(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サイクロトロン中のＲＦ加速システムへ供給するＲＦ電力の周波数を自動的にチューニングするための方法であって、
制御された周波数発振器で所定周波数のＲＦ信号を発生し、
該ＲＦ信号を、前記サイクロトロン中のＲＦ加速システムに供給するＲＦ電力を得るよう増幅し、
前記ＲＦ電力を前記ＲＦ加速システムに供給して、高電圧を前記ＲＦ加速システムに発生し、
前記ＲＦ加速システムの負荷位相を検出し、
該検出された負荷位相をフィードバックアンプに供給し、前記ＲＦ加速システムの共振周波数に一致するよう、前記制御された周波数発振器の周波数を最適化し、
該最適化された周波数に従い前記サイクロトロンに印加される磁場の周波数を修正することを特徴とする高周波加速方法。
【請求項２】
サイクロトロン中のＲＦ加速システムへ供給するＲＦ電力の周波数を自動的にチューニングするための方法であって、
制御された周波数発振器で所定周波数のＲＦ信号を発生し、
該ＲＦ信号を一連のアンプによって、前記ＲＦ加速システムに供給するためのＲＦ電力を得るよう増幅し、
該ＲＦ電力を、前記ＲＦ加速システムに接続された電力送信線に出力して、高電圧の駆動用ＲＦ電力を前記ＲＦ加速システムに発生し、
前記一連のアンプ中の最終アンプと前記電力送信線間に接続された負荷位相センサによって前記ＲＦ加速システムの負荷位相を検出し、
該検出された負荷位相をフィードバックアンプに供給し、前記制御された周波数発振器にフィードバックされるエラー信号を作り出し、前記ＲＦ加速システムの共振周波数に一致するよう、前記制御された周波数発振器の周波数を最適化し、
サイクロトロン制御装置によって前記ＲＦ加速システムに供給される周波数を測定し、
次いで、前記サイクロトロン中の磁場と前記ＲＦ加速システムに印加される前記ＲＦ電力間の最適なバランスを得るために、前記サイクロトロンに印加される磁場の周波数を修正することを特徴とする高周波加速方法。
【請求項３】
サイクロトロン中のＲＦ加速システムへ供給するＲＦ電力の周波数を自動的にチューニングするための装置であって、
所定の周波数のＲＦ信号を発生する制御された周波数発振器と、
前記ＲＦ加速システムに供給するＲＦ電力を得るように、前記ＲＦ信号を増幅するためのアンプと、
前記制御された周波数発振器を微調整するためのエラー信号を発生するフィードバックアンプと、
前記ＲＦ加速システムの負荷位相を検出し、前記フィードバックアンプに検出した負荷位相を供給する負荷位相センサと、
前記サイクロトロンの磁場の修正を行うサイクロトロン制御装置とを備え、
前記サイクロトロン制御装置が前記ＲＦ信号の周波数偏差を監視し、前記サイクロトロンの磁場と前記ＲＦ加速システムに印加される前記ＲＦ電力に対して周波数間の最適なバランスを得るために、前記サイクロトロンに印加される磁場の周波数に対して対応する調整を実行することを特徴とする高周波加速装置。
【請求項４】
サイクロトロンのＲＦ加速システムへ供給するＲＦ電力の周波数を自動的にチューニングするための装置であって、
サイクロトロン中のイオンビームを加速するために所定の周波数のＲＦ信号を発生する制御された周波数発振器と、
該ＲＦ信号の電力レベルを増幅し、前記ＲＦ加速システムで必要なＲＦ電力を得るための一連のアンプと、
該ＲＦ電力を前記ＲＦ加速システムに供給するための電力送信線と、
前記制御された周波数発振器を微調整するために前記制御された周波数発振器に接続されるエラー信号を発生するフィードバックアンプと、
該フィードバックアンプに負荷位相を供給するための、前記一連のアンプと前記電力送信線間に接続された負荷位相センサと、
前記サイクロトロンの磁場の修正を行うサイクロトロン制御装置とを備え、
前記サイクロトロン制御装置が前記ＲＦ信号の周波数偏差を監視し、前記サイクロトロンの磁場と前記ＲＦ加速システムに印加される前記ＲＦ電力に対して周波数間の最適なバランスを得るために、前記サイクロトロンに印加される磁場の周波数に対して対応する調整を実行することを特徴とする高周波加速装置。
【請求項５】
請求項４において、前記一連のアンプが、プリアンプ段と、イオンビームの加速に用いられるＲＦ電力を発生する最終アンプからなることを特徴とする高周波加速装置。
【請求項６】
請求項５において、前記最終アンプが、前記制御された周波数発振器の周波数調整範囲内で一定に維持される出力インピーダンスを呈することを特徴とする高周波加速装置。
【請求項７】
請求項６において、前記最終アンプが、電力送信線にマッチングするための５０Ωの出力インピーダンスを呈することを特徴とする高周波加速装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波（ＲＦ）制御のための方法及び装置に係り、より正確には、機械的なチューニング装置を用いることなく、サイクロトロンの加速周波数及びＲＦ加速システムをチューニングするための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ラジオアイソトープの製造は、通常、イオンのビームが加速される適切な粒子加速器、例えばサイクロトロンによって行われる。ラジオアイソトープは、入射イオンビームと、加圧ガス、液体又は固体であるターゲット媒体間の核反応によって形成される。
【０００３】
サイクロトロン中のイオンの加速は、サイクロトロン中の平均磁場及び加速イオンの質量／電荷比によって与えられるビームの軌道周回時間（又はその整数倍）と同じ周期で振動する高電圧（３０−４０ｋＶ）に維持された、いわゆるＲＦ加速システムによって行われる。
【０００４】
ＲＦ加速システムは、所定の共振周波数にチューニングされた誘導性及び容量性素子からなる共振器である。そのようなＲＦ加速システムは、電力消費を最小限にするように設計され、その結果、非常に狭いバンド幅（高Ｑ値に等しい）を有する設計となる。しかしながら、ＲＦ加速システムの共振周波数は、温度変化や、その共振周波数に影響を与える他の要素によって、時間と共にドリフトするという問題点がある。このような共振周波数のドリフトは、印加された高電圧振動の周波数が、もはや共振器のＲＦ共振周波数と一致しなくなることを意味し、そのような不一致によって、共振器の機能が低下する。
【０００５】
他励式で、ＲＦ共振周波数を一致させるよう維持するには多数の方法がある。他励式で通常使用される方法は、共振器に結合された機械的なチューニング要素を有する電気モータによって、ＲＦ加速システムを望ましい周波数にチューニングし直す方法である。ある場合には、ＲＦ電圧の発生が、自励式（即ち他励式ではない）によって行われ、励振周波数が電極の共振周波数と自動的に一致するようにされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなシステムは、通常、不安定であり、オペレータが高度に介入する必要がある。これは、例えば病院設備用のＰＥＴアイソトープ製造に用いられる小型のシステムには望ましくない。更に、上記のような機械的チューニングシステムでは、使用される電気モータや、機械式チューニング機構に関して必要となるメンテナンスの問題を除いたとしても、加速器の真空箱を経由する多数のフィード部が必要となる。
【０００７】
従って、サイクロトロン加速システム、特に水素の陰イオンビームの加速によってＰＥＴアイソトープを製造する小さなシステムでは、単純なシステムによって、イオンビームの加速を制御することが要請されている。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、サイクロトロンにおいて、周波数がプリセット又は事前に固定された安定な信号発生器を用いたときに、機械的なチューニング装置を用いることなく、ＲＦ共振系の適切な共振を得ることを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、サイクロトロン中のＲＦ加速システムへ供給するＲＦ電力の周波数を自動的にチューニングするための方法において、制御された周波数発振器で所定周波数のＲＦ信号を発生し、該ＲＦ信号を、前記サイクロトロン中のＲＦ加速システムに供給するＲＦ電力を得るよう増幅し、前記ＲＦ電力を、前記ＲＦ加速システムに供給して、高電圧を前記ＲＦ加速システムに発生し、前記ＲＦ加速システムの負荷位相を検出し、該検出された負荷位相をフィードバックアンプに供給し、前記ＲＦ加速システムの共振周波数に一致するよう、前記制御された周波数発振器の周波数を最適化し、該最適化された周波数に従い前記サイクロトロンに印加される磁場の周波数を修正することにより、前記課題を解決したものである。
又、サイクロトロン中のＲＦ加速システムへ供給するＲＦ電力の周波数を自動的にチューニングするための方法において、制御された周波数発振器で所定周波数のＲＦ信号を発生し、該ＲＦ信号を一連のアンプによって、前記ＲＦ加速システムに供給するためのＲＦ電力を得るよう増幅し、該ＲＦ電力を、前記ＲＦ加速システムに接続された電力送信線に出力して、高電圧の駆動用ＲＦ電力を前記ＲＦ加速システムに発生し、前記一連のアンプ中の最終アンプと前記電力送信線間に接続された負荷位相センサによって前記ＲＦ加速システムの負荷位相を検出し、該検出された負荷位相をフィードバックアンプに供給し、前記制御された周波数発振器にフィードバックされるエラー信号を作り出し、前記ＲＦ加速システムの共振周波数に一致するよう、前記制御された周波数発振器の周波数を最適化し、サイクロトロン制御装置によって前記ＲＦ加速システムに供給される周波数を測定し、次いで、前記サイクロトロン中の磁場と前記ＲＦ加速システムに印加される前記ＲＦ電力間の最適なバランスを得るために、前記サイクロトロンに印加される磁場の周波数を修正することにより、同じく前記課題を解決したものである。
【００１０】
本発明は、又、サイクロトロン中のＲＦ加速システムへ供給するＲＦ電力の周波数を自動的にチューニングするための装置において、所定の周波数のＲＦ信号を発生する制御された周波数発振器と、前記ＲＦ加速システムに供給するＲＦ電力を得るように、前記ＲＦ信号を増幅するためのアンプと、前記制御された周波数発振器を微調整するためのエラー信号を発生するフィードバックアンプと、前記ＲＦ加速システムの負荷位相を検出し、前記フィードバックアンプに、検出した負荷位相を供給する負荷位相センサと、前記サイクロトロンの磁場の修正を行うサイクロトロン制御装置とを備え、前記サイクロトロン制御装置が前記ＲＦ信号の周波数偏差を監視し、前記サイクロトロンの磁場と前記ＲＦ加速システムに印加される前記ＲＦ電力に対して周波数間の最適なバランスを得るために、前記サイクロトロンに印加される磁場の周波数に対して対応する調整を実行することにより、同じく前記課題を解決したものである。
又、サイクロトロンのＲＦ加速システムへ供給するＲＦ電力の周波数を自動的にチューニングするための装置において、サイクロトロン中のイオンビームを加速するために所定の周波数のＲＦ信号を発生する制御された周波数発振器と、該ＲＦ信号の電力レベルを増幅し、前記ＲＦ加速システムで必要なＲＦ電力を得るための一連のアンプと、該ＲＦ電力を前記ＲＦ加速システムに供給するための電力送信線と、前記制御された周波数発振器を微調整するために前記制御された周波数発振器に接続されるエラー信号を発生するフィードバックアンプと、該フィードバックアンプに負荷位相を供給するための、前記一連のアンプと前記電力送信線間に接続された負荷位相センサと、前記サイクロトロンの磁場の修正を行うサイクロトロン制御装置とを備え、前記サイクロトロン制御装置が前記ＲＦ信号の周波数偏差を監視し、前記サイクロトロンの磁場と前記ＲＦ加速システムに印加される前記ＲＦ電力に対して周波数間の最適なバランスを得るために、前記サイクロトロンに印加される磁場の周波数に対して対応する調整を実行することにより、同じく前記課題を解決したものである。
【００１２】
又、前記一連のアンプが、プリアンプ段と、イオンビームの加速に用いられるＲＦ電力を発生する最終アンプからなるようにしたものである。
【００１３】
又、前記最終アンプが、前記制御された周波数発振器の周波数調整範囲内で一定に維持される出力インピーダンスを呈するようにしたものである。
【００１４】
又、前記最終アンプが、電力送信線にマッチングするための５０Ωの出力インピーダンスを呈するようにしたものである。
【００１５】
本発明においては、動作中高いＲＦ加速電圧を維持するために、ＲＦ共振器の共振状況が監視され、制御された周波数発振器の周波数が、該制御された周波数発振器からのＲＦ信号の周波数とＲＦ加速システムの共振周波数の一致を常時監視しているフィードバックシステムによって制御される。ＲＦ加速システムの共振周波数との最大限のマッチングを維持するために必要な制御された周波数発振器の微細な調整は、該制御された周波数発振器へのフィードバックシステムによって達成される。このフィードバックシステムは、最終（パワー）アンプの出力をモニタする負荷位相センサによって得られる値に基づいて動
作する。サイクロトロン制御装置は、順次、設定、修正された発振周波数値を得、更に周波数情報に従って、加速システム内に作り出される磁場の周波数を微調整する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明による方法を適用したシステムを示すブロック線図である。図１のシステムにおいて、安定な信号発生器（高周波電力発生器）１は、サイクロトロン３用の所定周波数を発生し、ＰＥＴアイソトープ製造用の水素の陰イオンビームをサイクロトロンの磁場中に作り出すために、ＲＦ共振器の動作を共振状態に維持するよう、そのＲＦ加速システム１０の実際のシステム周波数を追跡する。
【００１８】
高周波電力発生器１は、好ましくは、シンセサイザ型であり、フィードバックループによって周波数が制御される（即ち、発生周波数は、アナログ又はデジタル信号に比例するオフセットを有する）。加速用の高周波信号は制御された周波数発振器５によって発生され、その周波数は、最初は、初期周波数、図示実施例では１００ＭＨｚのオーダーにプリセットされている。この発振器は、低電力レベルの信号を発生し、これは、一連のアンプ６、７によって、ＲＦ加速システム１０中で必要な加速電圧を得るために十分な電力レベルに増幅される。前記ＲＦ加速システム１０は、真空環境中のサイクロトロン磁石の扇型磁極間のスペース中に配置され、サイクロトロンによって発生されたイオンビーム用の加速通路を作り出している。
【００１９】
ＲＦ電力は、一連のアンプ中の最終（パワー）アンプ７の出力に配置された位相検出器（負荷位相センサ）８に接続された電力送信線２を介してＲＦ加速システム１０に伝送される。図示実施例では、この電力送信線は、標準的な高出力５０Ω同軸ケーブルによって構成されている。従って、最終アンプ７は、出力インピーダンスが５０Ωとなるように設計されている。負荷位相センサ８は、ＲＦ加速システム１０の負荷インピーダンスの負荷位相を検出する。電力送信線２は、更に、高周波電力発生器１とサイクロトロン３の真空箱中のＲＦ加速システム１０間に適切な距離を許容している。
【００２０】
負荷位相値（１８０°）からの偏差は、ＲＦ加速システム１０中の正又は負の共振周波数偏差を示す。この位相偏差は、フィードバックアンプ９を含むフィードバックループを介して制御された周波数発振器５に与えられるエラー信号に変換される。制御された周波数発振器５は、その出力周波数を僅かに調整し、このようにして、ＲＦ加速システム１０の共振条件を常に追跡する。
【００２１】
たとえＲＦ加速システム１０が温度依存性に関して注意深く設計され、更に、ＲＦ加速システム１０が温度ドリフトを最小限にするために水冷されていても、ＲＦ加速システム１０は、その共振周波数が絶えず揺らぐ。このＲＦ加速システム１０は、図１に示すように、サイクロトロン３中にイオンビームの軌道を螺旋状に形成するための磁場条件を形成する電磁石の磁極中の扇型磁極間の２つの対向する谷間に収容された平坦電極の２つの矢印状ペアからなる。電極板のペア間の距離は、２つの対向扇型磁極間の距離と同じである。イオンビームは、電極板の一つのペア間に入射し、ＲＦ電場によって作用される吸引力によって更に加速され、その直後に、交流のＲＦ電場によって作用される反発力による追加のエネルギをＲＦ電極板のペアから得て飛び出す。言い換えると、ビームは、ＲＦ加速システム１０に入る際に一押しされ、軌道が、印加されたＲＦ場と同期していれば、電極から出る際にもう一押しされる。
【００２２】
ＲＦ加速システム１０の共振周波数の揺らぎは、フィードバックアンプ９を含むフィードバックシステムによって処理され、発振周波数を所望の限度内に適切に調整する。しかしながら、周波数の揺らぎは、ときどき、サイクロトロン３の等時性（磁場と周波数の関係）を維持するために、磁場の周波数の修正（磁石コイル中の電流の調整による）も必要とする。サイクロトロン制御装置４は、常に、制御された周波数発振器５の初期周波数からの周波数偏差を監視している。図示実施例における、この監視は、動作周波数の偏差値を発生する高分解能の周波数カウンタによってなされる。この周波数偏差は、磁石コイル供給用の電流修正値に変換され、磁場の周波数は「マスター−スレーブ」の関係に従い、等時性を維持する。図示実施例における電流修正値への変換は、基本的に、当業者に公知の装置によって達成されるので、ここではこれ以上説明しない。好適な実施例におけるこの動作は、フィードバックアンプ９からの出力信号を監視している追加情報によって自動的になされる。
【００２３】
最終アンプ７の出力回路は、公称５０Ωの出力インピーダンスを呈するように設計され、この出力インピーダンスは、制御された周波数発振器５の、例えば２００−３００ｋＨｚのオーダーの、ある最小バンド幅を呈する周波数調整範囲内で、一定に維持される。そのような回路構成は、高周波技術の分野における当業者に周知であり、従って、ここではこれ以上説明しない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明による方法及びシステムの効果は、この方法及びシステムが、機械的なチューニング装置を用いることなく、サイクロトロンのＲＦ電極に適切な共振のための、選択され、固定された適合周波数を提供する点にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法を利用したシステムを示すブロック線図
【符号の簡単な説明】
１…高周波電力（信号）発生器
２…電力送信線
３…サイクロトロン
４…サイクロトロン制御装置
５…制御された周波数発振器
６、７、９…アンプ
８…負荷位相センサ
１０…ＲＦ加速システム
【図１】
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