(57)【要約】      （修正有）【課題】荷電粒子を安定して取り出すことを可能とする荷電粒子の取出装置及び取出方法の提供。【解決手段】高周波信号の発生回路１００は、高周波ノックアウトにより荷電粒子を取り出す際に、加速器の周回周波数ｆrev、加速器１周当りのベータトロン振動数の小数点以下の値をｑとした場合に、ノックアウト周波数ｆKO＝（ｍ±ｑ）ｆrev（ｍは０及び１以上の整数）であってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号をＲＦＫＯ機器２８へ出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子の取出装置であって、
高周波ノックアウトにより荷電粒子を取り出す際に、加速器の周回周波数ｆrev、加速器１周当りのベータトロン振動数の小数点以下の値をｑとした場合に、
ノックアウト周波数ｆKO＝（ｍ±ｑ）ｆrev  （ｍは０及び１以上の整数）
であってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号を印加することを特徴とする荷電粒子の取出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子の取出装置であって、
３次共鳴の場合において、
ノックアウト周波数ｆKO＝（ｍ±１／３）ｆrev
であってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号を印加することを特徴とする荷電粒子の取出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の荷電粒子の取出装置であって、
前記複数の周波数帯の帯域幅はベータトロン振動数ｑの帯域幅Δｑ以上であることを特徴とする荷電粒子の取出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の荷電粒子の取出装置であって、
少なくとも高周波ノックアウトに用いられる高周波信号の総ての周波数帯を含むホワイトノイズを発生させるホワイトノイズ発生部と、
前記ホワイトノイズからノックアウト周波数ｆKO＝（ｍ±ｑ）ｆrev  （ｍは０及び１以上の整数）であってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号をそれぞれ透過する複数のバントパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタで透過された複数の周波数帯の高周波信号を合成する加算器と、
前記加算器の出力を増幅する増幅器と、
を備えることを特徴とする荷電粒子の取出装置。
【請求項５】
荷電粒子の取出方法であって、
高周波ノックアウトにより荷電粒子を取り出す際に、加速器の周回周波数ｆrev、加速器１周当りのベータトロン振動数の小数点以下の値をｑとした場合に、
ノックアウト周波数ｆKO＝（ｍ±ｑ）ｆrev  （ｍは０及び１以上の整数）
であってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号を印加することを特徴とする荷電粒子の取出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シンクロトロン等から荷電粒子を取り出すための荷電粒子の取出装置及び取出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理実験や医療機器において、荷電粒子を加速して出射したり、荷電粒子から放出される放射線を利用したりするための円形加速器が用いられている（特許文献１等）。
【０００３】
図５に加速器の例を示す。加速器は、偏向磁石１０、収束用四極電磁石１２、発散用四極電磁石１４、入射用インフレクタ１６、加速空洞１８、二極バンプ電磁石２０ａ，２０ｂ、共鳴励起用六極電磁石２２、チューン補正用四極電磁石２４、出射用デフレクタ２６及びＲＦノックアウト（ＲＦＫＯ）機器２８を含んで構成される。
【０００４】
荷電粒子は入射用インフレクタ１６から加速器に入射され、偏向磁石１０、収束用四極電磁石１２、発散用四極電磁石１４によって生ずる磁界によって平衡軌道に沿ってベータトロン振動しながら周回する。荷電粒子には加速空洞１８を通過する際に加速のためのエネルギーが与えられる。荷電粒子のチューン、すなわち、加速器を荷電粒子が一周する間のベータトロン振動数は、収束用四極電磁石１２及び発散用四極電磁石１４によって水平及び垂直方向に軌道周回の整数±１／４に調整される。以下では、ベータトロン振動数の小数点以下の値をベータトロン振動数ｑとして表す。
【０００５】
加速された荷電粒子を出射させる際には、共鳴励起用六極電磁石２２によりセパラトリクスと呼ばれる安定領域境界を作り出す。その後、高周波発生装置であるＲＦＫＯ機器２８によりベータトロン振動に共鳴を起こす高周波信号（ノイズ）を軌道上の荷電粒子に与え、セパレトリクスの外側まで励起された荷電粒子が出射用デフレクタ２６において出射される。このとき、二極バンプ電磁石２０ａ，２０ｂを励磁することで、出射用デフレクタ２６の近傍で平衡軌道から出射用デフレクタ２６側にずらした軌道に調整し、荷電粒子がダクトに衝突して消滅することを防いでいる。
【０００６】
また、他の出射方法としては、例えば、チューン補正用四極電磁石２４を使ってセパラトリクスを縮めることにより、はみ出した荷電粒子を取り出し、所定の荷電粒子を取り出した後にチューン補正用四極電磁石２４をオフにしてセパラトリクスを元の大きさに戻し、その後、ＲＦＫＯ機器２８をオンにして周回荷電粒子のエミッタンスを元の大きさに拡大するという動作を繰り返す方法がある（特許文献２）。
【０００７】
このような加速器において荷電粒子のビームを効果的に取り出すためには、荷電粒子のビームの持つベータトロン振動数ｑの幅に略等しい連続スペクトルの高周波信号をＲＦＫＯ機器２８に印加することが好ましい。例えば、ＲＦＫＯ機器２８のオール・パス・ネットワークの周波数帯域の影響により、加速器の荷電粒子の回転周波数の１．２倍程度の周波数帯域の高周波信号を与える方法がある。また、共鳴周波数近辺で連続スペクトルが得られればよいとの考えから、荷電粒子のチューンの５／３近辺のみの周波数帯域を用いる方法もある（非特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−１０９４９９号公報
【特許文献２】特開２００５−３３２７９４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】『炭素線治療用小型シンクロトロンからのビーム出射解析』,Proc. of ARTA 2009,Tokyo
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、荷電粒子のビームの取出しで重要なことは、常に一定強度のビームが取り出されることである。時間的に一定強度のビームを取り出すためには、ＲＦＫＯ機器２８に対してホワイトノイズを印加することが好ましいと考えられるが、高周波信号の帯域を広げると増幅回路等の回路規模が大きくなり、高価となってしまう等の問題が生ずる。
【００１１】
ＲＦＫＯ機器２８に特定の周波数帯域の高周波信号のみを印加した場合、増幅回路等の回路規模の増大は防げるが、荷電粒子のビームの取出強度の安定性が低下する。図６に、ＲＦＫＯ機器２８において２／３共鳴近傍（周波数帯域０．６５−０．７）の高周波信号のみを印加した場合の荷電粒子の取出強度の分布を示す。また、図７に、ＲＦＫＯ機器２８において１／３〜２／３共鳴近傍（周波数帯域０．３−０．７）の高周波信号を印加した場合の荷電粒子の取出強度の分布を示す。さらに、図８に、ＲＦＫＯ機器２８において１／３〜１４／３共鳴（周波数帯域０．３−４．７）まで周波数帯域を広げた高周波信号を印加した場合の荷電粒子の取出強度の分布を示す。図６，図７及び図８の横軸は時間、縦軸は荷電粒子の取出強度である。
【００１２】
図６に示すように２／３共鳴近傍（周波数帯域０．６５−０．７）の高周波信号のみを印加した場合、荷電粒子の取出強度が時間的にばらついてしまい、取り出される荷電粒子のビームの強度が安定しない。また、図７に示すように１／３〜２／３共鳴近傍（周波数帯域０．３−０．７）の高周波信号を印加した場合、図６の場合よりも荷電粒子のビームの強度は安定する。さらに、図８に示すように１／３〜１４／３共鳴（周波数帯域０．３−４．７）まで周波数帯域を広げた高周波信号を印加した場合、荷電粒子の取出強度はさらに安定する。しかしながら、図７及び図８にように、高周波信号の帯域幅を広げるにつれて、高周波信号の増幅回路の帯域幅も広げる必要があり、高周波増幅素子の電力容量等を増大させなくてはならない等の問題が生ずる。
【００１３】
そのために、狭い帯域幅の高周波信号を印加し、ビームの取出しにおいてフィードバック制御や高周波加速装置により周回粒子の運動量を周期的に僅かに変化させる制御を行う等、様々な工夫が検討されている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の１つの態様は、荷電粒子の取出装置であって、高周波ノックアウトにより荷電粒子を取り出す際に、加速器の周回周波数ｆrev、加速器１周当りのベータトロン振動数の小数点以下の値をｑとした場合に、ノックアウト周波数ｆKO＝（ｍ±ｑ）ｆrev  （ｍは０及び１以上の整数）であってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号を印加することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の別の態様は、荷電粒子の取出方法であって、高周波ノックアウトにより荷電粒子を取り出す際に、加速器の周回周波数ｆrev、加速器１周当りのベータトロン振動数の小数点以下の値をｑとした場合に、ノックアウト周波数ｆKO＝（ｍ±ｑ）ｆrev  （ｍは０及び１以上の整数）であってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号を印加することを特徴とする。
【００１６】
例えば、３次共鳴の場合において、ノックアウト周波数ｆKO＝（ｍ±１／３）ｆrevであってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号を印加することが好適である。
【００１７】
また、前記複数の周波数帯の帯域幅はベータトロン振動数ｑの帯域幅Δｑ以上であることが好適である。
【００１８】
また、具体的には、例えば、少なくとも高周波ノックアウトに用いられる高周波信号の総ての周波数帯を含むホワイトノイズを発生させるホワイトノイズ発生部と、前記ホワイトノイズからノックアウト周波数ｆKO＝（ｍ±ｑ）ｆrev  （ｍは０及び１以上の整数）であってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号をそれぞれ透過する複数のバントパスフィルタと、前記バンドパスフィルタで透過された複数の周波数帯の高周波信号を合成する加算器と、前記加算器の出力を増幅する増幅器と、を備えることが好適である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、シンクロトロン等の加速器から荷電粒子を安定して取り出すことができる。また、高周波ノックアウトに必要とされる回路の容量を従来より小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態における加速器の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における高周波ノックアウトのための高周波信号を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態における高周波ノックアウトのための高周波信号を用いた場合の荷電粒子のビームの取出強度の時間変化を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における高周波信号の発生回路の構成を示す図である。
【図５】従来の加速器の構成を示す図である。
【図６】従来の荷電粒子のビームの取出強度の時間変化を示す図である。
【図７】従来の荷電粒子のビームの取出強度の時間変化を示す図である。
【図８】従来の荷電粒子のビームの取出強度の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施の形態における加速器は、図１に示すように、偏向磁石１０、収束用四極電磁石１２、発散用四極電磁石１４、入射用インフレクタ１６、加速空洞１８、二極バンプ電磁石２０ａ，２０ｂ、共鳴励起用六極電磁石２２、チューン補正用四極電磁石２４、出射用デフレクタ２６、ＲＦノックアウト（ＲＦＫＯ）機器２８及び高周波信号の発生回路１００を含んで構成される。
【００２２】
ここで、偏向磁石１０、収束用四極電磁石１２、発散用四極電磁石１４、入射用インフレクタ１６、加速空洞１８、二極バンプ電磁石２０ａ，２０ｂ、共鳴励起用六極電磁石２２、チューン補正用四極電磁石２４、出射用デフレクタ２６及びＲＦＫＯ機器２８は従来の加速器と同様であり、本発明の実施の形態の特徴は高周波信号の発生回路１００にあるので以下に詳細に説明する。
【００２３】
本実施の形態における高周波信号の発生回路１００は、荷電粒子を取り出す際に、加速器の周回周波数ｆrev、加速器１周当りのベータトロン振動数の小数点以下の値をｑとした場合に数式（１）に示すノックアウト周波数ｆKOであってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号をＲＦＫＯ機器２８へ出力する。
（数１）
ノックアウト周波数ｆKO＝（ｍ±ｑ）ｆrev  （ｍは０及び１以上の整数）  （１）
【００２４】
このとき、それぞれ異なるノックアウト周波数ｆKOを含む複数の周波数帯の帯域幅ΔｆKOはベータトロン振動数ｑの帯域幅Δｑ以上であることが好適である。
【００２５】
例えば、図２に示すように、ｍ＝０とした場合のノックアウト周波数ｆKO＝ｑｆrevを含む第１の周波数帯域と、ｍ＝１とした場合のノックアウト周波数ｆKO＝（１−ｑ）ｆrevを含む第２の周波数帯域とであって、連続しない互いに分離された２つの周波数帯域の高周波信号を出力する。
【００２６】
荷電粒子のチューンに対する３次共鳴の場合では、ノックアウト周波数ｆKO＝（ｍ±１／３）ｆrevであってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号を印加することが好適である。例えば、ｍ＝０とした場合のノックアウト周波数ｆKO＝１／３ｆrevを含む第１の周波数帯域と、ｍ＝１とした場合のノックアウト周波数ｆKO＝（１−１／３）ｆrev＝２／３ｆrevを含む第２の周波数帯域とであって、連続しない互いに分離された２つの周波数帯域の高周波信号を出力することが好適である。
【００２７】
このとき、各周波数帯域の帯域幅ΔｆKOはベータトロン振動数ｑの帯域幅Δｑ以上とすることが好適である。例えば、帯域幅ΔｆKOを±０．０３ｆrevとして、ノックアウト周波数ｆKO＝（１／３±０．０３）ｆrevの高周波信号及びノックアウト周波数ｆKO＝（２／３±０．０３）ｆrevの高周波信号を合成して出力することが好適である。または、ベータトロン振動数の帯域が（２／３〜２／３＋Δｑ）の場合、ｆKO＝（２／３〜２／３＋Δｑ）ｆrevおよびｆKO＝（１／３−Δｑ〜１／３）ｆrevでもよい。
【００２８】
もちろん、上記数式（１）のノックアウト周波数ｆKOを含み、互いに分離された周波数帯域であれば３以上の周波数帯域を含む高周波信号を出力してもよい。
【００２９】
図３に、カラードノイズとしてノックアウト周波数ｆKO＝ｍ／３ｆrev（ｍ＝１，２，４，５，７，８，１０，１１，１３，１４）を含みそれぞれ周波数帯域ΔｆKO＝±０．０３ｆrevを有する１０帯域の高周波信号を合成してＲＦＫＯ機器２８に出力した場合の荷電粒子の取出強度を示す。図３の横軸は時間、縦軸は荷電粒子の取出強度である。
【００３０】
図３に示すように、高周波信号の帯域幅の合計は１０帯域×各帯域幅０．０３＝０．３であるにも関わらず、従来の高周波信号の印加方法（図６，図７参照）に比べて荷電粒子の取出強度は改善し、全帯域幅を４．２にした場合（図８）と同程度に荷電粒子の取出強度は安定する。
【００３１】
これは、荷電粒子のビームの取り出しにおいて、数式（１）で表される周波数の近傍の周波数帯域以外の周波数帯域はビームの取り出しに大きく寄与しておらず、数式（１）で表される周波数の近傍の周波数帯域の高周波信号のみを組み合わせて印加することによって、それらの周波数を含む全周波数帯域の高周波信号を印加したのと同程度のノックアウト効果が得られるためと推考される。
【００３２】
図４は、高周波信号の発生回路１００の構成例を示す。この高周波信号の発生回路１００は、図４に示すように、ホワイトノイズ発生部４０、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４２（４２−１〜４２−ｋ）、加算器４４及び増幅部４６を含んで構成される。
【００３３】
ホワイトノイズ発生部４０は、ＲＦＫＯ機器２８へ印加される高周波信号に含まれる総ての周波数帯域の信号を少なくとも含むノイズを発生させる。
【００３４】
ＢＰＦ４２（４２−１〜４２−ｋ）は、それぞれ数式（１）で表されるノックアウト周波数ｆKOであってｍ＝ｋが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号のみを透過するフィルタである。ＢＰＦ４２（４２−１〜４２−ｋ）の通過帯域幅は、それぞれベータトロン振動数ｑの帯域幅Δｑ以上であることが好適である。
【００３５】
例えば、図３に示したカラードノイズを生成する場合、ＢＰＦ４２−ｋ（ｋ＝１〜１０）は、それぞれ３次共鳴においてｍ＝１，２，４，５，７，８，１０，１１，１３，１４のノックアウト周波数ｆKOを含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号であって、それぞれ帯域幅ΔｆKO＝±０．０３ｆrevの周波数帯域の信号のみを透過するフィルタとする。具体的には、ＢＰＦ４２−１はノックアウト周波数ｆKO＝１／３ｆrev、ＢＰＦ４２−２はノックアウト周波数ｆKO＝２／３ｆrev、ＢＰＦ４２−３はノックアウト周波数ｆKO＝４／３ｆrev、ＢＰＦ４２−４はノックアウト周波数ｆKO＝５／３ｆrev、ＢＰＦ４２−５はノックアウト周波数ｆKO＝７／３ｆrev、ＢＰＦ４２−６はノックアウト周波数ｆKO＝８／３ｆrev、ＢＰＦ４２−７はノックアウト周波数ｆKO＝１０／３ｆrev、ＢＰＦ４２−８はノックアウト周波数ｆKO＝１１／３ｆrev、ＢＰＦ４２−９はノックアウト周波数ｆKO＝１３／３ｆrev、ＢＰＦ４２−１０はノックアウト周波数ｆKO＝１４／３ｆrevを含み、それぞれ帯域幅ΔｆKO＝±０．０３ｆrevの周波数帯域の信号のみを透過するフィルタとする。
【００３６】
加算器４４は、ＢＰＦ４２（４２−１〜４２−ｋ）で透過された各周波数帯域の信号を合成して出力する。増幅部４６は、加算器４４から出力され高周波信号を増幅して出力する。
【００３７】
このような高周波信号の発生回路１００とすることによって、加速器から取り出される荷電粒子のビームの取出強度を安定化させることができる。このとき、印加される高周波信号を複数の周波数帯域に分割することによって、帯域幅の合計は１０帯域×各帯域幅ΔｆKOだけとなり、増幅部４６に必要な電力容量を従来より小さくできる等の利点がある。
【００３８】
なお、高周波信号の発生回路１００の構成はこれに限定されるものではなく、数式（１）に示すノックアウト周波数ｆKOであってｍが異なる周波数をそれぞれ含み、互いに分離された複数の周波数帯の高周波信号を印加できるものであればよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０  偏向磁石、１２  収束用四極電磁石、１４  発散用四極電磁石、１６  入射用インフレクタ、１８  加速空洞、２０ａ，２０ｂ  二極バンプ電磁石、２２  共鳴励起用六極電磁石、２４  チューン補正用四極電磁石、２６  出射用デフレクタ、２８  ＲＦＫＯ機器、４０  ホワイトノイズ発生部、４２（４２−１〜４２−ｋ）  バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、４４  加算器、４６  増幅部、１００  高周波信号の発生回路。
【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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