特開 2023-87587 加速器、粒子線治療システム及び制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023087587

(43)【公開日】2023-06-23

(54)【発明の名称】加速器、粒子線治療システム及び制御方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 13/02 20060101AFI20230616BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20230616BHJP

【ＦＩ】

H05H13/02

A61N5/10 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021202064

(22)【出願日】2021-12-13

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000279

【氏名又は名称】弁理士法人ウィルフォート国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】羽江 隆光

【テーマコード（参考）】

2G085

4C082

【Ｆターム（参考）】

2G085AA11

2G085BA02

2G085BA05

2G085BA13

2G085BA19

2G085CA05

2G085CA06

2G085CA13

2G085CA15

2G085CA17

2G085CA18

2G085CA24

2G085CA26

2G085EA07

4C082AC04

4C082AE01

(57)【要約】

【課題】所望のエネルギーを有する荷電粒子ビームを精度よく取り出すことが可能な加速器を提供する。
【解決手段】加速電圧計測回路１０は、加速空胴９にて励起される加速用高周波電圧を計測した計測信号として加速電圧信号Ｖ_ａｃｃを出力する。低電力高周波制御系２５は、高周波電力として、加速空胴９の共振周波数の範囲に含まれる一定周波数の制御用高周波電力を加速空胴９に入力する。低電力高周波制御系２５は、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃと制御用高周波電力との位相差が所定値以内となった場合、フィードバック制御により高周波電力として、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの周波数である加速周波数に同期した加速用高周波電力を加速空胴９に入力し、その後、加速周波数が出力周波数Ｆ_ｅｘｔに到達した場合、加速用高周波電力の加速空胴９への入力を停止する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子ビームを時間的に一定の主磁場及び加速用高周波電圧によって周回させながら加速する加速器であって、
入力された高周波電力を用いて、時間的に変化する共振周波数に応じた前記加速用高周波電圧を励起する加速空胴と、
前記加速用高周波電圧を計測した計測信号を出力する計測部と、
前記高周波電力として、前記共振周波数の範囲に含まれる一定の周波数を有する制御用高周波電力を前記加速空胴に入力し、前記計測信号と前記制御用高周波電力との位相差が所定値以内となった場合、前記高周波電力として、フィードバック制御により前記計測信号の周波数である加速周波数に同期した加速用高周波電力を前記加速空胴に入力し、前記加速周波数が要求値に到達した場合、前記加速用高周波電力の前記加速空胴への入力を停止する制御部と、を有する加速器。

【請求項2】

前記荷電粒子ビームが周回する軌道の中心は、前記主磁場が励起されている加速領域の中心からずれている、請求項１に記載の加速器。

【請求項3】

前記位相差が所定値以内になってから一定時間後に前記荷電粒子ビームは前記主磁場が励起されている加速領域に入射される、請求項１に記載の加速器。

【請求項4】

前記位相差が前記所定値以内になった後で前記周波数が所定周波数になると、前記荷電粒子ビームあ前記主磁場が励起されている加速領域に入射される、請求項１に記載の加速器。

【請求項5】

前記制御部は、位相同期回路を用いて前記高周波電力を計測した入力計測信号を前記計測信号と位相同期することで、前記加速用高周波電力を生成する、請求項１の記載の加速器。

【請求項6】

前記位相同期回路は、ＩＱ変調を用いる、請求項５に記載の加速器。

【請求項7】

前記位相同期回路は、全ての回路がデジタル回路で構成される、請求項６に記載の加速器。

【請求項8】

前記高周波電力を増幅する半導体増幅器をさらに有する、請求項１に記載の加速器。

【請求項9】

請求項１に記載の加速器と、
前記加速器から取り出した荷電粒子ビームを照射対象者に照射する照射装置と、を有する粒子線治療システム。

【請求項10】

入力された高周波電力を用いて時間的に変化する共振周波数に応じた加速用高周波電圧を励起する加速空胴を有し、時間的に一定の主磁場及び前記加速用高周波電圧によって荷電粒子ビームを周回させながら加速する加速器の制御方法であって、
前記加速用高周波電圧を計測した計測信号を出力し、
前記高周波電力として、前記共振周波数の範囲に含まれる一定周波数の制御用高周波電力を前記加速空胴に入力し、
前記計測信号と前記制御用高周波電力との位相差が所定値以内となった場合、前記高周波電力として、フィードバック制御により前記計測信号の周波数である加速周波数に同期した加速用高周波電力を前記加速空胴に入力し、
前記加速周波数が要求値に到達した場合、前記加速用高周波電力の前記加速空胴への入力を停止する、制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、加速器、粒子線治療システム及び制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

荷電粒子ビームを加速して出射する加速器として、強度が時間的に一定の主磁場の中で、周波数を時間的に変調させた加速電場を印加することで荷電粒子ビームを加速する円形加速器が注目されている。この種の円形加速器は、超電導コイルを用いて主磁場を生成することができるため、小型化及び低コスト化に有利であり、特に粒子線治療システムなどに適用されている。

【0003】

円形加速器では、荷電粒子ビームを加速するため加速用高周波電場を励起する加速空胴として同調空胴を用いることがある。この場合、加速空胴のキャパシタンス又はインダクタンスを時間的に変えることで、加速空胴の共振周波数の時間的に変調する。このとき、加速空胴に入力される高周波電力は、加速空胴と同調する（加速空胴の共振周波数と略同一の周波数を有する）必要がある。加速空胴の共振周波数を変調する技術としては、加速空胴を変調する変調器として、対向するロータ・ステータ電極対を有する回転コンデンサを加速空胴に設置する技術がある（特許文献１参照）。

【0004】

また、円形加速器としては、シンクロサイクロトロン及び特許文献１に記載の偏芯軌道型加速器が挙げられる。シンクロサイクロトロンでは、出射する荷電粒子ビームのエネルギーである出射エネルギーが固定されているため、ビームが入射されてから一定時間後に加速空胴に入力する高周波電力が遮断される。一方、特許文献２に記載の芯軌道型加速器では、出射エネルギーが可変であるため、加速空胴に入力する高周波電力を出射エネルギーに応じた適切なタイミングで遮断する必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１０/００４５２１３号明細書

【特許文献2】特開２０１９－１３３７４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

同調空胴を加速空胴として用いる加速器では、加速空胴に入力する高周波電力を加速空胴と同調させる必要があるが、加速空胴の変調パターンには、変調器の製作公差及び制御ばらつき、並びに加速空胴の温度などに応じて誤差が生じる。

【0007】

特許文献２に記載の技術では、加速用高周波電力として、プログラミングされた周波数パターン信号が高周波電力増幅器を介して加速空胴に入力されるため、変調パターンの誤差の影響を強く受けてしまい、荷電粒子ビームのエネルギーに誤差が生じしてしまう。また、特許文献１に記載の方法は、シンクロサイクロトロン向けであるため、特に偏芯軌道型加速器に適用しようとした場合、所望の出射エネルギーに応じた適切なタイミングで加速用高周波電力を遮断することができない。

【0008】

本発明の目的は、所望のエネルギーを有する荷電粒子ビームを精度良く取り出すことが可能な加速器、粒子線治療システム及び制御方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の一態様に従う加速器は、荷電粒子ビームを時間的に一定の主磁場及び加速用高周波電圧によって周回させながら加速する加速器であって、入力された高周波電力を用いて、時間的に変化する共振周波数に応じた前記加速用高周波電圧を励起する加速空胴と、前記加速用高周波電圧を計測した計測信号を出力する計測部と、前記高周波電力として、前記共振周波数の範囲に含まれる一定の周波数を有する制御用高周波電力を前記加速空胴に入力し、前記計測信号と前記制御用高周波電力との位相差が所定値以内となった場合、前記高周波電力として、フィードバック制御により前記計測信号の周波数である加速周波数に同期した加速用高周波電力を前記加速空胴に入力し、前記加速周波数が要求値に到達した場合、前記加速用高周波電力の前記加速空胴への入力を停止する制御部と、を有する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、所望のエネルギーを有する荷電粒子ビームを精度良く取り出すことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の実施例に係る円形加速器の外観例を示す斜視図である。

【図2】本開示の実施例に係る円形加速器の横断面の構成例を示す横断面図である。

【図3】本開示の実施例に係る円形加速器の縦断面の構成例を示す縦断面図である。

【図4】荷電粒子ビームのエネルギー別の周回軌道の一例を示す図である。

【図5】低電力高周波制御系の構成例を示す図である。

【図6】低電力高周波制御系の制御シーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。

【図7】本開示の実施例に係る粒子線治療システムの構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。

【実施例0013】

図１～図３は、本開示の実施例に係る円形加速器の一例を示す図である。図１～図３に示す加速器１００は、強度が時間的に一定の主磁場中で、周波数変調を行った加速用高周波電圧を印加することで、荷電粒子ビーム（以下、単にビームと呼ぶこともある）を周回させながら加速する円形加速器である。本実施例では、加速器１００は、ビームとして、荷電粒子として陽子を用いた陽子ビームを７０ＭｅＶから２３５ＭｅＶまでの任意のエネルギーまで加速して出射する。ただし、荷電粒子ビームは、ヘリウム及び炭素などを用いた重粒子ビームでもよく、出射するビームのエネルギーである出射エネルギーは７０ＭｅＶから２３５Ｍｅｖまでの範囲に限らない。また、加速器１００は、粒子線治療システム（図７参照）に好適であるが、その用途に限定されるものではない。

【0014】

図１は、加速器１００の外観を示す斜視図であり、図２は、加速器１００を縦方向の中心平面に沿って切断した横断面の構成を示す横断面図であり、図３は、加速器１００を図２のｂ－ｂ’線に沿って切断した縦断面の構成を示す縦断面図である。

【0015】

加速器１００は、中心平面Ｄを挟んで上部と下部に分割可能な主電磁石４０を有し、主電磁石４０の内部にビームを加速する略円筒形状の空間である加速領域１０１が形成されている。加速領域１０１は、中心平面Ｄを挟んで略上下対称に形成され、真空引きされている。

【0016】

主電磁石４０は、ヨーク４１、主コイル４２及び主磁極４３を有する。ヨーク４１は、主電磁石４０の外殻を形成し、内部に加速領域１０１を形成する。主コイル４２は、円環状の超伝導コイルであり、中心平面Ｄを挟んで上下方向のそれぞれに設置される。主コイル４２のそれぞれは、ヨーク４１の内壁に沿って設置される。主コイル４２の周囲には、主コイル４２を一定温度（主コイル４２が完全反磁性を示す温度）以下まで冷却するための冷却機構であるクライオスタット５０が設置されている。主磁極４３は、主コイル４２の内周側に中心平面Ｄを挟んで上下方向のそれぞれに設置される。

【0017】

主コイル４２に電流が供給されると、主磁極４３により加速領域１０１に主磁場と呼ばれる時間的に一定の磁場が励起され、その主磁場の影響によりビームは加速領域１０１の軌道面上を周回する。このとき、ビームはエネルギーごとに異なる軌道を周回する。以下では、ビームが周回するエネルギー別の各軌道を周回軌道と呼ぶ。本実施例では、主電磁石４０は、ビームの周回軌道の中心が偏芯するように（加速領域１０１の物理的な中心からずれるように）形成される（図４参照）。つまり、本実施例の加速器１００は偏芯軌道型加速器である。また、図２では、周回軌道のうち、エネルギーが最大のビームが周回する最大エネルギー軌道６１と、エネルギーが７０Ｍｅｖの最低出射エネルギー軌道６２とが示されている。

【0018】

また、主電磁石４０の上部には、主電磁石４０の内部にある加速領域１０１に入射するビームを生成するイオン源５１が設置されている。イオン源５１は、例えば、ＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance：電子サイクロトロン共鳴)イオン源などである。イオン源５１は、低エネルギービーム輸送系５２を介して、加速領域１０１内のイオン入射部５３と接続されている。これにより、イオン源５１にて生成されたビームが低エネルギービーム輸送系５２を介してイオン入射部５３から加速領域１０１に入射される。本実施例では、イオン入射部５３は、加速器１００の中心を通る中心線Ａ上における、加速領域１０１の物理的な中心Ｏよりも、ビームを外部に取り出すための磁気チャネル８１の入射口であるビーム出射経路入口８２側に配置される。なお、イオン源５１は、加速領域１０１の内部に配置されてもよい。この場合、イオン源５１としては、ＰＩＧ（Penning Ionization Gauge）型イオン源などが好適である。

【0019】

また、ヨーク４１には、図１及び図２に示すように複数の貫通口が設けられている。例えば、ヨーク４１には、貫通口として、ビーム用貫通口７１、コイル用貫通口７２、真空引き用貫通口７３及び高周波系用貫通口７４が主電磁石４０の中心平面Ｄ上に設けられている

【0020】

ビーム用貫通口７１は、ビームを出射するための貫通口であり、ビームをヨーク４１の内部から外部に取り出して出射するための高エネルギービーム輸送系８０が設けられている。高エネルギービーム輸送系８０は磁気チャネル８１と接続されている。コイル用貫通口７２は、ヨーク４１の内部に設けられた種々のコイル（主コイル４２など）を外部に引き出すための貫通口である。真空引き用貫通口７３は、加速領域１０１を真空引きするための貫通口である。高周波系用貫通口７４は、加速空胴９を挿入するための貫通口である。

【0021】

加速空胴９は、イオン入射部５３から加速領域１０１に入射されたビームを加速するための加速用高周波電圧を励起する部材である。加速空胴９は、本実施例では、λ／２共振型空胴であり、ディー電極１２、ダミーディー電極１３、内導体１４、外導体１５及び回転コンデンサ３０を有する。

【0022】

ディー電極１２は、内部をビームが通過する中空電極であり、イオン入射部５３の近傍の点を頂点とし、所定の広がり角を有する略扇型形状を有する。内導体１４は、ディー電極１２と接続され、ディー電極１２から主電磁石４０の外部まで延びる導体である。外導体１５は、ディー電極１２及び内導体１４を外包する導体である。ダミーディー電極１３は、アース電位の電極であり、外導体１５と接続されている。ダミーディー電極１３はディー電極１２に対して対向するように設けられ、ディー電極１２とダミーディー電極１３との間に、加速用高周波電圧が励起される加速間隙１１が形成される。

【0023】

回転コンデンサ３０は、加速空胴９の共振周波数を変調するための変調器である。具体的には、回転コンデンサ３０は、モータ３１によって回転される回転電極（不図示）の回転角度に応じて静電容量に変化させることで、加速空胴９の共振周波数を時間的に変化させる。加速空胴９は、この時間的に変化する共振周波数に応じた加速用高周波電圧を加速間隙１１に励起する。回転コンデンサ３０又はモータ３１には、回転電極の回転角度を検出して角度信号として出力する検出部（図示せず）が設けられている。なお、加速間隙１１は、ビームの軌道形状に応じて形成される。なお、本実施例では、ハーモニクス数が１、つまり、ビームが周回する周回周波数と加速用高周波電圧の周波数（より具体的には、加速用高周波電圧による加速電場の周波数）である加速周波数とが略同一である。

【0024】

また、加速空胴９は、入力カプラ２０を介して低電力高周波制御系２５と接続され、入力カプラ２０と低電力高周波制御系２５との間には、高周波電力増幅器７及び入力高周波計測回路８が設けられている。

【0025】

低電力高周波制御系２５は、低電力の高周波電力を出力する。高周波電力増幅器７は、低電力高周波制御系２５から出力された高周波電力を増幅して入力カプラ２０を介して加速空胴９に入力する。入力カプラ２０は、高周波電力を加速空胴入力するための機器であり、静電結合式又は磁気結合式にて加速空胴９の内導体１４と接続される。加速空胴９は、入力カプラ２０を介して入力される高周波電力により、加速間隙１１に加速用高周波電圧を励起し、その加速用高周波電圧によりビームを加速させる加速電場を発生させる。入力高周波計測回路８は、後述するように、加速空胴９に入力される高周波電力を計測する。

【0026】

以上説明した加速器１００では、イオン源５１で生成された荷電粒子のビームは、低エネルギービーム輸送系５２を介してイオン入射部５３から主電磁石４０の内部に形成された加速領域１０１に入射される。入射されたビームは、加速空胴９にて励起された加速電場によって加速され、エネルギーを増しながら主磁場中を周回する。ビームのエネルギーの増加に伴って、ビームの軌道の曲率半径が増加するため、ビームは螺旋状の軌道を描く。

【0027】

また、本実施例では、エネルギーごとのビームの軌道である周回軌道が偏芯した偏芯軌道となる。以下では、偏芯軌道を実現する主磁場について説明する。

【0028】

主磁場は、周回軌道の周方向に対して強度が一定の磁場でもよいし、周方向に強度が変化するＡＶＦ（Azimuthal Varying Field）型の磁場でもよい。いずれの場合でも、主磁場は、非等時性磁場であり、ビーム安定条件を満たすように生成される。ビーム安定条件は、下記の式（１）で表されるｎ値が０より大きくかつ１未満となることである。

【数1】

ここで、ρは周回軌道の偏向半径、Ｂは主磁場の強度、∂Ｂ／∂ｒは半径方向の磁場勾配である。なお、ｒ軸は、軌道面を加速領域１０１の中心を原点とする２次元極座標系で表したときの、半径方向の外側を向く軸である。

【0029】

ビーム安定化条件を満たす場合、周回軌道から径方向に微小にずれたビームは、そのビームを周回軌道に戻す方向に主磁場から復元力を受け、軌道面に対して鉛直な方向にずれたビームは、軌道面に戻す方向に主磁場から復元力を受ける。つまり、ビームは、周回軌道の近傍をベータトロン振動しながら、安定的に周回及び加速する。また、全てのエネルギーのビームにおいて、軌道面に平行かつ周回軌道と直交する方向のベータトロン振動数（水平方向チューン）ν_ｒが１に近い値となる。なお、主磁場は、主磁極４３と主磁極４３の表面に設置するトリムコイル及び磁極片（ともに図示せず）とによって形成され、これらの構成要素は、軌道面に対して上下対称に配置される。このため、主磁場は軌道面上においては、軌道平面と垂直な方向の成分のみを有する。

【0030】

図４は、主磁場中を周回するビームのエネルギー別の周回軌道を示す図である。図４では、縦軸をビーム出射経路入口８２から加速空胴９の内導体１４を向く軸とし、原点０をイオン入射部５３の位置としている。また、図４では、周回軌道２００として、最も外側に位置する最大エネルギー２３５ＭｅＶを有するビームの周回軌道と、その周回軌道からビームの磁気剛性率が０．０４Ｔｍずつ異なる５０種類の周回軌道とが示されている。

【0031】

図４に示したように、偏芯軌道型の加速器１００では、ビームのエネルギーが低い場合、周回軌道２００は、サイクロトロン型の加速器などと同様にイオン入射部５３付近を中心とする同心軌道と近似する。しかしながら、ビームのエネルギーが大きい場合には、各周回軌道２００は、同心軌道とはならず、ビーム出射経路入口８２の側で集約して、内導体１４の側で離散した軌道となる。以下、周回軌道２００が集約している領域を集約領域、周回軌道２００が離散している領域を離散領域と呼ぶこともある。

【0032】

また、図４では、各周回軌道２００の同一の周回位相を結んだ等周回位相線２０１が集約領域２０３から周回位相π／２０ごとに示されている。ディー電極１２とダミーディー電極１３との間に形成される加速間隙１１は、等周回位相線２０１のいずれか（例えば、周回軌道２００同士が最も近接している集約点から見て±９０度周回した等周回位相線２０１）に沿って設置される。より具体的には、ディー電極１２は、周回軌道２００の中心付近を先端とし、半径が等周回位相線２０１に沿う、扇形のような中空の形状をしている。

【0033】

図１～図３の説明に戻る。主電磁石４０の内部には、周回中のビームを外部に取り出すために、高周波キッカ９０と、２極磁場又は多重極磁場からなる擾乱磁場であるピーラ磁場領域９１及びリジェネレータ磁場領域９２が形成される。高周波キッカ９０は、ビームの集約領域に設置され、ピーラ磁場領域９１及びリジェネレータ磁場領域９２は、最大エネルギー軌道６１よりも外周側に設置される。

【0034】

高周波キッカ９０は、ビームを外部に取り出すための取出し用高周波電圧をビームに印加する。取出し用高周波電圧の周波数は、所望の出射エネルギーを有するビームの水平方向チューンν_ｒの小数部と所望の出射エネルギーを有するビームの周回周波数との積と略同一となるように設定される。また、取出し用高周波電圧は、この積と略同一の周波数成分を含む有限の周波数バンド幅の高周波電圧でもよい。

【0035】

高周波キッカ９０からの取出し用高周波電圧により、ビームの水平方向のベータトロン振動の振幅は共鳴的に増大し続け、ビームは、ピーラ磁場領域９１及びリジェネレータ磁場領域９２に到達する。ビームは、ピーラ磁場領域９１及びリジェネレータ磁場領域９２で２次の共鳴が起こることで、最大エネルギー軌道６１の外側にキックされてビーム出射経路入口８２に到達する。その後、ビームは、磁気チャネル８１内部へと導かれ、十分な偏向を受けて高エネルギービーム輸送系８０を通って加速器１００の外部に出射される。

【0036】

このように本実施例では、ビームを集約領域付近から取り出しているため、ビームの取り出しに必要なキック量を小さくすることが可能となり、所望の出射エネルギーを有するビームを容易に取り出すことが可能となる。

【0037】

図５は、低電力高周波制御系２５の構成例を示す図である。図５に示す低電力高周波制御系２５は、加速空胴９を制御するための制御部であり、発振器１、切替スイッチ２、ＴＤＣ（Time to Digital Converter）３、デジタルループフィルタ４，ＤＣＯ（Digital Controlled Oscillator）５、ＲＦ（Radio Frequency）スイッチ６、電圧振幅比較器１６、周波数比較器１７及びコントローラ１８を有する。また、低電力高周波制御系２５は、高周波電力増幅器７及び入力高周波計測回路８を介して加速空胴９と接続され、さらに加速電圧計測回路１０及び上位制御系１９と接続される。なお、下記で説明する上位制御系１９の機能の少なくとも一部が低電力高周波制御系２５（特にコントローラ１８）に備わっていてもよい。

【0038】

発振器１は、加速空胴９に対する加速用高周波電力の入力（立ち上げ）を開始する開始タイミングを制御するための周波数信号を生成する。周波数信号の周波数ｆ_ｐｒｅは、加速空胴９の共振周波数の範囲である周波数変調範囲に含まれる。本実施例では、周波数信号の周波数ｆ_ｐｒｅは、周波数変調範囲の上限周波数ｆ_ｍａｘより低く、かつ加速領域１０１に入射されるビームのエネルギーである入射エネルギーに対応する周回周波数である所定周波数ｆ_ｉｎｊよりも大きい値に設定する。発振器１は、周波数が時間的に精度良く一定となる周波数信号を生成可能なものが好ましく、例えば、水晶発振器などである。

【0039】

切替スイッチ２は、後述するＰＬＬ（phase locked loop：位相同期）回路によるフィードバック制御のＯＮ／ＯＦＦを切り替える切替部である。

【0040】

ＴＤＣ３、デジタルループフィルタ４及びＤＣＯ５は、発振器１の出力信号、又は、発振器１の出力信号と加速電圧信号Ｖ_ａｃｃとを加算した信号を参照信号とし、入力高周波計測回路８の出力信号である入力電流信号Ｉ_ｏｕｔを入力信号とするＰＬＬ回路を構成する。ＰＬＬ回路は、切替スイッチ２がオン状態になったのちに、入力信号と参照信号との位相差がゼロとなるように入力信号の位相を調整することで、入力信号の周波数を参照信号の周波数に合致させて出力する。ＰＬＬ回路は、図５の例では、全ての回路（ＴＤＣ３、デジタルループフィルタ４及びＤＣＯ５）がデジタル回路で構成されるオールデジタルＰＬＬ回路である。ただし、ＰＬＬ回路は、一部の回路にアナログ回路が使用されたＰＬＬ回路でもよいし、全ての回路がアナログ回路で構成されたＰＬＬ回路でもよい。また、ＰＬＬ回路は、入力信号及び参照信号のそれぞれをＩＱ信号に変換したうえで、両信号の位相差を検出し、比例・積分制御により位相差がゼロとなるようにＩＱ変調器（図示せず）で出力を制御する方式を用いたものでもよい。

【0041】

ＲＦスイッチ６は、ＰＬＬ回路の出力信号である高周波電力の加速空洞９への入力と停止とを切り替える。

【0042】

高周波電力増幅器７は、低電力高周波制御系２５から出力された高周波電力を増幅して入力高周波電力として加速空胴９に入力する。高周波電力増幅器７は、例えば、半導体増幅器である。

【0043】

高周波電力増幅器７及び加速空胴９の間にある入力高周波計測回路８は、方向性結合器を用いて、加速空胴９へ向かう進行波成分である入力高周波電力を計測し、入力電流信号Ｉ_ｏｕｔとして出力する入力計測部である。なお、入力高周波計測回路８が出力する信号は、入力電流信号ではなく、入力電圧信号であっても良い。また、図５では、図１及び図２に示した入力カプラ２０を省略している。

【0044】

加速電圧計測回路１０は、加速間隙１１に印加される加速用高周波電圧を計測し、その計測値を示す計測信号を加速電圧信号Ｖ_ａｃｃとして出力する計測部である。例えば、加速電圧計測回路１０は、加速間隙１１付近のピックアップ部２１より得られる信号を処理して、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃとして出力する。

【0045】

電圧振幅比較器１６は、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの振幅である加速電圧値と閾値Ｖ_ｔｈｒｄとを比較して、その加速電圧値が閾値Ｖ_ｔｈｒｄに到達すると、加速用高周波電力の入力を指示するＲＦＯＮ指令信号をコントローラ１８に出力する。なお、前述したＩＱ変調器を用いる場合は、電圧振幅比較器１６は省略することもできる。

【0046】

周波数比較器１７は、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの周波数である加速周波数と要求値である出力周波数Ｆ_ｅｘｔとを比較して、その加速周波数が出力周波数Ｆ_ｅｘｔに到達すると、加速用高周波電力の停止を指示するＲＦＯＦＦ指令信号をコントローラ１８に出力する。出力周波数Ｆ_ｅｘｔは、所望の出射エネルギーを有するビームが周回軌道を周回する周回周波数に対応する加速周波数の値である。

【0047】

コントローラ１８は、切替スイッチ２及びＲＦスイッチ６を制御することにより、加速空胴９への加速用高周波電力の入力の開始及び停止を制御する。

【0048】

コントローラ１８は、上記の制御を実現するために、ビームのエネルギーと周回周波数との対応関係を示すルックアップテーブルを保持する。コントローラ１８は、ビームの出射準備を要求するビームリクエスト信号を上位制御系１９から受け付けると、そのビームリクエスト信号に応じて、所望の出射エネルギーに応じた出力周波数Ｆ_ｅｘｔを周波数比較器１７にセットする。なお、ビームリクエスト信号は、所望の出射エネルギーを示す情報を含む。

【0049】

そして、コントローラ１８は、切替スイッチ２をオフ状態にし、ＲＦスイッチ６をオン状態にして、発振器１の出力信号と位相同期した信号を制御用高周波電力として加速空胴９に入力する。その後、ＲＦＯＮ信号がＨｉｇｈの状態となると、コントローラ１８は、切替スイッチ２をオン状態にして、入力高周波計測回路８からの入力電流信号Ｉ_ｏｕｔを、ＰＬＬ回路を用いて加速電圧計測回路１０からの加速電圧信号Ｖ_ａｃｃと位相同期させた信号を加速用高周波電力として加速空胴９に入力する。これにより、加速空胴９の共振周波数と略同一の周波数を有する加速用高周波電力が加速空胴９に入力される状態が維持されることとなり、ビームを加速し続けることが可能となる。

【0050】

なお、図５に示した低電力高周波制御系２５は、単なる一例であって、図示した構成に限定されるものではない。例えば、入力高周波計測回路８による入力計測信号は電流信号に限らず電圧信号でもよい。また、加速電圧計測回路１０による計測信号は電圧信号に限らず電流信号でもよい。また、切替スイッチ２とＰＬＬ回路のＴＤＣ３との間には、切替スイッチ２の節点の切り替えによる切替スイッチ２の出力信号の位相ズレを抑制するための回路が設けられてもよい。

【0051】

図６は、低電力高周波制御系２５の制御シーケンスを説明するためのタイミングチャートである。図６（ａ）は、加速空胴９の共振周波数ｆ_ｃａｖ（実線）と高周波電力増幅器７の出力信号である入力高周波電力の周波数ｆ_ｏｕｔ（破線）の時間変化を示す。図６（ｂ）は、低電力高周波制御系２５で使用される各制御信号を示す。図６（ｃ）は、加速電圧計測回路１０による加速電圧信号Ｖ_ａｃｃと高周波キッカ９０に印加する取出し用高周波電圧Ｖ_ｅｘｔとの時間変化を示す。図６（ｄ）は、入射するビームの電流と出射するビームの電流の時間変化を示す。

【0052】

なお、加速空胴９の共振周波数ｆ_ｃａｖは、回転コンデンサ３０の回転に伴い、図６に示した１加速周期ごとに、同じ周波数変調パターンで変化する。また、図６（ｂ）に示す各制御信号は、本実施例では、Ｈｉｇｈレベルで活性化され、その後、一定時間後にＬｏｗレベルにリセットされる。

【0053】

先ず、コントローラ１８は、上位制御系１９からビームリクエスト信号を受け付けると（時刻Ｔ０）、以下の処理を開始する。このとき、ＲＦスイッチ６及び切替スイッチ２は、ともにオフ状態である。

【0054】

コントローラ１８は、回転コンデンサ３０の角度信号を監視して、回転コンデンサ３０の回転角度が所定角度になったのち（時刻Ｔ１）、一定時間が経過して共振周波数ｆ_ｃａｖが時間軸に対して単調減少に転じる時点の近傍で、ＯＮ信号をＲＦスイッチ６に送信して、ＲＦスイッチ６をオン状態に切り替える（時刻Ｔ２）。所定角度は、１加速周期中に１つだけ設定される角度であり、例えば、共振周波数ｆ_ｃａｖが増加しているタイミングの角度に予め設定される。

【0055】

ＲＦスイッチ６がオン状態になった直後では、共振周波数ｆ_ｃａｖはＰＬＬ回路の出力信号（ＤＣＯ５の出力信号）の周波数ｆ_ｏｕｔ（＝ｆ_ｐｒｅ）よりも高く、それらは同調状態ではない。その後、共振周波数ｆ_ｃａｖは、回転コンデンサ３０の回転に伴い低下して、ＰＬＬ回路の出力信号の周波数ｆ_ｏｕｔ（＝ｆ_ｐｒｅ）と等しくなり、ＴＤＣ３の入力信号と参照信号との位相差がゼロに近づく。そして、ＰＬＬ回路の出力信号（ＤＣＯ５の出力信号）の周波数ｆ_ｏｕｔが発振器１の出力信号の周波数ｆ_ｐｒｅにロックされ、周波数ｆ_ｐｒｅと略同じ周波数ｆ_ｏｕｔを有する制御用高周波電力が入力高周波電力として高周波電力増幅器７を介して加速空胴９に出力される。

【0056】

また、加速空胴９の共振周波数ｆ_ｃａｖと入力高周波電力の周波数ｆ_ｏｕｔとの差が大きい間（時刻Ｔ２とＴ３の間）、入力高周波電力は、加速空胴９にて反射される成分が大きく、加速空胴９に入力される成分が小さい。その後、加速空胴９の共振周波数ｆ_ｃａｖと入力高周波電力の周波数ｆ_ｏｕｔとの差が小さくなると（時刻Ｔ３に近づくと）、入力高周波電力の反射成分が急激に減り、入力高周波電力が加速空胴９に入力される。これにより、加速間隙１１に加速用高周波電圧が印加され、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの電圧振幅が大きくなる。

【0057】

その後、時刻Ｔ３で加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの振幅が閾値Ｖ_ｔｈｒｄに到達すると、電圧振幅比較器１６からＲＦＯＮ指令信号がコントローラ１８に出力される。コントローラ１８は、ＲＦＯＮ指令信号を受け付けると、切替信号を切替スイッチ２に送信して、切替スイッチ２をＯＮ状態とし、ＰＬＬ回路の参照信号（ＴＤＣ３の参照信号）に加速電圧信号Ｖ_ａｃｃを加算する（時刻Ｔ３）。なお、本実施例では、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの振幅が閾値Ｖ_ｔｈｒｄに到達したことが、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃと制御用高周波電力との位相差が所定値以内になったことと対応している。また、ＰＬＬ回路でＩＱ変調器を用いる場合、ＰＬＬ回路にて加速電圧信号Ｖ_ａｃｃと制御用高周波電力との位相差が所定値以内になったことを検出できるため、上述したように電圧振幅比較器１６を省略することもできる。

【0058】

これにより、ＰＬＬ回路の出力信号の周波数ｆ_ｏｕｔは、加速空胴９の共振周波数ｆ_ｃａｖと略同じ加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの加速周波数にロックされ、時間変化する共振周波数ｆ_ｃａｖに追随して変化する加速用高周波電力が入力高周波電力として高周波電力増幅器７を介して加速空胴９に入力される。

【0059】

その後、コントローラ１８は、ビームをイオン源５１から主電磁石４０内の加速領域１０１に入射する（時刻Ｔ４）。なお、コントローラ１８は、例えば、上位制御系１９を介してイオン源５１を制御してビームを入射する。

【0060】

時刻Ｔ４は、時刻Ｔ３から一定時間が経過した時刻である。また、時刻Ｔ４は、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの周波数が所定周波数ｆ_ｉｎｊと一致した時刻でもよい。所定周波数ｆ_ｉｎｊは、加速領域１０１に入射されるビームのエネルギーである入射エネルギーに対応する周回周波数である。この場合、例えば、周波数比較器（図示せず）を用い、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの周波数が所定周波数ｆ_ｉｎｊと一致した際にこの周波数比較器から信号が出力されるように設定し、その信号をコントローラ１８が受け付けると、ビームを加速領域１０１に入射する。なお、図６（ｃ）に示したように加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの振幅が時刻Ｔ４より前に設定値となるように、高周波電力の振幅を制御するＡＧＣ（Automatic gain controller、図示せず）をＤＣＯ５の後段に設けてもよい。

【0061】

そして、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの周波数が出力周波数ｆ_ｅｘｔに到達すると、周波数比較器１７からＲＦＯＦＦ指令信号がコントローラ１８に出力される。コントローラ１８は、ＲＦＯＦＦ指令信号を受け付けると、ＯＦＦ信号をＲＦスイッチ６に送信して、ＲＦスイッチ６をオフ状態に切り替えて、加速用高周波電力の加速空胴９への入力を停止する（時刻Ｔ５）。これにより、ビームの加速が停止され、ビームはエネルギーに応じた周回軌道を周回し続ける。

【0062】

さらに、上位制御系１９は、高周波キッカ９０を駆動させ、取出し用高周波電圧Ｖ_ｅｘｔをビームに印加させる。これにより、ビームは、ピーラ磁場領域９１及びリジェネレータ磁場領域９２に到達し、さらにピーラ磁場領域９１及びリジェネレータ磁場領域９２により、最大エネルギー軌道６１の外側にキックされてビーム出射経路入口８２に到達する。その後、ビームは、磁気チャネル８１及び高エネルギービーム輸送系８０を通って加速器１００の外部に出射される（時刻Ｔ６）。なお、コントローラ１８が上位制御系１９に加速終了信号を送ったのち、上位制御系１９は、種々の条件判定をしたうえで高周波キッカ９０を駆動、停止する。

【0063】

その後、取出し用高周波電圧Ｖ_ｅｘｔが停止されると、ビームの出射が停止される（時刻Ｔ７）。なお、加速領域１０１内でビームとして周回する荷電粒子である周回電荷が残存している間、ビームは出射され続ける。また、ビームは、上位制御系１９が取出し用高周波電圧Ｖ_ｅｘｔの印加時間を調整することで連続的又は間欠的に出射される。取出し用高周波電圧Ｖ_ｅｘｔを印加し続けていても加速器外に配置されたビーム線量モニタ（図示せず）にてビームが検出できなくなった場合、上位制御系１９は周回電荷がなくなったと判断してもよい。

【0064】

そして、再びビームを出射する場合、上位制御系１９は、ビームリクエスト信号を再びコントローラ１８に送信する（時刻Ｔ０’）。

【0065】

図７は、図１~図６で説明した加速器１００を備えた粒子線治療システムの構成例を示す図である。図７において、粒子線治療システム５００は、加速器１００、治療台５０１と、ビーム輸送装置５０２、照射装置５０３と、上位制御系１９とを有する。

【0066】

治療台５０１は、ビームを照射する照射対象者である患者６００を載せる台である。ビーム輸送装置５０２は、加速器１００の高エネルギービーム輸送系８０と接続され、加速器１００から出射されたビームを照射装置５０３まで輸送する。

【0067】

照射装置５０３は、ビーム輸送装置５０２から輸送されたビームを治療台５０１上の患者６００の患部を標的として照射する。このとき、照射装置５０３は、ビームを、患者６００の患部を分割した複数の照射スポットのそれぞれに照射し、照射スポットごとに照射線量を測定して上位制御系１９に通知する。上位制御系１９は、照射スポットごとに要求線量を計算し、ビームリクエスト信号をコントローラ１８に送信するとともに、取出し用高周波電圧Ｖ_ｅｘｔを制御して、必要な線量のビームが患部に照射されるようにする。

【0068】

以上説明したように本実施例によれば、加速電圧計測回路１０は、加速空胴９にて励起される加速用高周波電圧を計測した計測信号として加速電圧信号Ｖ_ａｃｃを出力する。低電力高周波制御系２５は、高周波電力として、加速空胴９の共振周波数の範囲に含まれる一定周波数の制御用高周波電力を加速空胴９に入力する。低電力高周波制御系２５は、加速電圧信号Ｖ_ａｃｃと制御用高周波電力との位相差が所定値以内となった場合、高周波電力として、フィードバック制御により加速電圧信号Ｖ_ａｃｃの周波数である加速周波数に同期した加速用高周波電力を加速空胴９に入力し、その後、加速周波数が出力周波数Ｆ_ｅｘｔに到達した場合、加速用高周波電力の加速空胴９への入力を停止する。したがって、加速空胴９の実際の共振パターンに応じて加速用高周波電力の入力及び停止を適切に行うことが可能となるため、ビームを所望のエネルギーまで適切に加速することが可能となる。このため、所望のエネルギーを有するビームを精度良く取り出すことが可能になる。

【0069】

また、本実施例では、ビームが周回する軌道の中心が加速領域１０１の中心からずれている。このため、ビームの取り出しに必要なキック量を小さくすることが可能となり、所望のエネルギーを有するビームを容易に取り出すことが可能となる。

【0070】

また、本実施例では、加速電圧値が閾値Ｖ_ｔｈｒｄに到達してから一定時間後にビームが加速領域１０１に入射される。又は、加速電圧値が閾値Ｖ_ｔｈｒｄに到達した後で周波数が所定周波数になると、ビームが加速領域１０１に入射される。このため、ビームを適切なタイミングで入射することが可能となり、所望のエネルギーを有するビームを精度良く取り出すことが可能になる。

【0071】

また、本実施例では、低電力高周波制御系２５は、ＰＬＬ回路を用いて、加速空胴９に入力される高周波電力を計測した入力計測信号を加速電圧信号Ｖ_ａｃｃと位相同期することで、加速用高周波電力を生成する。特に、ＰＬＬ回路は全ての回路がデジタル回路で構成され、ＩＱ変調を用いる。このため、加速用高周波電力の入力及び停止を容易に行うことが可能となる。

【0072】

また、本実施例では、加速空胴９の実際の共振パターンに応じて加速用高周波電力の入力及び停止が制御されるため、立ち上げにある程度の時間がかかる半導体増幅器を用いて加速用高周波電力を増幅しても、ビームを所望のエネルギーまで適切に加速することが可能となる。

【0073】

上述した本開示の実施形態は、本開示の説明のための例示であり、本開示の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本開示の範囲を逸脱することなしに、他の様々な態様で本開示を実施することができる。

【符号の説明】

【0074】

１：発振器 ２：切替スイッチ ３：ＴＤＣ ４：デジタルループフィルタ ５：ＤＣＯ ６：ＲＦスイッチ ７：高周波電力増幅器 ８：入力高周波計測回路 ９：加速空胴 １０：加速電圧計測回路 １１：加速間隙 １２：ディー電極 １３：ダミーディー電極 １４：内導体 １５：外導体 １６：電圧振幅比較器 １７：周波数比較器 １８：コントローラ １９：上位制御系 ２０：入力カプラ ２１：ピックアップ部 ２５：低電力高周波制御系 ３０：回転コンデンサ ３１：モータ ４０：主電磁石 ４１：ヨーク ４２：主コイル ４３：主磁極 ５０：クライオスタット ５１：イオン源 ５２：低エネルギービーム輸送系 ５３：イオン入射部 ８０：高エネルギービーム輸送系 ８１：磁気チャネル ８２：ビーム出射経路入口 ９０：高周波キッカ ９１：ピーラ磁場領域 ９２：リジェネレータ磁場領域 １００：加速器 １０１：加速領域 ５００：粒子線治療システム ５０１：治療台 ５０２：ビーム輸送装置 ５０３：照射装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】