円形加速器、および円形加速器の運転方法
【課題】中心運動量の変化が少なく、また加速した粒子のほとんどを出射させることができる円形加速器を提供すること。
【解決手段】荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、荷電粒子を周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器において、高周波加速空洞内の高周波の周波数を制御する周波数制御部と偏向電磁石の磁場強度を制御する磁場制御部とを有し、高周波加速空洞内の高周波の周波数と偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させる制御を行う制御装置を備えた。
【解決手段】荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、荷電粒子を周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器において、高周波加速空洞内の高周波の周波数を制御する周波数制御部と偏向電磁石の磁場強度を制御する磁場制御部とを有し、高周波加速空洞内の高周波の周波数と偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させる制御を行う制御装置を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、荷電粒子を周回させて加速する円形加速器、特に円形加速器から荷電粒子ビームを出射する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
シンクロトロン等の円形加速器で荷電粒子を周回加速させ、その周回軌道から取り出されビーム状となった荷電粒子(荷電粒子ビーム)が、ビーム輸送系で輸送されて所望の対象物に照射される物理実験や、癌の治療などの医療用として利用されている。一般に、円形加速器中の荷電粒子は、設計軌道を中心としてベータトロン振動をしながら周回している。この際、周回する荷電粒子にはセパラトリクスと呼ばれる安定限界が存在し、安定限界内、すなわち、安定領域の荷電粒子は安定した周回を行うが、安定限界を越えた荷電粒子は振動振幅が増加して発散する性質を有する。この性質を利用して荷電粒子を出射する方法として、四極電磁石を用いて、加速器1周当たりのベータトロン振動数を表すチューンを整数±1/3に近づけ六極電磁石を励磁(3次共鳴)することにより、荷電粒子の振動振幅を大きくする方法がある。また、円形加速器の空洞の周波数を変化させることにより、周回する荷電粒子の束である荷電粒子ビームの中心運動量を変位させてベータトロン振動の安定領域を狭め、出射する方式が提案されている(例えば特許文献1)
【0003】
また、高周波電界を周回荷電粒子に与えて、ベータトロン振動の振幅を大きくし、安定限界の外に出すことにより出射する方法も提案されている。この方法では、出射開始、停止はその高周波電界をON/OFFすることにより実施されており、RFKOと呼ばれている(例えば特許文献2)。
【0004】
一方、近年癌治療に応用されている粒子線治療装置で提案されているスキャニング照射(例えば特許文献3)になると、1スポットごとの照射を管理する必要があるため、荷電
粒子ビームの粒子線強度時間波形の安定度が従来よりも強く要求される。また、癌に照射する際に、1スポットずつ照射するスポットスキャニング照射方式や、癌を一筆書きでなぞっていくラスタースキャン方式においても一筆書きできない場合など、スキャニング照射では、加速器から出射される荷電粒子ビームを一時停止・再開する必要がある。さらに、過照射をさけるためビームを切ったときの切れは高速である必要がある。また、加速器で加速された粒子を序々に出射して癌治療に用いるが、一回に加速できる粒子の数は限られている。そこで、加速した粒子をすべて癌治療に使えることが求められている。
【0005】
また、出射のさいに中心運動量が変化してしまうと、加速器とビーム照射系を結ぶビーム輸送路を荷電粒子が設計通りに通過しない、照射する際に荷電粒子が到達する深さが変わってしまうなどの問題が発生するので、中心運動量を一定に保つことが望ましい。
さらには、スキャニング照射を実現するための加速器制御として、できるだけ追加の機器を設けずに、加速に必要な機器のみでon/offが実現できる出射方式が望ましい。
【0006】
以上、円形加速器からの荷電粒子ビームをスキャニング照射に適用する場合に求められている要求を整理すると、
(1)出射される粒子線強度が安定であること。
(2)出射される荷電粒子ビーム(粒子線)がon/offできること。
(3)加速した粒子がすべて出射できること。
(4)出射される際に、中心運動量が変化しないこと。
(5)加速に必要な機器から追加機器なく、(1)〜(4)を実現できること。
以上を満足するような円形加速器が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2003−86399号公報
【特許文献2】特開平5−198397号公報
【特許文献3】特開2005−332794号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
このような要求に対して、特許文献1に示されている従来の円形加速器の出射方式では、出射のさいに中心運動量が変化してしまうため、加速器とビーム照射系を結ぶビーム輸送路を荷電粒子が設計通りに通過しないことや、照射する際に荷電粒子が到達する深さが変わってしまうといった問題点があった。また、特許文献2の方式では、加速した粒子全てを出射させることができなかった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、中心運動量の変化が少なく、また加速した粒子のほとんどを出射させることができる円形加速器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る円形加速器は、荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、荷電粒子を周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器において、高周波加速空洞内の高周波の周波数を制御する周波数制御部と偏向電磁石の磁場強度を制御する磁場制御部とを有し、高周波加速空洞内の高周波の周波数と偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させる制御を行う制御装置を備えたものである。
【発明の効果】
【0010】
この発明によれば高周波加速空洞内の高周波の周波数と偏向電磁石の磁場強度とを制御して荷電粒子ビームの中心軌道を変化させることで、出射される荷電粒子ビームの中心運動量の変化が少なく、かつ加速した粒子のほとんどを出射させることができる円形加速器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施の形態1による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施の形態1による円形加速器の加速器内の荷電粒子団の様子を示す模式図である。
【図3】本発明が適用される一例の治療装置として必要な粒子線強度の時間変化の例を示す模式図である。
【図4】本発明の実施の形態1による粒子線強度の時間変化、加速器空洞内の粒子数の時間変化、中心軌道の時間変化の例を示す模式図である。
【図5】本発明の実施の形態1による制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図6】本発明の実施の形態1による円形加速器の動作の一例をシミュレーションした結果を示す図である。
【図7】本発明の実施の形態1による円形加速器の動作の他の一例をシミュレーションした結果を示す図である。
【図8】本発明の実施の形態2による円形加速器の動作の一例を示す模式図である。
【図9】本発明の実施の形態2による円形加速器から出射される粒子線強度の時間波形の一例を示す模式図である。
【図10】本発明の実施の形態3による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。
【図11】本発明の実施の形態3による円形加速器の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図12】本発明の実施の形態4による円形加速器の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図13】本発明の実施の形態4による円形加速器の動作の一例をシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
実施の形態1.
まず本発明の基本的な理論を述べる。本発明者らは、まず、加速器内部のビームの中心軌道を変化させてビームを出射させ、その際ビームの中心運動量は変化させないことを検討した。中心軌道を変化させる手段として、加速器に必要な機器を積極的に利用することを考えると、高周波加速空洞内の高周波の周波数fと、偏向電磁石の磁場強度Bを制御することが望ましい。そこで、高周波の周波数のずれΔf/f、磁場強度のずれΔB/Bを利用することを検討した。ここで、周波数fおよび磁場強度Bは必要なビーム強度から算出される値であり、ΔfおよびΔBはビームを出射させるために中心軌道を変化させるために決定するずれ量である。ここでは、微小な変化を想定し、比較的単純な線形モデルを用いて検討を行うため、Δf/f、ΔB/Bと表現したが、一般にはfとBで制御を行う
ことも可能である。
【0013】
まず、高周波加速空洞の周波数のずれΔf/fと、偏向電磁石の磁場強度のずれΔB/Bを利用した出射方式の理論について整理する。
【数1】
【数2】
数1式と数2式は、加速器力学で本マルチビーム出射方式の原点となる基本の式である。数1式は、シンクロトロンの加速空洞内の高周波の周波数fの変化Δfと、荷電粒子ビームの中心運動量pの変化Δp、磁場強度Bの変化ΔBの関係について述べた式である。
xcは、中心軌道。
γは、出射の際のエネルギーを静止エネルギーで割り算したもの。
αは、モーメンタムコンパクションファクタ(momentum compaction factor)で、運動量に対する軌道周長の変化の割合である。
ηは、ディスパーション(dispersion)であり、運動量に対する軌道中心のずれの割合である。
【0014】
【数3】
とおく。αは加速器の電磁石設計によって変化する値であり、加速器の設計および出射エネルギーによっては、κは正にも負にもなりえる。
【0015】
簡単な代入で、数4式へ変形できる。
【数4】
これを、数5式のように行列表記することが可能である。
【数5】
【0016】
つまり、高周波加速空洞内の高周波の周波数のずれΔf/fと、偏向電磁石の磁場強度のずれΔB/Bを利用した出射を行うと、中心運動量変化率Δp/pと、中心軌道xcが同時に制御可能であることがわかる。すなわち、磁場強度と高周波加速空洞内の高周波の周波数という2個のパラメータを制御すれば、中心運動量変化率Δp/pと、中心軌道xcの2個の量を制御できる、というのが実施の形態1による本発明の本質である。特許文献1では、中心運動量を変化させて出射する技術が開示されていたが、本発明は、中心軌道xcを変化させながら、中心運動量変化率Δp/pをも制御して荷電粒子を出射させる技術である。
【0017】
数5式に着目すると、
【数6】
を満たしておけば、中心運動量変化率Δp/p=0が実現できることがわかる。
【0018】
では、次に、円形加速器から出射された荷電粒子ビームの強度、すなわち粒子線強度の時間波形と、円形加速器内の荷電粒子ビームの中心軌道xcの関係について考察する。まず、粒子線強度時間波形を考える前に、加速器内部に残っている粒子の数N(xc)を検討する。
【0019】
図2は、四極電磁石104の励磁により、加速器1周当たりのベータトロン振動数を表すチューンを整数±1/3(3次共鳴)に近づけた場合のセパラトリクス20とそのセパラトリクスを埋める粒子団の密度分布の様子を模式的に示した図である。ここでセパラトリクス20を形成する、すなわちベータトロン振動の安定領域と共鳴領域に分割するのは出射用六極電磁石102である。図2の横軸xは粒子の水平方向の位置であり、縦軸x’はx座標と粒子の進行方向との傾きである。図2(a)は●印で示す中心軌道21のx座標xc=0、すなわちビーム軌道が円形加速器の設計軌道にある場合のセパラトリクス20
を埋める粒子団の密度分布を模式的に示している。また、図2(b)は中心軌道21のx座標xc=x0≠0、すなわちビーム軌道が円形加速器の設計軌道からずれた場合のセパラトリクス20を埋める粒子団の密度分布を模式的に示している。
【0020】
図2(a)、(b)から推察されるように、元の粒子分布を、f(x、x‘)とすると、中心位置xcにおける粒子の数N(xc)は次式で書ける。
【数7】
ここで、Sは、位相空間(x−x’空間)の面積である。
ただし、ここで考えないといけないことがある。粒子団が一度、xc=x0という状態を経験すると、xc<x0となっても、粒子数は増えず、単調減少していくということである。したがって、中心位置がxcにおける粒子の数N(xc)は、単射な関数ではなく、履歴を引きずった関数となる。
【0021】
出射される粒子線強度の時間波形BS(t)は、
【数8】
で与えられる。
【0022】
円形加速器から出射した荷電粒子ビームの利用として、例えば癌治療用の粒子線治療装置を考えた場合、治療計画により加速器から出射される粒子線強度の時間変化が決まる。治療に必要な粒子線強度の時間変化は、例えば図3(a)に示すように時間により強度が変化しない矩形であったり、図3(b)に示すように時間により強度が変化する台形であったりする。それは、治療方式に依存する。
【0023】
必要とされる粒子線強度の時間変化がBS(t)のとき、必要とされる、粒子内部の粒子数の時間変化Nt(t)は、
【数9】
となる。加速器内部の粒子分布の粗密に依存して決まる
【数10】
を用いて、N(xc)=Nt(t)を解けば、加速器内部の荷電粒子ビームの中心軌道xcの時間変化xc(t)を求めることができる。その具体例を図4(a)、(b)に示す。図4は、上から必要とされる粒子線強度、すなわち円形加速器から出射されるべき粒子線強度の時間変化、その粒子線強度の時間変化を与えるために必要な加速器内部の粒子数の時間変化、その粒子数の時間変化を与えるための中心軌道xcの時間変化、を示している。図4(a)と(b)とで示すように、加速器内部の荷電粒子ビームの中心軌道xcの変化の態様を変えることで、出射される粒子線強度の時間波形を変化させることができる。また、加速器内部の粒子数は出射された粒子線強度が0となった時間に0となっており、加速器内の粒子を全て出射させることができることもわかる。
【0024】
Δp/p=0を満たすように、数5式を解けば、
【数11】
となり、上記で求めたxc(t)を用いることにより、磁場強度および周波数の制御が可能である。
【0025】
図1は、上記の基本的な技術思想を実現する円形加速器の具体的な構成、すなわち本発明の実施の形態1による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。図1において、101は荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石、102はベータトロン振動のセパラトリクスを形成する(すなわち、ベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割する)領域分割装置としての出射用六極電磁石、103はベータトロン振動数及びセパラトリクスの面積を調整するために用いる四極電磁石である。104は荷電粒子を周回軌道から取り出す出射チャネル(図示せず)の入口となる出射用静電電極、106は荷電粒子を加速する高周波加速空洞、107はクロマティシティを調整するために用いる六極電磁石である。2は、これら荷電粒子を周回軌道に沿って周回させ、出射させるための装置や機器を含めた円形加速器本体である。6は高周波加速空洞106に高周波エネルギーを与えるための高周波源、10は偏向電磁石101を励磁するための励磁電源、1はこれら高周波源6および励磁用電源10を制御するための制御装置である。また、3は、円形加速器から出射されビーム状となった荷電粒子(粒子線)、すなわち荷電粒子(粒子線)ビームを照射対象物に照射して利用するためのビーム照射系であり、例えば癌治療装置であれば、治療計画装置なども含み、制御装置1は、このビーム照射系から照射に必要な粒子線強度やon/offなどの指令を受け取る。照射系からの指令は、フィードフォーワードとフィードバックのいずれかもしくは両方である可能性がある。ただしこの制御系は加速器の制御系とは独立であることが多い。
【0026】
本実施の形態1では、上記のように、偏向電磁石の磁場強度と高周波加速空洞の周波数を制御することで、中心軌道を変化させつつ、中心運動量は変化させずに荷電粒子を出射させる。このため、制御装置1は、図5のような制御を行う。すなわち、ビーム照射系3から、例えば治療計画により必要な粒子線強度の時間波形を受け取り(ST1)、この粒子線強度の時間波形から加速器内部の粒子数の時間波形を演算する(ST2)。ステップ2(ST2)の演算により求めた加速器内部の粒子数の時間波形を用いて、数8式、数9式から中心軌道xcの時間変化を演算により求める(ST3)。ステップ3(ST3)で求めた中心軌道の時間変化を用いて、数10式により、磁場強度の変化ΔB/B、および周波数の変化Δf/fを演算により求める(ST4)。このΔB/BおよびΔf/fを、それぞれ励磁電源10および高周波源6に出力して、偏向電磁石101の磁場強度および高周波源6の周波数を変化させることにより、中心運動量の変化がない粒子線ビームを円形加速器本体2から出射させることができる。
【0027】
以下に、本実施の形態1の制御により、出射ビームとしてどのようなビームが得られるかを、シミュレーションした結果を示す。まず、中心軌道を変化させるために、高周波空
洞内の高周波の周波数をフィードフォーワード(制御装置からの指令)で変化させ、磁場強度は変化させない場合、すなわち、数6式を満足しないで周波数のみを変化させた場合のシミュレーション結果を図6に示す。図6は上から、出射される粒子線ビームの粒子線強度、フィードフォーワードで変化させる周波数変化率Δf/f、この変化により生じる中心軌道xcの変化、一番下が中心運動量の変化率Δp/pである。図6の例では、0.6秒間で、周波数を約0.35%、一様な時間変化で下げた場合を示している。その間、磁場強度は一定としている。この周波数変化により中心軌道xcは約10mm変化している。ここで、中心軌道xcが10mm変化すれば全ての粒子を出射できるように、円形加速器本体2の出射系(出射用六極電磁石102、四極電磁石103、出射用静電電極104など)を設計しておけば、約0.6秒で加速器内の粒子を全て出射できる。このとき、中心運動量pは最大で約0.05%変化している。また、粒子線強度は平坦ではなく、20%程度のリップルが乗っていることがわかる。
【0028】
次に、本発明の実施の形態1による制御を行った場合、すなわち、数6式、数10式により、周波数と磁場強度を同時に制御装置からの指令によりフィードフォーワードで変化させた場合のシミュレーション結果を図7に示す。図7の例では、0.6秒間で、周波数を約0.35%、一様な時間変化で下げた場合を示している。その間、磁場強度は数10式で演算した量で変化させている。これらの変化により、中心軌道xcは、図6の場合と同様、0.6秒間で約10mm変化している。これにより、図6で説明したのと同じように出射系を設計しておけば約0.6秒で加速器内の粒子を全て出射できる。図6と大きく異なるのは、中心運動量の変化率Δp/pであり、図7の場合、ほぼ0となっている。なお、出射ビームの粒子線強度の波形は図6の場合と大きな違いはない。
【0029】
このように、本実施の形態1の円形加速器、すなわち高周波加速空洞内の高周波の周波数を変化させて中心軌道を変化させるようにすれば、
(3)加速した粒子がすべて出射できること。
(4)出射される際に、中心運動量が変化しないこと。
(5)加速に必要な機器から追加機器がない。
という効果がある。粒子線治療装置において、中心運動量が変化してしまうと、癌の深さ方向の分布が変化してしまうため、望ましくないので、周波数とともに、偏向電磁石の磁場強度を数6式を満足するように制御することは粒子線治療装置への利用において特に有用である。
【0030】
実施の形態2.
実施の形態1では、中心運動量を変化させないで出射させることができるが、一般に偏向電磁石は応答速度が100msec程度と大きく、偏向電磁石の制御では、出射ビームのon/offを1msec程度で行うといった高速な応答は困難である。ところが、高周波の周波数は高速に応答する。応答速度は100nsec程度である。高周波の周波数の応答速度が速いことを利用すれば出射ビームの高速なon/offが可能である。
【0031】
実施の形態1では、常に、数6式を満たすことを要求したが、高速な応答が必要な部分だけは、すなわち短時間であれば数6式を満たさなくても、中心運動量の変化はさほど大きくならない。本実施の形態2はこの特徴を活用した実施の形態である。
【0032】
図8は本発明の実施の形態2による円形加速器の動作を説明する模式的なダイヤグラムであり、上段から、ビーム照射系3から指令される粒子線強度の時間波形、この粒子線強度の時間波形から演算される加速器内部の粒子数の時間変化、この加速器内部の粒子数の時間変化から演算される中心軌道の時間変化、この中心軌道の時間変化から演算される周波数変化率(Δf/f)の指令値、中心軌道の変化から演算される磁場強度変化率(ΔB/B)の指令値である。制御装置1は演算された周波数変化および磁場強度変化を指令値
として出力する。図8では、最上段に示すような粒子線強度が必要な場合に、すなわち、円形加速器本体2からビーム照射系3へ図8のようなon/offのビームを出射させる必要がある場合に、周波数、磁場強度としてどのような時間変化が必要かを示している。最上段に示すような粒子線強度が必要な場合に、偏向電磁石の励磁電流に対して図8の最上段に示すのと同じような急峻な変化の信号を入れたとしても、偏向電磁石の磁場強度は、応答時間が遅いため、入力された急峻な変化の信号と同様な急峻な磁場強度変化は作れない。したがって、磁場強度変化でon/offの出射ビームを得ようとした場合、粒子線強度のon/offの立ち上がり時間が大きくなってしまうという課題がある。
【0033】
この課題を解決するために、図8中のΔf/fの指令値の点線の波形で示すように、粒子線強度の変化の激しい部分に、あえて高速な変化波形を注入する。出射ビームをonからoffに変化させるときには、周波数を増やす方向に変化させ(κが負の場合には増やし、
κが正の場合には減らす。κの符号は加速器の設計によって変化する)。また、出射ビームをoffからonに変化させるときには、周波数を過度に減らす変化を加える。このような
周波数の変化を重畳すると、この重畳した分の中心運動量の変化は、発生してしまうが、この変化は非常に小さい。すなわち、出射ビームの中心運動量を大きく変化させずに高速にon/offの制御が可能である。このことは、on/offだけでなく、図9に示すような、出射中に強度が変化する粒子線強度の時間変化に対応した出射も可能であるということになる。治療計画によっては粒子線強度を徐々に強くしていく、あるいは徐々に弱くしてゆくことが求められるが、このような要求にも対応可能である。この具体的な一例を実施の形態3で説明する。
【0034】
実施の形態3.
実施の形態1および実施の形態2は、フィードフォーワード制御のため、加速器内部の粒子の粗密の分布をあらかじめ知っておく必要があった。加速器内部の粒子の粗密の分布は、加速方式や加速器に対する入射方式に依存してしまうため、加速毎に粗密分布を調べるのは困難であった。そこで、実施の形態3ではフィードバック制御を用いる。磁場は応答時間が遅いので、フィードバック制御をするのは適していないため、高周波加速空洞内の高周波の周波数のみフィードバック制御する構成とした。ただし、磁場強度の高速な変化を実現できる構成であれば、磁場に対してフィードバック制御を行っても良い。
加速空洞の周波数は、応答性が速いため、フィードバック制御に活用できる。ビームのon/offにかかわらず、磁場に対しては、フィードフォーワード制御として単調に変化する磁場強度を与えれば十分である。
【0035】
そこで、基本的な制御の方針としては、応答性の遅い偏向電磁石の磁場強度変化ΔB/Bは、フィードフォーワードで与えることとする。癌治療の粒子線治療装置を例にとると、治療計画より、おおよそ何msec(この時間をtendとする。)でビームを使うかが把握できるため、セパラトリクスの境界の値を、xmaxとすると、t= tendで、
xmax=−ηΔB/B
を満たすように、t= tendにおけるΔB/Bの値を決定し、その間は線形的もしくは、2次関数的に変化させる。線形もしくは、2次関数的な変化であれば、応答性の悪い偏向電磁
石でも時間的変動は可能である。仮にη=8mとし、xmax=0.02mとすると、t= tendにおいて、
ΔB/B=0.0025=0.25%
であるから、現実的に可能な範囲である。磁場強度変化を与えることで、中心運動量の変化Δp/pを抑えることが可能である。
【0036】
一方、高周波加速空洞内の高周波の周波数変化Δf/fは、応答性が速いためフィードバック制御に用いることにする。通常、加速空洞の無駄時間(遅れ時間)はアンプの応答時間を含めた評価で100nsec程度であり、十分高速に応答するため、フィードバック制御
に活用可能である。
上記をまとめると、高周波加速空洞内の高周波の周波数変化Δf/fを高速フィードバック制御することで中心軌道を制御し、ビーム照射系より求められる所望の粒子線強度時間波形にする。中心運動量変化Δp/pは、磁場のフィードフォーワード制御によって、ある範囲内(例えば、0.02%以内)に抑える。
【0037】
図10は本発明の実施の形態3による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。図10において、図1と同一符号は同一または相当する部分を示す。図10では、図1に加えて、ビーム強度をモニタするビーム強度モニタ4を設け、このビーム強度モニタ4の信号をフィードバック用の信号として制御装置1に入力している。その他は図1と同じである。なお、ビーム強度モニタ4は、図10では円形加速器本体2から出射する位置に設けているが、この位置に限らず、ビーム照射系3に設けても良く、出射されたビームの強度が測定できる位置であればどの位置に設けても良い。
【0038】
図11は制御装置1の概要を示すブロック図であり、11は周波数制御部、12は磁場制御部、13は周波数制御部内のコントローラである。磁場制御部12にはビーム照射系から必要な粒子線強度の時間波形が入力され、磁場制御部12においてあらかじめ磁場強度を変化させるためのフィードフォーワード制御の指令値を演算し、時間ごとに励磁電源10に指令値を送る。一方、周波数制御部11は、ビーム照射系3から必要な粒子線強度の時間波形、およびビーム強度モニタ4からの信号、を受け取る。ビーム強度モニタ4からの信号はリアルタイムで送られてくるので、必要な粒子線強度の時間波形から得られるその時点での粒子線強度と、ビーム強度モニタ4からの信号との差分がコントローラ13に入力されて、コントローラでフィードバック信号として、高周波源6が発生する高周波の周波数の信号が作成され、高周波源6に送られる。
【0039】
一般に制御においては、「オーバーシュート」と呼ばれる、一度目標の制御値を超えて目標値に戻る現象がある。粒子は、一度出射してしまうと、たとえ、周波数を逆向きに変化させても、加速器内部に戻らないという特徴がある。制御対象である粒子がこの特徴を持つため、オーバーシュートに対して制御が安定にならないという問題点がある。したがって、コントローラ13は、例えば、PI制御や、ローパスフィルタ付制御など、周波数の指令に対して、鈍感な制御コントローラにする必要がある。このようなフィードバック系制御を組み、磁場強度をフィードフォーワードで与えると、中心運動量の変化は、0.02%以下に抑えられることを制御シミュレーションによって確認した。
【0040】
上記では、磁場に対するフィードフォーワード機能をいれたが、加速器の周波数変化に対して、フィードフォーワード制御を加えることも可能である。例えば、同じ治療計画を繰り返すときなど、一回のフィードバック制御で得られた、磁場制御指令や、周波数制御指令を、繰り返しの際のフィードフォーワード制御に転用することも可能である。フィードフォーワード制御した結果の指令波形は、図8に近いものとなる。
【0041】
実施の形態4.
図12は、本発明の実施の形態4による円形加速器の制御装置1の概要を示すブロック図である。本実施の形態4は、実施の形態3による制御方法をさらに高精度にしたもので、粒子線強度の時間波形をより指令値に近づけ、リップルを減少させる制御を行うものである。図12において、周波数制御部11内にある、14は積分器、15はこの積分器のゲインを変化させる可変ゲイン、16はコントローラ、17はこのコントローラのゲインを変化させる可変ゲインである。コントローラ16にはローパスフィルタの機能が含まれている。
【0042】
次に、図12の制御装置1の動作を説明する。制御装置1は、出射させる粒子線強度を
制御することが目的であり、粒子線強度は加速器内部粒子の微分である。したがって、高周波加速空洞内の高周波の周波数を高速に動かしてしまうと、中心軌道が高速に移動してしまうため、内部粒子数の微分である粒子線強度は大きく変動する。このような変動を抑制するため、かなりカットオフ周波数の低いローパスフィルタが必要となる。本実施の形態4では、カットオフ周波数が例えば0.35Hzと非常に低い2次のローパスフィルタを粒子線強度平坦化のためのコントローラ16として採用した。さらに、粒子線強度のリップル低減用として積分器14を用いた。そして、ビーム出射開始時のフィードバックゲインを低めにし、ビーム出射停止時のフィードバックゲインを大きくするというように可変にすることで、ビーム出射開始時のオーバーシュート(過出射)をなくし、ビーム出射停止時の過出射を低減する。また図12では、周波数変化率Δf/fの指令値と磁場強度変化率ΔB/Bの指令値により中心軌道xcや中心運動量の変化率Δp/pを演算してモニタするようにしている。
なお、高周波源6への指令値は周波数変化率Δf/fではなく、変化量Δfであっても、その時点での周波数そのものであっても良く、同様に励磁電源10への指令値は変化量ΔBでも、その時点での磁場強度Bであっても、またそれに対応した励磁電流値であっても良い。要するに、高周波源6および励磁電源10が必要とする信号に応じた指令値を出力する構成にすれば良い。
【0043】
図13に磁場強度変化率ΔB/Bをフィードフォーワードで線形に変化させ、高周波加速空洞内の高周波の周波数変化率Δf/fを高速フィードバックさせた場合のシミュレーション結果を示す。図13は、上段より、粒子線強度の指令値および出力される粒子線強度(出力)、中心軌道xcの時間変化、中心運動量の変化率Δp/pの時間変化、制御に用いるゲインの変化、を示す。粒子線強度は、指令値通りに、on/offができており、しかも平坦となっている。また、重畳した1kHz20%のリップルは12.5%程度に低減できている。これは、制御器内部の積分器14の効果であり、積分器14のフィードバックゲインを下げるとリップルの低減効果はなくなる。このフィードバックゲインをあげていくと制御が発散するため、安定な制御の範囲では、リップル低減は12.5%までであった。また、ビー
ム出射開始時のフィードバックゲインに対し、ビーム出射停止時のフィードバックゲインを10倍に設定している。ビーム出射開始時は、20msec程度時間をかけて立ち上がっていくが、ビーム出射停止時には、500μsec程度で遮断できている。ビーム出射一時停止後、ビーム出射を再開する場合、4msec程度遅れているが、これはビームの出射を一時停止したあと中心軌道が若干内側に戻るためである。ビーム出射停止時のビーム出射を無くすという意味ではこれは安全サイドに働く。
【0044】
本制御を行った場合に、磁場強度変化のフィードフォーワード制御を行わない場合には、0.12%中心運動量が変化してしまったが、磁場強度変化をフィードフォーワードで与えることで、中心運動量変化は、図13の一点鎖線で示す横線の範囲±0.015%に抑えることができる。
【0045】
なお、実施の形態3および4では、ビーム強度モニタ4からの信号をフィードバック制御に用いるため、中心運動量の変化は完全には0にはならないが、偏向電磁石101の磁場強度をフィードフォワードで制御し、高周波加速空洞106内の高周波の周波数をフィードバックで制御しており、実施の形態1や2と同じく、磁場強度と周波数という2つのパラメータを制御している。したがって、実施の形態3および4においても、磁場強度と周波数の2つのパラメータを制御することで、中心軌道と中心運動量の2つを制御しているのは、実施の形態1や2と同じである。
また、粒子線ビームは、中心運動量によって照射対象内で停まる深さが異なるため、ビームモニタとしてこの深さをモニタし、その量をフィードバック信号とすることで、中心運動量の変化を抑える制御が可能となる。
【符号の説明】
【0046】
1:制御装置 2:円形加速器本体
3:ビーム照射系 4:ビーム強度モニタ
6:高周波源 10:励磁電源
11:周波数制御部 12:磁場制御部
13:コントローラ 14:積分回路
16:ローパスフィルタ 101:偏向電磁石
106:高周波加速空洞 102:出射用六極電磁石(領域分割装置)
【技術分野】
【0001】
この発明は、荷電粒子を周回させて加速する円形加速器、特に円形加速器から荷電粒子ビームを出射する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
シンクロトロン等の円形加速器で荷電粒子を周回加速させ、その周回軌道から取り出されビーム状となった荷電粒子(荷電粒子ビーム)が、ビーム輸送系で輸送されて所望の対象物に照射される物理実験や、癌の治療などの医療用として利用されている。一般に、円形加速器中の荷電粒子は、設計軌道を中心としてベータトロン振動をしながら周回している。この際、周回する荷電粒子にはセパラトリクスと呼ばれる安定限界が存在し、安定限界内、すなわち、安定領域の荷電粒子は安定した周回を行うが、安定限界を越えた荷電粒子は振動振幅が増加して発散する性質を有する。この性質を利用して荷電粒子を出射する方法として、四極電磁石を用いて、加速器1周当たりのベータトロン振動数を表すチューンを整数±1/3に近づけ六極電磁石を励磁(3次共鳴)することにより、荷電粒子の振動振幅を大きくする方法がある。また、円形加速器の空洞の周波数を変化させることにより、周回する荷電粒子の束である荷電粒子ビームの中心運動量を変位させてベータトロン振動の安定領域を狭め、出射する方式が提案されている(例えば特許文献1)
【0003】
また、高周波電界を周回荷電粒子に与えて、ベータトロン振動の振幅を大きくし、安定限界の外に出すことにより出射する方法も提案されている。この方法では、出射開始、停止はその高周波電界をON/OFFすることにより実施されており、RFKOと呼ばれている(例えば特許文献2)。
【0004】
一方、近年癌治療に応用されている粒子線治療装置で提案されているスキャニング照射(例えば特許文献3)になると、1スポットごとの照射を管理する必要があるため、荷電
粒子ビームの粒子線強度時間波形の安定度が従来よりも強く要求される。また、癌に照射する際に、1スポットずつ照射するスポットスキャニング照射方式や、癌を一筆書きでなぞっていくラスタースキャン方式においても一筆書きできない場合など、スキャニング照射では、加速器から出射される荷電粒子ビームを一時停止・再開する必要がある。さらに、過照射をさけるためビームを切ったときの切れは高速である必要がある。また、加速器で加速された粒子を序々に出射して癌治療に用いるが、一回に加速できる粒子の数は限られている。そこで、加速した粒子をすべて癌治療に使えることが求められている。
【0005】
また、出射のさいに中心運動量が変化してしまうと、加速器とビーム照射系を結ぶビーム輸送路を荷電粒子が設計通りに通過しない、照射する際に荷電粒子が到達する深さが変わってしまうなどの問題が発生するので、中心運動量を一定に保つことが望ましい。
さらには、スキャニング照射を実現するための加速器制御として、できるだけ追加の機器を設けずに、加速に必要な機器のみでon/offが実現できる出射方式が望ましい。
【0006】
以上、円形加速器からの荷電粒子ビームをスキャニング照射に適用する場合に求められている要求を整理すると、
(1)出射される粒子線強度が安定であること。
(2)出射される荷電粒子ビーム(粒子線)がon/offできること。
(3)加速した粒子がすべて出射できること。
(4)出射される際に、中心運動量が変化しないこと。
(5)加速に必要な機器から追加機器なく、(1)〜(4)を実現できること。
以上を満足するような円形加速器が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2003−86399号公報
【特許文献2】特開平5−198397号公報
【特許文献3】特開2005−332794号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
このような要求に対して、特許文献1に示されている従来の円形加速器の出射方式では、出射のさいに中心運動量が変化してしまうため、加速器とビーム照射系を結ぶビーム輸送路を荷電粒子が設計通りに通過しないことや、照射する際に荷電粒子が到達する深さが変わってしまうといった問題点があった。また、特許文献2の方式では、加速した粒子全てを出射させることができなかった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、中心運動量の変化が少なく、また加速した粒子のほとんどを出射させることができる円形加速器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る円形加速器は、荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、荷電粒子を周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器において、高周波加速空洞内の高周波の周波数を制御する周波数制御部と偏向電磁石の磁場強度を制御する磁場制御部とを有し、高周波加速空洞内の高周波の周波数と偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させる制御を行う制御装置を備えたものである。
【発明の効果】
【0010】
この発明によれば高周波加速空洞内の高周波の周波数と偏向電磁石の磁場強度とを制御して荷電粒子ビームの中心軌道を変化させることで、出射される荷電粒子ビームの中心運動量の変化が少なく、かつ加速した粒子のほとんどを出射させることができる円形加速器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施の形態1による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施の形態1による円形加速器の加速器内の荷電粒子団の様子を示す模式図である。
【図3】本発明が適用される一例の治療装置として必要な粒子線強度の時間変化の例を示す模式図である。
【図4】本発明の実施の形態1による粒子線強度の時間変化、加速器空洞内の粒子数の時間変化、中心軌道の時間変化の例を示す模式図である。
【図5】本発明の実施の形態1による制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図6】本発明の実施の形態1による円形加速器の動作の一例をシミュレーションした結果を示す図である。
【図7】本発明の実施の形態1による円形加速器の動作の他の一例をシミュレーションした結果を示す図である。
【図8】本発明の実施の形態2による円形加速器の動作の一例を示す模式図である。
【図9】本発明の実施の形態2による円形加速器から出射される粒子線強度の時間波形の一例を示す模式図である。
【図10】本発明の実施の形態3による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。
【図11】本発明の実施の形態3による円形加速器の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図12】本発明の実施の形態4による円形加速器の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図13】本発明の実施の形態4による円形加速器の動作の一例をシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
実施の形態1.
まず本発明の基本的な理論を述べる。本発明者らは、まず、加速器内部のビームの中心軌道を変化させてビームを出射させ、その際ビームの中心運動量は変化させないことを検討した。中心軌道を変化させる手段として、加速器に必要な機器を積極的に利用することを考えると、高周波加速空洞内の高周波の周波数fと、偏向電磁石の磁場強度Bを制御することが望ましい。そこで、高周波の周波数のずれΔf/f、磁場強度のずれΔB/Bを利用することを検討した。ここで、周波数fおよび磁場強度Bは必要なビーム強度から算出される値であり、ΔfおよびΔBはビームを出射させるために中心軌道を変化させるために決定するずれ量である。ここでは、微小な変化を想定し、比較的単純な線形モデルを用いて検討を行うため、Δf/f、ΔB/Bと表現したが、一般にはfとBで制御を行う
ことも可能である。
【0013】
まず、高周波加速空洞の周波数のずれΔf/fと、偏向電磁石の磁場強度のずれΔB/Bを利用した出射方式の理論について整理する。
【数1】
【数2】
数1式と数2式は、加速器力学で本マルチビーム出射方式の原点となる基本の式である。数1式は、シンクロトロンの加速空洞内の高周波の周波数fの変化Δfと、荷電粒子ビームの中心運動量pの変化Δp、磁場強度Bの変化ΔBの関係について述べた式である。
xcは、中心軌道。
γは、出射の際のエネルギーを静止エネルギーで割り算したもの。
αは、モーメンタムコンパクションファクタ(momentum compaction factor)で、運動量に対する軌道周長の変化の割合である。
ηは、ディスパーション(dispersion)であり、運動量に対する軌道中心のずれの割合である。
【0014】
【数3】
とおく。αは加速器の電磁石設計によって変化する値であり、加速器の設計および出射エネルギーによっては、κは正にも負にもなりえる。
【0015】
簡単な代入で、数4式へ変形できる。
【数4】
これを、数5式のように行列表記することが可能である。
【数5】
【0016】
つまり、高周波加速空洞内の高周波の周波数のずれΔf/fと、偏向電磁石の磁場強度のずれΔB/Bを利用した出射を行うと、中心運動量変化率Δp/pと、中心軌道xcが同時に制御可能であることがわかる。すなわち、磁場強度と高周波加速空洞内の高周波の周波数という2個のパラメータを制御すれば、中心運動量変化率Δp/pと、中心軌道xcの2個の量を制御できる、というのが実施の形態1による本発明の本質である。特許文献1では、中心運動量を変化させて出射する技術が開示されていたが、本発明は、中心軌道xcを変化させながら、中心運動量変化率Δp/pをも制御して荷電粒子を出射させる技術である。
【0017】
数5式に着目すると、
【数6】
を満たしておけば、中心運動量変化率Δp/p=0が実現できることがわかる。
【0018】
では、次に、円形加速器から出射された荷電粒子ビームの強度、すなわち粒子線強度の時間波形と、円形加速器内の荷電粒子ビームの中心軌道xcの関係について考察する。まず、粒子線強度時間波形を考える前に、加速器内部に残っている粒子の数N(xc)を検討する。
【0019】
図2は、四極電磁石104の励磁により、加速器1周当たりのベータトロン振動数を表すチューンを整数±1/3(3次共鳴)に近づけた場合のセパラトリクス20とそのセパラトリクスを埋める粒子団の密度分布の様子を模式的に示した図である。ここでセパラトリクス20を形成する、すなわちベータトロン振動の安定領域と共鳴領域に分割するのは出射用六極電磁石102である。図2の横軸xは粒子の水平方向の位置であり、縦軸x’はx座標と粒子の進行方向との傾きである。図2(a)は●印で示す中心軌道21のx座標xc=0、すなわちビーム軌道が円形加速器の設計軌道にある場合のセパラトリクス20
を埋める粒子団の密度分布を模式的に示している。また、図2(b)は中心軌道21のx座標xc=x0≠0、すなわちビーム軌道が円形加速器の設計軌道からずれた場合のセパラトリクス20を埋める粒子団の密度分布を模式的に示している。
【0020】
図2(a)、(b)から推察されるように、元の粒子分布を、f(x、x‘)とすると、中心位置xcにおける粒子の数N(xc)は次式で書ける。
【数7】
ここで、Sは、位相空間(x−x’空間)の面積である。
ただし、ここで考えないといけないことがある。粒子団が一度、xc=x0という状態を経験すると、xc<x0となっても、粒子数は増えず、単調減少していくということである。したがって、中心位置がxcにおける粒子の数N(xc)は、単射な関数ではなく、履歴を引きずった関数となる。
【0021】
出射される粒子線強度の時間波形BS(t)は、
【数8】
で与えられる。
【0022】
円形加速器から出射した荷電粒子ビームの利用として、例えば癌治療用の粒子線治療装置を考えた場合、治療計画により加速器から出射される粒子線強度の時間変化が決まる。治療に必要な粒子線強度の時間変化は、例えば図3(a)に示すように時間により強度が変化しない矩形であったり、図3(b)に示すように時間により強度が変化する台形であったりする。それは、治療方式に依存する。
【0023】
必要とされる粒子線強度の時間変化がBS(t)のとき、必要とされる、粒子内部の粒子数の時間変化Nt(t)は、
【数9】
となる。加速器内部の粒子分布の粗密に依存して決まる
【数10】
を用いて、N(xc)=Nt(t)を解けば、加速器内部の荷電粒子ビームの中心軌道xcの時間変化xc(t)を求めることができる。その具体例を図4(a)、(b)に示す。図4は、上から必要とされる粒子線強度、すなわち円形加速器から出射されるべき粒子線強度の時間変化、その粒子線強度の時間変化を与えるために必要な加速器内部の粒子数の時間変化、その粒子数の時間変化を与えるための中心軌道xcの時間変化、を示している。図4(a)と(b)とで示すように、加速器内部の荷電粒子ビームの中心軌道xcの変化の態様を変えることで、出射される粒子線強度の時間波形を変化させることができる。また、加速器内部の粒子数は出射された粒子線強度が0となった時間に0となっており、加速器内の粒子を全て出射させることができることもわかる。
【0024】
Δp/p=0を満たすように、数5式を解けば、
【数11】
となり、上記で求めたxc(t)を用いることにより、磁場強度および周波数の制御が可能である。
【0025】
図1は、上記の基本的な技術思想を実現する円形加速器の具体的な構成、すなわち本発明の実施の形態1による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。図1において、101は荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石、102はベータトロン振動のセパラトリクスを形成する(すなわち、ベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割する)領域分割装置としての出射用六極電磁石、103はベータトロン振動数及びセパラトリクスの面積を調整するために用いる四極電磁石である。104は荷電粒子を周回軌道から取り出す出射チャネル(図示せず)の入口となる出射用静電電極、106は荷電粒子を加速する高周波加速空洞、107はクロマティシティを調整するために用いる六極電磁石である。2は、これら荷電粒子を周回軌道に沿って周回させ、出射させるための装置や機器を含めた円形加速器本体である。6は高周波加速空洞106に高周波エネルギーを与えるための高周波源、10は偏向電磁石101を励磁するための励磁電源、1はこれら高周波源6および励磁用電源10を制御するための制御装置である。また、3は、円形加速器から出射されビーム状となった荷電粒子(粒子線)、すなわち荷電粒子(粒子線)ビームを照射対象物に照射して利用するためのビーム照射系であり、例えば癌治療装置であれば、治療計画装置なども含み、制御装置1は、このビーム照射系から照射に必要な粒子線強度やon/offなどの指令を受け取る。照射系からの指令は、フィードフォーワードとフィードバックのいずれかもしくは両方である可能性がある。ただしこの制御系は加速器の制御系とは独立であることが多い。
【0026】
本実施の形態1では、上記のように、偏向電磁石の磁場強度と高周波加速空洞の周波数を制御することで、中心軌道を変化させつつ、中心運動量は変化させずに荷電粒子を出射させる。このため、制御装置1は、図5のような制御を行う。すなわち、ビーム照射系3から、例えば治療計画により必要な粒子線強度の時間波形を受け取り(ST1)、この粒子線強度の時間波形から加速器内部の粒子数の時間波形を演算する(ST2)。ステップ2(ST2)の演算により求めた加速器内部の粒子数の時間波形を用いて、数8式、数9式から中心軌道xcの時間変化を演算により求める(ST3)。ステップ3(ST3)で求めた中心軌道の時間変化を用いて、数10式により、磁場強度の変化ΔB/B、および周波数の変化Δf/fを演算により求める(ST4)。このΔB/BおよびΔf/fを、それぞれ励磁電源10および高周波源6に出力して、偏向電磁石101の磁場強度および高周波源6の周波数を変化させることにより、中心運動量の変化がない粒子線ビームを円形加速器本体2から出射させることができる。
【0027】
以下に、本実施の形態1の制御により、出射ビームとしてどのようなビームが得られるかを、シミュレーションした結果を示す。まず、中心軌道を変化させるために、高周波空
洞内の高周波の周波数をフィードフォーワード(制御装置からの指令)で変化させ、磁場強度は変化させない場合、すなわち、数6式を満足しないで周波数のみを変化させた場合のシミュレーション結果を図6に示す。図6は上から、出射される粒子線ビームの粒子線強度、フィードフォーワードで変化させる周波数変化率Δf/f、この変化により生じる中心軌道xcの変化、一番下が中心運動量の変化率Δp/pである。図6の例では、0.6秒間で、周波数を約0.35%、一様な時間変化で下げた場合を示している。その間、磁場強度は一定としている。この周波数変化により中心軌道xcは約10mm変化している。ここで、中心軌道xcが10mm変化すれば全ての粒子を出射できるように、円形加速器本体2の出射系(出射用六極電磁石102、四極電磁石103、出射用静電電極104など)を設計しておけば、約0.6秒で加速器内の粒子を全て出射できる。このとき、中心運動量pは最大で約0.05%変化している。また、粒子線強度は平坦ではなく、20%程度のリップルが乗っていることがわかる。
【0028】
次に、本発明の実施の形態1による制御を行った場合、すなわち、数6式、数10式により、周波数と磁場強度を同時に制御装置からの指令によりフィードフォーワードで変化させた場合のシミュレーション結果を図7に示す。図7の例では、0.6秒間で、周波数を約0.35%、一様な時間変化で下げた場合を示している。その間、磁場強度は数10式で演算した量で変化させている。これらの変化により、中心軌道xcは、図6の場合と同様、0.6秒間で約10mm変化している。これにより、図6で説明したのと同じように出射系を設計しておけば約0.6秒で加速器内の粒子を全て出射できる。図6と大きく異なるのは、中心運動量の変化率Δp/pであり、図7の場合、ほぼ0となっている。なお、出射ビームの粒子線強度の波形は図6の場合と大きな違いはない。
【0029】
このように、本実施の形態1の円形加速器、すなわち高周波加速空洞内の高周波の周波数を変化させて中心軌道を変化させるようにすれば、
(3)加速した粒子がすべて出射できること。
(4)出射される際に、中心運動量が変化しないこと。
(5)加速に必要な機器から追加機器がない。
という効果がある。粒子線治療装置において、中心運動量が変化してしまうと、癌の深さ方向の分布が変化してしまうため、望ましくないので、周波数とともに、偏向電磁石の磁場強度を数6式を満足するように制御することは粒子線治療装置への利用において特に有用である。
【0030】
実施の形態2.
実施の形態1では、中心運動量を変化させないで出射させることができるが、一般に偏向電磁石は応答速度が100msec程度と大きく、偏向電磁石の制御では、出射ビームのon/offを1msec程度で行うといった高速な応答は困難である。ところが、高周波の周波数は高速に応答する。応答速度は100nsec程度である。高周波の周波数の応答速度が速いことを利用すれば出射ビームの高速なon/offが可能である。
【0031】
実施の形態1では、常に、数6式を満たすことを要求したが、高速な応答が必要な部分だけは、すなわち短時間であれば数6式を満たさなくても、中心運動量の変化はさほど大きくならない。本実施の形態2はこの特徴を活用した実施の形態である。
【0032】
図8は本発明の実施の形態2による円形加速器の動作を説明する模式的なダイヤグラムであり、上段から、ビーム照射系3から指令される粒子線強度の時間波形、この粒子線強度の時間波形から演算される加速器内部の粒子数の時間変化、この加速器内部の粒子数の時間変化から演算される中心軌道の時間変化、この中心軌道の時間変化から演算される周波数変化率(Δf/f)の指令値、中心軌道の変化から演算される磁場強度変化率(ΔB/B)の指令値である。制御装置1は演算された周波数変化および磁場強度変化を指令値
として出力する。図8では、最上段に示すような粒子線強度が必要な場合に、すなわち、円形加速器本体2からビーム照射系3へ図8のようなon/offのビームを出射させる必要がある場合に、周波数、磁場強度としてどのような時間変化が必要かを示している。最上段に示すような粒子線強度が必要な場合に、偏向電磁石の励磁電流に対して図8の最上段に示すのと同じような急峻な変化の信号を入れたとしても、偏向電磁石の磁場強度は、応答時間が遅いため、入力された急峻な変化の信号と同様な急峻な磁場強度変化は作れない。したがって、磁場強度変化でon/offの出射ビームを得ようとした場合、粒子線強度のon/offの立ち上がり時間が大きくなってしまうという課題がある。
【0033】
この課題を解決するために、図8中のΔf/fの指令値の点線の波形で示すように、粒子線強度の変化の激しい部分に、あえて高速な変化波形を注入する。出射ビームをonからoffに変化させるときには、周波数を増やす方向に変化させ(κが負の場合には増やし、
κが正の場合には減らす。κの符号は加速器の設計によって変化する)。また、出射ビームをoffからonに変化させるときには、周波数を過度に減らす変化を加える。このような
周波数の変化を重畳すると、この重畳した分の中心運動量の変化は、発生してしまうが、この変化は非常に小さい。すなわち、出射ビームの中心運動量を大きく変化させずに高速にon/offの制御が可能である。このことは、on/offだけでなく、図9に示すような、出射中に強度が変化する粒子線強度の時間変化に対応した出射も可能であるということになる。治療計画によっては粒子線強度を徐々に強くしていく、あるいは徐々に弱くしてゆくことが求められるが、このような要求にも対応可能である。この具体的な一例を実施の形態3で説明する。
【0034】
実施の形態3.
実施の形態1および実施の形態2は、フィードフォーワード制御のため、加速器内部の粒子の粗密の分布をあらかじめ知っておく必要があった。加速器内部の粒子の粗密の分布は、加速方式や加速器に対する入射方式に依存してしまうため、加速毎に粗密分布を調べるのは困難であった。そこで、実施の形態3ではフィードバック制御を用いる。磁場は応答時間が遅いので、フィードバック制御をするのは適していないため、高周波加速空洞内の高周波の周波数のみフィードバック制御する構成とした。ただし、磁場強度の高速な変化を実現できる構成であれば、磁場に対してフィードバック制御を行っても良い。
加速空洞の周波数は、応答性が速いため、フィードバック制御に活用できる。ビームのon/offにかかわらず、磁場に対しては、フィードフォーワード制御として単調に変化する磁場強度を与えれば十分である。
【0035】
そこで、基本的な制御の方針としては、応答性の遅い偏向電磁石の磁場強度変化ΔB/Bは、フィードフォーワードで与えることとする。癌治療の粒子線治療装置を例にとると、治療計画より、おおよそ何msec(この時間をtendとする。)でビームを使うかが把握できるため、セパラトリクスの境界の値を、xmaxとすると、t= tendで、
xmax=−ηΔB/B
を満たすように、t= tendにおけるΔB/Bの値を決定し、その間は線形的もしくは、2次関数的に変化させる。線形もしくは、2次関数的な変化であれば、応答性の悪い偏向電磁
石でも時間的変動は可能である。仮にη=8mとし、xmax=0.02mとすると、t= tendにおいて、
ΔB/B=0.0025=0.25%
であるから、現実的に可能な範囲である。磁場強度変化を与えることで、中心運動量の変化Δp/pを抑えることが可能である。
【0036】
一方、高周波加速空洞内の高周波の周波数変化Δf/fは、応答性が速いためフィードバック制御に用いることにする。通常、加速空洞の無駄時間(遅れ時間)はアンプの応答時間を含めた評価で100nsec程度であり、十分高速に応答するため、フィードバック制御
に活用可能である。
上記をまとめると、高周波加速空洞内の高周波の周波数変化Δf/fを高速フィードバック制御することで中心軌道を制御し、ビーム照射系より求められる所望の粒子線強度時間波形にする。中心運動量変化Δp/pは、磁場のフィードフォーワード制御によって、ある範囲内(例えば、0.02%以内)に抑える。
【0037】
図10は本発明の実施の形態3による円形加速器の概略構成を示すブロック図である。図10において、図1と同一符号は同一または相当する部分を示す。図10では、図1に加えて、ビーム強度をモニタするビーム強度モニタ4を設け、このビーム強度モニタ4の信号をフィードバック用の信号として制御装置1に入力している。その他は図1と同じである。なお、ビーム強度モニタ4は、図10では円形加速器本体2から出射する位置に設けているが、この位置に限らず、ビーム照射系3に設けても良く、出射されたビームの強度が測定できる位置であればどの位置に設けても良い。
【0038】
図11は制御装置1の概要を示すブロック図であり、11は周波数制御部、12は磁場制御部、13は周波数制御部内のコントローラである。磁場制御部12にはビーム照射系から必要な粒子線強度の時間波形が入力され、磁場制御部12においてあらかじめ磁場強度を変化させるためのフィードフォーワード制御の指令値を演算し、時間ごとに励磁電源10に指令値を送る。一方、周波数制御部11は、ビーム照射系3から必要な粒子線強度の時間波形、およびビーム強度モニタ4からの信号、を受け取る。ビーム強度モニタ4からの信号はリアルタイムで送られてくるので、必要な粒子線強度の時間波形から得られるその時点での粒子線強度と、ビーム強度モニタ4からの信号との差分がコントローラ13に入力されて、コントローラでフィードバック信号として、高周波源6が発生する高周波の周波数の信号が作成され、高周波源6に送られる。
【0039】
一般に制御においては、「オーバーシュート」と呼ばれる、一度目標の制御値を超えて目標値に戻る現象がある。粒子は、一度出射してしまうと、たとえ、周波数を逆向きに変化させても、加速器内部に戻らないという特徴がある。制御対象である粒子がこの特徴を持つため、オーバーシュートに対して制御が安定にならないという問題点がある。したがって、コントローラ13は、例えば、PI制御や、ローパスフィルタ付制御など、周波数の指令に対して、鈍感な制御コントローラにする必要がある。このようなフィードバック系制御を組み、磁場強度をフィードフォーワードで与えると、中心運動量の変化は、0.02%以下に抑えられることを制御シミュレーションによって確認した。
【0040】
上記では、磁場に対するフィードフォーワード機能をいれたが、加速器の周波数変化に対して、フィードフォーワード制御を加えることも可能である。例えば、同じ治療計画を繰り返すときなど、一回のフィードバック制御で得られた、磁場制御指令や、周波数制御指令を、繰り返しの際のフィードフォーワード制御に転用することも可能である。フィードフォーワード制御した結果の指令波形は、図8に近いものとなる。
【0041】
実施の形態4.
図12は、本発明の実施の形態4による円形加速器の制御装置1の概要を示すブロック図である。本実施の形態4は、実施の形態3による制御方法をさらに高精度にしたもので、粒子線強度の時間波形をより指令値に近づけ、リップルを減少させる制御を行うものである。図12において、周波数制御部11内にある、14は積分器、15はこの積分器のゲインを変化させる可変ゲイン、16はコントローラ、17はこのコントローラのゲインを変化させる可変ゲインである。コントローラ16にはローパスフィルタの機能が含まれている。
【0042】
次に、図12の制御装置1の動作を説明する。制御装置1は、出射させる粒子線強度を
制御することが目的であり、粒子線強度は加速器内部粒子の微分である。したがって、高周波加速空洞内の高周波の周波数を高速に動かしてしまうと、中心軌道が高速に移動してしまうため、内部粒子数の微分である粒子線強度は大きく変動する。このような変動を抑制するため、かなりカットオフ周波数の低いローパスフィルタが必要となる。本実施の形態4では、カットオフ周波数が例えば0.35Hzと非常に低い2次のローパスフィルタを粒子線強度平坦化のためのコントローラ16として採用した。さらに、粒子線強度のリップル低減用として積分器14を用いた。そして、ビーム出射開始時のフィードバックゲインを低めにし、ビーム出射停止時のフィードバックゲインを大きくするというように可変にすることで、ビーム出射開始時のオーバーシュート(過出射)をなくし、ビーム出射停止時の過出射を低減する。また図12では、周波数変化率Δf/fの指令値と磁場強度変化率ΔB/Bの指令値により中心軌道xcや中心運動量の変化率Δp/pを演算してモニタするようにしている。
なお、高周波源6への指令値は周波数変化率Δf/fではなく、変化量Δfであっても、その時点での周波数そのものであっても良く、同様に励磁電源10への指令値は変化量ΔBでも、その時点での磁場強度Bであっても、またそれに対応した励磁電流値であっても良い。要するに、高周波源6および励磁電源10が必要とする信号に応じた指令値を出力する構成にすれば良い。
【0043】
図13に磁場強度変化率ΔB/Bをフィードフォーワードで線形に変化させ、高周波加速空洞内の高周波の周波数変化率Δf/fを高速フィードバックさせた場合のシミュレーション結果を示す。図13は、上段より、粒子線強度の指令値および出力される粒子線強度(出力)、中心軌道xcの時間変化、中心運動量の変化率Δp/pの時間変化、制御に用いるゲインの変化、を示す。粒子線強度は、指令値通りに、on/offができており、しかも平坦となっている。また、重畳した1kHz20%のリップルは12.5%程度に低減できている。これは、制御器内部の積分器14の効果であり、積分器14のフィードバックゲインを下げるとリップルの低減効果はなくなる。このフィードバックゲインをあげていくと制御が発散するため、安定な制御の範囲では、リップル低減は12.5%までであった。また、ビー
ム出射開始時のフィードバックゲインに対し、ビーム出射停止時のフィードバックゲインを10倍に設定している。ビーム出射開始時は、20msec程度時間をかけて立ち上がっていくが、ビーム出射停止時には、500μsec程度で遮断できている。ビーム出射一時停止後、ビーム出射を再開する場合、4msec程度遅れているが、これはビームの出射を一時停止したあと中心軌道が若干内側に戻るためである。ビーム出射停止時のビーム出射を無くすという意味ではこれは安全サイドに働く。
【0044】
本制御を行った場合に、磁場強度変化のフィードフォーワード制御を行わない場合には、0.12%中心運動量が変化してしまったが、磁場強度変化をフィードフォーワードで与えることで、中心運動量変化は、図13の一点鎖線で示す横線の範囲±0.015%に抑えることができる。
【0045】
なお、実施の形態3および4では、ビーム強度モニタ4からの信号をフィードバック制御に用いるため、中心運動量の変化は完全には0にはならないが、偏向電磁石101の磁場強度をフィードフォワードで制御し、高周波加速空洞106内の高周波の周波数をフィードバックで制御しており、実施の形態1や2と同じく、磁場強度と周波数という2つのパラメータを制御している。したがって、実施の形態3および4においても、磁場強度と周波数の2つのパラメータを制御することで、中心軌道と中心運動量の2つを制御しているのは、実施の形態1や2と同じである。
また、粒子線ビームは、中心運動量によって照射対象内で停まる深さが異なるため、ビームモニタとしてこの深さをモニタし、その量をフィードバック信号とすることで、中心運動量の変化を抑える制御が可能となる。
【符号の説明】
【0046】
1:制御装置 2:円形加速器本体
3:ビーム照射系 4:ビーム強度モニタ
6:高周波源 10:励磁電源
11:周波数制御部 12:磁場制御部
13:コントローラ 14:積分回路
16:ローパスフィルタ 101:偏向電磁石
106:高周波加速空洞 102:出射用六極電磁石(領域分割装置)
【特許請求の範囲】
【請求項1】
荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、上記荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、上記荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、上記荷電粒子を上記周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器の運転方法において、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを変化させることにより上記荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、上記荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させるよう制御して上記円形加速器内の荷電粒子を上記円形加速器外に荷電粒子ビームとして出射させることを特徴とする円形加速器の運転方法。
【請求項2】
磁場強度の変化率をΔB/Bとし、高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化率をΔf/fとし、円形加速器のモーメンタムコンパクションファクタをαとした場合、
Δf/f=αΔB/B
の関係を満たすように、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより円形加速器内の荷電粒子ビームの中心軌道を変位させることを特徴とする請求項1に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項3】
高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化Δfに、Δfよりも高速な変化Δfhを加えることを特徴とする請求項2に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項4】
偏向電磁石の磁場強度に対してフィードフォーワード制御を行い、高周波加速空洞内の高周波の周波数に対して、円形加速器外に出射された荷電粒子ビームをモニタするビームモニタからの信号によりフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項5】
ビームモニタからの信号は荷電粒子ビームのビーム強度の信号であることを特徴とする請求項4に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項6】
円形加速器から出射される荷電粒子ビームに必要な荷電粒子ビームの時間波形から偏向電磁石の磁場強度の指令値を生成してフィードフォーワード制御することを特徴とする請求項4に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項7】
荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、上記荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、上記荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、上記荷電粒子を上記周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器において、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数を制御する周波数制御部と上記偏向電磁石の磁場強度を制御する磁場制御部とを有し、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより上記荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、上記荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させる制御を行う制御装置を備えたことを特徴とする円形加速器。
【請求項8】
磁場強度の変化率をΔB/Bとし、高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化率をΔf/fとし、円形加速器のモーメンタムコンパクションファクタをαとした場合、周波数制御部と磁場制御部は、
Δf/f=αΔB/B
の関係を満たすように、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを制御するように構成されていることを特徴とする請求項7に記載の円形加速器。
【請求項9】
周波数制御部は、高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化Δfに、Δfよりも高速な
変化Δfhを加えるように構成されていることを特徴とする請求項8に記載の円形加速器。
【請求項10】
出射装置から出射された荷電粒子ビームをモニタするビームモニタを備え、磁場制御部は偏向電磁石の磁場強度に対してフィードフォーワード制御を行い、周波数制御部は高周波加速空洞内の高周波の周波数に対して上記ビームモニタからの信号によりフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項7に記載の円形加速器。
【請求項11】
ビームモニタは荷電粒子ビームの強度をモニタするビーム強度モニタであることを特徴とする請求項10に記載の円形加速器。
【請求項12】
磁場制御部は、円形加速器から出射された荷電粒子ビームを対象物に照射するビーム照射系から、あらかじめ照射に必要な荷電粒子ビームの時間波形を受け取り、この荷電粒子ビームの時間波形から偏向電磁石の磁場強度の指令値を生成してフィードフォーワード制御することを特徴とする請求項7に記載の円形加速器。
【請求項1】
荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、上記荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、上記荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、上記荷電粒子を上記周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器の運転方法において、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを変化させることにより上記荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、上記荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させるよう制御して上記円形加速器内の荷電粒子を上記円形加速器外に荷電粒子ビームとして出射させることを特徴とする円形加速器の運転方法。
【請求項2】
磁場強度の変化率をΔB/Bとし、高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化率をΔf/fとし、円形加速器のモーメンタムコンパクションファクタをαとした場合、
Δf/f=αΔB/B
の関係を満たすように、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより円形加速器内の荷電粒子ビームの中心軌道を変位させることを特徴とする請求項1に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項3】
高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化Δfに、Δfよりも高速な変化Δfhを加えることを特徴とする請求項2に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項4】
偏向電磁石の磁場強度に対してフィードフォーワード制御を行い、高周波加速空洞内の高周波の周波数に対して、円形加速器外に出射された荷電粒子ビームをモニタするビームモニタからの信号によりフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項5】
ビームモニタからの信号は荷電粒子ビームのビーム強度の信号であることを特徴とする請求項4に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項6】
円形加速器から出射される荷電粒子ビームに必要な荷電粒子ビームの時間波形から偏向電磁石の磁場強度の指令値を生成してフィードフォーワード制御することを特徴とする請求項4に記載の円形加速器の運転方法。
【請求項7】
荷電粒子を周回軌道に沿って周回させて荷電粒子ビームを形成する偏向電磁石と、上記荷電粒子を加速するための高周波加速空洞と、上記荷電粒子のベータトロン振動を安定領域と共鳴領域に分割するための領域分割装置と、上記荷電粒子を上記周回軌道から取り出すための出射装置とを備えた円形加速器において、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数を制御する周波数制御部と上記偏向電磁石の磁場強度を制御する磁場制御部とを有し、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを制御することにより上記荷電粒子ビームの中心軌道を変位させて、上記荷電粒子を上記ベータトロン振動の上記共鳴領域に移動させる制御を行う制御装置を備えたことを特徴とする円形加速器。
【請求項8】
磁場強度の変化率をΔB/Bとし、高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化率をΔf/fとし、円形加速器のモーメンタムコンパクションファクタをαとした場合、周波数制御部と磁場制御部は、
Δf/f=αΔB/B
の関係を満たすように、上記高周波加速空洞内の高周波の周波数と上記偏向電磁石の磁場強度とを制御するように構成されていることを特徴とする請求項7に記載の円形加速器。
【請求項9】
周波数制御部は、高周波加速空洞内の高周波の周波数の変化Δfに、Δfよりも高速な
変化Δfhを加えるように構成されていることを特徴とする請求項8に記載の円形加速器。
【請求項10】
出射装置から出射された荷電粒子ビームをモニタするビームモニタを備え、磁場制御部は偏向電磁石の磁場強度に対してフィードフォーワード制御を行い、周波数制御部は高周波加速空洞内の高周波の周波数に対して上記ビームモニタからの信号によりフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項7に記載の円形加速器。
【請求項11】
ビームモニタは荷電粒子ビームの強度をモニタするビーム強度モニタであることを特徴とする請求項10に記載の円形加速器。
【請求項12】
磁場制御部は、円形加速器から出射された荷電粒子ビームを対象物に照射するビーム照射系から、あらかじめ照射に必要な荷電粒子ビームの時間波形を受け取り、この荷電粒子ビームの時間波形から偏向電磁石の磁場強度の指令値を生成してフィードフォーワード制御することを特徴とする請求項7に記載の円形加速器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【公開番号】特開2011−129353(P2011−129353A)
【公開日】平成23年6月30日(2011.6.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−286376(P2009−286376)
【出願日】平成21年12月17日(2009.12.17)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年6月30日(2011.6.30)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年12月17日(2009.12.17)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】
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