.tif 000009
ここで、Ｓは、位相空間（x−x’空間）の面積である。
ただし、ここで考えないといけないことがある。粒子団が一度、ｘｃ＝ｘ０という状態を経験すると、ｘｃ＜ｘ０となっても、粒子数は増えず、単調減少していくということである。したがって、中心位置がｘｃにおける粒子の数Ｎ（ｘｃ）は、単射な関数ではなく、履歴を引きずった関数となる。
【００２１】
出射される粒子線強度の時間波形ＢＳ（ｔ）は、
【数８】
2011129353.tif 000010
で与えられる。
【００２２】
円形加速器から出射した荷電粒子ビームの利用として、例えば癌治療用の粒子線治療装置を考えた場合、治療計画により加速器から出射される粒子線強度の時間変化が決まる。治療に必要な粒子線強度の時間変化は、例えば図３（ａ）に示すように時間により強度が変化しない矩形であったり、図３（ｂ）に示すように時間により強度が変化する台形であったりする。それは、治療方式に依存する。
【００２３】
必要とされる粒子線強度の時間変化がＢＳ（ｔ）のとき、必要とされる、粒子内部の粒子数の時間変化Ｎｔ（ｔ）は、
【数９】
2011129353.tif 000011
となる。加速器内部の粒子分布の粗密に依存して決まる
【数１０】
2011129353.tif 000012
を用いて、Ｎ（ｘｃ）＝Ｎｔ（ｔ）を解けば、加速器内部の荷電粒子ビームの中心軌道ｘｃの時間変化ｘｃ（ｔ）を求めることができる。その具体例を図４（ａ）、（ｂ）に示す。図４は、上から必要とされる粒子線強度、すなわち円形加速器から出射されるべき粒子線強度の時間変化、その粒子線強度の時間変化を与えるために必要な加速器内部の粒子数の時間変化、その粒子数の時間変化を与えるための中心軌道ｘｃの時間変化、を示している。図４（ａ）と（ｂ）とで示すように、加速器内部の荷電粒子ビームの中心軌道ｘｃの変化の態様を変えることで、出射される粒子線強度の時間波形を変化させることができる。また、加速器内部の粒子数は出射された粒子線強度が０となった時間に０となっており、加速器内の粒子を全て出射させることができることもわかる。
【００２４】
Δｐ／ｐ＝０を満たすように、数５式を解けば、
【数１１】
2011129353.tif 000013
となり、上記で求めたｘｃ（ｔ）を用いることにより、磁場強度および周波数の制御が可能である。
【００２５】
図１は、上記の基本的な技術思想を実現する円形加速器の具体的な構成、すなわち本発明の実施の形態１による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。図１において、１０１は荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石、１０２はベータトロン振動のセパラトリクスを形成する（すなわち、ベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割する）領域分割装置としての出射用六極電磁石、１０３はベータトロン振動数及びセパラトリクスの面積を調整するために用いる四極電磁石である。１０４は荷電粒子を周回軌道から取り出す出射チャネル（図示せず）の入口となる出射用静電電極、１０６は荷電粒子を加速する高周波加速空洞、１０７はクロマティシティを調整するために用いる六極電磁石である。２は、これら荷電粒子を周回軌道に沿って周回させ、出射させるための装置や機器を含めた円形加速器本体である。６は高周波加速空洞１０６に高周波エネルギーを与えるための高周波源、１０は偏向電磁石１０１を励磁するための励磁電源、１はこれら高周波源６および励磁用電源１０を制御するための制御装置である。また、３は、円形加速器から出射されビーム状となった荷電粒子（粒子線）、すなわち荷電粒子（粒子線）ビームを照射対象物に照射して利用するためのビーム照射系であり、例えば癌治療装置であれば、治療計画装置なども含み、制御装置１は、このビーム照射系から照射に必要な粒子線強度やon/offなどの指令を受け取る。照射系からの指令は、フィードフォーワードとフィードバックのいずれかもしくは両方である可能性がある。ただしこの制御系は加速器の制御系とは独立であることが多い。
【００２６】
本実施の形態１では、上記のように、偏向電磁石の磁場強度と高周波加速空洞の周波数を制御することで、中心軌道を変化させつつ、中心運動量は変化させずに荷電粒子を出射させる。このため、制御装置１は、図５のような制御を行う。すなわち、ビーム照射系３から、例えば治療計画により必要な粒子線強度の時間波形を受け取り（ＳＴ１）、この粒子線強度の時間波形から加速器内部の粒子数の時間波形を演算する（ＳＴ２）。ステップ２（ＳＴ２）の演算により求めた加速器内部の粒子数の時間波形を用いて、数８式、数９式から中心軌道ｘｃの時間変化を演算により求める（ＳＴ３）。ステップ３（ＳＴ３）で求めた中心軌道の時間変化を用いて、数１０式により、磁場強度の変化ΔＢ／Ｂ、および周波数の変化Δｆ／ｆを演算により求める（ＳＴ４）。このΔＢ／ＢおよびΔｆ／ｆを、それぞれ励磁電源１０および高周波源６に出力して、偏向電磁石１０１の磁場強度および高周波源６の周波数を変化させることにより、中心運動量の変化がない粒子線ビームを円形加速器本体２から出射させることができる。
【００２７】
以下に、本実施の形態１の制御により、出射ビームとしてどのようなビームが得られるかを、シミュレーションした結果を示す。まず、中心軌道を変化させるために、高周波空
洞内の高周波の周波数をフィードフォーワード（制御装置からの指令）で変化させ、磁場強度は変化させない場合、すなわち、数６式を満足しないで周波数のみを変化させた場合のシミュレーション結果を図６に示す。図６は上から、出射される粒子線ビームの粒子線強度、フィードフォーワードで変化させる周波数変化率Δｆ／ｆ、この変化により生じる中心軌道ｘｃの変化、一番下が中心運動量の変化率Δｐ／ｐである。図６の例では、０．６秒間で、周波数を約０．３５％、一様な時間変化で下げた場合を示している。その間、磁場強度は一定としている。この周波数変化により中心軌道ｘｃは約１０ｍｍ変化している。ここで、中心軌道ｘｃが１０ｍｍ変化すれば全ての粒子を出射できるように、円形加速器本体２の出射系（出射用六極電磁石１０２、四極電磁石１０３、出射用静電電極１０４など）を設計しておけば、約０．６秒で加速器内の粒子を全て出射できる。このとき、中心運動量ｐは最大で約０．０５％変化している。また、粒子線強度は平坦ではなく、２０％程度のリップルが乗っていることがわかる。
【００２８】
次に、本発明の実施の形態１による制御を行った場合、すなわち、数６式、数１０式により、周波数と磁場強度を同時に制御装置からの指令によりフィードフォーワードで変化させた場合のシミュレーション結果を図７に示す。図７の例では、０．６秒間で、周波数を約０．３５％、一様な時間変化で下げた場合を示している。その間、磁場強度は数１０式で演算した量で変化させている。これらの変化により、中心軌道ｘｃは、図６の場合と同様、０．６秒間で約１０ｍｍ変化している。これにより、図６で説明したのと同じように出射系を設計しておけば約０．６秒で加速器内の粒子を全て出射できる。図６と大きく異なるのは、中心運動量の変化率Δｐ／ｐであり、図７の場合、ほぼ０となっている。なお、出射ビームの粒子線強度の波形は図６の場合と大きな違いはない。
【００２９】
このように、本実施の形態１の円形加速器、すなわち高周波加速空洞内の高周波の周波数を変化させて中心軌道を変化させるようにすれば、
（３）加速した粒子がすべて出射できること。
（４）出射される際に、中心運動量が変化しないこと。
（５）加速に必要な機器から追加機器がない。
という効果がある。粒子線治療装置において、中心運動量が変化してしまうと、癌の深さ方向の分布が変化してしまうため、望ましくないので、周波数とともに、偏向電磁石の磁場強度を数６式を満足するように制御することは粒子線治療装置への利用において特に有用である。
【００３０】
実施の形態２．
実施の形態１では、中心運動量を変化させないで出射させることができるが、一般に偏向電磁石は応答速度が100msec程度と大きく、偏向電磁石の制御では、出射ビームのon/offを1msec程度で行うといった高速な応答は困難である。ところが、高周波の周波数は高速に応答する。応答速度は100nsec程度である。高周波の周波数の応答速度が速いことを利用すれば出射ビームの高速なon/offが可能である。
【００３１】
実施の形態１では、常に、数６式を満たすことを要求したが、高速な応答が必要な部分だけは、すなわち短時間であれば数６式を満たさなくても、中心運動量の変化はさほど大きくならない。本実施の形態２はこの特徴を活用した実施の形態である。
【００３２】
図８は本発明の実施の形態２による円形加速器の動作を説明する模式的なダイヤグラムであり、上段から、ビーム照射系３から指令される粒子線強度の時間波形、この粒子線強度の時間波形から演算される加速器内部の粒子数の時間変化、この加速器内部の粒子数の時間変化から演算される中心軌道の時間変化、この中心軌道の時間変化から演算される周波数変化率（Δｆ／ｆ）の指令値、中心軌道の変化から演算される磁場強度変化率（ΔＢ／Ｂ）の指令値である。制御装置１は演算された周波数変化および磁場強度変化を指令値
として出力する。図８では、最上段に示すような粒子線強度が必要な場合に、すなわち、円形加速器本体２からビーム照射系３へ図８のようなon/offのビームを出射させる必要がある場合に、周波数、磁場強度としてどのような時間変化が必要かを示している。最上段に示すような粒子線強度が必要な場合に、偏向電磁石の励磁電流に対して図８の最上段に示すのと同じような急峻な変化の信号を入れたとしても、偏向電磁石の磁場強度は、応答時間が遅いため、入力された急峻な変化の信号と同様な急峻な磁場強度変化は作れない。したがって、磁場強度変化でon/offの出射ビームを得ようとした場合、粒子線強度のon/offの立ち上がり時間が大きくなってしまうという課題がある。
【００３３】
この課題を解決するために、図８中のΔｆ／ｆの指令値の点線の波形で示すように、粒子線強度の変化の激しい部分に、あえて高速な変化波形を注入する。出射ビームをonからoffに変化させるときには、周波数を増やす方向に変化させ（κが負の場合には増やし、
κが正の場合には減らす。κの符号は加速器の設計によって変化する）。また、出射ビームをoffからonに変化させるときには、周波数を過度に減らす変化を加える。このような
周波数の変化を重畳すると、この重畳した分の中心運動量の変化は、発生してしまうが、この変化は非常に小さい。すなわち、出射ビームの中心運動量を大きく変化させずに高速にon/offの制御が可能である。このことは、on/offだけでなく、図９に示すような、出射中に強度が変化する粒子線強度の時間変化に対応した出射も可能であるということになる。治療計画によっては粒子線強度を徐々に強くしていく、あるいは徐々に弱くしてゆくことが求められるが、このような要求にも対応可能である。この具体的な一例を実施の形態３で説明する。
【００３４】
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２は、フィードフォーワード制御のため、加速器内部の粒子の粗密の分布をあらかじめ知っておく必要があった。加速器内部の粒子の粗密の分布は、加速方式や加速器に対する入射方式に依存してしまうため、加速毎に粗密分布を調べるのは困難であった。そこで、実施の形態３ではフィードバック制御を用いる。磁場は応答時間が遅いので、フィードバック制御をするのは適していないため、高周波加速空洞内の高周波の周波数のみフィードバック制御する構成とした。ただし、磁場強度の高速な変化を実現できる構成であれば、磁場に対してフィードバック制御を行っても良い。
加速空洞の周波数は、応答性が速いため、フィードバック制御に活用できる。ビームのon/offにかかわらず、磁場に対しては、フィードフォーワード制御として単調に変化する磁場強度を与えれば十分である。
【００３５】
そこで、基本的な制御の方針としては、応答性の遅い偏向電磁石の磁場強度変化ΔＢ／Ｂは、フィードフォーワードで与えることとする。癌治療の粒子線治療装置を例にとると、治療計画より、おおよそ何msec（この時間をtendとする。）でビームを使うかが把握できるため、セパラトリクスの境界の値を、ｘｍａｘとすると、t= tendで、
ｘｍａｘ＝−ηΔＢ／Ｂ
を満たすように、t= tendにおけるΔＢ／Ｂの値を決定し、その間は線形的もしくは、2次関数的に変化させる。線形もしくは、2次関数的な変化であれば、応答性の悪い偏向電磁
石でも時間的変動は可能である。仮にη＝8ｍとし、ｘｍａｘ＝0.02ｍとすると、t= tendにおいて、
ΔＢ／Ｂ＝0.0025＝0.25％
であるから、現実的に可能な範囲である。磁場強度変化を与えることで、中心運動量の変化Δｐ／ｐを抑えることが可能である。
【００３６】
一方、高周波加速空洞内の高周波の周波数変化Δｆ／ｆは、応答性が速いためフィードバック制御に用いることにする。通常、加速空洞の無駄時間（遅れ時間）はアンプの応答時間を含めた評価で100nsec程度であり、十分高速に応答するため、フィードバック制御
に活用可能である。
上記をまとめると、高周波加速空洞内の高周波の周波数変化Δｆ／ｆを高速フィードバック制御することで中心軌道を制御し、ビーム照射系より求められる所望の粒子線強度時間波形にする。中心運動量変化Δｐ／ｐは、磁場のフィードフォーワード制御によって、ある範囲内（例えば、0.02%以内）に抑える。
【００３７】
図１０は本発明の実施の形態３による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。図１０において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。図１０では、図１に加えて、ビーム強度をモニタするビーム強度モニタ４を設け、このビーム強度モニタ４の信号をフィードバック用の信号として制御装置１に入力している。その他は図１と同じである。なお、ビーム強度モニタ４は、図１０では円形加速器本体２から出射する位置に設けているが、この位置に限らず、ビーム照射系３に設けても良く、出射されたビームの強度が測定できる位置であればどの位置に設けても良い。
【００３８】
図１１は制御装置１の概要を示すブロック図であり、１１は周波数制御部、１２は磁場制御部、１３は周波数制御部内のコントローラである。磁場制御部１２にはビーム照射系から必要な粒子線強度の時間波形が入力され、磁場制御部１２においてあらかじめ磁場強度を変化させるためのフィードフォーワード制御の指令値を演算し、時間ごとに励磁電源１０に指令値を送る。一方、周波数制御部１１は、ビーム照射系３から必要な粒子線強度の時間波形、およびビーム強度モニタ４からの信号、を受け取る。ビーム強度モニタ４からの信号はリアルタイムで送られてくるので、必要な粒子線強度の時間波形から得られるその時点での粒子線強度と、ビーム強度モニタ４からの信号との差分がコントローラ１３に入力されて、コントローラでフィードバック信号として、高周波源６が発生する高周波の周波数の信号が作成され、高周波源６に送られる。
【００３９】
一般に制御においては、「オーバーシュート」と呼ばれる、一度目標の制御値を超えて目標値に戻る現象がある。粒子は、一度出射してしまうと、たとえ、周波数を逆向きに変化させても、加速器内部に戻らないという特徴がある。制御対象である粒子がこの特徴を持つため、オーバーシュートに対して制御が安定にならないという問題点がある。したがって、コントローラ１３は、例えば、PI制御や、ローパスフィルタ付制御など、周波数の指令に対して、鈍感な制御コントローラにする必要がある。このようなフィードバック系制御を組み、磁場強度をフィードフォーワードで与えると、中心運動量の変化は、0.02%以下に抑えられることを制御シミュレーションによって確認した。
【００４０】
上記では、磁場に対するフィードフォーワード機能をいれたが、加速器の周波数変化に対して、フィードフォーワード制御を加えることも可能である。例えば、同じ治療計画を繰り返すときなど、一回のフィードバック制御で得られた、磁場制御指令や、周波数制御指令を、繰り返しの際のフィードフォーワード制御に転用することも可能である。フィードフォーワード制御した結果の指令波形は、図８に近いものとなる。
【００４１】
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４による円形加速器の制御装置１の概要を示すブロック図である。本実施の形態４は、実施の形態３による制御方法をさらに高精度にしたもので、粒子線強度の時間波形をより指令値に近づけ、リップルを減少させる制御を行うものである。図１２において、周波数制御部１１内にある、１４は積分器、１５はこの積分器のゲインを変化させる可変ゲイン、１６はコントローラ、１７はこのコントローラのゲインを変化させる可変ゲインである。コントローラ１６にはローパスフィルタの機能が含まれている。
【００４２】
次に、図１２の制御装置１の動作を説明する。制御装置１は、出射させる粒子線強度を
制御することが目的であり、粒子線強度は加速器内部粒子の微分である。したがって、高周波加速空洞内の高周波の周波数を高速に動かしてしまうと、中心軌道が高速に移動してしまうため、内部粒子数の微分である粒子線強度は大きく変動する。このような変動を抑制するため、かなりカットオフ周波数の低いローパスフィルタが必要となる。本実施の形態４では、カットオフ周波数が例えば0.35Hzと非常に低い２次のローパスフィルタを粒子線強度平坦化のためのコントローラ１６として採用した。さらに、粒子線強度のリップル低減用として積分器１４を用いた。そして、ビーム出射開始時のフィードバックゲインを低めにし、ビーム出射停止時のフィードバックゲインを大きくするというように可変にすることで、ビーム出射開始時のオーバーシュート（過出射）をなくし、ビーム出射停止時の過出射を低減する。また図１２では、周波数変化率Δｆ／ｆの指令値と磁場強度変化率ΔＢ／Ｂの指令値により中心軌道ｘｃや中心運動量の変化率Δｐ／ｐを演算してモニタするようにしている。
なお、高周波源６への指令値は周波数変化率Δｆ／ｆではなく、変化量Δｆであっても、その時点での周波数そのものであっても良く、同様に励磁電源１０への指令値は変化量ΔＢでも、その時点での磁場強度Ｂであっても、またそれに対応した励磁電流値であっても良い。要するに、高周波源６および励磁電源１０が必要とする信号に応じた指令値を出力する構成にすれば良い。
【００４３】
図１３に磁場強度変化率ΔＢ／Ｂをフィードフォーワードで線形に変化させ、高周波加速空洞内の高周波の周波数変化率Δｆ／ｆを高速フィードバックさせた場合のシミュレーション結果を示す。図１３は、上段より、粒子線強度の指令値および出力される粒子線強度（出力）、中心軌道ｘｃの時間変化、中心運動量の変化率Δｐ／ｐの時間変化、制御に用いるゲインの変化、を示す。粒子線強度は、指令値通りに、on/offができており、しかも平坦となっている。また、重畳した1kHz20%のリップルは12.5%程度に低減できている。これは、制御器内部の積分器１４の効果であり、積分器１４のフィードバックゲインを下げるとリップルの低減効果はなくなる。このフィードバックゲインをあげていくと制御が発散するため、安定な制御の範囲では、リップル低減は12.5%までであった。また、ビー
ム出射開始時のフィードバックゲインに対し、ビーム出射停止時のフィードバックゲインを10倍に設定している。ビーム出射開始時は、20msec程度時間をかけて立ち上がっていくが、ビーム出射停止時には、500μsec程度で遮断できている。ビーム出射一時停止後、ビーム出射を再開する場合、4msec程度遅れているが、これはビームの出射を一時停止したあと中心軌道が若干内側に戻るためである。ビーム出射停止時のビーム出射を無くすという意味ではこれは安全サイドに働く。
【００４４】
本制御を行った場合に、磁場強度変化のフィードフォーワード制御を行わない場合には、0.12%中心運動量が変化してしまったが、磁場強度変化をフィードフォーワードで与えることで、中心運動量変化は、図１３の一点鎖線で示す横線の範囲±0.015%に抑えることができる。
【００４５】
なお、実施の形態３および４では、ビーム強度モニタ４からの信号をフィードバック制御に用いるため、中心運動量の変化は完全には０にはならないが、偏向電磁石１０１の磁場強度をフィードフォワードで制御し、高周波加速空洞１０６内の高周波の周波数をフィードバックで制御しており、実施の形態１や２と同じく、磁場強度と周波数という２つのパラメータを制御している。したがって、実施の形態３および４においても、磁場強度と周波数の２つのパラメータを制御することで、中心軌道と中心運動量の２つを制御しているのは、実施の形態１や２と同じである。
また、粒子線ビームは、中心運動量によって照射対象内で停まる深さが異なるため、ビームモニタとしてこの深さをモニタし、その量をフィードバック信号とすることで、中心運動量の変化を抑える制御が可能となる。
【符号の説明】
【００４６】
１：制御装置                          ２：円形加速器本体
３：ビーム照射系                      ４：ビーム強度モニタ
６：高周波源                        １０：励磁電源
１１：周波数制御部                    １２：磁場制御部
１３：コントローラ                    １４：積分回路
１６：ローパスフィルタ                １０１：偏向電磁石
１０６：高周波加速空洞                １０２：出射用六極電磁石（領域分割装置）
【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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【図１３】
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