(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子線治療装置に用いられる電磁石用直流電源装置であって、
交流電源から供給された交流出力を整流し、直流電流に変換して出力する直流電圧源と、
前記直流電圧源からの電流のオン−オフを繰り返すようにスイッチング駆動して、パルス状の直流出力を生成するチョッパ回路と、
前記パルス状の直流出力を平滑化して負荷に出力するパッシブフィルタと、
入力された電流指令値に前記負荷に出力された電流値が合致するように、前記スイッチング駆動を制御する電流制御回路と、を備え、
前記電流制御回路は、
前記電流値の前記電流指令値からの偏差成分を算出する偏差成分算出部と、
前記負荷に出力された電圧値から脈動成分を算出する脈動成分算出部と、
前記脈動成分と前記偏差成分とに基づいて、前記スイッチング駆動を制御する駆動制御信号を生成する駆動制御信号生成部と、を有するとともに、
前記脈動成分は、前記電圧値のうちの交流成分を前記電流値で除した値に基づいて算出する、
ことを特徴とする電磁石用直流電源装置。
【請求項２】
前記脈動成分算出部は、所定の周波数特性を有するバンドパスフィルタを備え、
前記交流成分のうち、前記バンドパスフィルタを通過した交流成分を前記脈動成分の算出に用いることを特徴とする請求項１に記載の電磁石用直流電源装置。
【請求項３】
前記脈動成分算出部は、前記所定の周波数特性が、前記交流電源の周波数の２次高調波成分を通過させるものであることを特徴とする請求項２に記載の電磁石用直流電源装置。
【請求項４】
前記駆動制御信号は、所定周波数のパターン信号に基づいて生成され、
前記所定の周波数特性が、前記パターン信号の周波数成分を通過させるものであることを特徴とする請求項２に記載の電磁石用直流電源装置。
【請求項５】
前記脈動成分算出部は、
周波数特性の異なる複数のバンドパスフィルタと、
前記電圧値の周波数帯ごとの大きさを分析する周波数分析器と、
前記周波数分析器の分析結果に基づいて、前記複数のバンドパスフィルタのうちのいずれかのバンドパスフィルタを選定するバンドパスフィルタ選定部と、を備え、
前記交流成分のうち、前記選定したバンドパスフィルタを通過した交流成分を前記脈動成分の算出に用いることを特徴とする請求項１に記載の電磁石用直流電源装置。
【請求項６】
前記パッシブフィルタは、コンデンサを備えており、
前記コンデンサに流れる電流を検出するとともに、前記検出した電流が所定値を超えると、前記駆動制御信号の前記チョッパ回路への出力を遮断する保護回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電磁石用直流電源装置。
【請求項７】
粒子ビームを発生させる加速器と、
複数の治療室と、
前記加速器と前記複数の治療室のそれぞれとを結ぶ粒子ビームの輸送経路と、
前記複数の治療室のそれぞれに設けられ、供給された粒子ビームを照射対象に応じた照射野に成形して前記照射対象へ照射する照射装置と、
前記加速器、前記輸送経路および前記照射装置の少なくともいずれかに設けられた電磁石に対応して設けられた請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電磁石用直流電源装置と、を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁石用直流電源装置に関するもので、とくに、正確で安定した磁場が要求される粒子線治療装置の電磁石に適した電磁石用直流電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療装置においては、ビーム軌道に沿って電磁石を配置し、電磁石で発生させた磁場によって、ビーム軌道やビーム束等の制御を行っている。しかし、電磁石を駆動させるための電磁石用直流電源装置は、商用の交流電源から変換した直流電流を出力しているので、直流成分だけではなく商用周波数に起因する脈動（リップル）が発生する。そのため、粒子線治療装置には、脈動を抑制して、安定した直流電流を電磁石に出力することができる電磁石用直流電源装置が求められている。
【０００３】
そこで、偏向コイルに流れる電流だけでなく、偏向コイルにかかる電圧も検出し、電流指令値に対する電流の偏差に基づいて生成した制御信号を電圧設定値とし、電圧設定値に対する電圧の偏差に基づいて偏向コイルに流れる電流を制御することで、脈動を抑える偏向コイル用直流電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。一方、電流信号をチョッパ回路の制御に、電圧信号をサイリスタ整流器の制御というように、電流と電圧を別部位の制御に用いる回路ではあるが、ハイパスフィルタを通すことにより、電圧信号から直流成分を除いて脈動電圧を抽出する電磁石電源装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−５４９４４号公報（段落０００９〜００１１、図１）
【特許文献２】特開平７−２８８１９７号公報（段落００９１〜００９４、図１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示す偏向コイル用直流電源装置では、フィードバック制御に用いる電圧信号が直流成分と脈動成分の両方を含んでいるため、脈動成分が直流成分に埋もれてしまい、脈動を十分に抑えることができなかった。ここで、特許文献１の偏向コイル用直流電源装置に、特許文献２に記載のフィルタ技術を組み合わせて、電圧信号中の脈動成分を抽出することも考えられる。しかし、粒子線治療装置においては、許容される脈流電流比は、出力電流に対して０．１％以下と極めて小さいうえに、電流値のダイナミックレンジが広く、例えば、定格電流の１割程度の出力であっても、脈動電流比を許容範囲内に収める必要がある。そのため、例えば、特許文献１の偏向コイル用直流電源装置に特許文献２のフィルタ技術を組み合わせて脈動成分を抽出しても、抽出した脈動成分を電流レベルに応じて正しく評価することができず、特にダイナミックレンジの下限付近の電流値で制御した場合には、脈動成分を過小評価して、脈動電流比を許容範囲内に収めることが困難であった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電流値のレベルが変化しても脈動電流比を許容範囲内に収めることができる電磁石用直流電源装置、および当該電磁石用直流電源装置を用いて正確な照射が可能な粒子線治療装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電磁石用直流電源装置は、粒子線治療装置に用いられる電磁石用直流電源装置であって、交流電源から供給された交流出力を整流し、直流電流に変換して出力する直流電圧源と、前記直流電圧源からの電流のオン−オフを繰り返すようにスイッチング駆動して、パルス状の直流出力を生成するチョッパ回路と、前記パルス状の直流出力を平滑化して負荷に出力するパッシブフィルタと、入力された電流指令値に前記負荷に出力された電流値が合致するように、前記スイッチング駆動を制御する電流制御回路と、を備え、前記電流制御回路は、前記電流値の前記電流指令値からの偏差成分を算出する偏差成分算出部と、前記負荷に出力された電圧値から脈動成分を算出する脈動成分算出部と、前記脈動成分と前記偏差成分とに基づいて、前記スイッチング駆動を制御する駆動制御信号を生成する駆動制御信号生成部と、を有するとともに、前記脈動成分は、前記電圧値のうちの交流成分を前記電流値で除した値に基づいて算出する、ことを特徴とする。 
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電磁石用直流電源装置によれば、電流値のレベルに応じて脈動成分を拡大・縮小するので、電流値のレベルが変化しても脈動成分を正確に評価し、許容範囲内に収めることが可能となる。さらに、本電磁石用直流電源装置を用いることによって、磁場が安定し、正確な照射が可能な粒子線治療装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電磁石用直流電源装置の回路構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る電磁石用直流電源装置の動作を説明するための波形図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電磁石用直流電源装置の動作を説明するための波形図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る電磁石用直流電源装置の回路構成図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る電磁石用直流電源装置の回路構成図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る電磁石用直流電源装置の回路構成図である。
【図７】本発明の実施の形態５に係る粒子線治療装置の構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１にかかる電磁石用直流電源装置の構成について説明する。図１〜図３は本発明の実施の形態１にかかる電磁石用直流電源装置について説明するためのもので、図１は電磁石用直流電源装置の構成を示す回路構成図、図２と図３は電磁石用直流電源装置の動作を説明するための各部における出力信号の波形図である。以下、図に基づいて説明する。
【００１１】
本実施の形態１にかかる電磁石用直流電源装置１０は、制御器３０からの電流指令値ＶＳに基づき、負荷である電磁石２０に所定の直流電流を出力するための電源装置である。そして、電磁石用直流電源装置１０は、電源として直流電圧源１と、直流電圧源１の出力端に接続されたチョッパ回路２と、チョッパ回路２の出力端と電磁石２０への出力端間に接続されたパッシブフィルタ３と、装置内の電流および電圧を測定するための検出部４と、検出部４が測定して出力した信号と電流指令値ＶＳに基づき、チョッパ回路２のオンオフを制御するためのゲート信号ＳＧを出力する電流制御回路５とを備えている。
【００１２】
＜直流電圧源＞
直流電圧源１は、一般的に用いられる図示しない交流電源から供給された交流出力を整流し、直流電流に変換して出力する電源である。なお、本実施の形態１においては、交流の電力源を入力としており、原理的に交流電源の周波数成分またはそれらの整数倍の周波数成分の変動（脈動）が発生する。
【００１３】
＜チョッパ回路＞
チョッパ回路２は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）２１と整流素子であるダイオード２２とを直列接続して構成している。直流電圧源１からの電圧をスイッチング素子２１により、高速でオン−オフを繰り返すようにスイッチング駆動させることでパルス状の電圧を発生させる。この、パルス幅を調整することで、任意の電流値の直流出力を疑似的に生成し、負荷である電磁石２０に出力する電流を制御するものである。そして、スイッチング素子２１側の端部が直流電圧源１の＋側出力端に、ダイオード２２側の端部が直流電圧源１の−側出力端に接続されている。
【００１４】
＜パッシブフィルタ＞
パッシブフィルタ３は、リアクトル３１とコンデンサ３２を直列接続して構成され、チョッパ回路２から負荷（電磁石２０）に出力される直流出力を平滑化し、脈動成分を低減するものである。そして、リアクトル３１側の端部がチョッパ回路２のスイッチング素子２１とダイオード２２との中間部分に接続され、リアクトル３１とコンデンサ３２との中間部分が電磁石２０への出力端に接続されている。そして、コンデンサ３２側の端部が電磁石２０への出力端と、チョッパ回路２のダイオード２２側の端部に接続されている。つまり、リアクトル３１は電磁石２０とチョッパ回路２のスイッチング素子２１間に直列接続され、コンデンサ３２は電磁石２０と並列接続されている。
【００１５】
＜検出部＞
検出部４は、コンデンサ３２および電磁石２０と並列接続され、電磁石に出力された電圧値を検出する電圧検出抵抗４１と、直流電圧源１と電磁石２０間に直列接続され、電磁石２０に流れる電流値を直流電流成分も含めて信号出力するＤＣＣＴ（直流変流器）４２とで構成されている。電圧検出抵抗４１の信号Ｓ４１とＤＣＣＴ４２の信号Ｓ４２は、それぞれ電流制御回路５に出力される。
【００１６】
＜電流制御回路＞
電流制御回路５は、主に電圧検出抵抗４１が出力した電圧値（信号Ｓ４１）から脈動（リップル）成分を算出する脈動成分算出部（５１〜５３）と、ＤＣＣＴ４２が出力した電流値（信号Ｓ４２）と制御器３０から入力された電流指令値ＶＳとに基づいて電流指令値ＶＳに対する実電流値の偏差成分を算出する偏差成分算出部（５４〜５６）と、脈動成分と偏差成分に基づいて、チョッパ回路２のスイッチング駆動を制御する信号であるＩＧＢＴ素子２１のゲート信号ＳＶを生成する駆動制御信号生成部（５７〜５９）と、により構成されている。
【００１７】
脈動成分算出部は、電圧検出抵抗４１が出力した電圧値を示す信号Ｓ４１を周波数成分に応じて通過させ、交流成分を抽出する交流成分抽出部５１と、交流成分抽出部５１が出力した信号Ｓ５１にゲインをかける比例器５２と、比例器５２が出力した信号をＤＣＣＴ４２が出力した信号Ｓ４２で除する除算器５３とを備え、除算器５３が処理した信号Ｓ５３は、後述する駆動制御信号生成部の減算器５７に出力される。なお、本実施の形態１にかかる電磁石用直流電源装置１０の電流制御回路の交流成分抽出部５１には、信号Ｓ４１中のＤＣ分をカットして出力するＤＣカット回路５１ａが備えられている。
【００１８】
偏差成分算出部は、制御器３０から出力された電流指令値ＶＳ（厳密には電流指令値を示す信号）からＤＣＣＴ４２が出力した信号Ｓ４２を減算する減算器５４と、減算器５４が出力した電流指令値ＶＳと測定した電流値信号Ｓ４２との偏差を比例制御する比例器５５と、比例器５５の出力を積分制御する積分器５６とを備え、積分器５６が処理した信号Ｓ５６は、後述する駆動制御信号生成部の減算器５７に出力される。
【００１９】
駆動制御信号生成部は、偏差成分算出部（５４〜５６）が出力した信号から脈動成分算出部（５１〜５３）が出力した信号Ｓ５３を減算する減算器５７と、繰り返しパターン信号として所定周波数の三角波の信号ＳＴを発生させるキャリア５８と、減算器５７が出力した信号χとキャリア５８が出力した信号ＳＴを比較してスイッチング素子２１の駆動制御信号であるゲート信号ＳＧを生成する比較器５９とを備えている。比較器５９が生成したゲート信号ＳＧは、ＩＧＢＴ素子２１のゲートに出力される。
【００２０】
次に動作について説明する。
電磁石用直流電源装置１０を駆動させると、直流電圧源１、チョッパ回路２、パッシブフィルタ３が機能して負荷である電磁石２０に電流指令値ＶＳに応じた電流値で直流電流が印加される。すると、検出部４が検出した電磁石２０に出力された電流値と電圧値を示す信号Ｓ４１、Ｓ４２が電流制御回路５に出力される。
【００２１】
電流制御回路５の偏差成分算出部では、外部の制御器３０から入力された電流指令値ＶＳと、ＤＣＣＴ４２からのフィードバック信号Ｓ４２が減算器５４に出力される。すると、減算器５４は実電流値（信号）Ｓ４２の電流指令値（信号）ＶＳからの偏差として、信号ＶＳから信号Ｓ４２を除して算出した値を比例器５５に出力する。そして、比例器５５での比例制御、積分器５６での積分制御で、順次演算処理した信号Ｓ５６を駆動制御信号生成部の減算器５７に出力する。
【００２２】
一方、電流制御回路５の脈動成分算出部では、交流成分抽出部５１に電圧検出抵抗４１が出力した信号Ｓ４１が出力される。交流成分抽出部５１は、信号Ｓ４１からＤＣ成分をカットして交流成分を抽出し、抽出した交流成分である信号Ｓ５１を比例器５２に出力する。比例器５２は信号Ｓ５１に所定のゲインを乗じた信号Ａを除算器５３に出力する。除算器５３には、ＤＣＣＴ４２からの信号Ｓ４２も入力され、除算器５３は信号Ａを信号Ｓ４２（Ｂ）で除した信号Ｓ５３を駆動制御信号生成部の減算器５７に出力する。
【００２３】
駆動制御信号生成部では、偏差信号処理部の積分器５６から出力された信号Ｓ５６と、脈動成分算出部の除算器５３から出力された信号Ｓ５３が減算器５７に出力される。減算器５７では、信号Ｓ５６から信号Ｓ５３を減算処理し、減算処理した信号χを比較器５９に出力する。一方、キャリア５８では連続繰返しパターン信号として三角波ＳＴが生成され、生成された三角波ＳＴも比較器５９に出力される。比較器５９では、信号χと三角波ＳＴが図２（ａ）に示すように同時間軸上で比較され、図２（ｂ）に示すように信号χが三角波ＳＴよりも大きい場合はオン（ＯＮ）、小さい場合はオフ（ＯＦＦ）を示すゲート信号ＳＧを生成し、生成したゲート信号ＳＧは、ＩＧＢＴ素子２１に出力される。
【００２４】
ＩＧＢＴ素子２１は入力したゲート信号ＳＧがオンならば、スイッチオン駆動する。すると、直流電圧源１からリアクトル３１に電圧が供給され、リアクトル３１とコンデンサ３２で形成されるパッシブフィルタ３のＬＰＦ特性で減衰された電圧が電磁石２０に印加され、印加された電圧を電磁石２０のインピーダンス（Ｒ２＋（ωＬ）２）１／２で除した値の電流が流れる。ここで、電磁石２０のインダクタンスが大きい場合、あるいは、ダイナミックレンジの下限近傍の電流設定値で動作させる場合、電流リップルは相対的に小さくなり、ＤＣＣＴ４２からのフィードバック信号Ｓ４２から検出できるリップル成分は小さくなる。
【００２５】
そこで、リップル成分を精度よく検出するために、電圧検出抵抗４１からの信号Ｓ４１をフィードバック信号に加える。電圧検出抵抗４１からの信号Ｓ４１の波形は、図３（ａ）に示すように直流成分にリップル分が重畳したものである。そして、信号Ｓ４１は、交流成分抽出部５１のＤＣカット回路５１ａを通ることで、図３（ｂ）に示すようにＤＣ成分を除かれ、リップル分のみが抽出された信号Ｓ５１となる。このリップル分は出力電流（電流値の制御レベル）の大きさに関わらずほぼ一定である。
【００２６】
ここで、従来の電磁石用直流電源装置あるいは従来の先行技術を組み合わせただけの電磁石用直流電源装置の場合、抽出されたリップル成分は、電流レベルに関係なく一定のゲインを乗じただけで駆動制御信号生成部の減算器５７に相当する部分に直接出力される。そのため、出力電流（電流値の制御レベル）がダイナミックレンジの上限に近い高電流域であろうと下限に近い低電流域であろうと、抽出されたリップル成分が同程度であるならば、同程度のリップルであると評価されることになる。したがって、ダイナミックレンジの下限に近い低電流域で制御した場合、脈動電流比が許容範囲を超えてしまうことがあった。
【００２７】
一方、本実施の形態１にかかる電磁石用直流電源装置１０では、抽出されたリップル成分は、更に除算器５３を経由する。このとき、除算器５３の除算で用いられる分母はＤＣＣＴ４２からのフィードバック信号Ｓ４２なので、フィードバック信号Ｓ４２の信号レベルに反比例して、電圧検出抵抗４１からのフィードバック信号Ｓ４１のゲインが調整されることになる。つまり、脈動成分算出部において、除算器５３を設けたことにより、リップル成分をリップルそのものの値ではなく、粒子線治療装置として求められる、電流値との比である脈動電流比＝（リップル電流値）／（出力電流）として抽出することができる。
【００２８】
ＤＣＣＴ４２から出力された信号Ｓ４２の（電流）波形は、図３（ｃ１）、図３（ｄ１）に示すようにリップル成分が少なく直流電流とみなせ、除算器５３での分母はそれぞれ実出力電流値Ｉｃ、Ｉｄとみなせる。そこで、図２（ｃ１）のように出力電流値Ｉｃが大きい場合、減算器５７に出力される（電圧）フィードバック信号Ｓ５３のゲインＧｃは小さく評価される。逆に、図２（ｄ１）のように出力電流値Ｉｄが小さい場合、減算器５７に出力されるフィードバック信号Ｓ５３のゲインＧｄは大きく評価される。
【００２９】
つまり、信号Ｓ５１に同じレベルのリップル成分が入っていても、出力電流値が大きな場合は、電流値に反比例して小さく評価したフィードバック信号Ｓ５３を生成し、そのフィードバック信号によりリップルを除く制御が電流値に反比例して小さめになされることになり、リップル成分は電流値に比例して大きめに残ることになる。逆に出力電流値が小さな場合は、電流値に反比例して大きく評価したフィードバック信号Ｓ５３を生成し、そのフィードバック信号によりリップルを除く制御が電流値に反比例して大きめになされることになり、リップル成分の残量は電流値に比例して小さくなる。
【００３０】
この制御は、大きな電流値での脈動を見逃すことで不都合なようにも見える。しかし、実際に電磁石用直流電源装置１０に要求されるのは、出力電流に対する脈動電流の比を抑えることであり、この要求に適合するものである。なによりも、ダイナミックレンジの下限付近の小さな電流値で制御する場合に、従来ならば見過ごされてきた小さなリップルも脈動電流比として許容範囲に収めることが可能となる。つまり、除算器５３を用いることで、出力電流値が大きい場合、フィードバック信号Ｓ５３のゲインを低く、出力電流値が小さい場合、フィードバック信号Ｓ５３のゲインを高くすることを実現する。これにより電流レベルが変化しても低電流リップル比を維持できる電源を実現することができる。
【００３１】
なお、本実施の形態では、電源１として交流電源を直流に変換した直流電圧源について説明したが、それに限られることはない。
【００３２】
以上のように、本実施の形態１にかかる電磁石用直流電源装置１０によれば、粒子線治療装置に用いられる電磁石用直流電源装置であって、電源である直流電圧源１と、直流電圧源（電源）１からの電流のオン−オフを繰り返すようにスイッチング駆動して、パルス状の直流出力を生成するチョッパ回路２と、パルス状の直流出力を平滑化して負荷２０に出力するパッシブフィルタ３と、入力された電流指令値ＶＳに負荷２０に出力された電流値が合致するように、スイッチング駆動を制御する電流制御回路５と、を備え、電流制御回路５は、電流値Ｓ４２の電流指令値ＶＳからの偏差成分Ｓ５６を算出する偏差成分算出部（５４〜５６）と、負荷２０に出力された電圧値Ｓ４１から脈動成分Ｓ５３を算出する脈動成分算出部（５１〜５３）と、脈動成分Ｓ５３と偏差成分Ｓ５６とに基づいて、スイッチング駆動を制御する駆動制御信号であるゲート信号ＳＧを生成する駆動制御信号生成部（５７〜５９）と、を有するとともに、脈動成分Ｓ５３は、電圧値Ｓ４１のうちの交流成分Ｓ５１を電流値Ｓ４２で除した値に基づいて算出するように構成したので、交流成分Ｓ５１の大きさが同じでも、電流値Ｓ４２が小さい場合は脈動成分Ｓ５３を大きく、電流値Ｓ４２が大きい場合は脈動成分Ｓ５３小さく評価できるので、電流値のレベルが変化しても脈動電流比を許容範囲内に収めることができる。
【００３３】
実施の形態２．
本実施の形態２では、実施の形態１で示した電磁石用直流電源装置に対し、交流成分抽出部に特定の周波数帯を通過させるバンドパスフィルタを備えるようにしたものである。その他の構成については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００３４】
図４は本発明の実施の形態１にかかる電磁石用直流電源装置について説明するためのもので、電磁石用直流電源装置の構成を示す回路構成図である。以下、図に基づいて説明する。
【００３５】
本実施の形態２にかかる電磁石用直流電源装置２１０は、電流制御回路２０５の交流成分抽出部２５１に、ＤＣカット回路５１ａが出力した信号Ｓ５１ａから特定の周波数帯の成分を抽出するためのバンドパスフィルタ５１ｂ（図中「バンドパスＦ」と表示）を備えたことにある。バンドパスフィルタ５１ｂの周波数特性としては、例えば、チョッパ回路２のスイッチング素子２１に適用したＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のスイッチング周波数成分を通過するものとした。なお、スイッチング周波数は、キャリア５８で発生させた三角波ＳＴの周波数となる。
【００３６】
これにより、比例器５２に出力される信号Ｓ２５１には、ＩＧＢＴ２１のスイッチング周波数特性に起因する脈動成分が抽出され、スイッチング駆動に起因する脈動成分に特化して脈動抑制を行うことができる。
【００３７】
なお、上記実施の形態２では、バンドパスフィルタ５１ｂの周波数特性として、スイッチング素子のスイッチング周波数成分を通過するものとしたがこれに限定されることはない。例えば、スイッチング周波数成分の２次高調波のように、スイッチング周波数の整数倍の周波数に合わせるようにしてもよい。また、あるいは、直流電圧源１に供給される交流電源（商用周波数）の周波数成分またはこれらの高調波成分に合わせるようにしてもよい。これにより、原因の明らかな脈動成分に特化して脈動を抑制制御することが可能となる。
【００３８】
以上のように、本実施の形態２にかかる電磁石用直流電源装置２１０によれば、脈動成分算出部（２５１、５２、５３）は、所定の周波数特性を有するバンドパスフィルタ５１ｂを備え、電圧値Ｓ４１の交流成分Ｓ５１ａのうち、バンドパスフィルタ５１ｂを通過した交流成分Ｓ２５１を脈動成分Ｓ５３の算出に用いるように構成したので、例えば、影響の大きな周波数成分に限定して脈動を低減することができる。
【００３９】
また、電源として交流電源を入力源とする直流電圧源１を用いたので、周波数特性として、交流の周波数（商用周波数）の２次高調波成分を通過するものを選定すれば、交流電源に起因する脈動を低減することができる。つまり、粒子の軌道に大きく影響する商用周波数近傍の脈流成分を抑制することができる。
【００４０】
あるいは、周波数特性として、ＩＧＢＴ２１のスイッチング駆動の周波数成分であるゲート信号ＳＧを生成するためのパターン信号ＳＴの周波数成分を通過するものを選定すれば、スイッチング駆動を原因とする脈動に限定した制御により、脈動を効果的に低減できる。
【００４１】
実施の形態３．
本実施の形態３では、実施の形態２で示した電磁石用直流電源装置に対し、交流成分抽出部において、周波数特性の異なる複数のバンドパスフィルタを備え、入力信号に応じて最適なバンドパスフィルタを使用できるように構成したものである。その他の構成については、実施の形態２と同様であるので説明を省略する。
【００４２】
図５は本発明の実施の形態１にかかる電磁石用直流電源装置について説明するためのもので、電磁石用直流電源装置の構成を示す回路構成図である。以下、図に基づいて説明する。
【００４３】
本実施の形態３にかかる電磁石用直流電源装置３１０は、電流制御回路３０５の交流成分抽出部３５１において、実施の形態２におけるバンドパスフィルタ５１ｂの代わりに周波数特性の異なる複数のバンドパスフィルタを有するバンドパスフィルタ群３５１ｂを備え、さらに、ＤＣカット回路５１ａが出力した信号Ｓ５１ａの周波数帯ごとの大きさを分析する周波数分析器５１ｃ（図中「Ｆｒｅｑ．分析器」と表示）と、周波数分析器５１ｃの分析結果に基づいて、信号Ｓ５１ａを通すバンドパスフィルをバンドパスフィルタ群３５１ｂの複数のバンドバスフィルタの中から最適な特性のバンドパスフィルタを選定するバンドパスフィルタ選定部５１ｄ（図中「Ｆ選定部」と表示）を備えるようにしたことにある。
【００４４】
ここで、バンドパスフィルタ群３５１ｂが有するバンドパスフィルタの周波数特性としては、実施の形態２で説明したスイッチング素子のスイッチング周波数成分、商用周波数の周波数成分、またはこれらの２倍、３倍、といった整数倍の周波数成分（高調波成分）のそれぞれを通過するものが考えられる。そして、周波数分析器５１ｃとしては、オクターブ分析器やＦＦＴ（Fast Fourier Transform）アナライザのようなスペクトラムアナライザで、周波数帯（スペクトル）毎の大きさを評価する。ここで、周波数分析器５１ｃでは、大きさが最大の周波数帯（例えば、図３（ａ）の周期Ｐに対応する周波数を含む周波数帯を分析結果として出力し、バンドパスフィルタ選定部５１ｄは、絶対値の最も大きな周波数（Ｐの逆数）帯の成分を通過させるバンドパスフィルタを信号Ｓ５１ａのフィルタリングに使用するバンドパスフィルタとして選定し、切り替えるようにする。
【００４５】
これにより、複数の脈動原因が予め想定され、想定される複数の脈動原因のそれぞれに対応したバンドパスフィルタが必要な場合でも、実際に影響の最も大きな脈動成分に特化して脈動を抑制制御することが可能となる。
【００４６】
以上のように、本実施の形態３にかかる電磁石用直流電源装置３１０によれば、脈動成分算出部（３５１、５２、５３）は、周波数特性の異なる複数のバンドパスフィルタ（群）３５１ｂと、電圧値Ｓ４１の（交流成分Ｓ５１ａ中の）周波数帯ごとの大きさを分析する周波数分析器５１ｃと、周波数分析器５１ｃの分析結果に基づいて、複数のバンドパスフィルタ（群）３５１ｂのうちのいずれかのバンドパスフィルタを選定するバンドパスフィルタ選定部５１ｄと、を備え、電圧値Ｓ４１の交流成分Ｓ５１ａのうち、選定したバンドパスフィルタを通過した交流成分Ｓ３５１を脈動成分Ｓ５３の算出に用いるように構成したので、例えば、絶対値の大きな周波数成分を選択するようにすれば、絶対値の大きな周波数成分に限定して脈動を抑えることができる。
【００４７】
実施の形態４．
本実施の形態４では、上記各実施の形態１〜３で示した電磁石用直流電源装置に対し、パッシブフィルタ３のコンデンサ３２に流入する電流値を検出し、検出した電流値が、閾値以上となったら異常と判断して、ゲート信号ＳＧを停止させる構成である保護回路を加えたものである。他の構成においては各実施の形態１〜３と同様であり、その部分についての説明は省略する。
【００４８】
図６は本発明の実施の形態４にかかる電磁石用直流電源装置について説明するためのもので、電磁石用直流電源装置の構成を示す回路構成図である。以下、図に基づいて説明する。
【００４９】
本実施の形態４にかかる電磁石用直流電源装置４１０は、パッシブフィルタ３のコンデンサ３２に流入する電流値を測定して信号出力するＤＣＣＴ６１と、閾値としての基準電圧を出力する可変電源６３と、ＤＣＣＴ６１の出力と可変電源６３の出力とを比較し、比較結果に応じてゲート信号ＳＧのスイッチング素子２１への出力を遮断するコンパレータ６２と、を有する保護回路６を有するようにした。その他の構成については、実施の形態２で説明した図４の電磁石用直流電源装置と同様である。
【００５０】
これにより、コンデンサ３２に異常な電流が流れると、電流制御回路２０５の制御状態にかかわらず、チョッパ回路２のスイッチング素子２１を駆動するゲート信号ＳＧを遮断することができるので、コンデンサ３２を保護することができる。
【００５１】
なお、本実施の形態４では、実施の形態２で説明した電磁石用直流電源装置２１０に保護回路６を追加した例を示したが、これに限られることはない。その他の実施の形態の電磁石用直流電源装置１０、３１０であっても、同様に保護回路６を追加することができることは言うまでもない。
【００５２】
以上のように、本実施の形態４にかかる電磁石用直流電源装置４１０によれば、パッシブフィルタ３のコンデンサ３２に流れる電流を検出するとともに、検出した電流が所定値を超えると、駆動制御信号ＳＧのチョッパ回路２（のスイッチング素子２１）への出力を遮断する保護回路６を備えるように構成したので、コンデンサ３２への過剰電流を抑制することで保護し、信頼性を向上させることができる。
【００５３】
実施の形態５．
本実施の形態５にかかる粒子線治療装置は、粒子ビームを制御するための電磁石（負荷）の電源に、上述した各実施の形態１〜４の電磁石用直流電源装置を用いたものである。図７は本実施の形態５にかかる粒子線治療装置全体の構成を示す図である。
【００５４】
粒子線治療装置は、図７に示すように、荷電粒子ビームの供給源として、シンクロトロンである円形加速器７０（以降、単に加速器と称する）と、図示しない治療室毎に設けられた照射装置を備える照射系と、加速器７０と各治療室とをつなぎ、加速器７０から荷電粒子ビームを各治療室の照射装置に輸送する輸送経路９０と、これら各系統（後述するサブシステム）を連携して制御する制御系３０（上記各実施の形態における制御部に相当）とを備えている。そして、本実施の形態５にかかる粒子線治療装置に特徴的な構成は、加速器７０に設けた偏向電磁石７３ａ〜７３ｄ（まとめて偏向電磁石７３）や輸送経路９０に設けた偏向電磁石９１、切替電磁石９２の電源として上記各実施の形態１〜４で説明した電磁石用直流電源装置１０−Ａ１〜１０−Ａ４、１０−Ｔ１、１０−Ｔ２（まとめて電磁石用直流電源装置１０）を備えるようにしたことである。その他の構成については、一般的な粒子線治療装置と同様であるが、各構成について説明しておく。
【００５５】
＜加速器＞
加速器７０は、荷電粒子ビームが周回する軌道経路となる真空ダクト７１、前段加速器８０から供給された荷電粒子を真空ダクト７１に入射するための入射装置７２、荷電粒子が真空ダクト７１内の周回軌道に沿って周回する荷電粒子ビームを形成するよう荷電粒子の軌道を偏向させるための偏向電磁石７３、その他電磁石７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ（まとめて７４と称する）、粒子を加速させる高周波加速空洞７５、輸送経路９０に出射するための出射機器７６等を備えている。
【００５６】
なお、粒子線治療装置には、例えば、加速器７０の収束用電磁石７４や図示しない照射系の偏向電磁石のように、とくに説明していない電磁石も、上記各実施の形態１〜４で説明した電磁石用直流電源装置１０を使用しているが、ここでは、説明を簡略化するため記載を省略している。また、前段加速器８０は、図では簡略化のためにひとつの機器のように記載しているが、実際には、陽子、炭素（重粒子）等の荷電粒子（イオン）を発生させるイオン源（イオンビーム発生装置）と、発生された荷電粒子を初期加速する線形加速器系とを備えている。そして、前段加速器８０から加速器７０に入射した荷電粒子は、高周波数の電界で加速され、磁石で曲げられながら、光速の約６０％まで加速される。
【００５７】
＜輸送系＞
加速器７０により加速された荷電粒子ビームは、ＨＥＢＴ（高エネルギービーム輸送：High Energy Beam Transport）系と称される輸送経路９０へと出射される。輸送経路９０は、荷電粒子ビームの輸送経路となる真空ダクト（主ダクト９３、治療室Ａ用ダクト９３Ａ、治療室Ｂ用ダクト９３Ｂ、まとめて真空ダクト９３）と、荷電粒子ビームのビーム軌道を切替える切替装置である切替電磁石９２と、ビームを所定角度に偏向する偏向電磁石９１とを備えている。そして加速器７０により十分にエネルギーが与えられ、真空ダクト９３により作られた輸送経路内を進む荷電粒子ビームを、切替電磁石９２で必要に応じて軌道（９３Ａ方向、９３Ｂ方向）を変えることで、指定された治療室に設けられた照射装置へと導くことができる。
【００５８】
＜照射系＞
照射系には、輸送経路９０から供給された荷電粒子ビームを照射対象である患者の患部の大きさや深さに応じた照射野に成形して患部へ照射する照射装置が備えられている。
【００５９】
＜制御系＞
このように複数のサブシステムからなる大型で複雑なシステムの制御系は、一般的に、各サブシステムを専ら制御するサブ制御器と全体を指揮し制御するメイン制御器からなることが多い。本実施の形態５にかかる粒子線治療装置の制御系においても、このメイン制御器とサブ制御器の構成を採用している。簡単のため、粒子線治療装置の制御系のうち、加速器７０、輸送経路９０の２つのサブシステムの電磁石用の電磁石用直流電源装置１０の制御に関する制御系について説明すると、図に示すように、加速器電磁石用制御部３０−Ａ、輸送系電磁石用制御部３０−Ｔ、および全体制御部３０で制御系を構成している。そして、これら制御系のうち、各電磁石用直流電源装置１０を管轄する部分から、それぞれの電磁石用直流電源装置１０の電磁石への出力電流値が指示される。
【００６０】
以上のように、本実施の形態５にかかる粒子線治療装置によれば、粒子ビームを発生させる加速器７０と、複数の治療室と、加速器７０と複数の治療室のそれぞれとを結ぶ粒子ビームの輸送経路９０と、複数の治療室のそれぞれに設けられ、供給された粒子ビームを照射対象に応じた照射野に成形して照射対象へ照射する照射装置と、加速器７０、輸送経路９０および照射装置の少なくともいずれかに設けられた電磁石の電力源として、上記各実施の形態で説明した電磁石用直流電源装置１０と、を備えるように構成したので、粒子ビームを制御するための磁場が安定し、正確な照射が可能な粒子線治療装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１  直流電圧源（電源）、  ２  チョッパ回路（２１：スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、２２：整流素子）、  ３  パッシブフィルタ（３１：リアクトル、３２：コンデンサ）、  ４  検出部（４１：電圧検出抵抗、４２：ＤＣＣＴ）、
５  電流制御回路、
５１  交流成分抽出部（５１ａ：ＤＣカット回路、５１ｂ：バンドパスフィルタ、５１ｃ：周波数分析器、５１ｄ：バンドパスフィルタ選定部）、  ５２  比例器、  ５３  除算器、（５１〜５３：脈動成分算出部）、
５４  減算器、  ５５  比例器、  ５６  積分器、（５４〜５６：偏差成分算出部）、
５７  減算器、  ５８  キャリア、  ５９  比較器、（５７〜５９：駆動制御信号生成部）、
６  保護回路（６１：ＤＣＣＴ、６２：コンパレータ、６３：可変電源）、
１０  電磁石用直流電源装置、  ２０  電磁石（負荷）、
７０  加速器（シンクロトロン）、  ９０  輸送系（９１：偏向電磁石、９２：切替電磁石、９３：輸送経路）、
Ｓ  信号（ＳＧ：ゲート信号（駆動制御信号）、ＳＴ：三角波（繰返しパターン信号）、  ＶＳ  電流指令値（信号）
百位の数字は実施形態による違いを示す。
【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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