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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-08-08
(45)【発行日】2023-08-17
(54)【発明の名称】粒子加速器システム
(51)【国際特許分類】
H05H 13/00 20060101AFI20230809BHJP
H05H 7/02 20060101ALI20230809BHJP
【ＦＩ】
H05H13/00
H05H7/02
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2019123141
(22)【出願日】2019-07-01
(65)【公開番号】P2021009803
(43)【公開日】2021-01-28
【審査請求日】2022-06-15
(73)【特許権者】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100162640
【弁理士】
【氏名又は名称】柳 康樹
(72)【発明者】
【氏名】高橋 伸明
【審査官】右▲高▼ 孝幸
(56)【参考文献】
【文献】特開２００７－０２７００１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭４７－０１０２５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】M. Gaspar and T. Garvey，A compact 500 MHz 65 kW solid-state power amplifier for accelerator applications，IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE，2016年04月，vol. 63, no. 2, pp. 699-706
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｈ １３／００
Ｈ０５Ｈ ７／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
荷電粒子を加速する粒子加速器と、前記粒子加速器において荷電粒子を加速するための高周波電力を出力する信号源と、
前記信号源からの高周波電力を増幅し、前記粒子加速器へ供給する増幅部と、
前記増幅部の動作を制御する制御部と、を備え、
前記増幅部は、
前記信号源からの高周波電力を増幅する、半導体を用いた複数の半導体増幅器を備え、
前記制御部は、前記複数の半導体増幅器のうち少なくとも一つの出力を制御し、
前記制御部は、使用可能な前記半導体増幅器の数に基づいて、前記複数の半導体増幅器のうち少なくとも一つの出力を制御する、粒子加速器システム。
【請求項2】
荷電粒子を加速する粒子加速器と、前記粒子加速器において荷電粒子を加速するための高周波電力を出力する信号源と、
前記信号源からの高周波電力を増幅し、前記粒子加速器へ供給する増幅部と、
前記増幅部の動作を制御する制御部と、を備え、
前記増幅部は、
前記信号源からの高周波電力を増幅する、半導体を用いた複数の半導体増幅器を備え、
前記制御部は、前記複数の半導体増幅器のうち少なくとも一つの出力を制御し、
前記増幅部は、
前記信号源からの高周波電力を増幅する第１増幅部と、
前記複数の半導体増幅器を備える第２増幅部と、
前記第１増幅部の出力を前記第２増幅部のそれぞれの前記半導体増幅器へ分配する分配部と、を備え、
前記制御部は、使用可能な前記半導体増幅器の数に応じて、前記第１増幅部での増幅率を制御する、粒子加速器システム。
【請求項3】
荷電粒子を加速する粒子加速器と、前記粒子加速器において荷電粒子を加速するための高周波電力を出力する信号源と、
前記信号源からの高周波電力を増幅し、前記粒子加速器へ供給する増幅部と、
前記増幅部の動作を制御する制御部と、を備え、
前記増幅部は、
前記信号源からの高周波電力を増幅する、半導体を用いた複数の半導体増幅器を備え、
前記制御部は、前記複数の半導体増幅器のうち少なくとも一つの出力を制御し、
前記増幅部は、
前記信号源からの高周波電力を増幅する第１増幅部と、
前記複数の半導体増幅器を備える第２増幅部と、
前記第１増幅部の出力を前記第２増幅部のそれぞれの前記半導体増幅器へ分配する分配部と、を備え、
前記制御部は、使用可能な前記半導体増幅器の数に応じて、前記第２増幅部のそれぞれの前記半導体増幅器での増幅率を制御する、粒子加速器システム。
【請求項4】
荷電粒子を加速する粒子加速器と、前記粒子加速器において荷電粒子を加速するための高周波電力を出力する信号源と、
前記信号源からの高周波電力を増幅し、前記粒子加速器へ供給する増幅部と、
前記増幅部の動作を制御する制御部と、を備え、
前記増幅部は、
前記信号源からの高周波電力を増幅する、半導体を用いた複数の半導体増幅器を備え、
前記制御部は、前記複数の半導体増幅器のうち少なくとも一つの出力を制御し、
複数の前記半導体増幅器の故障を検知する故障検知部を更に備え、
前記制御部は、前記故障検知部による検知結果に基づいて、それぞれの前記半導体増幅器の出力を制御する、粒子加速器システム。
【請求項5】
前記増幅部は、それぞれの前記半導体増幅器からの出力を合成する合成器を備える、請求項１～４の何れか一項に記載の粒子加速器システム。
【請求項6】
前記粒子加速器はサイクロトロンであり、前記サイクロトロンは、前記増幅部で増幅された高周波電力を供給されるキャビティを有し、
前記キャビティには、前記キャビティ内の電圧を検出する電圧検出部が設けられ、
前記制御部は、使用不可能な半導体増幅器が存在することにより前記電圧検出部で検出される電圧が低下する場合、当該電圧が所定の設定値となるように、それぞれの前記半導体増幅器の出力を制御する、請求項１～５の何れか一項に記載の粒子加速器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、粒子加速器システムに関する。
【背景技術】
【0002】
荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出力する粒子加速器システムが知られている。粒子加速器は、高周波電力を用いて加速空間を通過する荷電粒子を加速する。ここで、高周波電力を供給するための増幅器として、特許文献１に記載されたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】“352.2MHz - 150KW SOLID STATEAMPLIFIERS ATTHE ESRF”J.Jacob, J.-M.Mercier, M.Langlois,G.Gautier, Proceedings of IPAC2011, Spain
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、粒子加速器では大電力が必要であるため、増幅器を電力粒子加速器の電力供給に用いる場合、多量の増幅器が必要となる。しかしながら、用いる増幅器の数が多くなると、システム内における何れかの増幅器が故障する頻度が個数の分だけ増加する。システム内の増幅器が一つでも故障してしまうと、当該故障に対する対応が必要になるため、故障頻度が増加すると、故障対応の頻度も増加する。例えば、増幅器が故障したときに粒子加速器の運転を停止する場合、増幅器の数が多いほど運転停止の頻度が増加し、粒子加速器の稼働効率が低下してしまう。
【0005】
そこで、本発明は、粒子加速器の稼働効率を向上することができる粒子加速器システム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】
【0006】
本発明に係る粒子加速器システムは、荷電粒子を加速する粒子加速器と、高周波電力を出力する信号源と、信号源からの高周波電力を増幅する増幅部と、増幅部の動作を制御する制御部と、を備え、増幅部は、半導体を用いた複数の増幅器と、それぞれの増幅器からの出力を合成する合成器と、を備え、制御部は、使用可能な増幅器の数に基づいて、それぞれの増幅器の出力を調整する。
【0007】
本発明に係る粒子加速器システムは、信号源からの高周波電力を増幅する増幅部を備える。また、増幅部は、半導体を用いた複数の増幅器と、それぞれの増幅器からの出力を合成する合成器と、を備える。増幅器として半導体を用いたものを採用することで、増幅部は、信号源からの高周波電力を複数の増幅器を並列で増幅させることができる。そして、増幅部は、それぞれの増幅器からの出力を合成器で合成することで、大電力を粒子加速器に供給することができる。ここで、例えば、複数の増幅器のうち、一部の増幅器が故障して使用不可能となった場合、粒子加速器に供給される高周波電力が低下する。これに対し、制御部は、使用可能な増幅器の数に基づいて、それぞれの増幅器の出力を調整する。制御部は、故障していない残りの増幅器、すなわち使用可能な増幅器が、故障した増幅器の出力を補うことができる。これにより、増幅部は、粒子加速器を停止させることなく、粒子加速器の稼働に必要な高周波電力を供給し続けることができる。以上により、粒子加速器の稼働効率を向上することができる。
【0008】
増幅部は、信号源からの高周波電力を増幅する第１増幅部と、複数の増幅器を備える第２増幅部と、第１増幅部の出力を第２増幅部のそれぞれの増幅器へ分配する分配部と、を備え、制御部は、使用可能な増幅器の数に応じて、第１増幅部での増幅率を調整してよい。これにより、制御部は、第１増幅部の出力調整を行うだけで、複数の増幅器の調整を一括で行うことができる。この場合、個々の増幅器の調整を行う場合にして、出力の調整が容易になる。
【0009】
増幅部は、信号源からの高周波電力を増幅する第１増幅部と、複数の増幅器を備える第２増幅部と、第１増幅部の出力を第２増幅部のそれぞれの増幅器へ分配する分配部と、を備え、制御部は、使用可能な増幅器の数に応じて、第２増幅部のそれぞれの増幅器での増幅率を調整してよい。
【0010】
粒子加速器システムは、複数の増幅器の故障を検知する故障検知部を更に備え、制御部は、故障検知部による検知結果に基づいて、それぞれの増幅器の出力を調整してよい。この場合、制御部は、複数の増幅器の故障状況を直接把握した上で、増幅器の出力の調整を行うことができる。
【0011】
粒子加速器はサイクロトロンであり、サイクロトロンは、増幅部で増幅された高周波電力を供給されるキャビティを有し、キャビティには、キャビティ内の電圧を検出する電圧検出部が設けられ、制御部は、使用不可能な増幅器が存在することにより電圧検出部で検出される電圧が低下する場合、当該電圧が所定の設定値となるように、それぞれの増幅器の出力を調整してよい。このように、制御部が、キャビティ内の電圧に基づいて、増幅器の出力の調整を行うことで、キャビティ内において必要とされる電圧を正確に確保することができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、粒子加速器の稼働効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の実施形態に係る粒子加速器システムを示すブロック図である。
【図2】サイクロトロンの内部の平面図である。
【図5】キャビティを径方向から見た概略構成図である。
【図6】増幅部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図7】増幅器の内部構成を示すブロック図である。
【図8】比較例に係る増幅部を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る粒子加速器システムの実施形態について詳細に説明する。
【0015】
図１は、本実施形態に係る粒子加速器システムの構成を示すシステム構成図である。図１に示すように、粒子加速器システム１００は、制御部１０１と、信号源１０２と、増幅部１０５と、サイクロトロン１（粒子加速器）と、備える。
【0016】
まず、図２～図５を参照して、サイクロトロン１の構成について説明する。 図２は、サイクロトロン１の内部の平面図である。図３は、図１のサイクロトロン１が備える一対のポール４Ａ，４Ｂの模式図である。図４は、図１に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。なお、図４は、バレーの周方向における中央位置を示す線（図２において破線で示している）に沿った断面図である。図５は、キャビティ６を径方向から見た概略構成図である。
【0017】
サイクロトロン１は、イオン源（不図示）から荷電粒子を加速空間Ｇ内に供給し、加速空間Ｇ内の荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出力する円形加速器である。本実施形態のサイクロトロン１では、荷電粒子ビームの螺旋状の周回軌道Ｂが水平面上にあるものとする。なお、本発明のサイクロトロンは、周回軌道Ｂが鉛直面上にあるように配置してもよい。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子（重イオン）などが挙げられる。サイクロトロン１は、例えば荷電粒子線治療用の加速器として用いられる。本実施形態では、周方向に強弱のある磁束密度を形成するサイクロトロンであるＡＶＦ［Ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ Ｖａｒｙｉｎｇ Ｆｉｅｌｄ］サイクロトロンを例にして説明する。
【0018】
【0019】
ヨーク３は、真空容器やコイル７を支持するものである。なお、真空容器は、荷電粒子の加速空間を高真空状態に保持するための容器である。ヨーク３内には、粒子加速に必要な磁場を形成するための磁極として機能する一対のポール４Ａ，４Ｂが設けられている。ポール４Ａ，４Ｂは、平面視で円形をなし、メディアンプレーンＭＰ（荷電粒子ビームが加速して進行する周回軌道Ｂが位置する平面であり、図４において一点鎖線で示す）に対して上下面対称の形状を成している。ポール４Ａ，４Ｂのそれぞれの周囲にコイル７が配置され、ポール４Ａとポール４Ｂとの間に磁場が発生している。
【0020】
図３は、ポール４Ａ，４Ｂのみを模式的に示す斜視図である。図に示されるように、ポール４Ａ，４Ｂは円柱状をなしている。以下で用いる「径方向」及び「周方向」との文言は、図２の方向から見たポール４Ａ，４Ｂの輪郭形状である円の径方向及び周方向を意味するものとする。ポール４Ａの上面には、螺旋状に湾曲した複数（本実施形態では４つ）の凸部であるヒル１１Ａと、複数（本実施形態では４つ）の凹部であるバレー１２Ａとが、周方向に交互に配列され形成されている。そして、ポール４Ｂの下面にも、螺旋状に湾曲した複数（本実施形態では４つ）の凸部であるヒル１１Ｂと、複数（本実施形態では４つ）の凹部であるバレー１２Ｂとが、周方向に交互に配列され形成されている。ヒル１１Ａとヒル１１Ｂ、及びバレー１２Ａとバレー１２Ｂは、互いにメディアンプレーンＭＰに対して面対称をなすようにギャップをあけて配置されている。なお、ここでポール４Ａ，４Ｂのヒル１１Ａ，１１Ｂとは、メディアンプレーンＭＰに向けて突出している部分であり、バレー１２Ａ、１２Ｂとは、メディアンプレーンＭＰから離れるように凹んでいる部分である。なお、ヒル１１Ａ，１１Ｂ及びバレー１２Ａ，１２Ｂの形状は、上記のような螺旋状に湾曲した形状に限られず、扇形であってもよい。
【0021】
ポール４Ａとポール４Ｂとの間には、ヒル１１Ａとヒル１１Ｂとで挟まれた狭いギャップのヒル領域１５ｈと、バレー１２Ａとバレー１２Ｂとで挟まれた広いギャップのバレー領域１５ｖとが形成されている。ポール４Ａとポール４Ｂとの対称面（メディアンプレーンＭＰ）上に、荷電粒子ビームの螺旋状の周回軌道Ｂが形成される。なお、周方向に順番に、バレー領域１５ｖ１，１５ｖ２，１５ｖ３，１５ｖ４が形成されるものとし、ヒル領域１５ｈ１，１５ｈ２，１５ｈ３，１５ｈ４が形成されるものとする。
【0022】
キャビティ５，６は、荷電粒子を加速するための高周波の電場を発生させる。キャビティ５，６は、一対のポール４Ａ，４Ｂのバレー１２Ａ，１２Ｂ間（バレー領域１５ｖ１，１５ｖ３）に配置され、図示されない高周波電源から高周波電力が供給される。キャビティ５，６は、所定の周波数（共振周波数）の電場を発生させるように設定されている。一方のキャビティ５は複数（本実施形態では４つ）のバレー領域１５ｖのうち、一のバレー領域１５ｖ１に配置される、他方のキャビティ６は、一方のキャビティ５が配置されるバレー領域１５ｖ１に対して中心線を挟んで反対側のバレー領域１５ｖ３に配置される（図２参照）。また、図４に示すように、キャビティ５は下側キャビティ５Ａ及び上側キャビティ５Ｂを有し、キャビティ６は下側キャビティ６Ａ及び上側キャビティ６Ｂを有している。下側キャビティ５Ａ，６Ａは、下側のポール４Ａのバレー１２Ａに配置される。上側キャビティ５Ｂ，６Ｂは、上側のポール４Ｂのバレー１２Ｂに配置される。
【0023】
下側キャビティ５Ａ，６Ａは、ディ電極（加速電極）２１Ａと、内導体（ステム）２２Ａ，２３Ａと、外導体２４Ａと、を備えている。上側キャビティ５Ｂ，６Ｂは、ディ電極（加速電極）２１Ｂと、内導体（ステム）２２Ｂ，２３Ｂと、外導体２４Ｂと、を備えている。
【0024】
ディ電極２１Ａ，２１Ｂは、真空容器の内部で荷電粒子を加速するための電場を発生させる電極である。ディ電極２１Ａ，２１Ｂは、両方ともバレー領域１５ｖ１，１５ｖ３に配置され、互いに上下方向に対向するように配置されている。ディ電極２１Ａ，２１Ｂは、平面視でバレー領域１５ｖ１，１５ｖ３の形状に沿った形状に形成されている。ディ電極２１Ａ，２１Ｂは、バレー１２Ａ，１２Ｂの底面１２Ａａ，１２Ｂａから離間しており、メディアンプレーンＭＰ付近に形成される加速空間Ｇを形成するように、ヒル１１Ａ，１１Ｂの突出面１１Ａａ，１１Ｂａと略同位置に配置される。ポール４Ａの中心部には、サイクロトロン１の外部又は内部に設けられたイオン源（図示せず）から送られてきた荷電粒子を偏向して、メディアンプレーンＭＰ上に送るインフレクタ（不図示）が配置される。なお、内部イオン源を用いる場合はインフレクタは不要である。外導体２４Ａ，２４Ｂは、ディ電極２１Ａ，２１Ｂを囲むように設けられている。外導体２４Ａ，２４Ｂは、少なくともバレー１２Ａ，１２Ｂの底面１２Ａａ，１２Ｂａに沿って広がり、ディ電極２１Ａ，２１Ｂと上下方向において対向する壁部２４Ａａ，２４Ｂａを有する。内導体２２Ａ，２２Ｂは、上下方向に延びてディ電極２１Ａ，２１Ｂと外導体２４Ａ，２４Ｂの壁部２４Ａａ，２４Ｂａとを連結する。内導体２３Ａ，２３Ｂは、上下方向に延びてディ電極２１Ａ，２１Ｂと外導体２４Ａ，２４Ｂの壁部２４Ａａ，２４Ｂａとを連結する。内導体２２Ａ，２２Ｂはバレー領域１５ｖ１，１５ｖ３の内周側の領域に設けられ、内導体２３Ａ，２３Ｂはバレー領域１５ｖ１，１５ｖ３の外周側の領域に設けられる。
【0025】
サイクロトロン１では、ポール４Ａとポール４Ｂとの間に磁場を発生させると共に、キャビティ５，６に高周波電力が供給されることで、荷電粒子ビームが、加速されつつ、メディアンプレーンＭＰ上の螺旋状の周回軌道Ｂを進行する。径方向の外周側に達した荷電粒子ビームは、図示されないマグネティックチャネルやデフレクタを通過し、ビーム引出ダクトを通じて外部に引き出される。
【0026】
図５に示すように、キャビティ６には、電圧検出部１０９が設けられる。電圧検出部１０９は、キャビティ６内の電圧を検出する。電圧検出部１０９としてループアンテナが採用されてよい。このようなループアンテナで構成される電圧検出部１０９は、上側キャビティ６Ｂの外導体２４Ｂに取り付けされ、キャビティ６内の磁束が大きい内導体２２Ｂ，２３Ｂ付近に設置される。ただし、電圧検出部１０９としてループアンテナ以外のセンサが採用されてもよい。なお、電圧検出部１０９は、下側キャビティ６Ａに設けられてもよい。また、電圧検出部１０９がキャビティ６に複数設けられることにより、キャビティ６内の複数箇所で電圧が監視されてもよい。また、電圧検出部１０９は、キャビティ５にも設けられる。電圧検出部１０９は、第１増幅部１０３及び制御部１０１に電気的に接続されており、検出結果を第１増幅部１０３及び制御部１０１に送信する。
【0027】
図１に戻り、上述のようなサイクロトロン１のキャビティ５，６に対して高周波電力を供給するための構成について説明する。粒子加速器システム１００は、信号源１０２及び増幅部１０５によってキャビティ５，６へ高周波電力を供給する。なお、キャビティ５，６に対して信号源１０２及び増幅部１０５が一セット設けられている。一セットの信号源１０２及び増幅部１０５からの高周波電力は、キャビティ５，６の一方へ供給される。一方のキャビティへ高周波電力が供給されることで、他方のキャビティへも自動的に高周波電力が供給される。
【0028】
信号源１０２は、特定の周波数の高周波電力を出力する。信号源１０２は、小さい電力しか出力することができないが、周波数が所望の値に正確に合わせられた高周波電力を出力することができる。信号源１０２は、１００ＭＨｚ程度の周波数の高周波電力を出力する。信号源１０２は、制御部１０１に電気的に接続されており、制御部１０１からの制御信号に基づいて、所望の周波数の高周波電力を出力する。信号源１０２は、増幅部１０５の第１増幅部１０３に高周波電力を出力する。
【0029】
増幅部１０５は、信号源１０２からの高周波電力を増幅する機器である。増幅部１０５の構成について図６及び図７を参照して説明する。図６は、増幅部１０５の詳細な構成を示すブロック図である。図７は、増幅器１１０の内部構成を示すブロック図である。図６に示すように、増幅部１０５は、第１増幅部１０３と、第２増幅部１０４と、分配部１１５と、を備える。
【0030】
第１増幅部１０３は、プリアンプと称される増幅部であり、信号源１０２からの高周波電力を増幅すると共に、電力の調整を行う。第１増幅部１０３として、半導体を用いたプリアンプが採用されてよい。第１増幅部１０３は、増幅した高周波電力を分配部１１５は、へ出力する。また、第１増幅部１０３はキャビティ５，６内の電圧検出部１０９（図５参照）と電気的に接続されている。これにより、第１増幅部１０３にキャビティ５，６内の電圧がフィードバックされる。
【0031】
分配部１１５は、第１増幅部１０３の出力（増幅された高周波電力）を第２増幅部１０４のそれぞれの増幅器１１０へ分配する。分配部１１５は、複数の増幅器１１０と並列に接続されており、高周波電力を複数の増幅器１１０に対して並列に分配する。
【0032】
第２増幅部１０４は、メインアンプと称される増幅部である。第２増幅部１０４は、第１増幅部１０３で調整された高周波電力をサイクロトロン１のキャビティ５，６での荷電粒子の加速に必要とされる大きさまで増幅する。第２増幅部１０４は、半導体を用いた複数の増幅器１１０と、それぞれの増幅器１１０からの出力を合成する合成器１１１と、を備える。第２増幅部１０４が有する増幅器１１０の数は特に限定されず、キャビティ５，６で必要とされる高周波数電力の大きさによって適宜変更されるが、例えば１０～５０台程度の増幅器１１０を有する。
【0033】
それぞれの増幅器１１０は、分配部１１５で分配された第１増幅部１０３からの出力を増幅する。合成器１１１は、複数の増幅器１１０からの出力を合成する。合成器１１１は、増幅器１１０からの出力を複数段階で合成してもよい。例えば、図６に示す例では、一段目の合成器１１１は、二台の増幅器１１０と並列接続されており、二台分の増幅器１１０からの出力を合成する。二段目の合成器１１１は、一段目の複数の合成器１１１と並列接続されており、複数台分の合成器１１１からの出力を合成することで、全部の増幅器１１０からの出力を合成した高周波電力をキャビティ５，６に出力する。
【0034】
図７に示すように、一台あたりの増幅器１１０は、複数の半導体アンプ１２２を備えている。それぞれの半導体アンプ１２２には、直流電源１２１が接続されており、当該直流電源１２１から直流電力が供給される。複数の半導体アンプ１２２には、分配部１１５から分配された高周波電力が入力される。これにより、それぞれの半導体アンプ１２２は、入力された高周波電力を増幅し、合成器１２３へ出力する。合成器１２３は、複数の半導体アンプ１２２と並列接続されているため、それぞれの半導体アンプ１２２からの出力を合成する。これにより、合成器１２３は、複数の半導体アンプ１２２からの出力を合成した高周波電力を、増幅器１１０一台あたりが増幅した高周波電力として出力する。なお、増幅器１１０内には、半導体アンプ１２２及び直流電源１２１の他、ファンなどの電子部品も含まれている。
【0035】
また、粒子加速器システム１００は、複数の増幅器１１０の故障を検知する故障検知部１１３を備える。図７に示すように、故障検知部１１３は、一台当たりの増幅器１１０に設けられている。故障検知部１１３は、増幅器１１０内の半導体アンプ１２２、直流電源、その他、ファンなどの電子部品の動作状況を監視し、何れかの電子部品で動作異常が生じた場合は、増幅器１１０の故障を検知する。故障検知部１１３は、制御部１０１に接続されており、故障を検知した場合は検知結果を制御部１０１に送信する。その他、故障検知部１１３として、各増幅器１１０の出力を監視するセンサを採用してもよい。このようなセンサを用いた場合、制御部１０１は、特定の増幅器１１０の出力が他の増幅器１１０の出力に比して大幅に低下した場合、特定の増幅器１１０の故障を検知できる。その他、故障検知部１１３として、温度センサ、流量計、漏水センサ、又は、ファン若しくはＤＣ電源に含まれる異常検知モニタのようなものを採用してもよい。
【0036】
制御部１０１は、粒子加速器システム１００全体の動作を制御する。制御部１０１は、信号源１０２、増幅部１０５の第１増幅部１０３、増幅部１０５の第２増幅部１０４の動作を制御する。制御部１０１は、粒子加速器システム１００全体を統括的に管理するＥＣＵ[Electronic Control Unit]を備えている。ＥＣＵは、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]、ＣＡＮ［Controller Area Network］通信回路等を有する電子制御ユニットである。ＥＣＵでは、例えば、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより各種の機能を実現する。ＥＣＵは、複数の電子ユニットから構成されていてもよい。
【0037】
また、制御部１０１は、ユーザが粒子加速器システム１００を操作するための端末１０８と電気的に接続されている。端末１０８は、一般的なパーソナルコンピュータなどから構成されており、ユーザに情報を表示するディスプレイ、及びユーザが情報を入力するインターフェース（マウス、キーボード、タッチパネル）を備えている。制御部１０１は、各種情報を端末１０８を介してユーザに提示し、ユーザの端末１０８を介した入力に基づいて各種動作を行う。
【0038】
制御部１０１は、故障検知部１１３による検知結果に基づいて、故障した増幅器１１０を停止する。例えば、制御部１０１は、故障した増幅器１１０に対応した故障検知部１１３から検知結果を受信した場合、該当する増幅器１１０へ動作を停止する旨の制御信号を送信する。また、制御部１０１は、使用可能な増幅器１１０の数、及び使用不可能な増幅器１１０の数を把握することができる。制御部１０１は、故障した増幅器１１０を端末１０８を介してユーザに通知する。なお、増幅器１１０は、故障検知部１１３で故障を検知した場合は、制御部１０１からの制御信号を待たずに、直ちに増幅のための動作を停止してもよい。
【0039】
制御部１０１は、使用可能な増幅器１１０の数に基づいて、それぞれの増幅器１１０の出力を調整する。第２増幅部１０４の全ての増幅器１１０が使用可能である場合は、制御部１０１は、全ての増幅器１１０からの出力の合計が、キャビティ５，６で要求されている高周波電力となるように、各増幅器１１０の出力を調整する。このときの出力を「通常状態での出力」と称する場合がある。故障により使用不可能となった増幅器１１０が発生した場合、使用可能な増幅器１１０の数が減る。この場合、制御部１０１は、使用不可能となった増幅器１１０の出力を補うように、残りの増幅器１１０の出力を増加させる。すなわち、制御部１０１は、使用可能な増幅器１１０の出力が通常状態の出力より高くなるように調整を行う。例えば、増幅器１１０の全体の台数をＮ台とし、使用不可能となった増幅器１１０の台数をｎ台とした場合、制御部１０１は、（Ｎ－ｎ）台の増幅器１１０からの出力の合計が、キャビティ５，６で要求されている高周波電力となるように、各増幅器１１０の出力を調整する。なお、故障した増幅器１１０が復帰した場合、再び全ての増幅器１１０が使用可能な状態となる。この場合、制御部１０１は、それぞれの増幅器１１０の出力が通常状態の出力となるように調整する。
【0040】
制御部１０１は、使用不可能となった増幅器１１０が所定台数となった場合に、第２増幅部１０４の動作を停止させてよい。例えば、制御部１０１は、「使用不可能となった増幅器１１０の台数ｎ＝２」となったタイミングで、第２増幅部１０４の動作を停止してよい。このとき、制御部１０１は、増幅器１１０の交換作業を促す通知を行ってよい。
【0041】
制御部１０１がそれぞれの増幅器１１０の出力を調整する方法は特に限定されない。例えば、制御部１０１は、使用可能な増幅器１１０の数に応じて、第１増幅部１０３での増幅率を調整してよい。すなわち、制御部１０１は、使用可能な増幅器１１０の数が減った場合、第１増幅部１０３での増幅率を高くすることで、第１増幅部１０３の出力を増加させる。これにより、一台あたり増幅器１１０に入力される信号（第１増幅部１０３で増幅された高周波電力）が大きくなる。それに伴い、一台あたりの増幅器１１０の出力が増加する。なお、通常状態よりも大きくなった第１増幅部１０３の信号は、故障した増幅器１１０にも入力されるが、当該増幅器１１０は増幅動作を停止しているため、出力を行わない。
【0042】
また、制御部１０１は、使用可能な増幅器１１０の数に応じて、第２増幅部１０４のそれぞれの増幅器１１０での増幅率を調整してよい。すなわち、制御部１０１は、使用可能な増幅器１１０の数が減った場合、一台あたり増幅器１１０での増幅率自体を高くすることで、一台あたりの増幅器１１０の出力を増加させる。なお、制御部１０１は、全ての増幅器１１０の増幅率を調整してよい。この場合、故障した増幅器１１０の増幅率も通常状態より高くなるが、当該増幅器１１０は増幅動作を停止しているため、出力を行わない。制御部１０１は、故障した増幅器１１０の増幅率は調整せず、使用可能な増幅率のみを調整してもよい。
【0043】
制御部１０１が、どのようなタイミングで、上述の出力調整制御を行うかは特に限定されない。例えば、制御部１０１は、故障検知部１１３による検知結果に基づいて、それぞれの増幅器１１０の出力を調整してよい。具体的には、制御部１０１は、故障検知部１１３から特定の増幅器１１０の故障の検知結果を受信した場合、故障した増幅器１１０の台数分だけ第２増幅部１０４の出力が低下することを把握できる。従って、制御部１０１は、残りの使用可能な増幅器１１０で必要な出力を得られるように、各増幅器１１０の出力が通常状態の出力より高くなるように調整を行う。
【0044】
また、制御部１０１は、使用不可能な増幅器１１０が存在することにより電圧検出部１０９で検出される電圧が低下する場合、当該電圧が所定の設定値となるように、それぞれの増幅器１１０の出力を調整してもよい。全ての増幅器１１０が使用可能な状態では、電圧検出部１０９で検出される電圧は定格値となる。これに対し、故障によって使用不可能となる増幅器１１０が発生した場合、電圧検出部１０９で検出される電圧は、通常状態における値、すなわち定格値よりも低下する。制御部１０１は、このような電圧検出部１０９で検出される電圧の低下を把握したタイミングで、各増幅器１１０の出力が通常状態の出力より高くなり、電圧検出部１０９で検出される電圧が定格値となるように、調整する。なお、電圧検出部１０９の電圧を用いた出力調整制御が行われる場合、制御部１０１は、故障検知部１１３からの故障検知結果を考慮して制御を行ってもよいが、考慮せずに制御を行ってもよい。
【0045】
一例として、制御部１０１が、電圧検出部１０９で検出される電圧が低下したときに、第１増幅部１０３の出力を調整する場合の制御内容について説明する。制御部１０１は、使用不可能な増幅器１１０が存在することにより電圧検出部１０９で検出される電圧が低下する場合、当該電圧が所定の設定値となるように、それぞれの増幅器１１０の出力を調整してもよい。制御部１０１は、電圧検出部１０９の検出結果をラインＬ２を介して取得する。制御部１０１は、このような電圧検出部１０９で検出される電圧の低下を把握したタイミングで、電圧検出部１０９で検出される電圧が定格値となるように、第１増幅部１０３の増幅率を調整する。なお、第１増幅部１０３の増幅率を調整する場合、電圧検出部１０９の値が定格値となるまで繰り返し増幅率が調整されてよい。または、電圧検出部１０９の値が定格値からどの程度乖離したかが把握され、当該乖離からどの程度増幅率を増加させればよいかの演算がなされ、増加率が演算結果に基づいて変更されてよい。また、増加率の調整処理は、第１増幅部１０３自身の内部に含まれる制御部によってなされてもよい。この場合、第１増幅部１０３は、電圧検出部１０９の検出結果をラインＬ１を介して取得する。そして、第１増幅部１０３は、内部の制御部によって、上述したような増幅率の調整と同様の処理を行う。このときの第１増幅部１０３の内部に含まれる制御部は、請求項における「制御部」の一部を構成するものとして機能する。上述のような制御は、端末１０８でのユーザの入力に基づいて行われてよい。例えば、動作不能となった増幅器１１０を端末１０８で表示し、ユーザが指示入力を行う事に基づき、制御部１０１（又は第１増幅部１０３の内部の制御部）が上記制御を行ってよい。
【0046】
次に、本実施形態に係る粒子加速器システム１００の作用・効果について説明する。
【0047】
まず、図８を参照して、比較例に係る増幅部２００について説明する。増幅部２００は、プリアンプ２０１と、メインアンプ２０２を備えている。また、メインアンプ２０２は、真空管を用いた増幅器２０３を備えている。このような真空管を用いた増幅器２０３を複数用いる場合、各増幅器２０３は直列で接続される。したがって、複数の増幅器２０３の中の一つでも故障した場合、増幅部２００全体を停止しなくてはならず、サイクロトロン自体の稼働を停止する必要があった。
【0048】
これに対し、本実施形態に係る粒子加速器システム１００は、信号源１０２からの高周波電力を増幅する増幅部１０５を備える。また、増幅部１０５は、半導体を用いた複数の増幅器１１０と、それぞれの増幅器１１０からの出力を合成する合成器１１１と、を備える。増幅器１１０として半導体を用いたものを採用することで、増幅部１０５は、信号源１０２からの高周波電力を複数の増幅器１１０を並列で増幅させることができる。そして、増幅部１０５は、それぞれの増幅器１１０からの出力を合成器１１１で合成することで、大電力をサイクロトロンに供給することができる。ここで、例えば、複数の増幅器１１０のうち、一部の増幅器１１０が故障して使用不可能となった場合、サイクロトロンに供給される高周波電力が低下する。これに対し、制御部１０１は、使用可能な増幅器１１０の数に基づいて、それぞれの増幅器１１０の出力を調整する。制御部１０１は、故障していない残りの増幅器１１０、すなわち使用可能な増幅器１１０が、故障した増幅器１１０の出力を補うことができる。これにより、増幅部１０５は、サイクロトロンを停止させることなく、サイクロトロン１の稼働に必要な高周波電力を供給し続けることができる。以上により、サイクロトロン１の稼働効率を向上することができる。
【0049】
また、増幅部１０５は、信号源１０２からの高周波電力を増幅する第１増幅部１０３と、複数の増幅器１１０を備える第２増幅部１０４と、第１増幅部１０３の出力を第２増幅部１０４のそれぞれの増幅器１１０へ分配する分配部１４０と、を備え、制御部１０１は、使用可能な増幅器１１０の数に応じて、第１増幅部１０３での増幅率を調整してよい。これにより、制御部１０１は、第１増幅部１０３の出力調整を行うだけで、複数の増幅器１１０の調整を一括で行うことができる。この場合、個々の増幅器１１０の調整を行う場合にして、出力の調整が容易になる。
【0050】
増幅部１０５は、信号源１０２からの高周波電力を増幅する第１増幅部１０３と、複数の増幅器１１０を備える第２増幅部１０４と、第１増幅部１０３の出力を第２増幅部１０４のそれぞれの増幅器１１０へ分配する分配部１４０と、を備え、制御部１０１は、使用可能な増幅器１１０の数に応じて、第２増幅部１０４のそれぞれの増幅器１１０での増幅率を調整してよい。
【0051】
粒子加速器システム１００は、複数の増幅器１１０の故障を検知する故障検知部１１３を更に備え、制御部１０１は、故障検知部１１３による検知結果に基づいて、それぞれの増幅器１１０の出力を調整してよい。この場合、制御部１０１は、複数の増幅器１１０の故障状況を直接把握した上で、増幅器１１０の出力の調整を行うことができる。
【0052】
粒子加速器はサイクロトロン１であり、サイクロトロン１は、増幅部１０５で増幅された高周波電力を供給されるキャビティ５，６を有し、キャビティ５，６には、キャビティ５，６内の電圧を検出する電圧検出部１０９が設けられ、制御部１０１は、使用不可能な増幅器１１０が存在することにより電圧検出部１０９で検出される電圧が低下する場合、当該電圧が所定の設定値となるように、それぞれの増幅器１１０の出力を調整してよい。このように、制御部１０１が、キャビティ５，６内の電圧に基づいて、増幅器１１０の出力の調整を行うことで、キャビティ５，６内において必要とされる電圧を正確に確保することができる。
【0053】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、粒子加速器はサイクロトロンに限定されず、線形加速器やシンクロトロンなどを採用してもよい。
【符号の説明】
【0054】
１…サイクロトロン（粒子加速器）５，６…キャビティ、１００…粒子加速器システム、１０１…制御部、１０２…信号源、１０３…第１増幅部、１０４…第２増幅部、１０５…増幅部、１０９…電圧検出部、１１０…増幅器、１１１…合成器、１１３…故障検知部、１４０…分配部。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】