(57)【要約】【課題】この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、安価で増設容易な荷電粒子加速器用制御システムを得ることを目的とする。【解決手段】荷電粒子加速器を構成している１以上の加速器構成機器（電磁石電源１、パターン電源４、ビームモニタ回路７）の制御を行うための操作用制御計算機１０を備えた荷電粒子加速器用制御システムである。電磁石電源１、パターン電源４、ビームモニタ回路７の各加速器構成機器はイーサネット（登録商標）・インターフェースを有している。操作用制御計算機１０と電磁石電源１、パターン電源４、ビームモニタ回路７とはイーサネット（登録商標）９を介して相互に接続されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子加速器を構成している１以上の加速器構成機器の制御を行うための操作用制御計算機を備えた荷電粒子加速器用制御システムであって、
各前記加速器構成機器はイーサネット（登録商標）・インターフェースを有し、
前記操作用制御計算機と各前記加速器構成機器とはイーサネット（登録商標）を介して相互に接続されている
ことを特徴とする荷電粒子加速器用制御システム。
【請求項２】
各前記加速器構成機器は、汎用バス・インターフェースを有する組込みＣＰＵカードを備えている
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子加速器用制御システム。
【請求項３】
前記各加速器構成機器間の通信を上記イーサネット（登録商標）を介して行うことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子加速器用制御システム。
【請求項４】
前記加速器構成機器のうちの１つが、ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードを有し、他の１つが、ステアリング電磁石電源用組込みＣＰＵカードを有して、
前記ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードは、
前記操作用制御計算機からＣＯＤ補正開始命令信号を受信したときに、ビーム位置の測定結果を得るビーム位置測定結果獲得手段と、
前記ビーム位置の測定結果に基づいて、ＣＯＤ補正を行うために必要なステアリング電磁石のキック角増分を演算するキック角増分演算手段と、
当該キック角増分データをステアリング電磁石電源用組込みＣＰＵカードに対して前記イーサネット（登録商標）を介して送信する送信手段とを備え、
前記ステアリング電磁石電源用組込みＣＰＵカードは、
前記キック角増分データを受信して、それに基づき、ＣＯＤ補正を行うために必要なステアリング電磁石の励磁電流を演算する励磁電流演算手段と、
演算された前記励磁電流の値に、ステアリング電磁石の励磁電流を設定する励磁電流設定手段とを備えている
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の荷電粒子加速器用制御システム。
【請求項５】
前記加速器構成機器のうちの１つが、ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードを有し、他の１つが、偏向電磁石電源用組込みＣＰＵカードを有して、
前記偏向電磁石電源用組込みＣＰＵカードは、
前記操作用制御計算機から偏向磁場補正開始命令信号を受信したときに、前記ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードに対して、前記イーサネット（登録商標）を介して、ビーム位置データ送信要求信号を送信する位置データ要求信号送信手段と、
前記ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードから当該要求信号に基づくビーム位置データが送信されたときに、それを受信する位置データ受信手段と、
受信した前記ビーム位置データに基づいて、各ビーム位置のずれが最小となるような偏向電磁石の励磁電流を演算する励磁電流演算手段と、
演算された前記励磁電流の値に、偏向電磁石の励磁電流を設定する励磁電流設定手段とを備えている
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の荷電粒子加速器用制御システム。
【請求項６】
前記加速器構成機器のうちの１つが、ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードを有し、他の１つが、高周波加速空洞マスターオシレータ用組込みＣＰＵカードを有して、
前記高周波加速空洞マスターオシレータ用組込みＣＰＵカードは、
前記操作用制御計算機から周波数補正開始命令信号を受信したときに、前記ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードに対して、前記イーサネット（登録商標）を介して、ビーム位置データ送信要求信号を送信する位置データ要求信号送信手段と、
前記ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードから当該要求信号に基づくビーム位置データが送信されたときに、それを受信する位置データ受信手段と、
受信した前記ビーム位置データに基づいて、全ビーム位置モニタのビーム位置の平均値が０となるように必要な周波数補正量を演算する周波数補正量演算手段と、
演算された前記周波数補正量の値に基づいて前記高周波加速空洞マスターオシレータの周波数を設定する励磁電流設定手段とを備えている
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の荷電粒子加速器用制御システム。
【請求項７】
前記加速器構成機器のうちの１つが、入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードを有し、他の１つが、入射機器用組込みＣＰＵカードを有して、
前記入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードは、
前記操作用制御計算機からビーム入射軌道補正開始命令信号を受信したときに、入射ビーム軌道の補正を行うために必要な入射機器の偏向角増分を演算する偏向角増分演算手段と、
当該偏向角増分データを前記入射機器用組込みＣＰＵカードに対して前記イーサネット（登録商標）を介して送信する送信手段とを備え、
前記ステアリング電磁石電源用組込みＣＰＵカードは、
前記偏向角増分データを受信して、それに基づき、入射ビーム軌道の補正を行うために必要な入射機器の印加電圧および励磁電流の少なくともいずれか一方を演算する演算手段と、
演算された値に入射機器を設定する設定手段とを備えている
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の荷電粒子加速器用制御システム。
【請求項８】
前記加速器構成機器のうちの１つが、入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードを有し、他の１つが、入射機器用組込みＣＰＵカードを有して、
前記入射機器用組込みＣＰＵカードは、
前記操作用制御計算機からビーム入射軌道補正開始命令信号を受信したときに、前記入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードに対して、前記イーサネット（登録商標）を介して、入射ビーム位置データ送信要求信号を送信する位置データ要求信号送信手段と、
前記入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードから当該要求信号に基づく入射ビーム位置データおよび角度データが送信されたときに、それらを受信する位置データ受信手段と、
受信した前記入射ビーム位置データおよび前記角度データに基づいて、入射ビーム軌道の補正に必要な入射機器の偏向角増分を演算する偏向角増分演算手段と、
前記偏向角増分データに基づき、入射ビーム軌道の補正を行うために必要な入射機器の印加電圧および励磁電流の少なくともいずれか一方を演算する設定値演算手段と、
演算された値に入射機器を設定する設定手段とを備えている
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の荷電粒子加速器用制御システム。
【請求項９】
前記加速器構成機器のうちの１つが、ベータトロン振動数モニタ回路用組込みＣＰＵカードを有し、他の１つが、四極電磁石電源用組込みＣＰＵカードを有して、
前記ベータトロン振動数モニタ回路用組込みＣＰＵカードは、
前記操作用制御計算機からベータトロン振動数補正開始命令信号を受信したときに、それに基づき、ビーム信号波形の測定結果を得るビーム信号波形測定結果獲得手段と、
前記ビーム信号波形の測定結果から周波数スペクトラムを演算する周波数スペクトラム演算手段と、
前記周波数スペクトラムからベータトロン振動数を演算するベータトロン振動数演算手段と、
前記ベータトロン振動数とあらかじめ設定された参照値との差分からベータトロン振動数を補正するに必要な四極磁場強度増加割合を演算する四極磁場強度増加割合演算手段と、
前記四極磁場強度増加割合データを、前記四極電磁石電源用組込みＣＰＵカードに対して前記イーサネット（登録商標）を介して送信する送信手段とを備え、
前記四極電磁石電源用組込みＣＰＵカードは、
前記四極磁場増加割合データを受信して、それに基づき、四極電磁石の励磁電流を演算する励磁電流演算手段と、
演算された励磁電流の値に、前記四極電磁石を設定する励磁電流設定手段とを備えている
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の荷電粒子加速器用制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は荷電粒子加速器用制御システムに関し、特に、荷電粒子加速器を運転するために、荷電粒子加速器構成機器を操作・制御する荷電粒子加速器用制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の荷電粒子加速器用制御システムにおいては、パターン制御を必要としないＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）を組込んだ電磁石用等の電源である電磁石電源が複数個設けられており、それらの電磁石電源間はＰＬＣ専用ネットワークにより相互接続されている。また、ＰＬＣ専用ネットワークには、各電磁石電源を統括制御するためのＰＬＣ盤が接続されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｔ．ＫＯＫＵＢＯ  外７名、“Ｔｈｅ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｈｙｏｇｏ  Ｈａｄｒｏｎｔｈｅｒｐｙ  Ｃｅｎｔｅｒ”、ｔｈｅ  １２ｔｈ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９９
【０００４】
また、上記文献においては、デジタルＩＯを有し、パターン制御を必要とする電磁石用等の電源であるパターン電源が複数個設けられている。それらのパターン電源には、複数のデジタルＩＯを有するＶＭＥ計算機が接続されている。すなわち、パターン電源のデジタルＩＯとＶＭＥ計算機のデジタルＩＯ間は多芯ケーブルにより接続されている。
【０００５】
さらに、上記文献においては、デジタルＩＯおよびアナログＩＯを有したＶＭＥ計算機が別個に設けられている。当該ＶＭＥ計算機５と接続された、荷電粒子加速器のビームの状態をモニタリングするための回路であるビームモニタ回路が複数個設けられている。ビームモニタ回路にも、アナログＩＯとデジタルＩＯが設けられている。ビームモニタ回路７のデジタルＩＯとＶＭＥ計算機５のデジタルＩＯは多芯ケーブル６で接続され、ビームモニタ回路７のアナログＩＯとＶＭＥ計算機５のアナログＩＯは同軸ケーブルで接続されている。
【０００６】
１以上のＰＬＣ盤と複数のＶＭＥ計算機間とはイーサネット（登録商標）を介して接続されている。また、イーサネット（登録商標）には、荷電粒子加速器の運転を行うための操作用制御計算機が接続されている。
【０００７】
次に動作について説明する。荷電粒子加速器構成機器である電磁石電源のＰＬＣ盤に対する設定値受信及び現在値送信，ステータス送信は、ＰＬＣ専用ネットワークを通して、ＰＬＣ盤内のＰＬＣにマッピングされたアドレスの指し示すメモリヘの読み取り及び書き込みを行うことによってなされる。操作用制御計算機からの電磁石電源への操作は、イーサネット（登録商標）を経由してＰＬＣ盤内のＰＬＣにマッピングされたアドレスの指し示すメモリヘの読み取り及び書き込みを行うことによってなされる。一方、パターン電源やビームモニタ回路のＶＭＥ計算機に対する設定値受信及び現在値送信，ステータス送信は、デジタルＩＯやアナログＩＯにて直接データの送受信を行うことによってなされる。パターン電源やビームモニタ回路とＶＭＥ計算機との間の接続ケーブルは、同軸ケーブルや３〜５０芯程度の多芯ケーブルを多数使う。操作用制御計算機からのパターン電源やビームモニタ回路への操作は、イーサネット（登録商標）を経由してＶＭＥ計算機上のソフトウェアとのネットワーク通信にて行う。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の荷電粒子加速器用制御システムは以上のように構成されているので、ＰＬＣ盤や電磁石電源内ＰＬＣでは、複雑なソフトウェアを組むことが困難であり、機器間通信が不可能なため、操作用制御計算機は、各機器の読み取りを行い、演算処理し、他機器への設定を行うなど高負荷な処理を行う必要があり、ＣＰＵの処理能力の高い高価な計算機を使用する必要があるパターン電源やビームモニタ回路は、デジタルＩＯやアナログＩＯでＶＭＥ計算機と接続しなければならず、ケーブルコストやケーブル配線作業が高価となり、さらに、高速データ転送を行うためにＶＭＥ計算機とパターン電源やビームモニタ回路の間の距離を離すことができず、パターン電源やビームモニタ回路をその負荷やセンサーヘッドの近傍に配置できず、負荷とパターン電源間やセンサーヘッドとビームモニタ回路間のケーブル長が長くなり、ケーブルコストやケーブル配線作業が高コストとなるなどの問題点があった。
【０００９】
また、ＶＭＥ計算機は高機能な計算機であるため高価であることも問題点であった。さらに、荷電粒子加速器施設完成後に機器追加が必要となった場合には、ＰＬＣ盤のソフトウェアの変更や、ＶＭＥ計算機のＩＯの追加、場合によってはＰＬＣ盤の追加やＶＭＥ計算機の追加が必要となり、増設が容易ではないという問題点があった。
【００１０】
この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、安価で増設容易な荷電粒子加速器用制御システムを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、荷電粒子加速器を構成している１以上の加速器構成機器の制御を行うための操作用制御計算機を備えた荷電粒子加速器用制御システムであって、各前記加速器構成機器はイーサネット（登録商標）・インターフェースを有し、前記操作用制御計算機と各前記加速器構成機器とはイーサネット（登録商標）を介して相互に接続されている荷電粒子加速器用制御システムである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による荷電粒子加速器用制御システムを図に基づいて説明する。図１に示すように、本実施の形態における荷電粒子加速器用制御システムは、操作用制御計算機１０、１以上の電磁石電源１、１以上のパターン電源４および１以上のビームモニタ回路７から構成されている。図１に示すように、これらの電磁石電源１、パターン電源４およびビームモニタ回路７のそれぞれにはイーサネット（登録商標）インターフェース（以下、イーサネット（登録商標）１／Ｆとする。）が設けられており、操作用制御計算機１０とこれらの電磁石電源１、パターン電源４及びビームモニタ回路７は、イーサネット（登録商標）９によりネットワーク接続されている。
【００１３】
次に動作について説明する。電磁石電源１に対する設定値受信及び現在値送信，ステータス送信は、イーサネット（登録商標）９を通して、直接データの送受信を行うことによってなされる。操作用制御計算機１０からの電磁石電源１への操作は、イーサネット（登録商標）９を経由して直接行われる。一方、パターン電源４やビームモニタ回路７の操作用制御計算機１０に対する設定値受信及び現在値送信，ステータス送信は、イーサネット（登録商標）Ｉ／Ｆを介して、直接データの送受信を行うことによってなされる。操作用制御計算機１０からのパターン電源４やビームモニタ回路７への操作は、イーサネット（登録商標）Ｉ／Ｆにより、イーサネット（登録商標）９を経由してネットワーク通信にて行う。
【００１４】
以上のように、本実施の形態においては、荷電粒子加速器構成機器である電磁石電源１、パターン電源４及びビームモニタ回路７はイーサネット（登録商標）９で接続されるだけであるので、多芯ケーブルや同軸ケーブルが不要となり、ケーブルコストやケーブル配線作業を安価にすることができる。また、イーサネット（登録商標）９を介しての接続としたため、操作用制御計算機１０と電磁石電源１、パターン電源４およびビームモニタ回路７との間の距離が離れていても、高速データ転送を行うことができるので、電磁石電源１やパターン電源４を負荷の近傍に配置でき、ビームモニタ回路７もセンサーヘッドの近傍に配置できるため、電磁石電源１やパターン電源４と負荷間のケーブルを短縮でき、同様に、ビームモニタ回路７とセンサーヘッド間のケーブルを短縮できるので、ケーブルコストやケーブル配線作業を安価にすることができる。また、従来装置のＶＭＥ計算機のように高価な計算機を使用しなくとも良く、安価にすることができる。
【００１５】
なお、荷電粒子加速器構成機器として、電磁石電源１、パターン電源４、ビームモニタ回路７を例に挙げて説明したが、これらに限らず、例えば、他に真空排気装置や、真空モニタ等他の種類の荷電粒子構成機器もあり、これらの機器が同様にイーサネット（登録商標）・インターフェースを持ち、イーサネット（登録商標）で接続された場合にも同様な効果が得られる。
【００１６】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２を図に基づいて説明する。図２においては、荷電粒子加速器構成機器である電磁石電源１、パターン電源４、ビームモニタ回路７それぞれに、イーサネット（登録商標）Ｉ／Ｆを有する組込みＣＰＵカード２１を組込み、操作用制御計算機１０と複数の電磁石電源１，複数のパターン電源４及び複数のビームモニタ回路７をイーサネット（登録商標）９によりネットワーク接続する。
【００１７】
図３は本実施の形態における、電磁石電源１やパターン電源４やビームモニタ回路７等の荷電粒子加速器構成機器の内部構成例を示している。図３において、組込みＣＰＵカード２１やデジタルＩＯカード２２やアナログＩＯカード２３を、ＩＳＡバスやＰＣＩバス、ＰＣ／１０４バス、ＰＣ／１０４ＰＬＵＳバス等の汎用バス２４で相互に接続する。荷電粒子加速器構成機器主回路２０は、デジタルＩＯカード２２やアナログＩＯカード２３を経由して組込みＣＰＵカード２１にて設定および操作される。
【００１８】
次に動作について説明する。荷電粒子加速器構成機器である電磁石電源１、パターン電源４、ビームモニタ回路７に、組込みＣＰＵカード２１を組み込み、デジタルＩＯカード２２及びアナログＩＯカード２３を経由して、荷電粒子加速器構成機器主回路２０の設定・操作を可能にしたので、従来、操作用制御計算機１０で実施していた演算を、組込みＣＰＵカード２１で演算でき、操作用制御計算機１０に安価なＣＰＵの計算機を採用できる。また、各荷電粒子加速器構成機器がＯＳ（基本ソフトウェア）搭載可能なＣＰＵを持つので、そのＯＳ上で複雑な処理を行うソフトウェアを容易に製作することができるため、機器間通信を実現でき、操作用制御計算機１０を経由しない高速な制御動作が可能な装置を得ることができる。汎用バス２４を採用したので、安価な汎用の組込みＣＰＵカード２１や安価な汎用のデジタルＩＯカード、安価な汎用のアナログＩＯカードを採用でき、安価なシステムにできる。
【００１９】
なお、本実施の形態では、荷電粒子加速器構成機器に、電磁石電源１、パターン電源４、ビームモニタ回路７で説明したが、他に真空排気装置や、真空モニタ等他の種類の荷電粒子構成機器もあり、これらの機器に同様にイーサネット（登録商標）Ｉ／Ｆを持った組込みＣＰＵカード２１を組込み、イーサネット（登録商標）９で接続された場合にも同様な効果が得られる。
【００２０】
また、図２において、デジタルＩＯカード２２は２枚、アナログＩＯカード２３は２枚で構成したが、必ずしも各２枚である必要は無く、他の枚数またはデジタルＩＯカードだけ、または、アナログＩＯカードだけでも良く、その場合も、同じ効果を得ることができる。また、本実施の形態では、イーサネット（登録商標）１／Ｆは組込みＣＰＵカード２１に搭載したが、イーサネット（登録商標）１／Ｆカードを汎用バス２４で接続しても良く、その場合も同じ効果を得ることができる。
【００２１】
実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３を図に基づいて説明する。図４は、この発明の上述した構成において、荷電粒子加速器の中でも特にシンクロトロンの場合のＣＯＤ（ビームの閉軌道のずれ）が派生する場合の、ＣＯＤの補正を行う為の命令やデータ、ステータスの流れを示している。
【００２２】
図４の説明を行う前に、図１０を用いて、シンクロトロンの構成について簡単に説明する。図１０において、ＢＭは偏向電磁石、ＱＦ，ＱＤは四極電磁石、ＳＴはステアリング電磁石、ＢＰＭはビーム位置モニタ、ＲＦＣａｖｉｔｙは高周波加速空洞、ＩＮＦはセプタム電磁石、ＢＵＭＰはバンプ電磁石である。なお、セプタム電磁石ＩＮＦおよびバンプ電磁石ＢＵＭＰは入射機器である。
【００２３】
シンクロトロンは、閉軌道を成すように設置された、偏向電磁石ＢＭ、四極電磁石ＱＦ，ＱＤ、ステアリング電磁石ＳＴ、高周波加速空洞ＲＦＣａｖｉｔｙ、ビーム位置モニタＢＰＭ、バンプ電磁石ＢＵＭＰ、セプタム電磁石ＩＮＦ、および、静電セプタム電極と、偏向電磁石ＢＭ、四極電磁石ＱＦ，ＱＤおよびステアリング電磁石ＳＴの磁極ギャップ中を通って真空中で荷電粒子ビームを通過させる真空ダクトとから構成される。
【００２４】
ライナックなど低エネルギーの加速器から出射された荷電粒子ビームは、セプタム電磁石ＩＮＦや、静電セプタム電極を通過してシンクロトロンの真空ダクト内に入射される（シンクロトロンの構成によっては、セプタム電磁石だけや、静電セプタム電極だけの場合もある。）。このように入射されたビーム（入射ビーム）は、バンプ電磁石ＢＵＭＰをパルス励磁し、あらかじめバンプ軌道（閉軌道をゆがめたこぶのような軌道）が作られているので、その軌道上に乗り、数ターンした後には、バンプ軌道も消滅するので（バンプ磁石の励磁が０となるので）、セプタム電磁石ＩＮＦや静電セプタム電極にぶつからないように、周回することができるようになる。なお、入射機器とは、セプタム電磁石や、静電セプタム電極や、静電セプタム電極や、バンプ電磁石をまとめて総称している。
【００２５】
高周波加速空洞ＲＦＣａｖｉｔｙでは、荷電粒子ビームの周回周波数の整数倍の周波数で高周波電界が励起されており、偏向電磁石ＢＭの磁場を上げると（四極電磁石も偏向電磁石に合わせて磁場強度を上げる必要があるが）、荷電粒子ビームは内側を通過しようとするので、閉軌道の周長が短くなろうとする。そうすると、荷電粒子ビームは、高周波加速空洞ＲＦＣａｖｉｔｙの高周波電界の加速位相に移り、荷電粒子ビームは加速される。このようにして、シンクロトロンでは、荷電粒子ビームの加速を行う。このとき、ビームのエネルギーによって、ビームは速度が変わるので、高周波数加速空洞ＲＦＣａｖｉｔｙの周波数（マスターオシレータにて該当する周波数を生成する。）は、ビームのエネルギーに合わせて周波数を変更していく必要がある。
【００２６】
四極電磁石ＱＦ，ＱＤは、荷電粒子ビーム収束させたり、発散させたりして、閉軌道上を通過させるように、レンズのような働きをする。四極電磁石ＱＦ，ＱＤの磁場強度を変えると、その収束性や発散性が変わり、荷電粒子ビームは、閉軌道を中心にした固有の振動数（ベータトロン振動数）が変化する。このベータトロン振動数を調整することにより、荷電粒子ビームはより高い安定性で周回できるようになる。
【００２７】
偏向電磁石ＢＭや、四極電磁石ＱＦ，ＱＤは、理想的な配置に対して誤差のある位置に設置される。このとき、周回する荷電粒子ビームは、理想的な閉軌道から外れた閉軌道を周回するようになる。この理想的な閉軌道から外れた量をＣＯＤ（Ｃｌｏｓｅｄ  Ｏｒｂｉｔ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，  閉軌道のずれ）と呼ぶ。このずれを放置しておくと、荷電粒子ビームは真空ダクトの壁に接触し易くなり、ビーム寿命（どれだけ長く周回していられるか）が短くなるなどの悪影響が出る。このＣＯＤを測定するのがビーム位置モニタＢＰＭである。ここで、ステアリング電磁石ＳＴを励磁し、ビーム位置モニタＢＰＭから得られたビーム位置測定値を基に、適切な微少角度（キック角）で荷電粒子ビームを曲げることにより、ＣＯＤを補正することができる。
【００２８】
ビーム位置モニタＢＰＭは、一般に、真空ダクト内に設置された電極で構成され（１個のモニタは２個または４個の電極を持つ）、荷電粒子ビームが通過する際に発生する電極上の電荷を信号にして出力する。ビーム位置モニタ信号処理回路（図示省略）は、その信号を検波するなどして、信号強度に比例した値を出力する回路であり、各電極から算出された信号強度の値から、荷電粒子ビームの位置を算出することができるものである。
【００２９】
図４の説明にもどる。図４において、１０は、図１および図２に示した操作用制御計算機である。３１は、図２に示した電磁石電源１に設けられた組込みＣＰＵカード２１に相当する、ステアリング電磁石電源用組込みＣＰＵカードである。３０は、図２に示したビームモニタ回路７に設けられた組込みＣＰＵカード２１に相当するビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードである。
【００３０】
本実施の形態においては、加速器構成機器のうちの１つが、ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０を有し、他の１つが、ステアリング電磁石電源用組込みＣＰＵカード３１を有している。ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０は、操作用制御計算機１０からＣＯＤ補正開始命令信号を受信したときに、ビーム位置の測定結果を得るビーム位置測定結果獲得手段と、前記ビーム位置の測定結果に基づいて、ＣＯＤ補正を行うために必要なステアリング電磁石のキック角増分を演算するキック角増分演算手段と、当該キック角増分データをステアリング電磁石電源用組込みＣＰＵカードに対して前記イーサネット（登録商標）を介して送信する送信手段とを備えている。また、ステアリング電磁石電源用組込みＣＰＵカード３１は、前記キック角増分データを受信して、それに基づき、ＣＯＤ補正を行うために必要なステアリング電磁石の励磁電流を演算する励磁電流演算手段と、演算された前記励磁電流の値に、ステアリング電磁石の励磁電流を設定する励磁電流設定手段とを備えている。
【００３１】
動作について説明する。図４において、操作用制御計算機１０から、「ＣＯＤ補正開始命令」信号が、複数のビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０及び複数のステアリング電磁石電源用組込みＣＰＵカード３１に発行され、これにより、各ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０は、ビーム位置測定を行い、ビーム位置モニタ毎にあらかじめ定められた２台〜４台のステアリング電磁石の各々に対しＣＯＤ補正に必要なキック角の増分を演算し、演算されたキック角データを該当するステアリング電磁石用組込みＣＰＵカード３１に送信する。一方、ステアリング電磁石用組込みＣＰＵカード３１は、操作用制御計算機１０からの「ＣＯＤ補正開始命令」信号を受信した後、当該キック角データを待ち受け、キック角データを入手後、データ値を基に励磁電流を演算し、励磁電流を設定する。ステアリング電磁石用組込みＣＰＵカード３１は、励磁電流の設定後、「設定終了」信号をビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０に送信する。ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０は、再度ビーム位置測定を行う。測定の結果、ビーム位置のずれが大きい場合は、「ＣＯＤ補正開始命令」信号をステアリング電磁石用組込みＣＰＵカード３１に発行し、再度ＣＯＤ補正を行う。ビーム位置のずれが十分小さい場合は、「ＣＯＤ補正完了」信号を操作用制御計算機１０に発行する。
【００３２】
以上のように、本実施の形態によれば、操作用制御計算機１０にビーム位置モニタ回路用ＣＰＵカード３０からビーム位置データを送信する必要が無く、データ送信時間を省くことができる。また、荷電粒子加速器全周のＣＯＤ補正を行う場合は、複数のビーム位置モニタ回路用ＣＰＵカード３０でステアリング電磁石キック角増分値演算を行うため、操作用制御計算機１０のみでステアリング電磁石キック角増分値演算を行うよりも高速に演算処理でき、高速なＣＯＤ補正ができる装置を得ることができる。また、操作用制御計算機１０は、マンマシン・インターフェースの処理に集中できるため、安価なＣＰＵの計算機を使用でき、ＣＯＤ補正機能を持った安価な荷電粒子加速器用制御システムを得ることができる。
【００３３】
実施の形態４．
以下、この発明の実施の形態４を図に基づいて説明する。図５は、図２に示した実施の形態２の構成において、荷電粒子加速器の中でも特にシンクロトロンの場合の偏向磁場の補正を行う為の命令やデータ、ステータスの流れを示している。シンクロトロンにおいては、偏向電磁石の磁場とビームのエネルギー値で決まる偏向角が設計値どおりでない場合、ビーム位置モニタで測定されるビーム位置は、中心からのずれが発生する。
【００３４】
図５において、１０は、図２に示した操作用制御計算機である。３２は、図２に示した電磁石電源１に設けられた組込みＣＰＵカード２１に相当する、偏向電磁石電源用組込みＣＰＵカードである。３０は、図４に示したビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードである。
【００３５】
本実施の形態においては、加速器構成機器のうちの１つが、ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０を有し、他の１つが、偏向電磁石電源用組込みＣＰＵカード３２を有している。偏向電磁石電源用組込みＣＰＵカード３２は、操作用制御計算機１０から偏向磁場補正開始命令信号を受信したときに、前記ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０に対して、イーサネット（登録商標）９を介して、ビーム位置データ送信要求信号を送信する位置データ要求信号送信手段と、前記ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０から当該要求信号に基づくビーム位置データが送信されたときに、それを受信する位置データ受信手段と、受信した前記ビーム位置データに基づいて、各ビーム位置のずれが最小となるような偏向電磁石の励磁電流を演算する励磁電流演算手段と、演算された前記励磁電流の値に、偏向電磁石の励磁電流を設定する励磁電流設定手段とを備えている。
【００３６】
動作について説明する。図５において、操作用制御計算機１０から、「偏向磁場補正開始命令」信号が、偏向電磁石電源用組込みＣＰＵカード３２に発行され、偏向電磁石電源用組込みＣＰＵカード３２は、ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０に「ビーム位置データ送信要求」信号を発行する。ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０は、当該「ビーム位置データ送信要求」信号に基づき、ビーム位置データを偏向電磁石電源用組込みＣＰＵカード３２に送信する。偏向電磁石電源用組込みＣＰＵカード３２は、得られたビーム位置データに基づき、全ビーム位置モニタのビーム位置が最小となるに必要な磁場の増分を演算し、磁場の増分に応じた励磁電流値を演算して設定し、「偏向磁場補正完了」信号を操作用制御計算機１０に発行する。
【００３７】
以上のように、本実施の形態によれば、操作用制御計算機１０は、偏向磁場補正値演算を行う必要が無く、安価なＣＰＵを使用でき、偏向磁場補正機能を持った安価な荷電粒子加速器用制御システムを得ることができる。
【００３８】
実施の形態５．
以下、この発明の実施の形態５を図に基づいて説明する。図６は、図２に示した実施の形態２の構成において、荷電粒子加速器の中でも特にシンクロトロンの場合の高周波加速周波数の補正を行う為の命令やデータ、ステータスの流れを示している。シンクロトロンにおいては、ビームのエネルギー値と高周波加速周波数値から、ビーム軌道の周長が一意に決まり、その周長が偏向電磁石や四極電磁石の配置を基準とした荷電粒子加速器の設計上の周長と異なる場合、各ビーム位置モニタのビーム位置は、周長の異なる分だけ全体に外周側又は内周側の位置となる。
【００３９】
図６において、１０は、図２に示した操作用制御計算機である。３３は、高周波加速空洞マスターオシレータ用組込みＣＰＵカードである。３０は、図４に示したビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードである。
【００４０】
本実施の形態によれば、加速器構成機器のうちの１つが、ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０を有し、他の１つが、高周波加速空洞マスターオシレータ用組込みＣＰＵカード３３を有している。高周波加速空洞マスターオシレータ用組込みＣＰＵカード３３は、操作用制御計算機１０から周波数補正開始命令信号を受信したときに、前記ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０に対して、イーサネット（登録商標）９を介して、ビーム位置データ送信要求信号を送信する位置データ要求信号送信手段と、前記ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０から当該要求信号に基づくビーム位置データが送信されたときに、それを受信する位置データ受信手段と、受信した前記ビーム位置データに基づいて、全ビーム位置モニタのビーム位置の平均値が０となるように必要な周波数補正量を演算する周波数補正量演算手段と、演算された前記周波数補正量の値に基づいて前記高周波加速空洞マスターオシレータの周波数を設定する励磁電流設定手段とを備えている。
【００４１】
動作について説明する。図６において、操作用制御計算機１０から、「周波数補正開始命令」信号が、高周波加速空洞マスターオシレータ用組込みＣＰＵカード３３に発行され、高周波加速空洞マスターオシレータ用組込みＣＰＵカード３３は、ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０に「ビーム位置データ送信要求」信号を発行する。ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３０は、この「ビーム位置データ送信要求」信号に基づき、ビーム位置データを高周波加速空洞マスターオシレータ用組込みＣＰＵカード３３に送信する。高周波加速空洞マスターオシレータ用組込みＣＰＵカード３３は、得られたデータに基づき、全ビーム位置モニタのビーム位置の平均値が０となるに必要な周波数の増分比率を演算し、周波数を設定し、「周波数補正完了」信号を操作用制御計算機１０に発行する。
【００４２】
以上のように、本実施の形態においては、操作用制御計算機１０は、高周波加速周波数補正値演算を行う必要が無く、安価なＣＰＵを使用でき、高周波加速周波数補正機能を持った安価な荷電粒子加速器用制御システムを得ることができる。
【００４３】
実施の形態６．
以下、この発明の実施の形態６を図に基づいて説明する。図７は、上述の実施の形態２の構成において、荷電粒子加速器への入射ビーム軌道の補正を行う為の命令やデータ・ステータスの流れを示している。
【００４４】
図７において、１０は、図２に示した操作用制御計算機である。３５は、入射機器用組込みＣＰＵカード２１である。３４は、入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードである。
【００４５】
本実施の形態においては、加速器構成機器のうちの１つが、入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３４を有し、他の１つが、入射機器用組込みＣＰＵカード３５を有している。入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３４は、操作用制御計算機１０から入射ビーム軌道補正開始命令信号を受信したときに、入射ビーム軌道の補正を行うために必要な入射機器の偏向角増分を演算する偏向角増分演算手段と、当該偏向角増分データを前記入射機器用組込みＣＰＵカードに対して前記イーサネット（登録商標）を介して送信する送信手段とを備えている。また、ステアリング電磁石電源用組込みＣＰＵカードは、前記偏向角増分データを受信して、それに基づき、入射ビーム軌道の補正を行うために必要な入射機器の印加電圧および励磁電流の少なくともいずれか一方を演算する演算手段と、演算された値に入射機器を設定する設定手段とを備えている。
【００４６】
動作について説明する。図７において、操作用制御計算機１０から、「入射ビーム軌道補正開始命令」信号が、静電セプタム電極電源又はセプタム電磁石電源又はバンプ電磁石電源等の入射機器用組込みＣＰＵカード３５及び入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３４に発行され、入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３４は、ビームが１回通過する時のビーム位置を測定し、そのデータから、入射ビーム補正に必要な入射機器の偏向角増分値を演算し、演算結果のデータを入射機器用組込みＣＰＵカード３５に送信する。入射機器用組込みＣＰＵカード３５は、得られた偏向角増分データから励磁電流又は印加電圧を演算して設定し、設定完了後に、入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３４に「設定終了」信号を発行する。入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３４は、入射機器用組込みＣＰＵカード３５からの当該「設定終了」信号を受けて「入射ビーム軌道補正完了」信号を操作用制御計算機１０へ発行する。
【００４７】
以上のように、本実施の形態によれば、入射ビーム位置モニタ回路用ＣＰＵカード３４から操作用制御計算機１０へ入射ビーム位置データを送信する必要が無く、データ送信時間を省ける。また、操作用制御計算機１０は、入射ビーム軌道補正値演算を行う必要が無く、安価なＣＰＵを使用でき、高速で安価な入射ビーム軌道補正値演算を持った荷電粒子加速器用制御システムを得ることができる。
【００４８】
実施の形態７．
以下、この発明の実施の形態７を図に基づいて説明する。図８は、図２に示した実施の形態２の構成において、荷電粒子加速器への入射ビーム軌道の補正を行う為の命令やデータ、ステータスの流れを示している。図８は、図７の構成と同一であるため、同一符号を付して示し、ここでは説明を省略する。
【００４９】
本実施の形態においては、加速器構成機器のうちの１つが、入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３４を有し、他の１つが、入射機器用組込みＣＰＵカード３５を有している。入射機器用組込みＣＰＵカード３５は、操作用制御計算機１０から入射ビーム軌道補正開始命令信号を受信したときに、前記入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード３４に対して、イーサネット（登録商標）９を介して、入射ビーム位置データ送信要求信号を送信する位置データ要求信号送信手段と、前記入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカードから当該要求信号に基づく入射ビーム位置データおよび角度データが送信されたときに、それらを受信する位置データ受信手段と、受信した前記入射ビーム位置データおよび前記角度データに基づいて、入射ビーム軌道の補正に必要な入射機器の偏向角増分を演算する偏向角増分演算手段と、前記偏向角増分データに基づき、入射ビーム軌道の補正を行うために必要な入射機器の印加電圧および励磁電流の少なくともいずれか一方を演算する設定値演算手段と、演算された値に入射機器を設定する設定手段とを備えている。
【００５０】
動作について説明する。図において、操作用制御計算機１０から、「人射ビーム軌道補正開始命令」信号が、静電セプタム電極電源又はセプタム電磁石電源又はバンプ電磁石電源等の入射機器用組込みＣＰＵカード３５に発行される。入射機器用組込みＣＰＵカード３５は、１台以上の入射ビーム位置モニタ回路用ＣＰＵカード３４に「入射ビーム位置データ要求」信号が発行する。各入射ビーム位置モニタ回路用ＣＰＵカード３４は、「入射ビーム位置データ要求」信号に基づき、ビームが１回通過する時のビーム位置を測定し、そのデータから、入射ビーム位置及び入射ビーム角度を演算し、演算結果のデータを入射機器用組込みＣＰＵカード３５に送信する。入射機器用組込みＣＰＵカード３５は、得られた入射ビーム位置及び角度データを基に、最適な、偏向角増分を演算し、偏向角増分に相当する励磁電流又は印加電圧の増分を演算し、励磁電流又は印加電圧を設定する設定完了後は、入射機器用組込みＣＰＵカード３５から操作用制御計算機１０へ「入射ビーム軌道補正完了」信号を発行する。
【００５１】
以上のように、本実施の形態においては、実施の形態６の発明が入射ビーム位置の１データのみで入射ビーム軌道補正を行うのに対し、この発明では入射ビーム位置と角度の２データで入射ビーム軌道補正を行うことができ、第６の発明の効果に加えてより高精度な入射ビーム軌道補正が可能となる荷電粒子加速器用制御システムを得ることができる。
【００５２】
実施の形態８．
以下、この発明の実施の形態８を図に基づいて説明する。図９は、図２に示した実施の形態２の発明の構成において、荷電粒子加速器の中でも特にシンクロトロンのベータトロン振動数の補正を行う為の命令やデータ、ステータスの流れを示している。
【００５３】
図９において、１０は、図２に示した操作用制御計算機である。３７は、四極電磁石電源用組込みＣＰＵカードである。３６は、ベータトロン振動数モニタ回路モニタ回路用組込みＣＰＵカードである。
【００５４】
本実施の形態においては、加速器構成機器のうちの１つが、ベータトロン振動数モニタ回路用組込みＣＰＵカード３６を有し、他の１つが、四極電磁石電源用組込みＣＰＵカード３７を有している。ベータトロン振動数モニタ回路用組込みＣＰＵカード３６は、操作用制御計算機１０からベータトロン振動数補正開始命令信号を受信したときに、それに基づき、ビーム信号波形の測定結果を得るビーム信号波形測定結果獲得手段と、前記ビーム信号波形の測定結果から周波数スペクトラムを演算する周波数スペクトラム演算手段と、前記周波数スペクトラムからベータトロン振動数を演算するベータトロン振動数演算手段と、前記ベータトロン振動数とあらかじめ設定された参照値との差分からベータトロン振動数を補正するに必要な四極磁場強度増加割合を演算する四極磁場強度増加割合演算手段と、前記四極磁場強度増加割合データを、前記四極電磁石電源用組込みＣＰＵカードに対して前記イーサネット（登録商標）を介して送信する送信手段とを備えている。また、四極電磁石電源用組込みＣＰＵカード３７は、前記四極磁場増加割合データを受信して、それに基づき、四極電磁石の励磁電流を演算する励磁電流演算手段と、演算された励磁電流の値に、前記四極電磁石を設定する励磁電流設定手段とを備えている。
【００５５】
シンクロトロンにおいては、ビームは閉軌道の周りをビームの進行方向と垂直に振動しながら周回しており、この振動をベータトロン振動と呼び、加速器の安定運転には、ベータトロン振動数を適切な値にすることが重要であるベータトロン振動数は四極電磁石の磁場強度を変えることにより変更することができる。図において、操作用制御計算機１０から、「ベータトロン振動数補正開始命令」信号が、ベータトロン振動数モニタ回路用組込みＣＰＵカード３６及び四極電磁石電源用組込みＣＰＵカード３７に発行されるベータトロン振動数モニタ回路用組込みＣＰＵカード３６は、ビーム信号の波形を測定し、周波数スペクトラム演算し、いくつかのスペクトラムピークからベータトロン振動数に相当するピークを検出し、そのピークの振動数からベータトロン振動数を演算し、あらかじめ設定されているベータトロン振動数のレファレンス値（参照値）との差から四極磁場増加割合を演算し、演算結果を四極電磁石電源用組込みＣＰＵカード３７に送信する。四極電磁石電源用組込みＣＰＵカード３７は、得られた四極磁場増加割合から励磁電流を演算し、設定し、ベータトロン振動数モニタ回路用組込みＣＰＵカード３６へ「設定終了」信号を発行する。ベータトロン振動数モニタ回路用組込みＣＰＵカード３６は、再度、ビーム信号の波形を測定し、周波数スペクトラム演算し、いくつかのスペクトラムピークからベータトロン振動数に相当するピークを検出し、そのピークの振動数からベータトロン振動数を演算し、ベータトロン振動数のリファレンス値との差を演算し、許容値よりも差が小さい場合はｒベータトロン振動数補正完了」信号を操作用制御計算機１０に発行し、許容値よりも差が大きい場合は、「ベータトロン振動数補止開始命令」信号を四極電磁石電源用組込みＣＰＵカード３７に発行し、四極磁場増加割合を演算し、演算結果を四極電磁石電源用組込みＣＰＵカード３７に送信する四極電磁石電源用組込みＣＰＵカード３７は、得られた四極磁場増加割合から励磁電流を演算し、設定し、ベータトロン振動数モニタ回路用組込みＣＰＵカード３６へ「設定終了」信号を発行する。
【００５６】
このようにして、測定されるベータトロン振動数とリファレンス値との差が許容値以下になるとベータトロン振動数補正が完了する。
【００５７】
以上のように、本実施の形態においては、ベータトロン振動数モニタ回路用ＣＰＵカード３６から操作用制御計算機１０ヘビーム信号波形データ又は周波数スペクトラムデータを送信する必要が無く、データ送信時間を省ける。また、操作用制御計算機１０は、ベータトロン振動数演算を行う必要が無く、安価なＣＰＵを使用でき、高速で安価なベータトロン振動数補正値演算を持った荷電粒子加速器用制御システムを得ることができる。
【００５８】
【発明の効果】
この発明は、荷電粒子加速器を構成している１以上の加速器構成機器の制御を行うための操作用制御計算機を備えた荷電粒子加速器用制御システムであって、各前記加速器構成機器はイーサネット（登録商標）・インターフェースを有し、前記操作用制御計算機と各前記加速器構成機器とはイーサネット（登録商標）を介して相互に接続されている荷電粒子加速器用制御システムであるため、安価で増設容易な荷電粒子加速器用制御システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による荷電粒子加速器制御システムの構成を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態２による荷電粒子加速器制御システムの構成を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態２の荷電粒子加速器制御システムにおける荷電粒子加速器構成機器の内部構成を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３の荷電粒子加速器制御システムにおいてＣＯＤ補正を行う為の命令やデータ、ステータスの流れを示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態４の荷電粒子加速器制御システムにおいて偏向磁場補正を行う為の命令やデータ、ステータスの流れを示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態５の荷電粒子加速器制御システムにおいて高周波加速周波数補正を行う為の命令やデータ、ステータスの流れを示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態６の荷電粒子加速器制御システムにおいて入射ビーム軌道補正を行う為の命令やデータ、ステータスの流れを示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態７の荷電粒子加速器制御システムにおいて入射ビーム軌道補正を行う為の命令やデータ・ステータスの流れを示す図である。
【図９】この発明の実施の形態８の荷電粒子加速器制御システムにおいてベータトロン振動数補正を行う為の命令やデータ、ステータスの流れを示す説明図である。
【図１０】シンクロトロンの構成を示した構成図である。
【符号の説明】
１  電磁石電源、４  パターン電源、７  ビームモニタ回路、９  イーサネット（登録商標）、１０  操作用制御計算機、２０  荷電粒子加速器構成機器主回路、２１  組込みＣＰＵカード、２２  デジタルＩＯカード、２３  アナログＩＯカード、２４  汎用バス、３０  ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード、３１  ステアリング電磁石電源用組込みＣＰＵカード、３２  偏向電磁石電源用組込みＣＰＵカード、３３  高周波加速空洞マスターオシレータ用組込みＣＰＵカード、３４  入射ビーム位置モニタ回路用組込みＣＰＵカード、３５  入射機器用組込みＣＰＵカード、３６  ベータトロン振動数モニタ回路用組込みＣＰＵカード、３７  四極電磁石電源用組込みＣＰＵカード。
【図１】
2004303556.tif 000003
【図２】
2004303556.tif 000004
【図３】
2004303556.tif 000005
【図４】
2004303556.tif 000006
【図５】
2004303556.tif 000007
【図６】
2004303556.tif 000008
【図７】
2004303556.tif 000009
【図８】
2004303556.tif 000010
【図９】
2004303556.tif 000011
【図１０】
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