專利名稱：圓形加速器、及圓形加速器的運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圓形加速器，該圓形加速器為了用于粒子射線治療裝置等，利用高頻電壓將帶電粒子進(jìn)行加速，并取出被加速的帶電粒子。
背景技術(shù)：
將同步加速器用于以下物理實(shí)驗(yàn)或癌癥治療等醫(yī)療用途即，用同步加速器等圓形加速器使帶電粒子回旋加速，從該回旋軌道取出加速至高能量的帶電粒子，用粒子束輸送系統(tǒng)輸送呈束狀的帶電粒子(也稱為帶電粒子束、粒子射線)，對(duì)所希望的對(duì)象物照射該呈束狀的帶電粒子。同步加速器包括用于使帶電粒子束長(zhǎng)時(shí)間回旋的真空導(dǎo)管；用于控制回旋軌道或帶電粒子束尺寸的產(chǎn)生致偏磁場(chǎng)或聚束磁場(chǎng)的電磁鐵組；以與回旋周期同步的高頻電壓(也稱為加速電壓)將粒子束進(jìn)行加速的高頻加速空洞；對(duì)施加于高頻加速空洞的高頻電壓進(jìn)行控制的高頻產(chǎn)生裝置；將帶電粒子導(dǎo)入真空導(dǎo)管的射入裝置；以及將帶 電粒子取出至圓形加速器外的射出裝置。在上述構(gòu)成要素中，高頻產(chǎn)生裝置包括產(chǎn)生加速電壓的高頻源；對(duì)該高頻的頻率、電壓進(jìn)行控制的高頻控制裝置；以及將所產(chǎn)生的高頻進(jìn)行放大的放大器。圓形加速器的運(yùn)行包括射入、加速、及射出。高頻產(chǎn)生裝置對(duì)高頻加速空洞施加加速電壓，從而對(duì)在時(shí)間上均勻分布的射入粒子束在穩(wěn)定加速區(qū)域上形成粒子束的塊(聚束)。在加速中，使施加于高頻加速空洞的加速電壓的頻率增加。在作為圓形加速器的一種的同步加速器(圓形加速器除了回旋半徑一定的同步加速器以外，還有回旋半徑隨著加速而變大的回旋加速器)中，為了保持粒子束的回旋半徑一定，高頻產(chǎn)生裝置根據(jù)由用于形成帶電粒子的回旋軌道的致偏電磁鐵所產(chǎn)生的致偏磁場(chǎng)強(qiáng)度，來(lái)對(duì)加速電壓頻率進(jìn)行控制。最后，利用射出用磁體使加速至目標(biāo)能量的粒子束的軌道彎曲，并將粒子束取出至圓形加速器外。一般，圓形加速器中的帶電粒子以設(shè)計(jì)軌道為中心，一邊進(jìn)行電子感應(yīng)加速豈蕩( '一夕卜口 >振動(dòng)Betatron Oscillation), —邊進(jìn)行回旋。此時(shí),存在被稱為分界面的穩(wěn)定界限，穩(wěn)定界限內(nèi)、即穩(wěn)定區(qū)域的帶電粒子進(jìn)行穩(wěn)定的回旋，但超出穩(wěn)定區(qū)域的帶電粒子具有振動(dòng)振幅增加而發(fā)生發(fā)散的特性。為了利用該特性來(lái)射出帶電粒子，在現(xiàn)有的圓形加速器中，使用四極電磁鐵，使表示加速器每一周的電子感應(yīng)加速頻率的自由振蕩頻率接近整數(shù)±1/3，將六極電磁鐵進(jìn)行勵(lì)磁(三次共振)等。提出有以下方式即，在射出時(shí)，例如使施加于圓形加速器的高頻加速空洞的高頻電壓的頻率發(fā)生變化，從而使作為回旋的帶電粒子團(tuán)的帶電粒子束的中心動(dòng)量發(fā)生位移，使電子感應(yīng)加速豈蕩的穩(wěn)定區(qū)域變窄，并進(jìn)行射出(例如專利文獻(xiàn)I)。在該方法中，為了根據(jù)動(dòng)量的位移量將粒子束射出，一邊使高頻加速空洞的高頻電壓的頻率逐漸發(fā)生變化，一邊將粒子束進(jìn)行射出。另外，還提出有以下方法S卩，除了高頻加速空洞以外，還包括產(chǎn)生高頻電壓的電極，利用該電極間所產(chǎn)生的電場(chǎng)，保持分界面(電子感應(yīng)加速豈蕩的穩(wěn)定區(qū)域與共振區(qū)域之間的邊界)一定而增大電子感應(yīng)加速豈蕩的振幅，不使中心動(dòng)量發(fā)生位移，將粒子束從穩(wěn)定區(qū)域逐出至共振區(qū)域，從而進(jìn)行射出(RF逐出法，專利文獻(xiàn)2)。在該方法中，由于不使中心動(dòng)量發(fā)生位移，因此，使具有中心動(dòng)量的粒子的回旋頻率(中心頻率)保持一定較為理想，施加于電極的高頻信號(hào)包含與電子感應(yīng)加速頻率同步的頻率分量。此時(shí)，考慮到嚴(yán)格來(lái)講粒子的自由振蕩頻率具有連續(xù)的部分，通過(guò)增大頻帶，能更有效地進(jìn)行射出。近年來(lái)，在利用圓形加速器的粒子射線治療中，需要一種能高精度地照射癌癥部位、且無(wú)需對(duì)每位患者使用治療輔助工具的掃描照射法。在掃描照射中，一般利用照射系統(tǒng)的兩個(gè)雙極電磁鐵將粒子束進(jìn)行二維掃描，并調(diào)整能量，從而也沿深度方向進(jìn)行掃描，以對(duì)目標(biāo)部位進(jìn)行照射。在原則上不停地持續(xù)照射相同能量的粒子束的掃描照射法(光柵掃描照射)的情況下，需要在時(shí)間上具有較高的穩(wěn)定性的照射粒子束電流強(qiáng)度。由于穩(wěn)定性越高，照射劑量的管理越容易，能增加照射粒子束電流量，因此，能縮短照射時(shí)間。專利文獻(xiàn)I :日本專利特開(kāi)2003-086399號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2 日本專利特開(kāi)平5-198397號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
專利文獻(xiàn)I的射出方法具有無(wú)需射出專用的高頻電極的特長(zhǎng)。然而，在掃描照射法中，在考慮到為了縮短照射時(shí)間而提高照射粒子束電流強(qiáng)度的時(shí)間穩(wěn)定性、或?yàn)榇硕M(jìn)行的調(diào)整的容易性的情況下，存在以下的問(wèn)題。所射出的粒子束反映出橫向(相對(duì)于粒子束的前進(jìn)方向的垂直的方向)的相位平面上的粒子分布、或縱向(粒子束前進(jìn)方向)的高頻穩(wěn)相區(qū)(RF bucket)內(nèi)部的粒子分布。因此，在想要提高照射粒子束電流的穩(wěn)定性的情況下，由于需要對(duì)施加于高頻加速空洞的高頻電壓的頻率、頻率的變化速度、構(gòu)成圓形加速器的多個(gè)電磁鐵的磁場(chǎng)等進(jìn)行較為精密的調(diào)整，因此，存在不容易進(jìn)行調(diào)整的情況、或調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)的情況。本發(fā)明用于解決上述問(wèn)題，其目的在于，提供一種提高射出粒子束電流的時(shí)間穩(wěn)定性、容易地進(jìn)行調(diào)整且調(diào)整時(shí)間較短的圓形加速器。本發(fā)明所涉及的圓形加速器包括致偏電磁鐵，該致偏電磁鐵使帶電粒子沿回旋軌道回旋，從而形成帶電粒子束；高頻加速空洞，該高頻加速空洞用于將帶電粒子進(jìn)行加速；高頻產(chǎn)生裝置，該高頻產(chǎn)生裝置對(duì)該高頻加速空洞輸出高頻；高頻控制裝置，該高頻控制裝置對(duì)該高頻產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的高頻進(jìn)行控制；區(qū)域分割裝置，該區(qū)域分割裝置將沿回旋軌道回旋的帶電粒子的電子感應(yīng)加速豈蕩分割成穩(wěn)定區(qū)域和共振區(qū)域；射出裝置，該射出裝置用于從回旋軌道取出帶電粒子；以及粒子束電流檢測(cè)器，該粒子束電流檢測(cè)器對(duì)由該射出裝置射出后的帶電粒子的粒子束電流進(jìn)行檢測(cè)，在所述圓形加速器中，高頻控制裝置包括目標(biāo)電流值存儲(chǔ)器，該目標(biāo)電流值存儲(chǔ)器存儲(chǔ)從射出裝置射出的帶電粒子的粒子束電流的目標(biāo)電流值；以及頻率決定部，該頻率決定部基于粒子束電流檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)與存儲(chǔ)于目標(biāo)電流值存儲(chǔ)器的目標(biāo)電流值之間的誤差信號(hào)來(lái)進(jìn)行反饋控制，從而求出頻率變化率，并根據(jù)該求出的頻率變化率和當(dāng)前的頻率，來(lái)決定下一個(gè)頻率，將該頻率決定部所決定的下一個(gè)頻率存儲(chǔ)于頻率存儲(chǔ)器，并使高頻產(chǎn)生裝置產(chǎn)生所決定的下一個(gè)頻率的高頻。根據(jù)本發(fā)明，能獲得控制穩(wěn)定、且調(diào)整簡(jiǎn)單的、調(diào)整時(shí)間較短的圓形加速器。


圖I是詳細(xì)表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式I的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I的整個(gè)圓形加速器中的必要構(gòu)成設(shè)備的框圖。圖3是詳細(xì)表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式I的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的其他結(jié)構(gòu)的框圖。圖4是詳細(xì)表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式I的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的又一其他結(jié)構(gòu)的框圖。圖5是詳細(xì)表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式2的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖6是詳細(xì)表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式3的圓形加速器主要部分的高頻控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。圖7是詳細(xì)表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式4的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。圖8是詳細(xì)表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式5的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。圖9是詳細(xì)表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式6的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。圖10是詳細(xì)表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式7的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。圖11是詳細(xì)表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式8的圓形加速器的主要部分的高頻控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。圖12是對(duì)成為本發(fā)明基礎(chǔ)的同步加速器振動(dòng)進(jìn)行說(shuō)明的圖。圖13是對(duì)成為本發(fā)明基礎(chǔ)的加速中(射出中)的同步加速器振動(dòng)進(jìn)行說(shuō)明的圖。圖14是對(duì)成為本發(fā)明基礎(chǔ)的三次共振激勵(lì)時(shí)的電子感應(yīng)加速豈蕩和分界面進(jìn)行說(shuō)明的圖。圖15是對(duì)成為本發(fā)明基礎(chǔ)的射出中的電子感應(yīng)加速豈蕩和分界面進(jìn)行說(shuō)明的圖。
具體實(shí)施例方式首先，對(duì)本發(fā)明中的圓形加速器的基本理論進(jìn)行描述。在圓形加速器為利用設(shè)置于圓形加速器內(nèi)的、高頻加速空洞的電場(chǎng)進(jìn)行加速的類型的情況下，除了相對(duì)于粒子束的前進(jìn)方向正交的兩個(gè)方向的電子感應(yīng)加速豈蕩以外，粒子束還沿粒子束的前進(jìn)方向進(jìn)行振動(dòng)，同時(shí)，使帶電粒子穩(wěn)定地進(jìn)行加速。該振動(dòng)被稱為同步加速器振動(dòng)。使用對(duì)于所設(shè)計(jì)的、成為基準(zhǔn)的射出前的頻率fo和磁場(chǎng)強(qiáng)度Btl的圓形加速器內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度的偏移△ B/Bp以及粒子束所受到的高頻電壓的頻率的位移從而利用數(shù)學(xué)式(I)來(lái)表現(xiàn)正在進(jìn)行同步加速器振動(dòng)的帶電粒子。[數(shù)學(xué)式I]
權(quán)利要求
1.一種圓形加速器，包括致偏電磁鐵，該致偏電磁鐵使帶電粒子沿回旋軌道回旋，從而形成帶電粒子束；高頻加速空洞，該高頻加速空洞用于將所述帶電粒子進(jìn)行加速；高頻產(chǎn)生裝置，該高頻產(chǎn)生裝置對(duì)該高頻加速空洞輸出高頻；高頻控制裝置，該高頻控制裝置對(duì)該高頻產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的高頻進(jìn)行控制；區(qū)域分割裝置，該區(qū)域分割裝置將沿所述回旋軌道回旋的帶電粒子的電子感應(yīng)加速豈蕩分割成穩(wěn)定區(qū)域和共振區(qū)域；射出裝置，該射出裝置用于從所述回旋軌道取出所述帶電粒子；以及粒子束電流檢測(cè)器，該粒子束電流檢測(cè)器對(duì)由該射出裝置射出后的帶電粒子的粒子束電流進(jìn)行檢測(cè)，其特征在于， 在所述圓形加速器中，所述高頻控制裝置包括 目標(biāo)電流值存儲(chǔ)器，該目標(biāo)電流值存儲(chǔ)器存儲(chǔ)從所述射出裝置射出的帶電粒子的粒子束電流的目標(biāo)電流值；以及 頻率決定部，該頻率決定部利用反饋控制，來(lái)求出頻率變化率，并根據(jù)該求出的頻率變化率和當(dāng)前的頻率，來(lái)決定下一個(gè)頻率，所述反饋控制基于所述粒子束電流檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)與存儲(chǔ)于所述目標(biāo)電流值存儲(chǔ)器的目標(biāo)電流值之間的誤差信號(hào)， 將該頻率決定部所決定的下一個(gè)頻率存儲(chǔ)于頻率存儲(chǔ)器，并使所述高頻產(chǎn)生裝置產(chǎn)生所述所決定的下一個(gè)頻率的高頻。
2.如權(quán)利要求I所述的圓形加速器，其特征在于，包括 頻率變化率設(shè)定值存儲(chǔ)器，該頻率變化率設(shè)定值存儲(chǔ)器為了利用所述射出裝置將所述目標(biāo)電流值的所述帶電粒子射出，將使所述高頻產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的高頻的頻率發(fā)生變化的比例、即頻率變化率作為時(shí)間序列數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)， 所述頻率決定部包括 頻率變化率修正值運(yùn)算器，該頻率變化率修正值運(yùn)算器對(duì)所述粒子束電流檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)與存儲(chǔ)于所述目標(biāo)電流值存儲(chǔ)器的目標(biāo)電流值之間的誤差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，以決定頻率變化率修正值；以及 頻率變化率修正器，該頻率變化率修正器利用由所述頻率變化率修正值運(yùn)算器所決定的頻率變化率修正值，來(lái)修正存儲(chǔ)于所述頻率變化率設(shè)定值存儲(chǔ)器的頻率變化率，并求出頻率變化率。
3.如權(quán)利要求I所述的圓形加速器，其特征在于， 所述高頻控制裝置包括 頻率設(shè)定值存儲(chǔ)器，該頻率設(shè)定值存儲(chǔ)器存儲(chǔ)預(yù)先決定的頻率；以及切換開(kāi)關(guān)，該切換開(kāi)關(guān)將由所述頻率決定部所決定的頻率、與存儲(chǔ)于所述頻率設(shè)定值存儲(chǔ)器的頻率進(jìn)行切換， 所述高頻產(chǎn)生裝置產(chǎn)生由所述切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行了切換的頻率的高頻。
4.如權(quán)利要求3所述的圓形加速器，其特征在于， 所述切換開(kāi)關(guān)在從射出所述帶電粒子束開(kāi)始經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后，從存儲(chǔ)于所述頻率設(shè)定值存儲(chǔ)器的頻率切換成由所述頻率決定部所決定的頻率。
5.如權(quán)利要求3所述的圓形加速器，其特征在于， 所述切換開(kāi)關(guān)基于所述粒子束電流檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)，將存儲(chǔ)于所述頻率設(shè)定值存儲(chǔ)器的頻率、與由所述頻率決定部所決定的頻率進(jìn)行切換。
6.如權(quán)利要求3所述的圓形加速器，其特征在于，所述圓形加速器包括檢測(cè)所述圓形加速器內(nèi)部的殘留粒子束電流的殘留粒子束電流監(jiān)視器，所述切換開(kāi)關(guān)基于所述殘留粒子束電流監(jiān)視器的檢測(cè)信號(hào)，將存儲(chǔ)于所述頻率設(shè)定值存儲(chǔ)器的頻率、與由所述頻率決定部所決定的頻率進(jìn)行切換。
7.如權(quán)利要求2所述的圓形加速器，其特征在于， 將被修正后的頻率變化率存儲(chǔ)于所述頻率變化率設(shè)定值存儲(chǔ)器。
8.如權(quán)利要求I所述的圓形加速器，其特征在于， 所述高頻控制裝置基于在所述頻率決定部中所求出的頻率變化率和當(dāng)前的頻率，來(lái)求出由所述高頻產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的高頻的電壓值，并將所求出的該電壓值傳送至所述高頻產(chǎn)生裝置。
9.如權(quán)利要求3所述的圓形加速器，其特征在于， 所述高頻控制裝置包括頻率比較器，該頻率比較器將預(yù)先決定的最終到達(dá)頻率的值進(jìn)行保持，在判斷為由所述頻率控制器所決定的頻率達(dá)到了所述最終到達(dá)頻率的情況下，將信號(hào)傳送至所述切換開(kāi)關(guān)。
10.如權(quán)利要求2所述的圓形加速器，其特征在于， 所述高頻控制裝置包括增益設(shè)定值存儲(chǔ)器，該增益設(shè)定值存儲(chǔ)器存儲(chǔ)預(yù)先設(shè)定的、從開(kāi)始射出起每隔一定時(shí)間的增益值，所述高頻控制裝置根據(jù)從所述增益設(shè)定值存儲(chǔ)器所讀出的增益值，來(lái)設(shè)定所述頻率變化率修正值運(yùn)算器的增益。
11.一種圓形加速器的運(yùn)行方法，所述圓形加速器包括致偏電磁鐵，該致偏電磁鐵使帶電粒子沿回旋軌道回旋，從而形成帶電粒子束；高頻加速空洞，該高頻加速空洞用于將所述帶電粒子進(jìn)行加速；高頻產(chǎn)生裝置，該高頻產(chǎn)生裝置對(duì)該高頻加速空洞輸出高頻；區(qū)域分割裝置，該區(qū)域分割裝置將沿所述回旋軌道回旋的帶電粒子的電子感應(yīng)加速豈蕩分割成穩(wěn)定區(qū)域和共振區(qū)域；射出裝置，該射出裝置用于從所述回旋軌道取出所述帶電粒子；以及粒子束電流檢測(cè)器，該粒子束電流檢測(cè)器對(duì)從該射出裝置射出后的帶電粒子的粒子束電流進(jìn)行檢測(cè)，其特征在于，在所述圓形加速器的運(yùn)行方法中， 利用反饋控制，來(lái)求出頻率變化率，根據(jù)該求出的頻率變化率和當(dāng)前的頻率，來(lái)決定所述高頻產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的下一個(gè)頻率，以進(jìn)行運(yùn)行，所述反饋控制基于所述粒子束電流檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)與預(yù)先決定的目標(biāo)電流值之間的誤差信號(hào)。
12.如權(quán)利要求11所述的圓形加速器的運(yùn)行方法，其特征在于， 利用反饋控制，對(duì)為了利用所述射出裝置射出所述目標(biāo)電流值的所述帶電粒子而預(yù)先決定的頻率變化率進(jìn)行修正，并求出所述頻率變化率，所述反饋控制基于所述粒子束電流檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)與預(yù)先決定的目標(biāo)電流值之間的誤差信號(hào)。
13.如權(quán)利要求12所述的圓形加速器的運(yùn)行方法，其特征在于， 將所求出的所述頻率變化率作為從開(kāi)始射出起的時(shí)間序列數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)，在其他的加速后的射出時(shí)，將所述預(yù)先決定的頻率變化率替換成所述所求出的頻率變化率，以進(jìn)行運(yùn)行。
14.如權(quán)利要求11所述的圓形加速器的運(yùn)行方法，其特征在于，使所述目標(biāo)電流值按時(shí)間序列變化。
全文摘要
本發(fā)明提供能穩(wěn)定進(jìn)行控制、調(diào)整簡(jiǎn)單、調(diào)整時(shí)間較短的圓形加速器。包括目標(biāo)電流值存儲(chǔ)器，該目標(biāo)電流值存儲(chǔ)器存儲(chǔ)從射出裝置射出的帶電粒子的粒子束電流的目標(biāo)電流值；以及頻率決定部，該頻率決定部基于粒子束電流檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)與存儲(chǔ)于目標(biāo)電流值存儲(chǔ)器的目標(biāo)電流值之間的誤差信號(hào)來(lái)進(jìn)行反饋控制，從而求出頻率變化率，并根據(jù)該求出的頻率變化率和當(dāng)前的頻率，來(lái)決定下一個(gè)頻率，將該頻率決定部所決定的下一個(gè)頻率存儲(chǔ)于頻率存儲(chǔ)器，并使高頻產(chǎn)生裝置產(chǎn)生所決定的下一個(gè)頻率的高頻。
文檔編號(hào)H05H13/04GK102762023SQ20121002333
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者吉田克久, 春名延是, 池田昌廣, 田中博文, 菅原賢悟 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社