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圓形加速器、及圓形加速器的運行方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210023337.5

申請日:

2012.01.16

公開號:

CN102762023B

公開日:

2015.01.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H05H 13/04申請日:20120116|||公開
IPC分類號: H05H13/04 主分類號: H05H13/04
申請人: 三菱電機株式會社
發明人: 春名延是; 吉田克久; 池田昌廣; 菅原賢悟; 田中博文
地址: 日本東京
優先權: 2011.04.28 JP 2011-100987
專利代理機構: 上海專利商標事務所有限公司 31100 代理人: 張鑫
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210023337.5

授權公告號:

102762023B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.21|||2012.12.26|||2012.10.31

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供能穩定進行控制、調整簡單、調整時間較短的圓形加速器。包括:目標電流值存儲器,該目標電流值存儲器存儲從射出裝置射出的帶電粒子的粒子束電流的目標電流值;以及頻率決定部,該頻率決定部基于粒子束電流檢測器的檢測信號與存儲于目標電流值存儲器的目標電流值之間的誤差信號來進行反饋控制,從而求出頻率變化率,并根據該求出的頻率變化率和當前的頻率,來決定下一個頻率,將該頻率決定部所決定的下一個頻率存儲于頻率存儲器,并使高頻產生裝置產生所決定的下一個頻率的高頻。

權利要求書

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行加速;高頻產生裝置,該高頻產生裝置對該高頻加
速空洞輸出高頻;高頻控制裝置,該高頻控制裝置對該高頻產生裝置所產
生的高頻進行控制;區域分割裝置,該區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加速豈蕩分割成穩定區域和共振區域;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
器,該粒子束電流檢測器對由該射出裝置射出后的帶電粒子的粒子束電流
進行檢測,其特征在于,
在所述圓形加速器中,所述高頻控制裝置包括:
目標電流值存儲器,該目標電流值存儲器存儲從所述射出裝置射出的
帶電粒子的粒子束電流的目標電流值;以及
頻率決定部,該頻率決定部利用反饋控制,來求出頻率變化率,并根
據該求出的頻率變化率和當前的頻率,來決定下一個頻率,所述反饋控制
基于所述粒子束電流檢測器的檢測信號與存儲于所述目標電流值存儲器的
目標電流值之間的誤差信號,
將該頻率決定部所決定的下一個頻率存儲于頻率存儲器,并使所述高
頻產生裝置產生所述所決定的下一個頻率的高頻。
2.如權利要求1所述的圓形加速器,其特征在于,包括:
頻率變化率設定值存儲器,該頻率變化率設定值存儲器為了利用所述
射出裝置將所述目標電流值的所述帶電粒子射出,將使所述高頻產生裝置
所產生的高頻的頻率發生變化的比例、即頻率變化率作為時間序列數據來
進行存儲,
所述頻率決定部包括:
頻率變化率修正值運算器,該頻率變化率修正值運算器對所述粒子束
電流檢測器的檢測信號與存儲于所述目標電流值存儲器的目標電流值之間
的誤差信號進行運算,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
值運算器所決定的頻率變化率修正值,來修正存儲于所述頻率變化率設定
值存儲器的頻率變化率,并求出頻率變化率。
3.如權利要求1所述的圓形加速器,其特征在于,
所述高頻控制裝置包括:
頻率設定值存儲器,該頻率設定值存儲器存儲預先決定的頻率;以及
切換開關,該切換開關將由所述頻率決定部所決定的頻率、與存儲于
所述頻率設定值存儲器的頻率進行切換,
所述高頻產生裝置產生由所述切換開關進行了切換的頻率的高頻。
4.如權利要求3所述的圓形加速器,其特征在于,
所述切換開關在從射出所述帶電粒子束開始經過規定時間后,從存儲
于所述頻率設定值存儲器的頻率切換成由所述頻率決定部所決定的頻率。
5.如權利要求3所述的圓形加速器,其特征在于,
所述切換開關基于所述粒子束電流檢測器的檢測信號,將存儲于所述
頻率設定值存儲器的頻率、與由所述頻率決定部所決定的頻率進行切換。
6.如權利要求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所述圓形加速器內部的殘留粒子束電流的殘
留粒子束電流監視器,所述切換開關基于所述殘留粒子束電流監視器的檢
測信號,將存儲于所述頻率設定值存儲器的頻率、與由所述頻率決定部所
決定的頻率進行切換。
7.如權利要求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于所述頻率變化率設定值存儲器。
8.如權利要求1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
前的頻率,來求出由所述高頻產生裝置所產生的高頻的電壓值,并將所求
出的該電壓值傳送至所述高頻產生裝置。
9.如權利要求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,該頻率比較器將預先決定的最終
到達頻率的值進行保持,在判斷為由所述頻率控制器所決定的頻率達到了
所述最終到達頻率的情況下,將信號傳送至所述切換開關。
10.如權利要求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定值存儲器,該增益設定值存儲器存儲
預先設定的、從開始射出起每隔一定時間的增益值,所述高頻控制裝置根
據從所述增益設定值存儲器所讀出的增益值,來設定所述頻率變化率修正
值運算器的增益。
11.一種圓形加速器的運行方法,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行加速;高頻產生裝置,
該高頻產生裝置對該高頻加速空洞輸出高頻;區域分割裝置,該區域分割
裝置將沿所述回旋軌道回旋的帶電粒子的電子感應加速豈蕩分割成穩定區
域和共振區域;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器,該粒子束電流檢測器對從該射出裝置射出
后的帶電粒子的粒子束電流進行檢測,其特征在于,在所述圓形加速器的
運行方法中,
利用反饋控制,來求出頻率變化率,根據該求出的頻率變化率和當前
的頻率,來決定所述高頻產生裝置所產生的下一個頻率,以進行運行,所
述反饋控制基于所述粒子束電流檢測器的檢測信號與預先決定的目標電流
值之間的誤差信號。
12.如權利要求11所述的圓形加速器的運行方法,其特征在于,
利用反饋控制,對為了利用所述射出裝置射出所述目標電流值的所述
帶電粒子而預先決定的頻率變化率進行修正,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器的檢測信號與預先決定的目標電流
值之間的誤差信號。
13.如權利要求12所述的圓形加速器的運行方法,其特征在于,
將所求出的所述頻率變化率作為從開始射出起的時間序列數據來進行
存儲,在其他的加速后的射出時,將所述預先決定的頻率變化率替換成所
述所求出的頻率變化率,以進行運行。
14.如權利要求11所述的圓形加速器的運行方法,其特征在于,
使所述目標電流值按時間序列變化。

說明書

圓形加速器、及圓形加速器的運行方法

技術領域

本發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行加速,并取出被加速的帶電粒子。

背景技術

將同步加速器用于以下物理實驗或癌癥治療等醫療用途: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,用粒子束輸送系統輸送呈束狀的帶電粒子(也稱為帶電粒子
束、粒子射線),對所希望的對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時間回旋的真空導管;用于控制回旋軌道或帶
電粒子束尺寸的產生致偏磁場或聚束磁場的電磁鐵組;以與回旋周期同步
的高頻電壓(也稱為加速電壓)將粒子束進行加速的高頻加速空洞;對施加于
高頻加速空洞的高頻電壓進行控制的高頻產生裝置;將帶電粒子導入真空
導管的射入裝置;以及將帶電粒子取出至圓形加速器外的射出裝置。在上
述構成要素中,高頻產生裝置包括:產生加速電壓的高頻源;對該高頻的
頻率、電壓進行控制的高頻控制裝置;以及將所產生的高頻進行放大的放
大器。

圓形加速器的運行包括射入、加速、及射出。高頻產生裝置對高頻加
速空洞施加加速電壓,從而對在時間上均勻分布的射入粒子束在穩定加速
區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,高頻產生裝置根據由用于形成帶
電粒子的回旋軌道的致偏電磁鐵所產生的致偏磁場強度,來對加速電壓頻
率進行控制。最后,利用射出用磁體使加速至目標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計軌道為中心,一邊進行電子感
應加速豈蕩(ベ一タトロン振動:Betatron?Oscillation),一邊進行回旋。此
時,存在被稱為分界面的穩定界限,穩定界限內、即穩定區域的帶電粒子
進行穩定的回旋,但超出穩定區域的帶電粒子具有振動振幅增加而發生發
散的特性。為了利用該特性來射出帶電粒子,在現有的圓形加速器中,使
用四極電磁鐵,使表示加速器每一周的電子感應加速頻率的自由振蕩頻率
接近整數±1/3,將六極電磁鐵進行勵磁(三次共振)等。

提出有以下方式:即,在射出時,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生變化,從而使作為回旋的帶電粒子團的帶電
粒子束的中心動量發生位移,使電子感應加速豈蕩的穩定區域變窄,并進
行射出(例如專利文獻1)。在該方法中,為了根據動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生變化,一邊將粒子束
進行射出。

另外,還提出有以下方法:即,除了高頻加速空洞以外,還包括產生
高頻電壓的電極,利用該電極間所產生的電場,保持分界面(電子感應加速
豈蕩的穩定區域與共振區域之間的邊界)一定而增大電子感應加速豈蕩的
振幅,不使中心動量發生位移,將粒子束從穩定區域逐出至共振區域,從
而進行射出(RF逐出法,專利文獻2)。在該方法中,由于不使中心動量發生
位移,因此,使具有中心動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包含與電子感應加速頻率同步的頻率分量。此
時,考慮到嚴格來講粒子的自由振蕩頻率具有連續的部分,通過增大頻帶,
能更有效地進行射出。

近年來,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、且無需對每位患者使用治療輔助工具的掃描照射法。在掃
描照射中,一般利用照射系統的兩個雙極電磁鐵將粒子束進行二維掃描,
并調整能量,從而也沿深度方向進行掃描,以對目標部位進行照射。在原
則上不停地持續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,需要在時間上具有較高的穩定性的照射粒子束電流強度。由于穩定
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
短照射時間。

專利文獻1:日本專利特開2003-086399號公報

專利文獻2:日本專利特開平5-198397號公報

發明內容

專利文獻1的射出方法具有無需射出專用的高頻電極的特長。然而,在
掃描照射法中,在考慮到為了縮短照射時間而提高照射粒子束電流強度的
時間穩定性、或為此而進行的調整的容易性的情況下,存在以下的問題。
所射出的粒子束反映出橫向(相對于粒子束的前進方向的垂直的方向)的相
位平面上的粒子分布、或縱向(粒子束前進方向)的高頻穩相區(RF?bucket)
內部的粒子分布。因此,在想要提高照射粒子束電流的穩定性的情況下,
由于需要對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
成圓形加速器的多個電磁鐵的磁場等進行較為精密的調整,因此,存在不
容易進行調整的情況、或調整時間較長的情況。

本發明用于解決上述問題,其目的在于,提供一種提高射出粒子束電
流的時間穩定性、容易地進行調整且調整時間較短的圓形加速器。

本發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行加速;高頻產生裝置,該高頻產生裝置對該高頻
加速空洞輸出高頻;高頻控制裝置,該高頻控制裝置對該高頻產生裝置所
產生的高頻進行控制;區域分割裝置,該區域分割裝置將沿回旋軌道回旋
的帶電粒子的電子感應加速豈蕩分割成穩定區域和共振區域;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器,該粒
子束電流檢測器對由該射出裝置射出后的帶電粒子的粒子束電流進行檢
測,在所述圓形加速器中,高頻控制裝置包括:目標電流值存儲器,該目
標電流值存儲器存儲從射出裝置射出的帶電粒子的粒子束電流的目標電流
值;以及頻率決定部,該頻率決定部基于粒子束電流檢測器的檢測信號與
存儲于目標電流值存儲器的目標電流值之間的誤差信號來進行反饋控制,
從而求出頻率變化率,并根據該求出的頻率變化率和當前的頻率,來決定
下一個頻率,將該頻率決定部所決定的下一個頻率存儲于頻率存儲器,并
使高頻產生裝置產生所決定的下一個頻率的高頻。

根據本發明,能獲得控制穩定、且調整簡單的、調整時間較短的圓形
加速器。

附圖說明

圖1是詳細表示作為本發明的實施方式1的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的結構的框圖。

圖2是表示本發明的實施方式1的整個圓形加速器中的必要構成設備的
框圖。

圖3是詳細表示作為本發明的實施方式1的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的其他結構的框圖。

圖4是詳細表示作為本發明的實施方式1的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的又一其他結構的框圖。

圖5是詳細表示作為本發明的實施方式2的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的結構的框圖。

圖6是詳細表示作為本發明的實施方式3的圓形加速器主要部分的高頻
控制裝置的結構的框圖。

圖7是詳細表示作為本發明的實施方式4的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的結構的框圖。

圖8是詳細表示作為本發明的實施方式5的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的結構的框圖。

圖9是詳細表示作為本發明的實施方式6的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的結構的框圖。

圖10是詳細表示作為本發明的實施方式7的圓形加速器的主要部分的
高頻控制裝置的結構的框圖。

圖11是詳細表示作為本發明的實施方式8的圓形加速器的主要部分的
高頻控制裝置的結構的框圖。

圖12是對成為本發明基礎的同步加速器振動進行說明的圖。

圖13是對成為本發明基礎的加速中(射出中)的同步加速器振動進行說
明的圖。

圖14是對成為本發明基礎的三次共振激勵時的電子感應加速豈蕩和分
界面進行說明的圖。

圖15是對成為本發明基礎的射出中的電子感應加速豈蕩和分界面進行
說明的圖。

具體實施方式

首先,對本發明中的圓形加速器的基本理論進行描述。在圓形加速器
為利用設置于圓形加速器內的、高頻加速空洞的電場進行加速的類型的情
況下,除了相對于粒子束的前進方向正交的兩個方向的電子感應加速豈蕩
以外,粒子束還沿粒子束的前進方向進行振動,同時,使帶電粒子穩定地
進行加速。該振動被稱為同步加速器振動。使用對于所設計的、成為基準
的射出前的頻率f0和磁場強度B0的圓形加速器內部的磁場強度的偏移
ΔB/B0、以及粒子束所受到的高頻電壓的頻率的位移Δf/f0,從而利用數學式
(1)來表現正在進行同步加速器振動的帶電粒子。

[數學式1]

Δf f 0 = ( 1 γ 2 - α ) Δp p 0 + α ΔB B 0 - - - ( 1 ) ]]>

式中,

α:動量壓縮因數,軌道周長的變化相對于動量位移的比例

γ:射出時的能量除以靜態能量而得的值

f0:設計頻率

p0:設計動量

B0:設計致偏磁場

在用專利文獻1的射出方法保持致偏電磁鐵的磁場一定(ΔB=0)的情況
下,用數學式(2)來表示頻率的位移量與動量位移量之間的關系。

[數學式2]

Δf f 0 = ( 1 γ 2 - α ) Δp p 0 - - - ( 2 ) ]]>

下面進一步對從圓形加速器射出粒子束時的同步加速器振動和電子感
應加速豈蕩進行詳細說明。利用圖12,對同步加速器振動的例子進行說明。
圖12的橫軸表示粒子束的各粒子所受到的高頻電壓的相位,縱軸表示動量。
在致偏磁場一定的情況下(ΔB=0),若使高頻電壓的頻率發生變化(使上述
數學式的Δf發生變化),則由數學式(2)可知,粒子束會發生加速,動量也會
發生變化。其形態如圖13所示。

另一方面,在沿相對于粒子束的前進方向正交的方向(下面稱為橫向)
進行觀察的情況下,在將橫軸設為位置x、將縱軸設為軌道的傾斜度x’的情
況下,粒子束正進行被稱為電子感應加速豈蕩的穩定的回旋運動。在射出
時,例如在三次共振的情況下,利用圓形加速器內的六極電磁鐵激勵出三
次共振,從而將電子感應加速豈蕩分割成穩定區域和共振區域。即,如圖
14所示,在振動的穩定區域與不穩定區域的邊界上形成分界面。在這種狀
態下使高頻電壓的頻率發生變化,并使動量發生變化,從而使自由振蕩頻
率發生變化,如圖15所示,由于在射出時,以虛線三角形來表示的加速中
的分界面的區域變化成以實線來表示的三角形的區域,從而穩定區域變窄,
因此,粒子被逐出至不穩定區域。逐出至分界面外的不穩定區域的帶電粒
子的振幅會因共振而急劇增大。此時,若例如在射出用電極的位置上設置
電極,使得在圖15的斜線的位置上產生電場,則振幅增大,對到達該位置
的帶電粒子施加由電場所產生的力,從而能改變軌道。最后,利用射出用
電磁鐵使軌道產生較大彎曲,以從加速器中取出例如變更軌道至外側的帶
電粒子。

在本射出方法中,暫時將Δf設為某個值、例如設為Δf=Δf1,即,將施
加于高頻加速空洞的高頻電壓的頻率設為f+Δf1,使中心動量變化成p+Δp1,
并進行射出。之后,即使再一次將高頻電壓的頻率設定為相同的頻率f+Δf1,
但在該條件下所射出的帶電粒子都已經射出,從而除非進一步使頻率發生
變化,否則不會射出。因而,通過使頻率持續發生變化,使dp/p持續增加,
以進行射出。本發明的目的在于,在采用該射出方法的圓形加速器中,獲
得一種能較穩定地對粒子束電流強度進行控制的、容易調整的圓形加速器。

此外,作為將沿回旋軌道回旋的帶電粒子的電子感應加速豈蕩分割成
穩定區域和共振區域的區域分割的方法,除利用六極電磁鐵來激勵出三次
共振的方法以外,還有各種方法,但在本說明書中,以利用六極電磁鐵激
勵出三次共振的方法為例來進行說明。即,在本說明書中,六極電磁鐵成
為將電子感應加速豈蕩分割成穩定區域和共振區域的區域分割裝置,但該
區域分割裝置并不局限于六極電磁鐵。

實施方式1.

圖1是詳細表示作為本發明的實施方式1的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的結構的框圖,圖2是表示本實施方式1的整個圓形加速器中的
必要構成設備的框圖。由包括粒子束產生裝置的初級加速器1加速至足夠能
量的帶電粒子經射入裝置38而射入圓形加速器主體100,在圓形加速器主體
100內加速至目標能量。用圓形加速器主體100內的高頻加速空洞2對帶電粒
子進行加速。另外,在圓形加速器主體100中,設置有致偏電磁鐵3,使帶
電粒子沿回旋軌道進行回旋,從而形成帶電粒子束。對于由圓形加速器主
體100進行了加速的帶電粒子,在射出前利用六極電磁鐵4激勵出三次共振,
形成分界面,從而將電子感應加速豈蕩分割成穩定區域(分界面的內側)和共
振區域(分界面的外側)。即,六極電磁鐵4構成區域分割裝置,所述區域分
割裝置將沿回旋軌道進行回旋的帶電粒子的電子感應加速豈蕩分割成穩定
區域和共振區域。四極電磁鐵5用于對電子感應加速頻率和分界面的面積進
行調整。另外,六極電磁鐵6對色度進行調整。

在圓形加速器主體100內部,帶電粒子團具有由致偏電磁鐵3的磁場唯
一決定的中心動量,分布于該中心動量附近。此時,例如使用高頻加速空
洞2使中心動量發生位移,使電子感應加速豈蕩的穩定區域(分界面的面積)
變窄,從而將帶電粒子逐出至共振區域。若進入共振區域的帶電粒子沿x方
向的振幅因共振而增大,例如到達感覺到射出用電極7的電場的區域,則會
被由電場所產生的力引導至射出通道一側,利用射出用電磁鐵39使軌道向
圓形加速器外的方向彎曲,并進行射出。即,以射出用電極7和射出用電磁
鐵39來構成射出裝置70。

利用通常由多個輸送系統的電磁鐵組40和真空導管所構成的輸送系
統,將從圓形加速器主體100射出的帶電粒子束引導至進行運用的位置。在
圖2中,示出了將帶電粒子束運用于粒子射線治療裝置的例子,用輸送系統
將帶電粒子束引導至照射裝置50,利用照射裝置50,對患者60的患部進行
掃描和照射,即,進行掃描照射。輸出施加于高頻加速空洞2的高頻的高頻
產生裝置9將粒子束監視器8的檢測信號、即粒子束電流信號作為反饋信號,
并利用高頻控制裝置10來進行控制,所述粒子束監視器8是對由照射裝置50
所照射的帶電粒子束的電流量進行測定的粒子束電流檢測器。

接著,利用圖1,對由高頻控制裝置10所進行的粒子束電流量控制進行
說明。在本實施方式1中,將粒子束監視器8所檢測出的粒子束電流信號作
為反饋信號,以對施加于高頻加速空洞2的高頻的頻率進行反饋控制。由數
學式(1)可知,作為使動量發生位移的方法,存在使磁場發生變化的方法、
使頻率發生變化的方法、或使這兩者都發生變化的方法。由于與使高頻的
頻率發生變化相比,致偏電磁鐵3的磁場的變化的響應速度較慢,因此,對
施加于高頻加速空洞2的高頻的頻率進行控制最為有效。

這里,在圓形加速器的運行中,利用來自外部定時系統27的定時信號,
來對帶電粒子的加速、減速、射出的開始時刻和結束時刻進行控制。高頻
控制裝置10利用從定時系統27傳送來的定時信號,將與定時相對應的電壓
信號和頻率傳送至高頻產生裝置9。將電壓信號存儲于高頻電壓存儲器323,
并將該電壓信號傳送至振幅控制器12。關于頻率的控制,從定時系統27傳
送來的定時信號對切換開關26進行控制,以對控制進行切換。在除射出期
間以外的期間內,將存儲有加速等所需要的頻率的頻率設定值存儲器324的
頻率數據直接傳送至高頻產生裝置9。即,在除射出期間以外的期間內,利
用前饋控制來決定頻率。另一方面,在射出中,頻率決定部30傳送由反饋
控制來決定的頻率數據。但是,例如在射出期間內也不進行反饋控制的情
況下,或在一部分期間內不進行反饋控制等的情況下,在頻率設定值存儲
器324中有時也存儲有射出期間的頻率。

作為反饋控制系統的高頻控制裝置10具有以下結構。在例如粒子射線
治療裝置的情況下,將使用所需的、根據治療所需的照射劑量來決定的帶
電粒子的量、即粒子束電流的值作為目標電流值存儲于目標電流值存儲器
321。將為了從圓形加速器主體100取出該目標電流值的帶電粒子而使高頻
的頻率發生變化的比例、即頻率變化率存儲于頻率變化率設定值存儲器
322。通常,將存儲于該頻率變化率設定值存儲器322的頻率變化率作為從
開始射出起的時間序列的數據來進行存儲。

電流比較器15輸出用低通濾波器25對由粒子束監視器8所測得的粒子
束電流信號(反饋信號)進行濾波而得的信號、與存儲于目標電流值存儲器
321的目標電流值之間的誤差信號。在頻率變化率修正值運算器16中,對電
流比較器15的輸出、即誤差信號實施比例/積分/微分(PID)運算,以決定適
當的頻率變化率修正值。例如利用事先測得的控制系統的傳遞函數、或通
過分析,來求出用于決定適當的頻率變化率修正值的PID運算的增益。

接著,在頻率變化率修正器17中,通過對由頻率變化率修正值運算器
16所決定的頻率變化率修正值加上存儲于頻率變化率設定值存儲器322的
頻率變化率設定值,來決定頻率變化率df/dt。在乘法運算器18中,對由頻
率變化率修正器17所決定的頻率變化率df/dt乘以高頻控制裝置10的時鐘周
期Δt,以計算頻率變化值Δf。在頻率控制器19中,根據存儲于頻率存儲器
21的、當前的頻率的值,來加上由乘法運算器18所求出的頻率變化值Δf,
從而決定一個時鐘期間后、即接下來高頻產生裝置9所產生的頻率。

如上所述,在包括電流比較器15、頻率變化率修正值運算器16、頻率
變化率修正器17、乘法運算器18、以及頻率控制器19的頻率決定部30中,
基于粒子束監視器8的檢測信號與存儲于目標電流值存儲器321的目標電流
值之間的誤差信號來進行反饋控制,從而對存儲于頻率變化率設定值存儲
器322的頻率變化率進行修正,以決定頻率。

高頻信號產生器11(例如直接數字式頻率合成器)將從頻率控制器19輸
出的頻率的值作為輸入信號,以輸出所規定的頻率的高頻信號。另外,頻
率存儲器21存儲有頻率控制器19所決定的頻率。在振幅控制器12中,將從
高頻信號產生器11輸出的高頻信號的電壓設為從高頻電壓存儲器323輸出
的規定的電壓值,用高頻放大器13將所規定的電壓值的高頻信號進行放大,
并將其施加于高頻加速空洞2。用這些高頻信號產生器11、振幅控制器12、
以及高頻放大器13來構成高頻產生裝置9。

此外,由于一般在圓形加速器中將粒子加速至接近光速的速度,因此,
高頻控制裝置10要求進行1/1000秒以下的高速控制。為了實現該控制,作為
除存儲器部分以外的高頻控制裝置10,一般可以使用FPGA(現場可編程門
陣列(Field-Programmable?Gate?Array))或DSP(數字信號處理器(Digital?signal
processor))。

另外,在將本發明運用于粒子射線治療裝置的情況下,由于粒子射線
治療裝置的目的在于可靠地對患部進行粒子束照射,因此,優選為將粒子
束監視器8放置得盡可能靠近患者。另一方面,由于對高頻的頻率進行控制
的高頻控制裝置10是數字設備,因此,大多放置于較遠的地方,而不放置
于產生射線的地方。因此,存在粒子束監視器8與高頻控制裝置10之間的信
號傳輸距離為幾十m以上的情況,有可能因反饋控制的傳輸損耗或噪音所引
起的信號劣化而導致反饋控制效果下降。在這種情況下,在從粒子束監視
器8到高頻控制裝置10之間設置電光轉換裝置和光電轉換裝置,用光信號來
傳送反饋信號,從而能防止該劣化。此外,在圖1中,將來自粒子束監視器
8的信號通過低通濾波器25輸入至電流比較器15。雖然不一定需要該低通濾
波器25,但由于噪音等的反饋信號的高頻分量會成為導致反饋控制不穩定
的原因,因此,優選為使用例如使幾kHz以上的高頻信號發生衰減的低通濾
波器25。

下面說明反饋控制對于將電流控制成為目標值是有效的原因。在本射
出方法中,使中心頻率發生位移,從而使動量發生位移,將帶電粒子束從
圓形加速器主體100射出。但是,由于難以預先知曉橫向(相對于粒子束的
前進方向的垂直的方向)的相位平面上的粒子分布、或縱向(粒子束前進方向)
的高頻穩相區內部的粒子的分布,因此,很難為了進行掃描照射而射出在
時間上具有較高的穩定性的帶電粒子束。另外,由于致偏電磁鐵3的磁場會
因電源脈動等在現實中難以避免的原因而相對于時間發生擺動,因此,嚴
格來講很難將致偏電磁鐵3的磁場誤差ΔB設為0,由于這個原因,動量會發
生擺動。此外,在除致偏電磁鐵3以外的磁體、例如四極電磁鐵5中,磁場
誤差也會促使自由振蕩頻率的變化。若包含這些磁場誤差,則存在以下問
題:即,更難通過利用預先決定的Δf進行反饋控制,來對粒子束電流進行
控制。

此外,在本射出方法中,例如在嘗試進行Δf(頻率為中心頻率f0+Δf)的
反饋控制的情況下,以某個頻率進行一次射出之后,即使再一次返回相同
的頻率,也無法獲得相同程度的射出電流。這是由于以該頻率射出的帶電
粒子基本都已射出完了。嚴格來講,由于高頻穩相區內的帶電粒子正在進
行同步加速器振動,因此,即使在相同頻率下也會在一定程度上持續射出
粒子束。另外,在存在磁場誤差的情況下,除非dp/p相同,否則即使在相同
頻率下也可能會射出。由于上述原因,一般即使將為了使加速保持穩定而
進行的Δf反饋控制運用于射出粒子束電流控制,也難以控制射出粒子束電
流而使其相對于時間保持一定。

當考慮了來自同步加速器的粒子束射出的物理特性時可知,所射出的
粒子束電流量不取決于相對于中心頻率f0存在多大的頻率變化量Δf。決定此
時的射出粒子束電流量的是,當前的頻率相對于過去的頻率發生了多大的
變化、即頻率相對于時間的傾斜度(頻率變化率)。本發明人著眼于這一情況,
發現了以下結果:即,求出頻率變化率的修正值,在進行反饋控制的情況
下,只根據實時判明的頻率值、而非預先由設計而得知的f0,使用該頻率變
化率修正值,來計算下面的頻率的值,這樣做較為有效。

發現了以下結果:即,若將以上的控制用數學式來表示,則如數學式
(3)所示,在將某個時間t的頻率表示為f(t)時,通過對f(t)的時間變化率df(t)/dt
進行反饋控制,能有效地對射出粒子束電流強度進行控制。

[數學式3]

f ( t ) = f ( t - Δt ) + f · ( t ) × Δt - - - ( 3 ) ]]>

為了進行數學式(3)的控制而具備有存儲頻率的頻率存儲器21,這是本
發明的反饋控制系統的一個特征。此時,為了能設計用于射出目標電流值
的帶電粒子的頻率變化率的大致的值,預先決定頻率變化率的設定值,并
將其存儲于頻率變化率設定值存儲器322。如數學式(4)所示,若對以該頻率
變化率設定值為基礎的修正值進行反饋控制,則反饋增益較小即可,控制
更為穩定。

[數學式4]

f ( t ) = f ( t - Δt ) + ( f · 0 ( t ) + f · ( t ) ) × Δt - - - ( 4 ) ]]>

此外,數學式(3)、數學式(4)中的·表示時間微分。圖1是用于實現該
數學式(4)的結構。

另外,也可以采用直接實現數學式(3)的結構。即,采用如圖3所示的結
構。在圖3中,與圖1相同的標號表示相同或相當的部分。在圖3的結構中,
不包括圖1所示的頻率變化率設定值存儲器322。電流比較器15輸出存儲于
目標電流值存儲器321的目標電流值與由粒子束監視器8所測得的粒子束電
流信號之間的差分、即誤差信號。在頻率變化率運算器170中,根據電流比
較器15的輸出、即誤差信號,直接通過計算來求出頻率變化率。利用所求
出的頻率變化率,在乘法運算器18、頻率控制器19中,決定下一個、即一
個時鐘期間后的頻率。

此外,也可以利用圓形加速器內的殘留粒子束電流的信號,來獲得從
圓形加速器射出的粒子束電流值。作為殘留粒子束電流監視器,可以使用
例如DCCT(直流電流互感器(DC?current?transformer))。圖4是使用DCCT來作
為殘留粒子束電流監視器28的結構例。在圖4中,與圖1相同的標號表示相
同或相當的部分。由于DCCT是對圓形加速器內的殘留粒子束電流量進行測
定的監視器,因此,與圖1的粒子束監視器8不同,殘留粒子束電流值的時
間變化成為所射出的粒子束電流值。因此,使用微分運算器37。由于微分
運算器37的輸出信號成為粒子束電流值,因此,可以將該信號用作為反饋
信號。即,以殘留粒子束電流監視器28和微分運算器37來構成粒子束電流
檢測器80。

如上所述,在本發明的實施方式1的圓形加速器中,由于將由射出裝置
70所射出的帶電粒子的粒子束電流的目標電流值存儲于目標電流值存儲器
321,在頻率決定部30中,基于粒子束電流檢測器的信號與存儲于目標電流
值存儲器321的目標電流值之間的誤差信號來進行反饋控制,從而求出頻率
變化率,根據所求出的頻率變化率和當前的頻率,來決定下一個頻率,因
此,能獲得以下圓形加速器:即,控制穩定,并能以簡單的調整射出穩定
的、達到目標的粒子束電流。

實施方式2.

圖5是詳細表示作為本發明的實施方式2的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的結構的框圖。在圖5中,與圖1相同的標號表示相同或相當的
部分。在本實施方式2中,高頻控制裝置10的內部設置有參照粒子束監視器
8的信號的內部定時系統36。在實施方式1中,在圓形加速器的運行中,利
用來自外部的定時系統27的定時信號來控制加速、減速、射出的開始時刻
和結束時刻,在射出中,高頻控制裝置10對高頻產生裝置9輸出由反饋控制
所決定的頻率。

但是,若完全僅通過反饋控制來進行射出,則由于射出剛開始后幾乎
不存在被射出的帶電粒子,因此,會施加非常大的反饋增益,從而對于所
射出的粒子束電流有可能會出現過沖。雖然也可以預先將反饋增益設定得
較小,但若將增益設得過小,則粒子束電流的上升會耗費較多時間。作為
解決該問題的方法,在開始射出一定的粒子束電流之前,以使用了頻率設
定值存儲器324的數據的前饋控制來進行控制,然后切換成反饋控制,從而
能實現上升較快、且較為穩定的粒子束電流的控制。

若為了對粒子束電流進行監視和切換而將粒子束電流信號傳送一次至
高頻控制裝置10的外部的定時系統27,則有可能產生延遲。因此,在高頻
控制裝置10的內部對粒子束電流進行監視和切換,由于這樣就能更高速地
從前饋控制向反饋控制進行切換,因此較為有效。在本實施方式2中,在高
頻控制裝置10的內部,設置內部定時系統36,該內部定時系統36基于來自
粒子束監視器8的粒子束電流信號,向切換開關26發出指令,以從前饋控制
向反饋控制進行切換。由此,能進行上升較快、且較穩定的粒子束電流的
控制。

另外,在預先知道從開始射出起到開始進行反饋控制為止的最合適的
時間的情況下,在預先設定的、從開始射出起經過規定的時間之后,從前
饋控制切換至反饋控制,而非基于來自粒子束監視器8的粒子束電流信號來
從前饋控制向反饋控制進行切換,從而能高速地進行達到目標電流的控制。

此外,不言而喻,粒子束電流信號也可以使用圖4所示的由殘留粒子束
電流監視器28和微分運算器37所形成的粒子束電流檢測器80的信號。在以
下的各實施方式中也是一樣的。

實施方式3.

圖6是詳細表示作為本發明的實施方式3的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的結構的框圖。在圖6中,與圖1、圖4、以及圖5相同的標號表
示相同或相當的部分。在本實施方式3中,設置有對圓形加速器內的殘留粒
子束電流值進行測定的殘留粒子束電流監視器28。利用微分運算器37將殘
留粒子束電流監視器28的信號進行微分運算,若所求出的粒子束電流值與
由粒子束監視器8所測得的粒子束電流值不同,則可知所射出的粒子束在從
同步加速器到粒子束監視器8之間存在損耗。因此,將來自對兩者進行比較
的比較器29的信號傳送至內部定時系統36,從而能將所述信號用作為射出
停止用的信號。

此外,由于來自殘留粒子束電流監視器28的信號是圓形加速器內的殘
留粒子束電流值信號,因此,內部定時系統36也可以根據殘留粒子束電流
監視器28本身的信號來進行判斷,并在殘留粒子束較少的情況下,結束射
出。若殘留粒子束較少,則由于無論怎么進行反饋控制都無法對所射出的
粒子束電流進行控制,因此,存在以下效果:即,避免在這種情況下發生
控制不穩定的射出。

實施方式4.

圖7是詳細表示作為本發明的實施方式4的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的結構的框圖。在圖7中,與圖1相同的標號表示相同或相當的
部分。像實施方式1所說明的那樣,在本射出方法的情況下,所射出的粒子
束反映出橫向的相位平面上的粒子分布、或縱向的高頻穩相區內部的粒子
的分布,但難以預先知道這些粒子分布。由此,利用前饋控制,難以精確
地將所射出的粒子束電流值控制成目標電流值。在本發明中,由于對頻率
變化率進行反饋控制,因此,通過對動量位移率發生變化的速度進行控制,
能使射出粒子束電流保持穩定,利用反饋控制能減小因磁場變動而產生的
擾動的效果。由于其中上述效果的重復性很高,因此,先將反饋后所決定
的頻率變化率存儲于例如頻率變化率設定值存儲器322,在接下來的加速時
的射出時,不使用通過預先設計來決定的頻率變化率設定值的數據,而是
使用通過上一次的反饋控制而獲得的頻率變化率數據。在此基礎上,磁場
變動的擾動的效果能通過采用該數據的修正值從而減小反饋增益。在本實
施方式4的控制方法中,由于反饋增益較小,因此,具有進一步提高控制的
穩定性的效果。

實施方式5.

圖8是詳細表示作為本發明的實施方式5的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的結構的框圖。在圖8中,與圖1相同的標號表示相同或相當的
部分。在本實施方式5中,設置有電壓運算器34和切換開關33,所述電壓運
算器34根據當前的頻率值和用于決定下一個頻率的Δf值,來求出電壓值,
所述切換開關33用于對來自高頻電壓存儲器323的電壓值與由電壓運算器
34所求出的電壓值進行切換。在本射出方法中,由于使動量位移發生變化
(使能量增加)來進行射出,因此,最合適的電壓值時刻都在發生變化。在利
用前饋控制進行射出的情況下,由于預先知道頻率值,因此,預先知道被
加速的能量的值,其結果是,事先對最合適的電壓值進行預測,先將該電
壓值存儲于高頻電壓存儲器323,并通過前饋控制使電壓發生變化。

另一方面,在進行反饋控制的情況下,對于射出后所經過的時間,無
法事先知道精確的頻率值。在施加于高頻加速空洞2的電壓值不是最合適的
值的情況下,由于粒子會從圖13的穩相區漏出至外部(即使改變頻率也無法
使從穩相區漏出的粒子加速),因此,射出效率會下降。因而,根據當前的
頻率的值和用于決定下一個頻率值的Δf的值來進行計算,以決定下一個電
壓值。利用該計算,傳送至振幅控制器12的電壓值成為不使圖13的穩相區
(分界面的內側)的面積減小的值。這樣,當進行前饋控制時,將存儲于高頻
電壓存儲器323的電壓值傳送至高頻產生裝置9,當進行反饋控制時,利用
切換開關33進行切換,將由電壓運算器34所求出的電壓值傳送至高頻產生
裝置9。利用該結構,由于在反饋控制中也將與實際的頻率相對應的、最合
適的電壓值的高頻施加于高頻加速空洞2,因此,具有提高射出效率的效果。

實施方式6.

圖9是詳細表示作為本發明的實施方式6的圓形加速器的主要部分的高
頻控制裝置的結構的框圖。在圖9中,與圖1相同的標號表示相同或相當的
部分。在本實施方式6中,設置有頻率比較器35。在本射出方法中,將粒子
束進行加速,一邊使動量發生變化,一邊進行射出。在不進行反饋控制的
情況下,由于事先決定了頻率的值,因此,預先知道射出中所達到的能量。
由此,能預先對所想要射出的能量的范圍內的頻率變化進行設計。但是,
在進行了反饋控制的情況下,事先不知道最終所達到的頻率的值。即,無
法事先對所射出的能量范圍進行預測。因此,設置有頻率比較器35,該頻
率比較器35保持預先決定的最終所達到的頻率的值,并對該值與反饋后的
頻率的值進行比較。在利用頻率比較器35判斷為反饋后的頻率變成了最終
所達到的頻率的情況下,將停止反饋控制的反饋控制停止信號傳送至開關
26,并舍棄殘留于圓形加速器內的粒子,以進行加速的初始化。由此,能
有效地使用反饋控制,并能在所設計的能量范圍內進行射出。

實施方式7.

圖10是詳細表示作為本發明的實施方式7的圓形加速器的主要部分的
高頻控制裝置的結構的框圖。在圖10中,與圖1相同的標號表示相同或相當
的部分。在本實施方式7中,由于使頻率變化率修正運算器16的增益隨著時
間而變化,因此,設置有預先存儲增益的設定值的時間變化的增益設定值
存儲器325。在本射出方法中,受到高頻穩相區內部的粒子分布的影響很大,
另外,也受到橫向的相位平面上的粒子分布的影響。由此,適合于開始射
出后所經過的時間的反饋增益的值不同。特別是在射出后半期間,由于高
頻穩相區內的帶電粒子的一大半都被射出,因此,粒子束電流量容易下降,
反饋增益增大時控制較為有效。在本實施方式7中,從存儲有預先決定的、
從開始射出起每隔一定時間的增益的增益設定值存儲器325讀出頻率變化
率修正運算器16所使用的增益,使增益隨著開始射出后的時間段的不同而
變化,從而能更有效地進行反饋控制。

實施方式8.

圖11是詳細表示作為本發明的實施方式8的圓形加速器的主要部分的
高頻控制裝置的結構的框圖。在圖11中,與圖1相同的標號表示相同或相當
的部分。在本實施方式8中,對于圓形加速器主體100,設置有高速四極電
磁鐵41。在掃描照射中,根據帶電粒子的能量來決定進行照射的深度方向
的位置,通過照射不同能量的帶電粒子來對不同深度方向的位置進行照射。
即,通過改變能量,來照射根據每種深度而決定的照射范圍(稱為切片。但
是,嚴格來講,由于體內不均勻性和體形不同,即使以單一能量來進行照
射也無法達到完全相同的深度)。由于以圓形加速器的加速來決定被射出的
能量,因此,在利用一次的射入來進行加速的過程中,能以同一能量(同一
溢出量)進行射出。另一方面,在照射對象中,為了形成避開重要臟器的分
散區域(飛び地)等,或根據體內的運動來進行射出(例如呼吸同步照射)等,
有時需要暫時停止射出。對于停止射出,存在以下方法:即,利用定時信
號來停止反饋控制,使頻率的發生變化的方向快速倒轉,從而使射出停止。
即,在降低頻率而進行射出的情況下提高頻率。在提高頻率而進行射出的
情況下降低頻率。在利用定時信號再次開始射出之后,再次開始進行反饋
控制。然而,在這樣的方法中,由于為了停止而改變頻率,因此,還要考
慮到存在開始射出后的反饋控制變得不穩定的情況。因此,在本實施方式8
中,持續調出頻率存儲器21的值,從而不改變頻率,對電感量小而高速地
進行響應的高速四極電磁鐵41進行勵磁以使射出暫停。在這種情況下,由
于只要通過持續調出頻率存儲器21的值來保持頻率的值即可,因此,容易
進行控制。由于若能利用上述方法來實現射出的暫停、再射出,則能提高
以一次的射入來進行加速的同步加速器內的粒子束的利用率,因此,能縮
短照射時間。

另外,在掃描照射法中,一般利用照射系統的兩個雙極電磁鐵將粒子
束進行二維掃描,并再調整能量,從而也沿深度方向進行掃描,以對目標
部位進行照射。此時,每個照射部位所需要的照射量都各不相同。由于無
論粒子束的能量如何,都能運用本發明的電流調整方法,因此,根據每個
不同的能量的溢出量(將一次的射入、加速、射出所射出的粒子束電流的時
間波形稱為溢出量(spill))來改變傳送至電流比較器15的目標電流值,從而能
射出適當強度的粒子束電流。另外,即使在根據每種深度來決定的照射范
圍內,即即使在同一能量的溢出量中,根據邊緣部分或整個照射部位的形
狀,所需要的照射量也會隨著位置的不同而不同。在這種情況下,在同一
溢出量中,使傳送至電流比較器15的目標電流值按時間序列變化,從而能
以同一能量來改變粒子束電流強度。

由于若能改變粒子束電流強度,則能以較大的強度對預定照射量較大
的位置進行照射,并能以較小的強度對預定照射量較弱的位置進行照射,
因此,容易對劑量進行管理,并能縮短照射時間。此外,如實施方式2中所
說明的那樣,通過對從前饋控制切換至反饋控制的定時、以及頻率變化率
修正器17的反饋增益進行調整,能變更粒子束電流以達到目標值而不產生
波峰。

標號說明

1:初級加速器

2:高頻加速空洞

3:致偏電磁鐵

4:六極電磁鐵

7:射出用電極

8:粒子束監視器(粒子束電流檢測器)

9:高頻產生裝置

10:高頻控制裝置

15:電流比較器

16:頻率變化率修正值運算器

17:頻率變化率修正器

18:乘法運算器

19:頻率控制器

21:頻率存儲器

26:切換開關

28:殘留粒子束電流監視器

30:頻率決定部

35:頻率比較器

36:內部定時系統

37:微分運算器

70:射出裝置

80:粒子束電流檢測器

100:圓形加速器主體

321:目標電流值存儲器

322:頻率變化率設定值存儲器

323:高頻電壓存儲器

324:頻率設定值存儲器

325:增益設定值存儲器

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圓形 加速器 運行 方法
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本文標題:圓形加速器、及圓形加速器的運行方法.pdf
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