(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形加速器内を周回する荷電粒子ビームに、前記荷電粒子ビームの入射時における前記円形加速器内での前記荷電粒子ビームの周回周波数ｆａによって定められた最低周波数ｆｌから、前記荷電粒子ビームの加速終了時の周回周波数ｆｂによって定められた最高周波数ｆｈまでの周波数帯域を有する高周波電磁場を、前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了まで継続して印加することによって、前記入射完了から前記加速終了までの期間において前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増大させ、
信号処理装置が、ベータトロン振動振幅が増大した前記荷電粒子ビームに起因して、位置モニタ電極の第１三角形電極に誘起されて出力される第１電圧信号と、ベータトロン振動振幅が増大したその荷電粒子ビームに起因して、前記位置モニタ電極の第２三角形電極であってビーム軌道に沿って前記第１三角形電極と並んで配置された前記第２三角形電極に誘起されて出力される第２電圧信号との差信号を得る第１工程、前記最低周波数ｆｌから前記最高周波数ｆｈまでの周波数帯域において前記差信号の周波数成分を、周波数分析することによって、前記差信号に含まれる複数の周波数成分に対する各信号強度を測定する第２工程、前記荷電粒子ビームの周回周波数をｆ、チューンをν及び１以上の整数をｎとしたとき、前記差信号に含まれるそれらの周波数成分の信号強度を基に、周波数ｎｆ，（ｎ−ν）ｆ及び（ｎ＋ν）ｆを決定する第３工程、及び決定された周波数ｎｆ，（ｎ−ν）ｆ及び（ｎ＋ν）ｆを下記の（数１）及び（数２）に代入することによって、前記荷電粒子ビームの２つのチューンを算出し、前記２つのチューンに基づいて前記荷電粒子ビームのチューンを求める第４工程の各処理を、前記入射完了から前記加速終了までの期間において周期的に行なってその期間におけるチューンの時系列データを求めることを特徴とするチューン測定方法。
ν＝{ｎｆ−（ｎ−ν）ｆ}／ｆ ……（数１）
ν＝{ｎｆ−（ｎ＋ν）ｆ}／ｆ ……（数２）
【請求項２】
前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了までのチューンの前記時系列データと、前記円形加速器に設けられる機器に関するパラメータの時系列データとを同じ時間軸上で表示装置に表示する請求項１に記載のチューン測定方法。
【請求項３】
制御装置によって制御され、荷電粒子ビームの入射時における円形加速器内での前記荷電粒子ビームの周回周波数ｆａによって定められた最低周波数ｆｌから、前記荷電粒子ビームの加速終了時の周回周波数ｆｂによって定められた最高周波数ｆｈまでの周波数帯域を有する高周波信号を前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了まで継続して出力する高周波発振器と、
円形加速器内を周回する荷電粒子ビームに、前記周波数帯域を有する前記高周波信号を入力して前記周波数帯域を有する高周波電磁場を前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了まで継続して印加することによって前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増大させる高周波印加用電極と、
前記ベータトロン振動振幅が増大した前記荷電粒子ビームに起因して誘起される第１電圧信号を出力する第１三角形電極、及びビーム軌道に沿って前記第１三角形電極と並んで配置され、前記ベータトロン振動振幅が増大したその荷電粒子ビームに起因して誘起される第２電圧信号を出力する第２三角形電極を有する位置モニタ用電極と、
前記第１電圧信号と前記第２電圧信号の差信号を得る第１工程、前記最低周波数ｆｌから前記最高周波数ｆｈまでの周波数帯域において前記差信号の周波数成分を、周波数分析することによって、前記差信号に含まれる複数の周波数成分に対する各信号強度を測定する第２工程、前記荷電粒子ビームの周回周波数をｆ、チューンをν及び１以上の整数をｎとしたとき、前記差信号に含まれるそれらの周波数成分の信号強度を基に、周波数ｎｆ，（ｎ−ν）ｆ及び（ｎ＋ν）ｆを決定する第３工程、及び決定された周波数ｎｆ，（ｎ−ν）ｆ及び（ｎ＋ν）ｆを下記の（数１）及び（数２）に代入することによって、前記荷電粒子ビームの２つのチューンを算出し、前記２つのチューンに基づいて前記荷電粒子ビームのチューンを求める第４工程の各処理を、前記入射完了から前記加速終了までの期間において周期的に行なってその期間におけるチューンの時系列データを求める信号処理装置とを有するチューン測定装置。
ν＝{ｎｆ−（ｎ−ν）ｆ}／ｆ ……（数１）
ν＝{ｎｆ−（ｎ＋ν）ｆ}／ｆ ……（数２）
【請求項４】
複数の機器を有して、荷電粒子ビームを周回させながら加速する円形加速器を備えた円形加速器システムにおいて、
チューン測定装置と、前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了までのチューンの時系列データと前記機器に関するパラメータの時系列データとを同じ時間軸上に表示する表示装置とを備え、
前記チューン測定装置が、
制御装置によって制御され、荷電粒子ビームの入射時における円形加速器内での前記荷電粒子ビームの周回周波数ｆａによって定められた最低周波数ｆｌから、前記荷電粒子ビームの加速終了時の周回周波数ｆｂによって定められた最高周波数ｆｈまでの周波数帯域を有する高周波信号を前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了まで継続して出力する高周波発振器と、
円形加速器内を周回する荷電粒子ビームに、前記周波数帯域を有する前記高周波信号を入力して前記周波数帯域を有する高周波電磁場を前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了まで継続して印加することによって前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増大させる高周波印加用電極と、
前記ベータトロン振動振幅が増大した前記荷電粒子ビームに起因して誘起される第１電圧信号を出力する第１三角形電極、及びビーム軌道に沿って前記第１三角形電極と並んで配置され、前記ベータトロン振動振幅が増大したその荷電粒子ビームに起因して誘起される第２電圧信号を出力する第２三角形電極を有する位置モニタ用電極と、
前記第１電圧信号と前記第２電圧信号の差信号を得る第１工程、前記最低周波数ｆｌから前記最高周波数ｆｈまでの周波数帯域において前記差信号の周波数成分を、周波数分析することによって、前記差信号に含まれる複数の周波数成分に対する各信号強度を測定する第２工程、前記荷電粒子ビームの周回周波数をｆ、チューンをν及び１以上の整数をｎとしたとき、前記差信号に含まれるそれらの周波数成分の信号強度を基に、周波数ｎｆ，（ｎ−ν）ｆ及び（ｎ＋ν）ｆを決定する第３工程、及び決定された周波数ｎｆ，（ｎ−ν）ｆ及び（ｎ＋ν）ｆを下記の（数１）及び（数２）に代入することによって、前記荷電粒子ビームの２つのチューンを算出し、前記２つのチューンに基づいて前記荷電粒子ビームのチューンを求める第４工程の各処理を、前記入射完了から前記加速終了までの期間において周期的に行なってその期間におけるチューンの時系列データを求める信号処理装置とを有する円形加速器システム。
ν＝{ｎｆ−（ｎ−ν）ｆ}／ｆ ……（数１）
ν＝{ｎｆ−（ｎ＋ν）ｆ}／ｆ ……（数２）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円形加速器内を周回しながら加速される荷電粒子ビームのチューンを表示するチューン表示装置及びそれを有する円形加速器システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
シンクロトロンに代表される円形加速器では、荷電粒子ビーム（以下、ビームという）を周回させながら加速するが、シンクロトロン内を周回するビームは振動（ベータトロン振動という）しており、１周あたりのベータトロン振動数はチューンと呼ばれている。このチューンがある所定値になると、ビームのベータトロン振動振幅が急激に大きくなる「共鳴」が生じる。なお、共鳴を生じるチューンの値を共鳴点と呼ぶ。この共鳴によってビームの振動振幅が増大し続けると、最終的にはビームが真空ダクト等に衝突して失われてしまうため、ビームのチューンは共鳴点から遠ざけておく必要がある。
【０００３】
チューンを制御するために周回するビームのチューンを測定する技術が考案されており、その一例として特開平５−３１００号公報には、ＲＦノックアウト法を用いてビームのチューンを測定し、表示することが記載されている。具体的には、電界を発生させるための電極に対して周波数を変えながら高周波信号を印加し、変動するビーム位置に応じて検出用電極から得られる信号の周波数毎の出力レベルを求めて表示する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、チューンの表示方法について具体的には記載されていないが、単にチューンの値を表示しても、共鳴点からチューンを遠ざけるのにどの機器をどのように制御すべきか判断するのは難しい。
【０００５】
本発明の目的は、荷電粒子ビームの入射完了から加速終了までのチューンの時系列データを得ることができるチューン測定方法、チューン測定装置及び円形加速器システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する第１の発明の特徴は、円形加速器内を周回する荷電粒子ビームに、複数の周波数を有する高周波電磁場を前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了まで印加することによって前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増大させ、ベータトロン振動振幅が増大した前記荷電粒子ビームの軌道変位を検出し、検出した前記軌道変位に基づいて前記荷電粒子ビームのチューンを演算することにある。
また、上記目的を達成する第２の発明の特徴は、複数の機器を有して、荷電粒子ビームを周回させながら加速する円形加速器を備えた円形加速器システムにおいて、チューン測定装置と、前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了までのチューンの時系列データと前記機器に関するパラメータの時系列データとを同じ時間軸上に表示する表示装置とを備え、前記チューン測定装置は、円形加速器内を周回する荷電粒子ビームに、複数の周波数を有する高周波電磁場を前記荷電粒子ビームの入射完了から加速終了まで印加することによって前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増大させる高周波印加用電極と、前記高周波電磁場の印加によりベータトロン振動振幅が増大した前記荷電粒子ビームの前記軌道変位を検出する位置モニタ用電極と、前記位置モニタ用電極が検出した軌道変位に基づいて、前記時系列データとなるビーム入射完了から加速終了までの前記荷電粒子ビームのチューンを演算する信号処理装置とを有することにある。
【０００７】
特に、第２の発明では、チューンの時系列データと機器に関するパラメータの時系列データとを同じ時間軸上に表示するので、チューンの変化を機器の状態と対応づけて確認することができ、チューンを制御するためにどの機器をどのタイミングでどのように制御すべきかが判断し易くなる。従って、チューンを共鳴点から遠ざけるための制御を簡単に行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の好適な一実施例である円形加速器システムの構成を示す。本実施例の円形加速器システムでは、低エネルギーの荷電粒子ビーム（以下、ビームという）を入射し、入射したビームを予め設定されたエネルギーまで加速した後、出射するシンクロトロン１を円形加速器として用いている。
【０００９】
まず、シンクロトロン１を構成する機器について説明する。入射器１１は、前段加速器４から出射される低エネルギーのビームをシンクロトロン１に入射させる。偏向電磁石１２は、シンクロトロン１に入射されたビームを偏向してビームの軌道を調節し、ビームを周回させる。四極電磁石１３は、ビームを水平方向に発散させて垂直方向に収束させる四極発散電磁石と、ビームを垂直方向に発散させて水平方向に収束させる四極収束電磁石からなり、周回するビームのチューンを調節する。なお、水平方向とはビームの進行方向に垂直で偏向電磁石１２の偏向面に水平な方向をいい、垂直方向とはビームの進行方向に垂直で偏向電磁石１２の偏向面にも垂直な方向をいう。以下の説明でも同様である。
【００１０】
高周波加速空胴１４は、周回するビームに高周波電場を印加することによりビームにエネルギーを与え、予め決められたエネルギーまでビームを加速する。六極電磁石１５はビームの加速終了後に励磁され、六極電磁石１５が励磁された状態で、高周波印加用電極１６は周回するビームに高周波電磁場を印加してビームのベータトロン振動振幅を増大させる。六極電磁石１５が発生する六極磁場の影響により、振動振幅の増大に応じてビームのチューンが変化し、チューンが共鳴点に達したビームは共鳴を起こす。出射用デフレクター１７は、共鳴により振動振幅が増大したビームを偏向してシンクロトロン１から出射する。
【００１１】
以上のように構成されるシンクロトロン１から出射されたビームは、癌患者の患部にビームを照射するための照射装置７に導かれ、癌治療に用いられる。なお、図１において、電源２１は、偏向電磁石１２，四極電磁石１３，高周波加速空胴１４及び六極電磁石１５に電力を供給する電源であり、電源２２は、高周波印加用電極１６に電力（高周波信号）を供給する電源である。これらの電源２１，２２は、制御装置３によって制御される。また、位置モニタ用電極１８はシンクロトロン１内を周回するビームの位置を計測するための電極であり、信号処理装置５により位置モニタ用電極１８からの信号を処理して、表示装置６にビーム位置計測結果を表示する。
【００１２】
このようなシンクロトロン１において、実際に運転する（ビームを出射して患者の治療を行う）前に、予め決定した運転計画で所望のビームが出射できるか確認するための試運転（ビーム調整）が行われ、そのときにビームのチューンが計測される。
【００１３】
ここで、本実施例におけるチューン計測の概念について説明する。ビームに高周波電磁場を印加すると、その高周波電磁場の周波数に応じたチューンを有するビームの振動振幅が増大するので、その振動振幅の増大を検知することでビームのチューンを知ることができる。その原理は以下の通りである。
【００１４】
ビームに高周波電磁場を印加した時に位置モニタ用電極１８で得られる信号の周波数成分を解析すると、図２（ａ）に示すようなスペクトラムとなることが分かった。図２（ａ）に示すように、ビームの周回周波数ｆのｎ倍周波数ｎｆ（ｎ＝１，２，…）と(ｎ−ν)ｆ及び(ｎ＋ν)ｆで信号強度が強くなる。なお、νはチューンの小数部である。このことから、ｎｆと（ｎ−ν）ｆ又は(ｎ＋ν)ｆとが分かれば、（数１）或いは（数２）にてチューンνを求めることができる。
【００１５】
【数１】
0004070950.tif 000002
【００１６】
【数２】
0004070950.tif 000003
【００１７】
このとき、原理的にはｎとしてどのような値を選択しても構わないのだが、現実的にはｎが小さいと低周波数領域に高いレベルで存在するノイズの影響によりスペクトラムの検出が困難となる。逆に、ｎが大きいと図２（ｂ）に示すようにビーム加速時の周波数の変化が大きくなるので、周波数スペクトラム解析時の周波数帯域を広くとらなければならず、スペクトラムを測定する装置には広い周波数範囲で高分解能が必要となる。以上の２点を考慮して適切なｎを設定するとよい。なお、本実施例ではｎ＝２とし、制御装置３に予め設定される。
【００１８】
ｎが決まると、高周波印加用電極１６からビームに印加する高周波電磁場の周波数帯域を決めることができる。高周波電磁場の周波数帯域は、加速前のビームの周回周波数をｆａ、加速後のビームの周回周波数をｆｂとした場合に、(数３)で求められる最低周波数ｆｌから（数４）で求められる最高周波数ｆｈまでの周波数帯域とすればよい。このように周波数帯域を設定することで、ビームの加速前から加速終了までのどの時点でもビームの振動振幅を増大させることができ、連続的なチューンの計測が可能となる。
【００１９】
【数３】
0004070950.tif 000004
【００２０】
【数４】
0004070950.tif 000005
【００２１】
次に、上述の概念に基づいたチューン計測の具体的な方法について説明する。試運転時におけるチューン計測にあたり、まずビーム入射が完了した時点でビームに高周波電磁場を印加する。本実施例では、ビーム出射時に用いる高周波印加用電極１６によりチューン計測用の高周波電磁場をビームに印加する。なお、本実施例では、水平方向のチューンを計測する。
【００２２】
図３は、高周波印加用電極１６とその電源２２とを示す。電源２２の発振器２２１には制御装置３から出力すべき高周波信号の周波数帯域が指示される。なお、制御装置３は、高周波加速空胴１４からビームに印加する高周波電場の周波数も指示しており、その周波数とはビームのエネルギーから求められた周回周波数であるので、チューン計測時にビームに印加する高周波電磁場の周波数の設定に利用することができる。なお、高周波加速空胴１４はビームを加速するためにその時点の周回周波数に応じた高周波電場を印加しなければならないので、入射時のビームエネルギーと加速終了時のビームエネルギーとに基づいて入射時の周回周波数ｆａと加速終了時の周回周波数ｆｂとが予め制御装置３に設定されている。この予め設定された周回周波数ｆａ，ｆｂを前述の（数３）及び（数４）に代入することで、発振器２２１に指示する周波数帯域の最低周波数ｆｌ及び最高周波数ｆｈが求められる。制御装置３は、（数３）及び（数４）により求めた最低周波数ｆｌから最高周波数ｆｈまでの周波数帯域をもつ高周波信号を出力するように発振器２２１を制御する。なお、（数３）及び（数４）で用いられるνは水平方向チューンの設計値であり、実際の水平方向チューンとは異なっている可能性があるので、余裕を見て、最低周波数ｆｌは（数３）で求められた値よりも更に小さな値とし、最高周波数ｆｈも（数４）で求められた値よりも更に大きな値とするのが望ましい。具体的には、図２（ｂ）に示すようにｆｌ，ｆｈが設定される。
【００２３】
発振器２２１は、制御装置３によって制御され、ｆｌからｆｈの周波数帯域を有する高周波信号を増幅器２２２に出力する。増幅器２２２は発振器２２１から出力された高周波信号を増幅して高周波印加用電極１６に印加する。なお、増幅器２２２における増幅率は、ビームの振動振幅が急激に増加してビーム電流が急激に減衰することのないように、制御装置３により調節される。
【００２４】
増幅器２２２から高周波信号が印加された高周波印加用電極１６は、高周波信号の周波数成分を有する高周波電磁場を発生し、２つの電極１６の間を通過するビームに高周波電磁場が印加される。このとき六極電磁石１５は無励磁状態とする。なお、本実施例の電極１６は、水平方向におけるビームの振動振幅を増大させる電極である。
【００２５】
高周波電磁場が印加されたビームは、水平方向の振動振幅が増大して軌道が変化するが、その変化によって位置モニタ用電極１８に誘起される電圧が変化する。図４は、位置モニタ用電極１８と信号処理装置５を示す。図に示すように、位置モニタ用電極１８は、ビームを挟んで対向するように設けられた三角形の電極１８１Ｌ，１８１Ｒ，１８２Ｌ，１８２Ｒからなり、また電極１８１Ｌと電極１８２Ｌが電気的に接続されると共に電極１８１Ｒと電極１８２Ｒが電気的に接続される。そして、電極１８１Ｌ，１８２Ｌに誘起される電圧に応じた信号と、電極１８１Ｒ，１８２Ｒに誘起される電圧に応じた信号とが信号処理装置５の位置検出回路５１に入力される。
【００２６】
位置検出回路５１は、入力された２つの信号の差を求めて、求めた差信号をスペクトラム測定回路５２に出力する。スペクトラム測定回路５２は、入力された差信号の周波数成分を解析し、各周波数成分の信号強度を測定する。なお、スペクトラム測定回路５２において解析する周波数帯域は、ビームに印加する高周波電磁場の周波数帯域と同じで良いので、制御装置３より発振器２２１に指示される最低周波数ｆｌ及び最高周波数ｆｈをスペクトラム測定回路５２に入力し、それに基づいて周波数帯域を設定する。このスペクトラム測定回路５２にて得られる周波数スペクトルは、前述の図２のようになる。
【００２７】
スペクトラム測定回路５２にて得られた周波数スペクトラムのデータは、チューン演算回路５３に入力される。チューン演算回路５３では、入力された周波数スペクトラムのデータからｎｆを抽出する。ｎｆの抽出にあたり、チューン演算回路５３は、まず制御装置３からビーム入射時の周回周波数ｆａとｎの値を取り込む。なお、制御装置３から与えられる周回周波数ｆａは入射時のビームエネルギーに応じて求められた計算値であり、また、ｎは本実施例では２に設定されている。制御装置３より与えられたｆａ及びｎによりｎｆは求めることができるが、周回周波数は計算値ｆａと実際の値とでずれが生じていることもあるので、周波数スペクトラムのデータから計算によって求められたｎｆの近傍で信号強度が最も高い周波数を検索し、その周波数をｎｆとして抽出する。また、(ｎ−ν)ｆ及び（ｎ＋ν）ｆも信号強度が突出しているので、抽出したｎｆの近傍で信号強度の突出している周波数を低周波側と高周波側の両方で検索し、（ｎ＋ν）ｆ及び（ｎ−ν）ｆを決定する。
【００２８】
このようにして決定したｎｆ，（ｎ−ν）ｆ，（ｎ＋ν）ｆを（数１）及び（数２）に代入することにより、２つのチューンνが求められる。この時、正しいｎｆ，（ｎ−ν）ｆ，（ｎ＋ν）ｆが選択されていれば２つのチューンνは等しくなるはずであり、等しいチューンνが求められた場合には、その値をチューン演算回路５３が有するメモリ（図示せず）に記憶する。一方、（数１）及び（数２）により求められた２つのチューンνが異なる値となった場合には、（ｎ−ν）ｆ或いは（ｎ＋ν）ｆを誤って決定した可能性が高いので、２つのチューンをチューンの設計値と比較して、設計値と大きく異なる方を誤りと判断する。そして、その誤りのもととなった（ｎ−ν）ｆ或いは（ｎ＋ν）ｆを決定し直す。具体的には、誤って決定した（ｎ−ν）ｆ或いは（ｎ＋ν）ｆの近傍で突出している他の周波数を（ｎ−ν）ｆ或いは（ｎ＋ν）ｆとして再度決定する。（ｎ−ν）ｆ或いは（ｎ＋ν）ｆを決定し直したら、再度チューンνの演算を行い、２つのチューンνが等しくなるまでこれを繰り返す。
【００２９】
以上説明したチューンの計測を、試運転においてビーム入射完了時点から加速終了時点まで継続して行い、チューンの時間変化（時系列データ）を計測してメモリに記憶する。具体的には、入射完了から加速終了まで高周波印加用電極１６より高周波電磁場を継続して印加し、信号処理装置５では可能な限り短い周期で上述の信号処理を行うことで、チューンの時間変化を計測する。なお、信号処理装置５の信号処理において２回目以降のｎｆの決定は、前回決定したｎｆの近傍で信号強度が突出している周波数を検索すればよい。また、２回目以降のチューンの演算時には、求められたチューンが正しいか確かめるのに、設計値を用いずに前回演算されたチューンとの差が大きい方を誤りと判断してもよい。
【００３０】
チューン演算回路５３は、入射完了から加速終了までのチューンの計測が完了したら、メモリに記憶したチューンの時系列データを表示装置６に出力する。表示装置６は、入力されたチューンの時系列データを、シンクロトロン１を構成する機器のパラメータ（偏向電磁石の励磁電流Ｂ，四極発散電磁石の励磁電流ＱＤ及び四極収束電磁石の励磁電流ＱＦ）やビームのパラメータ（電流値ＩＤＣ）と共に表示する。図５は、表示画面の一例を示す。図示するように、チューンと各パラメータが同じ時間軸上に表示される。なお、シンクロトロン１を構成する機器のパラメータ（偏向電磁石，四極発散電磁石及び四極収束電磁石の励磁電流）やビームのパラメータ（電流値）は、制御装置３から与えられる。
【００３１】
本実施例によれば、偏向電磁石，四極発散電磁石及び四極収束電磁石の励磁電流といったシンクロトロン１を構成する機器のパラメータやビーム電流値といったビームのパラメータと共にチューンを表示するため、機器やビームの状態とチューンの変化との関係が明確となり、チューンを共鳴点から遠ざけるためにどの機器をどのように制御すればよいのかが判断し易く、チューンを共鳴点から遠ざけるための制御を簡単に行うことができる。
【００３２】
また、本実施例によれば、ビームの出射用に設けられた高周波印加用電極１６を用いてチューンを計測するための高周波電磁場を発生させるので、チューン計測用に新たな電極を設ける必要がなく、シンクロトロン１を構成する機器の数を低減できる。また、ビーム位置の測定に用いられる位置モニタ用電極１８をチューン計測に用いるので、シンクロトロン１を構成する機器の数を低減できる。よって、シンクロトロン１のコストとサイズを低減できる。
【００３３】
なお、本実施例の制御装置３に信号処理装置５の機能を持たせてもよい。
（実施例２）
本発明の他の実施例である円形加速器システムについて図６乃至図８を用いて説明する。本実施例の円形加速器システムは、水平方向チューンに加えて垂直方向チューンについても時間変化を表示装置に表示する点で実施例１と異なる。以下、実施例１と異なる点について説明する。
【００３４】
本実施例の円形加速器システムの全体構成は実施例１（図１）と同様であるが、電源２２と高周波印加用電極１６の構成は実施例１と異なる。図６は、本実施例の電源２２と高周波印加用電極１６の構成を示す。前述の通り、本実施例では水平方向及び垂直方向のチューンを計測するため、ビームの水平方向及び垂直方向の振動振幅を増大させる必要がある。そのために、本実施例の高周波印加用電極１６は、ビームを挟んで対向する２組の高周波印加用電極１６ｘ，１６ｙからなる。なお、高周波印加用電極１６ｘが水平方向の振動振幅を増大させるための高周波電磁場を発生する電極であり、高周波印加用電極１６ｙが垂直方向の振動振幅を増大させるための高周波電磁場を発生する電極である。
【００３５】
本実施例では、水平方向チューンと垂直方向チューンとを別々に計測するので、まずは水平方向チューンを計測する場合について説明する。試運転におけるビーム入射が完了したら、制御装置３は、まず切換回路２２３を制御して端子ａと端子ｂとを接続させる。端子ａと端子ｂとを接続させることによって、電源２２から出力される高周波信号は高周波印加用電極１６ｘに出力されるようになるため、水平方向の振動振幅を増大可能となる。次に、制御装置３は、発振器２２１を制御するが、これ以降の動作は上述の実施例１と同様であるので説明は省略する。
【００３６】
図７は、本実施例の位置モニタ用電極１８と信号処理装置５の構成を示す。図に示すように、本実施例の位置モニタ用電極１８は、水平方向におけるビームの軌道変位に応じた信号を出力する１８１Ｌ，１８１Ｒ，１８２Ｌ，１８２Ｒと、垂直方向におけるビームの軌道変位に応じた信号を出力する１８３Ｕ，１８３Ｄ，１８４Ｕ，１８４Ｄからなる。なお、位置モニタ用電極１８３Ｕ，１８４Ｕは電気的に接続されており、位置モニタ用電極１８３Ｄ，１８４Ｄも電気的に接続されている。
【００３７】
水平方向チューンの計測をするにあたり、制御装置３は、信号処理装置５の切換回路５４を制御して端子ｄと端子ｈ，端子ｆと端子ｉをそれぞれ接続させる。これにより、位置モニタ用電極１８１Ｌ，１８２Ｌと位置モニタ用電極１８１Ｒ，１８２Ｒに誘起される電圧に応じた信号が位置検出回路５１に入力される。これ以降の動作は、実施例１と同様であるので説明は省略する。
【００３８】
水平方向チューンの測定が完了したら、次に垂直方向チューンの測定を行う。本実施例では、垂直方向チューンの測定を行うために、水平方向チューンの測定を行ったときと同様の試運転を再度行う。試運転におけるビーム入射が完了したら、制御装置３は、まず切換回路２２３を制御して端子ａと端子ｃとを接続させる。端子ａと端子ｃとを接続させることによって、電源２２から出力される高周波信号は高周波印加用電極１６ｙに出力されるようになるため、垂直方向の振動振幅を増大可能となる。次に、制御装置３は、発振器２２１を制御するが、発振器２２１から出力させる高周波信号の周波数帯域は、水平方向チューンの計測の場合と同様に（数３），（数４）を用いて決定する。ただし、チューンνとして垂直方向チューンの設計値を用いて計算する。これ以降の動作は水平方向チューン計測の場合と同様であるので説明は省略する。
【００３９】
垂直方向チューンの計測をするにあたり、制御装置３は、信号処理装置５の切換回路５４を制御して端子ｅと端子ｈ，端子ｇと端子ｉをそれぞれ接続させる。これにより、位置モニタ用電極１８３Ｕ，１８４Ｕと位置モニタ用電極１８３Ｄ，１８４Ｄに誘起される電圧に応じた信号が位置検出回路５１に入力される。これ以降の動作は、水平方向チューン計測の場合と同様であるので説明は省略する。
【００４０】
このようにして、水平方向チューン及び垂直方向チューンの時系列データが得られたら、チューン演算回路５３はその時系列データを表示装置６に出力し、表示装置６はチューンの時間変化を表示画面に表示する。図８は、表示画面における表示の一例を示す。図に示すように、入力された水平方向チューンνｘの時系列データと垂直方向チューンνｙの時系列データを、偏向電磁石，四極発散電磁石及び四極収束電磁石の励磁電流やビーム電流値と共に表示画面に表示する。
【００４１】
本実施例によれば、シンクロトロン１を構成する機器のパラメータやビームのパラメータと垂直方向チューンとを同じ時間軸上に表示するため、垂直方向チューンを共鳴点から遠ざけるための制御を簡単に行うことができる。なお、この効果と共に実施例１と同様の効果を生じ得ることは言うまでもない。
（実施例３）
本発明の他の実施例である円形加速器システムについて図９及び図１０を用いて説明する。本実施例の円形加速器システムは、水平方向チューンと垂直方向チューンを同時に計測する点で実施例２と異なる。以下、実施例２と異なる点について説明する。
【００４２】
図９は、本実施例の電源２２及び高周波印加用電極１６を示す。図に示すように、本実施例の電源２２は、発振器２２１に接続された２つの増幅器２２２ａ，２２２ｂを有しており、増幅器２２２ａは高周波印加用電極１６ｘに接続され、増幅器２２２ｂは高周波印加用電極１６ｙに接続される。このような構成とすることで、発振器２２１から出力される高周波信号が高周波印加用電極１６ｘ，１６ｙの両方に同時に印加されるので、ビームの水平方向の振動振幅と垂直方向の振動振幅を同時に増大させることができる。なお、制御装置３から発振器221に指示する周波数帯域は、水平方向用の高周波電磁波に必要とされる周波数帯域と垂直方向用の高周波電磁波に必要とされる周波数帯域の両方を含む周波数帯域とする。
【００４３】
図１０は、本実施例の位置モニタ用電極１８と信号処理装置５の構成を示す。図に示すように、本実施例の信号処理装置５は、２つの位置検出回路５１ａ，５１ｂと２つのスペクトラム測定回路５２ａ，５２ｂとを有する。位置モニタ用電極１８１Ｌ,１８２Ｌ及び位置モニタ用電極１８１Ｒ,１８２Ｒから引き出された信号は位置検出回路５１ａに入力され、位置モニタ用電極１８３Ｕ，１８４Ｕ及び位置モニタ用電極１８３Ｄ，１８４Ｄから引き出された信号は位置検出回路５１ｂに入力される。位置検出回路５１ａは、入力された２つの信号の差を求め、得られた差信号をスペクトラム測定回路５２ａに出力する。スペクトラム測定回路５２ａは、差信号の周波数スペクトラムを求め、チューン演算回路５３に出力する。一方、位置検出回路５１ｂは、入力された２つの信号の差を求め、得られた差信号をスペクトラム測定回路５２ｂに出力する。スペクトラム測定回路５２ｂは、差信号の周波数スペクトラムを求め、チューン演算回路５３に出力する。チューン演算回路５３は、位置検出回路５１ａから与えられた周波数スペクトラムより水平方向チューンを演算すると共に、位置検出回路５１ｂから与えられた周波数スペクトラムより垂直方向チューンを演算して、演算した水平方向チューン及び垂直方向チューンを表示装置６に出力する。表示装置６は、実施例２と同様に各機器のパラメータと共にチューンを表示する。
【００４４】
本実施例によれば、水平方向チューン及び垂直方向チューンを同時に計測するため、試運転を２回行う必要がなく、チューン計測にかかる時間を短縮することができる。
（実施例４）
本発明の他の実施例である円形加速器システムについて図１１を用いて説明する。本実施例の円形加速器システムは、実際の運転（患者にビームを照射する）にてチューンを計測する点で実施例１と異なる。以下、実施例１と異なる点について説明する。
【００４５】
本実施例では、患者に照射するためのビームをシンクロトロン１に入射して加速する際にチューンの計測を行う。チューンの計測方法は実施例１と同様であるので、説明は省略する。本実施例の信号処理装置５は、求めたチューンの値を表示装置６に出力すると共に、制御装置３に出力する。制御装置３は、入力されたチューンの値と予めオペレータによって設定されたチューンの閾値とを比較し、信号処理装置５より与えられたチューンの値が閾値を超えている場合にはシンクロトロン１からのビームの出射を中止する。具体的には、ビーム出射用の高周波電磁場の印加を中止すると共に、駆動装置８を制御してシンクロトロン１と照射装置７との間に設けられたシャッター９を閉じさせる。シャッター９はシンクロトロン１から出射されるビームを遮断するためのものである。なお、閾値としては、患者の治療に影響を与える可能性のある値が設定される。また、制御装置３は、信号処理装置５より与えられたチューンの値が閾値を超えている場合に、表示装置６の表示画面に「チューンが所定の値から外れています」との警告を表示させる。
【００４６】
本実施例によれば、チューンが所定の値から外れたときにシンクロトロン１からのビームの出射を中止し、表示装置６に警告を表示させるので、癌治療が安全に行われる。
【００４７】
以上説明した各実施例では、癌治療を行う円形加速器システムについて説明したが、本発明は癌治療用の円形加速器システムに限らず、物理実験用の円形加速器システム等にも適用可能である。
【００４８】
なお、本発明でいうチューン測定装置とは、高周波印加用電極１６，位置モニタ用電極１８及び信号処理装置５のことである。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、チューンを共鳴点から遠ざけるための制御を簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である円形加速器システムの構成図である。
【図２】図１の位置モニタ用電極１８から得られる信号の周波数スペクトルを示す図である。
【図３】図１の電源２２及び高周波印加用電極１６の構成図である。
【図４】図１の位置モニタ用電極１８及び信号処理装置５の構成図である。
【図５】図１の表示装置６における表示画面の一例である。
【図６】本発明の他の実施例である円形加速器システムの電源２２及び高周波印加用電極１６の構成図である。
【図７】本発明の他の実施例である円形加速器システムの位置モニタ用電極１８及び信号処理装置５の構成図である。
【図８】表示装置６における表示画面の一例である。
【図９】本発明の他の実施例である円形加速器システムの電源２２及び高周波印加用電極１６の構成図である。
【図１０】本発明の他の実施例である円形加速器システムの位置モニタ用電極１８及び信号処理装置５の構成図である。
【図１１】本発明の他の実施例である円形加速器システムの構成図である。
【符号の説明】
１…シンクロトロン、３…制御装置、４…前段加速器、５…信号処理装置、６…表示装置、７…照射装置、１１…入射器、１２…偏向電磁石、１３…四極電磁石、１４…高周波加速空胴、１５…六極電磁石、１６…高周波印加用電極、１７…出射器、１８…位置モニタ用電極、２１，２２…電源。
【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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