特許 7405368 粒子加速器の診断装置、粒子加速器の作動方法及び粒子加速器の診断プログラム

(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】2023-12-18

(45)【発行日】2023-12-26

(54)【発明の名称】粒子加速器の診断装置、粒子加速器の作動方法及び粒子加速器の診断プログラム

(51)【国際特許分類】

   H05H 13/04 20060101AFI20231219BHJP

   G21K 5/04 20060101ALI20231219BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20231219BHJP

【ＦＩ】

H05H13/04 R

G21K5/04 C

G21K5/04 D

A61N5/10 H

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020044630

(22)【出願日】2020-03-13

(65)【公開番号】P2021144917

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2022-09-14

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】301032942

【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松本 宗道

(72)【発明者】

【氏名】塙 勝詞

(72)【発明者】

【氏名】水島 康太

(72)【発明者】

【氏名】古川 卓司

【審査官】鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】特許第４８７３５６３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】国際公開第２０１９／１８００６９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ １３／０４

Ｇ２１Ｋ ５／０４

Ａ６１Ｎ ５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円形加速器内での荷電粒子の移動により生じた第１の電流値を検出する第１検出器から、前記第１の電流値に対応する信号として出力される第１検出信号を受信する第１受信部と、
前記円形加速器よりビーム輸送系に取り出された荷電粒子の移動により生じた第２の電流値を検出する第２検出器から、前記第２の電流値に対応する信号として出力される第２検出信号を受信する第２受信部と、
前記第１検出信号と前記第２検出信号とに基づいて、前記取り出された荷電粒子の取り出し効率を算出する算出部と、
を備える粒子加速器の診断装置。

【請求項2】

請求項１に記載の粒子加速器の診断装置において、
前記算出部は、前記第１検出信号に対して微分処理を含む処理を行って第１処理信号を得て、前記第１処理信号と前記第２検出信号とに基づいて、前記取り出された荷電粒子の取り出し効率を算出する、粒子加速器の診断装置。

【請求項3】

請求項２に記載の粒子加速器の診断装置において、
前記算出部は、
前記第１処理信号に第１係数を乗算して、前記円形加速器を周回する前記荷電粒子の単位時間当たり減少数を表す第１換算値に換算する第１換算部と、
前記第２検出信号に第２係数を乗算して、前記ビーム輸送系を直進する前記荷電粒子の単位時間当たり通過数を表す第２換算値に換算する第２換算部と、を有し、
前記第２換算値を前記第１換算値で除算して前記取り出し効率を算出する粒子加速器の診断装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の粒子加速器の診断装置において、
前記算出部は、前記円形加速器を周回する前記荷電粒子のエネルギーが段階的に変化する度に前記取り出し効率を算出する粒子加速器の診断装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の粒子加速器の診断装置において、
前記ビーム輸送系に設けられた複数の前記第２検出器から受信した複数の前記第２検出信号のうちいずれか一つを選択する選択部を、備える粒子加速器の診断装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の粒子加速器の診断装置において、
前記取り出し効率に基づいて、前記円形加速器及び前記ビーム輸送系の少なくとも一方の制御部に、異常発生の喚起信号を出力するか否か、の判定を行う判定部を備える粒子加速器の診断装置。

【請求項7】

請求項６に記載の粒子加速器の診断装置において、
前記喚起信号が出力された場合、前記制御部に複数の補正電流パターンを電磁石に投入させ、それぞれの前記補正電流パターンに基づき複数の前記取り出し効率を算出させる粒子加速器の診断装置。

【請求項8】

円形加速器内での荷電粒子の移動により生じた第１の電流値を検出する第１検出器から、前記第１の電流値に対応する信号として出力される第１検出信号を受信するステップと、
前記円形加速器よりビーム輸送系に取り出された荷電粒子の移動により生じた第２の電流値を検出する第２検出器から、前記第２の電流値に対応する信号として出力される第２検出信号を受信するステップと、
前記第１検出信号と前記第２検出信号とに基づいて、前記取り出された荷電粒子の取り出し効率を算出するステップと、を含む粒子加速器の作動方法。

【請求項9】

コンピュータに、
円形加速器内での荷電粒子の移動により生じた第１の電流値を検出する第１検出器から、前記第１の電流値に対応する信号として出力される第１検出信号を受信するステップ、
前記円形加速器よりビーム輸送系に取り出された荷電粒子の移動により生じた第２の電流値を検出する第２検出器から、前記第２の電流値に対応する信号として出力される第２検出信号を受信するステップ、
前記第１検出信号と前記第２検出信号とに基づいて、前記取り出された荷電粒子の取り出し効率を算出するステップ、を実行させる粒子加速器の診断プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、荷電粒子ビームの遅い取り出しを行う粒子加速器の診断技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、荷電粒子（イオン）を加速器に供給し加速して高エネルギー状態にした荷電粒子ビームを、工学や医学等の幅広い分野で応用する研究が進められている。現在、広く運用されている加速器システムは、大まかにイオン源と線形加速器（ライナック）と円形加速器とで構成され、この順番で荷電粒子を段階的に加速する。そして、円形加速器を周回する荷電粒子が所定のエネルギーに到達したところで、出射機器を作動させ、周回軌道から進行方向を変更させた荷電粒子ビームをビーム輸送系に取り出す。

【0003】

円形加速器から荷電粒子ビームを取り出す出射機器は、速い取り出し（fast extraction）と遅い取り出し（slow extraction）とに仕様が分類される。「速い取り出し」とは、円形加速器を周回する荷電粒子の集団（ビーム）を、一周にかかる時間内に全て取り出す方法である。

【0004】

これに対し、「遅い取り出し」とは、円形加速器を周回させながら、荷電粒子ビームを取り出す方法である。このため「遅い取り出し」により出射される荷電粒子ビームは、「速い取り出し」による場合と比較して、時間をかけて少しずつ円形加速器から取り出すことが可能となる。

【0005】

これにより、円形加速器で周回する荷電粒子ビームを段階的に加速させることで、ビーム輸送系へ取り出される荷電粒子ビームのエネルギーを段階的に変化させることが可能となる。そして円形加速器における一回の加速サイクルで、異なるエネルギー（例えば数百段階）の荷電粒子ビームをビーム輸送系へ取り出すことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第４８７３５６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、円形加速器で加速された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系の末端設備（例えば治療室の照射装置）に到達するまでのロスができるだけ低いことが求められる。荷電粒子ビームの輸送ロスが大きいと、予定したエネルギーパターンを、最後まで実行できなくなる課題がある。また、荷電粒子ビームの輸送ロスが大きいと、ビーム利用効率が低下する課題もある。

【0008】

このような荷電粒子ビームの取り出し効率は、そのエネルギー値に依存して変化し、円形加速器を構成する電磁石の励磁電流を調整することで、改善されることが分かっている。また円形加速器の環境変化（冷却水温度、室内温度）に伴って電磁石の磁場は微妙に変化するため、きめ細かく調整作業を行い、荷電粒子ビームの取り出しを高効率に維持する必要がある。

【0009】

ここで、また、荷電粒子ビームの取り出し効率は、１０^-5秒から１０^-1秒のオーダーで変化すると考えられている。したがって、ビーム取り出し効率を高効率に維持するためには、ビーム取り出し効率を可能な限りリアルタイムに近い単位時間で取得しながら電磁石の励磁電流を制御することが望ましい。

【0010】

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、荷電粒子の取り出し効率を短周期で評価できる粒子加速器の診断技術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】

【0011】

実施形態に係る粒子加速器の診断装置は、円形加速器内での荷電粒子の移動により生じた第１の電流値を検出する第１検出器から、前記第１の電流値に対応する信号として出力される第１検出信号を受信する第１受信部と、前記円形加速器よりビーム輸送系に取り出された荷電粒子の移動により生じた第２の電流値を検出する第２検出器から、前記第２の電流値に対応する信号として出力される第２検出信号を受信する第２受信部と、前記第１検出信号と前記第２検出信号とに基づいて、前記取り出された荷電粒子の取り出し効率を算出する算出部と、を備える。

【発明の効果】

【0012】

本発明の実施形態により、荷電粒子の取り出し効率を短周期で評価できる粒子加速器の診断技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の第１実施形態に係る粒子加速器の診断装置のブロック図。

【図2】本発明の第２実施形態に係る粒子加速器の診断装置のブロック図。

【図3】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）実施形態に係る粒子加速器の診断装置の動作を説明するタイミングチャート。

【図4】本発明の第３実施形態に係る粒子加速器の診断装置のブロック図。

【図5】本発明の第４実施形態に係る粒子加速器の診断装置のブロック図。

【図6】各実施形態に係る粒子加速器の診断方法及び診断プログラムを説明するフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0014】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る粒子加速器の診断装置１０Ａのブロック図である。このように粒子加速器の診断装置１０Ａ（１０）は、円形加速器２０内での荷電粒子の移動により生じた第１の電流値を検出する第１検出器２８から、この第１の電流値に対応する信号として出力される第１検出信号Ｓ１を受信する第１受信部１１と、円形加速器２０よりビーム輸送系３０に取り出された荷電粒子の移動により生じた第２の電流値を検出する第２検出器５５から、この第２の電流値に対応する信号として出力される第２検出信号Ｓ２を受信する第２受信部１２と、第１検出信号Ｓ１と第２検出信号Ｓ２と基づいて、円形加速器２０よりビーム輸送系３０に取り出された荷電粒子の取り出し効率Ｑを算出する算出部４０と、を備えている。

【0015】

そして算出部４０は、第１検出信号Ｓ１に対して微分処理を含む処理を行って第１処理信号Ｄを得て、この第１処理信号Ｄと第２検出信号Ｓ２とに基づいて（第１処理信号Ｄと第２検出信号Ｓ２との比を少なくとも計算し）、取り出された荷電粒子の取り出し効率Ｑを算出する処理部１６を有している。

【0016】

粒子加速器のシステムは、イオン源２１とライナック２２と円形加速器２０とで構成され、この順番で荷電粒子を段階的に加速する。そして、円形加速器２０を周回する荷電粒子が所定のエネルギーに到達したところで、そのエネルギーが保たれた状態で出射機器２９を作動させ、周回軌道から進行方向を変更させた荷電粒子ビームがビーム輸送系３０に取り出される。なお、本説明において「エネルギー」とは「核子当りの運動エネルギー」を意味する。ここで、本実施形態に係る粒子加速器の診断装置１０Ａによって診断される対象の粒子加速器は、前述したライナック（線形加速器）２２と円形加速器２０とビーム輸送系３０とを少なくとも含んで構成される機器である。

【0017】

イオン源２１は、ＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)イオン源、ＰＩＧ(Penning Ionization Gauge)イオン源といった高周波（マイクロ波を含む）照射型の他に、レーザ照射型のイオン源等が挙げられるが、これらに限定されない。

【0018】

ライナック２２は、隣同士で逆向きの電界成分を持つ複数の加速電場を直線状に並べ、電界方向を高周波周波数で繰り返し反転させ、加速電場を通過する荷電粒子を常に一方向のみに加速するものである。そしてこのライナック２２は、イオン源２１から入射したイオンを所定のエネルギーまで加速した後に、円形加速器２０に出射する。

【0019】

円形加速器２０は、ライナック２２から入射した荷電粒子を高周波電力により加速させる高周波加速空洞２５と、周回する荷電粒子を曲げる磁場を発生させる複数の偏向電磁石２６と、周回する荷電粒子を発散・収束させて周回軌道内に押留める磁場を発生させる複数の四極電磁石２７と、周回する荷電粒子のビームの電流値を検出する電流検出器（第１検出器）２８と、円形加速器２０を周回する荷電粒子のビームを少しずつビーム輸送系３０に出射させる出射機器２９と、から構成されている。

【0020】

このように構成される円形加速器２０は、ライナック２２から低エネルギーで入射した荷電粒子のビームを、周回させながら最終的に光速の７０～８０％の上限エネルギーまで加速することができる。そして円形加速器２０は、この上限エネルギーよりも低エネルギーの任意のエネルギーで、周回する荷電粒子のビームのエネルギーを保持することができる。そして、制御部２３は、上述した荷電粒子のビームの加速が正しく行われるように、イオン源２１、ライナック２２及び円形加速器２０を連動して制御する。

【0021】

なおビーム輸送系３０にも、直進する荷電粒子を軌道内に押留めるための四極電磁石２７と、荷電粒子の軌道を曲げるための偏向電磁石２６と、が設けられている。そして、このビーム輸送系３０の先には、荷電粒子ビーム５１を照射することにより患者５２の腫瘍を治療する照射装置５０が接続されている。なおこの照射装置５０は例示であって、ビーム輸送系３０の先に接続される施設は特に限定されない。

【0022】

実施形態で採用される出射機器２９は、円形加速器２０を周回する荷電粒子の集団（ビーム）を少しずつ取り出す「遅い取り出し」の仕様である。出射機器２９は、制御部２３から入力する制御信号Ｇに基づいて出射用電極（図示略）を励振させることで、不安定領域に遷移したビームを円形加速器２０からビーム輸送系３０へ取り出す。なお、ビーム輸送系３０には通過する荷電粒子の移動によって生じる電流値（第２の電流値）を検出して監視する第２検出器５５が設けられている。

【0023】

第１受信部１１が受信する第１検出信号Ｓ１は、円形加速器２０に設けられた第１検出器２８から出力される信号であって、周回する荷電粒子の移動によって生じる電流値（第１の電流値）に対応した信号である。第１検出器２８による電流値の測定原理は、アンペールの法則を利用して、電流の周りに同心円状に形成される磁場を検出することによる。そして、第１検出器２８は、周回する荷電粒子の移動に伴って生じる第１の電流値に比例した第１検出信号Ｓ１を出力する。

【0024】

処理部１６は、この第１検出信号Ｓ１に対して少なくとも時間微分を含む処理を行って得られる第１処理信号Ｄを出力するものである。ここで、第１処理信号Ｄは、円形加速器２０からビーム輸送系３０にロス無く取り出された場合、第２検出器５５で検出される第２検出信号Ｓ２の理想値に相当する。

【0025】

ここで、円形加速器２０の周回電流値を表す第１検出信号Ｓ１は、荷電粒子の周回周波数ｆに比例し、この周回周波数ｆは荷電粒子の速度に比例するものである。そして、円形加速器２０を周回する荷電粒子の単位時間当り減少数Ａは、次式（１）で表され、第１処理信号Ｄに対応するものである。ここで係数ｋは、荷電粒子の核種に依存して決定される量で、電荷量から粒子数へ変換する係数である。ΔＳ１は、期間Δｔにおける第１検出信号Ｓ１の変化量である。

【0026】

周回荷電粒子の単位時間当り減少数Ａ＝Ｄ×Ｋ１ …（１）
[Ｄ＝ΔＳ１／Δｔ，Ｋ１＝ｋ／ｆ]

【0027】

なお図示を省略するが、処理部１６で第１検出信号Ｓ１を時間微分する前段に、第１検出信号Ｓ１に含まれるノイズ成分を除去するノイズフィルタ（図示略）が設けられている。またノイズフィルタに入力する前に、アナログ信号である第１検出信号Ｓ１を増幅する増幅器（図示略）も設けられている。なお、増幅された第１検出信号Ｓ１は、その後、アナログ信号のまま、ノイズフィルタ及び処理部１６で処理される場合もあるが、デジタル信号に変換された後に、ノイズフィルタ及び処理部１６で処理される場合もある。

【0028】

第２受信部１２が受信する第２検出信号Ｓ２は、ビーム輸送系３０に設けられた第２検出器５５から出力される信号であって、直進する荷電粒子の移動によって生じる電流値（第２の電流値）に対応した信号である。第２検出器５５による電流値の測定原理は、荷電粒子ビームが気体を通過した時の電離電子により発生したパルス信号を、カウントするというものである。このパルス信号の単位時間当たりカウント数は、ビーム輸送系３０を通過する荷電粒子の移動に伴って生じた電流値に対応する。

【0029】

第２検出器５５は、通過する荷電粒子の電流値に比例した周波数のパルス信号を発生し、単位時間当り発生したパルス信号のカウント積算値を第２検出信号Ｓ２として出力する。そして、ビーム輸送系３０を直進する荷電粒子の単位時間当り通過数Ｂは、次式（２）で表わすように、１パルス当りの荷電粒子数を表す第２係数Ｋ２に第２検出信号Ｓ２を乗算して得られる。

【0030】

直進荷電粒子の単位時間当り通過数Ｂ＝Ｓ２×Ｋ２ …（２）

【0031】

算出部４０は、次式（３）で表わすように、荷電粒子の取り出し効率Ｑを算出する。このように取り出し効率Ｑは、第２検出信号Ｓ２と第１処理信号Ｄの比（Ｓ２／Ｄ）を要素に持つ。さらに、荷電粒子のエネルギーが変化する場合の取り出し効率Ｑは、第２検出信号Ｓ２と第１処理信号Ｄの比（Ｓ２／Ｄ）に、周回周波数ｆと定数（Ｋ２／ｋ）を乗算して得られる。

【0032】

取り出し効率Ｑ＝Ｂ／Ａ＝Ｋ３×Ｓ２／Ｄ…（３）
[Ｋ３＝Ｋ２／Ｋ１＝ｆ・Ｋ２／ｋ]

【0033】

ビームの取り出し効率Ｑは、さまざまな要因により変動するが、円形加速器２０やビーム輸送系３０を構成する電磁石の電流値調整による磁場調整により、回復させることができる。特に円形加速器２０を周回する荷電粒子ビームを収束させる四極電磁石２７の電流パターンの調整により、改善できる場合が多い。

【0034】

（第２実施形態）
次に図２を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図２は本発明の第２実施形態に係る粒子加速器の診断装置１０Ｂのブロック図である。なお、図２において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

【0035】

第２実施形態に係る粒子加速器の診断装置１０Ｂ（１０）の算出部４０は、第１処理信号Ｄに第１係数Ｋ１を乗算して円形加速器２０を周回する荷電粒子の単位時間当たり減少数を表す第１換算値Ａに換算する第１換算部４１と、第２検出信号Ｓ２に第２係数Ｋ２を乗算してビーム輸送系３０を直進する荷電粒子の単位時間当たり通過数を表す第２換算値Ｂに換算する第２換算部４２と、を有している。そして除算部４５は、第２換算値Ｂを第１換算値Ａで除算して取り出し効率Ｑを算出する。

【0036】

第１換算部４１から出力される第１換算値Ａは、上述の式（１）に示すように、処理部１６から入力した第１処理信号Ｄに第１係数Ｋ１を乗算したものである。なお第１係数Ｋ１は円形加速器２０の周回周波数ｆを構成に含むので、周回する荷電粒子のエネルギーが変化する場合は、これに対応して第１係数Ｋ１も変化させる。

【0037】

第２換算部４２から出力される第２換算値Ｂは、上述の式（２）に示すように、第２検出信号Ｓ２に第２係数Ｋ２を乗算したものである。この第２換算値Ｂはビーム輸送系３０を直進する荷電粒子の単位時間当たり通過数を表しており、第１換算値Ａは円形加速器２０を周回する荷電粒子の単位時間当たり減少数を表している。これにより、円形加速器２０を周回する荷電粒子のエネルギーが段階的に変化する場合であっても、第２換算値Ｂと第１換算値Ａとの比（Ｂ／Ａ）は取り出し効率Ｑを表す。

【0038】

図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）は、実施形態に係る粒子加速器の診断装置の動作を説明するタイミングチャートである。図３（Ａ）に示すタイミングで、制御部２３（図１）からイオン源２１に指令信号が送信される。すると、イオン源２１から荷電粒子が出力され、ライナック２２で加速された後、荷電粒子のビームが円形加速器２０に供給される。

【0039】

図３（Ｂ）は、制御部２３（図１）から偏向電磁石２６に付与される励磁電流のプロファイルを示している。偏向電磁石２６の励磁電流は、周回する荷電粒子のエネルギーに対応して一意的に決定する値であるため、図３（Ｂ）は、円形加速器２０を周回する荷電粒子のエネルギーのプロファイルを示すと考えてもよい。

【0040】

円形加速器２０は、指令信号（図３（Ａ））が送信される以前から、ライナック２２から供給された直後の入射エネルギーＥ₀を持つ荷電粒子を周回させるのに対応した初期状態に設定されている。そして、荷電粒子のビームが入射した以降、円形加速器２０は、荷電粒子のエネルギーが増加する方向に設定状態を変化させ、所定のエネルギーＥ₁に安定したところで設定状態を保持する。

【0041】

図３（Ｃ）は、円形加速器２０の設定状態がエネルギーＥ₁（又はＥ₂,Ｅ₃）に保持された状態で、制御部２３（図１）から出射機器２９に送信される制御信号Ｇの期間Δｔを示している。このように、制御信号Ｇが出射機器２９に送信されている期間Δｔにおいて、円形加速器２０を周回する荷電粒子のビームは少しずつビーム輸送系３０に取り出されていく。

【0042】

図３（Ｄ）は、第１検出器２８（図１）において、円形加速器２０を周回する荷電粒子のビームの電流値を検出した第１検出信号Ｓ１のプロファイルを示している。処理部１６は、期間Δｔにおける第１検出信号Ｓ１の変化量ΔＳ１を出力する時間微分を行い、第１処理信号Ｄを出力する。

【0043】

図３（Ｅ）は、第２検出器５５（図１）において、ビーム輸送系３０を直進する荷電粒子が期間Δｔで発生させたパルス信号のカウント積算値を示す第２検出信号Ｓ２のプロファイルを示している。そして、第１処理信号Ｄ及び第２検出信号Ｓ２が得られたタイミングで、上述（３）式により、取り出し効率Ｑが計算される。そして、円形加速器２０のエネルギーＥの設定状態をＥ₁からＥ₂,Ｅ₃へと段階的に変化させた状態で、第１処理信号Ｄ及び第２検出信号Ｓ２を取得し、エネルギーＥに対応する周回周波数ｆを代入した上述（３）式により、取り出し効率Ｑを計算する。

【0044】

なお図３において、微分及び積算の期間は、説明を単純にするために、ビーム輸送系３０にビーム取り出し期間Δｔに一致させたが、ビーム取り出し期間内のさらに微小な期間Δｔ（例えば、１００ｍｓ，１０ｍｓ，１ｍｓ等）としてもよい。

【0045】

制御信号Ｇが出射機器２９に送信され時間が経過するにしたがい、円形加速器２０を周回する荷電粒子のビームは、減少もしくは無くなる。そこで、円形加速器２０の設定状態をエネルギーＥ₁,Ｅ₂,Ｅ₃から初期設定である入射エネルギーＥ₀の状態に戻し（減速し）、再度、イオン源２１に指令信号を送信し（図３（Ａ））、取り出し効率Ｑを再計算することができる。

【0046】

（第３実施形態）
次に図４を参照して本発明における第３実施形態について説明する。図４は本発明の第３実施形態に係る粒子加速器の診断装置１０Ｃのブロック図である。なお、図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

【0047】

第３実施形態に係る粒子加速器の診断装置１０Ｃ（１０）は、ビーム輸送系３０に設けられた複数の第２検出器５５（５５ａ，５５ｂ）から受信した複数の第２検出信号Ｓ２（Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ）のうちいずれか一つを選択する選択部１５を、備えている。そして、選択部１５で選択された第２検出信号Ｓ２が第２受信部１２で受信される。なお選択部１５を除く第３実施形態の構成要素の動作は、第１実施形態及び第２実施形態の構成要素と同じである。

【0048】

ここで、ビーム輸送系３０の上流側に設置された第２検出器５５ａから出力された第２検出信号Ｓ２ａに基づいて算出された取り出し効率Ｑは、円形加速器２０からビーム輸送系３０に取り出された直後のビームロスを反映している。これに対し、ビーム輸送系３０の下流側に設置された第２検出器５５ｂから出力された第２検出信号Ｓ２ｂに基づいて算出された取り出し効率Ｑは、さらにビーム輸送系３０を通過する過程におけるビームロスも反映している。

【0049】

取り出し効率Ｑの悪化は、加速器建屋における冷却水温度や室内温度等の環境変化に伴い電磁石磁場が微妙に変化してしまうことが原因の一つである。第２検出信号Ｓ２ａに基づき算出された取り出し効率Ｑが悪化している場合は、円形加速器２０の周辺機器や制御パラメータの調整が行われる。また第２検出信号Ｓ２ｂに基づき算出された取り出し効率Ｑが悪化している場合は、ビーム輸送系３０の周辺機器や制御パラメータの調整が行われる。このように、ビーム輸送系３０の別々の位置に設けられた複数の第２検出器５５から出力された第２検出信号Ｓ２に基づいて複数の取り出し効率Ｑを算出することで、ビームロスの原因究明の一助になる。

【0050】

また、実施形態においてビーム輸送系３０が一本で構成される場合を示したが、ビーム輸送系３０が分岐して構成される場合もある。この場合、複数の第２検出器５５が配置されることで、ビームロスが、ビーム輸送系３０のいずれの枝に起因するか特定することが容易になる。

【0051】

（第４実施形態）
次に図５を参照して本発明における第４実施形態について説明する。図５は本発明の第４実施形態に係る粒子加速器の診断装置１０Ｄのブロック図である。なお、図５において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

【0052】

第４実施形態に係る粒子加速器の診断装置１０Ｄ（１０）は、取り出し効率Ｑに基づいて、円形加速器２０及びビーム輸送系３０の少なくとも一方の制御部２３，２４に異常発生の喚起信号Ｒを出力部１８から出力するか否かの判定を行う判定部１７をさらに備えている。この喚起信号Ｒは、制御部２３に入力され、円形加速器２０やビーム輸送系３０に予め定められた動作を行わせる。なお判定部１７及び出力部１８を除く第４実施形態の構成要素の動作は、第１実施形態及び第２実施形態の構成要素と同じである。

【0053】

取り出し効率Ｑが許容値を超えて悪化した場合は、円形加速器２０又はビーム輸送系３０に何等かの異常の発生が推測される。照射装置５０において患者の治療を実施する工程で喚起信号Ｒが出力された場合は、オペレータに通知するか、円形加速器２０及びビーム輸送系３０の動作を緊急停止させる場合がある。

【0054】

もしくは喚起信号Ｒが出力された場合、制御部２３に複数の補正電流パターンを電磁石２７に投入させ、それぞれの補正電流パターンに基づき複数の取り出し効率Ｑを算出させる。これにより、取り出し効率Ｑの一番優れる補正電流パターンを採用することで、効率的に荷電粒子ビームを照射することできる。

【0055】

図６のフローチャートに基づいて、各実施形態に係る粒子加速器の診断方法及び診断プログラムを説明する（適宜、図１参照）。まず、円形加速器２０を周回する荷電粒子ビームを所定のエネルギーＥで安定化させる（Ｓ１０ Ｎｏ Ｙｅｓ）。次に、円形加速器２０から荷電粒子ビームを取り出してビーム輸送系３０を直進させる（Ｓ１２）。そして、円形加速器２０を周回する荷電粒子の移動によって生じる第１の電流値に対応した第１検出信号Ｓ１を受信し（Ｓ１３）、この第１検出信号Ｓ１を時間微分し、第１処理信号Ｄを出力する（Ｓ１４）。

【0056】

一方において、円形加速器２０から取り出されてビーム輸送系３０を直進する荷電粒子の移動によって生じる第２の電流値に対応した第２検出信号Ｓ２を受信する（Ｓ１５）。そして、第１処理信号Ｄと第２検出信号Ｓ２との比を計算し、荷電粒子の取り出し効率Ｑを算出する（Ｓ１６）。

【0057】

この取り出し効率Ｑが予め定められた閾値を超えていない場合（Ｓ１７ Ｎｏ）、喚起信号が出力される（Ｓ１８ ＥＮＤ）。喚起信号が出力されると、オペレータの判断で円形加速器２０又はビーム輸送系３０を構成する電磁石に入力する励磁電流の調整が行われる。

【0058】

取り出し効率Ｑが閾値よりも大きい場合は（Ｓ１７ Ｙｅｓ）、円形加速器２０を周回する荷電粒子ビームのエネルギーＥを更新設定し（Ｓ１９ Ｎｏ）、（Ｓ１１）から（Ｓ１７）までのフローが繰り返される。そして、設定した全てのエネルギーＥにおいて取り出し効率Ｑが閾値よりも大きいことの確認がとれたところで終了する（Ｓ１９ Ｙｅｓ ＥＮＤ）。

【0059】

以上述べた少なくともひとつの実施形態の粒子加速器の診断装置によれば、円形加速器のビーム電流値の時間微分値とビーム輸送系のビーム電流値との比を計算することで、荷電粒子ビームの取り出し効率を短周期で評価することが可能となる。

【0060】

なお、各実施形態においては、円形加速器を周回する荷電粒子の減少数と、ビーム輸送系に出射された荷電粒子数とを比較できればよい。例えば、第１検出信号には微分演算を行うものとして説明したが、ビームの出射（すなわち円形加速器中の荷電粒子の減少）による第１検出信号の変化と、このビームの出射のタイミングに対応する時間、つまり出射されたビームが第２検出器５５に到達するタイミングの第２検出信号とに基づいてビーム出射効率を求められるよう構成すれば、微分演算は必須の演算処理ではない。

【0061】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【0062】

以上説明した粒子加速器の診断装置は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

【0063】

また粒子加速器の診断装置で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。

【0064】

また、本実施形態に係る粒子加速器の診断装置で実行されるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。また、装診断装置は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワーク又は専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

【符号の説明】

【0065】

１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ）…粒子加速器の診断装置、１１…第１受信部、１２…第２受信部、１５…選択部、１６…処理部、１７…判定部、１８…出力部、２０…円形加速器、２１…イオン源、２２…ライナック、２３…円形加速器の制御部、２４…ビーム輸送系の制御部、２５…高周波加速空洞、２６…偏向電磁石、２７…四極電磁石、２８…第１検出器、２９…出射機器、３０…ビーム輸送系、４０…算出部、４１…第１換算部、４２…第２換算部、４５…除算部、５０…照射装置、５５（５５ａ，５５ｂ）…第２検出器、Ａ…第１換算値、Ｂ…第２換算値、Ｓ１…第１検出信号、Ｓ２…第２検出信号、Ｋ１…第１係数、Ｋ２…第２係数、Ｄ…第１処理信号、Ｑ…取り出し効率、Ｇ…制御信号、Ｒ…喚起信号。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】