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WO2025187100A1 - 円形加速器、粒子線治療システム、及び円形加速器の運転方法 - Google Patents

円形加速器、粒子線治療システム、及び円形加速器の運転方法

Info

Publication number
WO2025187100A1
WO2025187100A1 PCT/JP2024/029911 JP2024029911W WO2025187100A1 WO 2025187100 A1 WO2025187100 A1 WO 2025187100A1 JP 2024029911 W JP2024029911 W JP 2024029911W WO 2025187100 A1 WO2025187100 A1 WO 2025187100A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetic field
circular accelerator
frequency
operating
relationship
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/JP2024/029911
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2025187100A8 (ja
Inventor
沙希子 足利
風太郎 えび名
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi High Tech Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi High Tech Corp filed Critical Hitachi High Tech Corp
Publication of WO2025187100A1 publication Critical patent/WO2025187100A1/ja
Publication of WO2025187100A8 publication Critical patent/WO2025187100A8/ja
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/04—Synchrotrons

Definitions

  • the present invention relates to a circular accelerator for accelerating heavy ions such as protons and carbon ions, a particle beam therapy system, and a method for operating a circular accelerator.
  • Patent Document 1 describes how, when a beam is extracted from an orbit, a means for changing the stable region boundary is operated at the timing of extraction, and the high-frequency signal generating section of the high-frequency generator is swept from frequency f1, which puts charged particles near the center of the orbiting beam into a resonant state, to frequency f2, which puts charged particles with nearly the maximum amplitude within the stable region boundary into a resonant state, and is controlled with an amplitude modulation waveform where f1 > f2.
  • Circular accelerators have traditionally been used for physics experiments and medical purposes, where a charged particle beam is accelerated in a circular path, extracted from the circular path, and transported via a beam transport system to irradiate the desired target.
  • the method used to extract (send) the beam from the circular accelerator is to apply a high-frequency electric field to the circulating beam, increasing the amplitude of the betatron oscillations and sending the beam outside the region where it stably passes through the circulating orbit.
  • Patent Document 1 describes a technology for an accelerator having a high-frequency generator for beam extraction, in which the betatron frequencies f1 and f2 of particles at the center of the beam and particles at the edge of the separatrix are given a function that increases the intensity of the RF frequency corresponding to the range f1 to f2 by as much as f1, thereby suppressing the decrease in particle density in the beam and reducing the cost of the main electromagnet power supply.
  • Beam extraction using radio frequency waves is achieved by applying radio frequency waves with an amplitude of several kV or more to an electrode (kicker) that generates an electric field component that kicks the beam horizontally. This means that the power consumption of the radio frequency generator and the power performance required of the device's power supply are high.
  • the region in which a beam orbits stably is determined by the magnitude of the quadrupole magnetic field near the beam orbit. Furthermore, the frequency of the radio-frequency electric field to be applied to the beam also depends on the magnitude of the quadrupole magnetic field in the orbit of each beam particle.
  • the RF frequency to be applied depends not only on the distance in phase space from the center of the beam, but also on the distance between the particle's passing position and the electromagnet.
  • An example of a situation where the quadrupole magnetic field distribution on the beam orbit is asymmetric horizontally from the direction of beam propagation is when a peeler magnetic field or the like is applied to extract the beam.
  • Patent Document 1 in an accelerator having a high-frequency generator for beam extraction, the betatron frequencies f1 and f2 of particles at the center of the beam and particles at the edge of the separatrix are given as a function that increases the intensity of the RF frequency corresponding to the range f1 to f2 by as much as f1.
  • the RF frequency to be applied for beam extraction cannot be determined solely from the betatron frequencies f1 and f2 of the particles at the center of the beam and the particles at the edge of the separatrix, and therefore a different method from that described in Patent Document 1 is required.
  • the present invention provides a circular accelerator, particle beam therapy system, and method of operating a circular accelerator that can extract a beam with less energy than conventional methods in a circular accelerator in which the quadrupole magnetic field distribution on the beam orbit is asymmetric horizontally when viewed from the direction of beam propagation.
  • the present invention includes multiple means for solving the above problems, but one example is a circular accelerator having electrodes that generate an electric field component that kicks the beam horizontally, and magnetic poles that generate a quadrupole magnetic field that is asymmetric when viewed from the direction of beam propagation, with the amplitude of betatron oscillation increased by the electrodes, and the strength of each frequency component of the electric field applied to the electrodes is controlled based on the relationship between the position where the beam particles pass under the magnetic field and the phase lead of the betatron oscillation per turn at the position of the electrodes.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of the configuration of a particle beam therapy system according to an embodiment
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic external view of an accelerator according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the cross-sectional configuration of the accelerator of the embodiment and the relationship between the devices involved in beam extraction.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a radio-frequency kicker provided in the accelerator of the embodiment.
  • 4 is a diagram showing an example of the arrangement of magnetic pole pieces in the pole piece magnetic field region, viewed from the arrow A-A' in FIG. 3;
  • FIG. FIG. 6 is a diagram showing the distribution of the main magnetic field on the r axis in FIG. 5 .
  • FIG. 2 is a time chart illustrating a beam extraction procedure in the accelerator of the embodiment.
  • 1 is a diagram showing the behavior of beam particles in phase space at a high-frequency kicker point and resonance conditions in the accelerator of the embodiment;
  • 10A and 10B are diagrams for explaining a method for determining a high frequency wave to be input to a high frequency kicker in the accelerator of the embodiment.
  • 10 is a diagram showing an example of the relationship between the frequency fext required to generate resonance of betatron oscillation and the closest distance l between the center position of the peeler magnetic field region and the orbit of the beam particle.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the procedure for controlling beam extraction in the accelerator of the embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing the cross-sectional configuration of another form of accelerator of the embodiment and the relationship between the devices involved in beam extraction.
  • Figure 1 is a diagram showing the outline of the configuration of the particle beam therapy system of the embodiment.
  • the particle beam therapy system 1000 shown in Figure 1 includes an accelerator 1 that accelerates and extracts a beam, a beam transport device 2 that transports the beam extracted from the accelerator 1, an irradiation device 3, an overall control device 400 that controls the accelerator 1 and the beam transport device 2, an irradiation control device 50, a treatment plan database 60, a blocking device 350, and a treatment planning device 7.
  • the beam generated by the accelerator 1 is transported to the irradiation device 3 via the beam transport device 2.
  • the beam position is controlled by the magnetic field of a scanning electromagnet, and the beam is irradiated at a predetermined affected area of the patient 5 lying supine on the treatment table 4.
  • the irradiation device 3 has an internal dosimetry device 3a that measures the actual dose irradiated to the patient.
  • the treatment planning device 7 is a device that calculates and determines various control parameters related to the irradiation of the beam to the patient 5, and the created treatment plan is recorded in the treatment plan database 60.
  • the overall control device 400 controls each device based on the treatment plan obtained from the treatment plan database 60.
  • the overall control device 400 also determines the target energy to be accelerated based on the treatment plan and sends predetermined command values to each device.
  • the irradiation control device 50 is a control device for monitoring the irradiation dose and irradiation position, and when irradiation of a certain spot with the specified planned dose is completed, irradiation of the next spot is carried out. By repeating this process, it is possible to impart a dose distribution specified in the treatment plan previously prepared by the treatment planning device 7 to the appropriate position and depth.
  • the interruption device 350 is a shielding device that blocks the beam extracted from the accelerator 1 without transporting it to the subsequent stage (irradiation device 3), and is composed of a beam interruption electromagnet, an excitation power supply for the beam interruption electromagnet, and a beam dump that discards the beam components removed by the interruption electromagnet (all of which are omitted from the illustration).
  • the excitation power supply is connected to the interruption electromagnet, and the overall control device 400 is connected to the excitation power supply, and the discarding of the beam is controlled by controlling the excitation of the interruption electromagnet.
  • the accelerator 1 of this embodiment is a circular accelerator that has a time-constant magnetic field as the main magnetic field and accelerates protons circulating in the main magnetic field using a radio-frequency electric field. Its appearance is shown in Figure 2, and a cross-sectional diagram and the relationship between the equipment involved in beam extraction are shown in Figure 3.
  • the accelerator 1 has an outer shell formed by a main electromagnet 40 that can be separated vertically, and the beam acceleration region inside the main electromagnet 40 is evacuated.
  • an ion source 12 that generates a beam of ions to be injected into the main electromagnet 40, and an acceleration gap 11.
  • a high-frequency electric field is applied to the acceleration gap 11 by a high-frequency generator (both not shown).
  • the accelerator 1 has, as equipment for extracting the beam, an extraction control device 5000, a radio-frequency kicker 70, a high-energy beam transport system 47, and a peeler magnetic field region 44 and a regenerator magnetic field region 45 as magnetic field structures.
  • the accelerated beam is emitted from the beam extraction path entrance 82 to the outside of the acceleration region.
  • the high-energy beam transport system 47 for transporting the extracted beam from the inside of the main electromagnet 40 to the outside is arranged from the inside to the outside of the main electromagnet 40.
  • the extraction control device 5000 has a control computer 5001, a synthesizer 5002, a signal amplifier 5003, and a high-frequency kicker power supply 5004, and upon receiving a beam irradiation command from the overall control device 400, creates a high-frequency signal to be applied to the high-frequency kicker 70 and inputs it into the high-frequency kicker 70.
  • the radio-frequency kicker 70 is a device that applies a radio-frequency voltage to the circulating beam passing through it, and is an electrode that generates an electric field component that kicks the beam horizontally.
  • the control computer 5001 is a computer that calculates the relationship between the particle passage position and the phase advance of the betatron oscillation per turn at the position of the radio-frequency kicker 70. For example, the control computer 5001 calculates the frequency band and intensity of the radio-frequency voltage to be applied to the radio-frequency kicker 70 based on the results of measuring the magnetic field inside the accelerator 1, and controls the ON/OFF of the radio-frequency voltage applied to the radio-frequency kicker in accordance with the control signal from the overall control device 400.
  • control computer 5001 is not limited to a configuration that calculates the relationship between the particle passage position and the phase lead of the betatron oscillation per turn at the position of the high-frequency kicker 70, but can also be configured to receive input of the relationship between the particle passage position and the phase lead of the betatron oscillation per turn at the position of the high-frequency kicker 70 calculated by an external computing device.
  • the synthesizer 5002 is a device with electronic circuits that can freely modify and output the frequency and waveform of a signal, and synthesizes a high frequency wave in the corresponding frequency band based on the signal from the control computer 5001.
  • Signal amplifier 5003 is a signal amplifier that amplifies the signal created by synthesizer 5002 up to an amplitude of several kV.
  • the high-frequency kicker power supply 5004 is a power supply with a maximum output of several tens of kW, and supplies power to the signal amplifier 5003.
  • the main electromagnet 40 is internally formed with a peeler magnetic field region 44 and a regenerator magnetic field region 45, which are disturbance magnetic fields consisting of dipole and multipole magnetic fields.
  • the beam is extracted using a radio-frequency kicker 70, which generates an electric field component that kicks the beam horizontally, and the peeler magnetic field region 44 and regenerator magnetic field region 45, which are asymmetric quadrupole magnetic fields when viewed from the direction of beam propagation, with the amplitude of betatron oscillations increased by the radio-frequency kicker 70.
  • the beam of charged particles generated by the ion source 12 is injected into the beam acceleration region inside the main electromagnet 40.
  • the injected beam is accelerated by the radio-frequency electric field and orbits within the main magnetic field while gaining energy.
  • the radius of curvature of its orbit increases, and the beam traces a spiral trajectory from the center of the acceleration region outward.
  • the orbit that the beam follows from the start of acceleration until it reaches maximum energy is called the circular orbit.
  • the orbit through which the maximum energy beam passes is called the maximum energy beam orbit 80.
  • the surface on which the circular orbit describes a spiral is called the orbital plane or orbital surface.
  • the orbital plane is considered as a two-dimensional polar coordinate system with the center of the acceleration region as the origin, the axis extending radially outward from the center is called the r-axis.
  • betatron oscillation As the beam orbits, the charged particles vibrate in a direction perpendicular to the beam's orbit; this vibration is called betatron oscillation, and the frequency of this vibration is called the betatron frequency.
  • the frequency per orbit is called the tune, and the displacement of the beam on the r-axis outside the orbital plane per orbit is called the turn separation.
  • the betatron oscillation of an orbiting beam in the orbital plane and perpendicular to the beam's orbit is called horizontal betatron oscillation, and the tune is called horizontal tune. This betatron oscillation has the property that when an appropriate high-frequency voltage is applied, resonance occurs and the amplitude increases rapidly.
  • the main magnetic field is a magnetic field whose strength is constant in the circumferential direction, and forms a distribution in which the magnetic field on the orbit decreases as the beam energy increases, i.e., the magnetic field decreases on the outer radial side. Under such a magnetic field, betatron oscillation occurs stably in both the radial direction within the beam's orbital plane and in the direction perpendicular to the orbital plane.
  • the magnetic field is constant along the design orbit. As a result, the design orbit is circular, and the orbital radius and orbital time increase as the beam energy increases.
  • the main magnetic field distribution described above is formed by the main electromagnet 40 and the trim coils and pole pieces (not shown) installed inside the main electromagnet 40. These components that form the main magnetic field distribution are arranged symmetrically with respect to the orbital plane, so that on the orbital plane, the main magnetic field only has a magnetic field component in a direction perpendicular to the orbital plane.
  • the radio frequency acceleration voltage for accelerating the beam in the acceleration gap 11 is stopped, and the beam orbits on maximum energy beam orbit 80. Then, when the beam enters the radio frequency kicker 70, which is installed on maximum energy beam orbit 80 and applies radio frequency, radio frequency voltage is applied, and the betatron oscillation amplitude of the beam increases.
  • the beam with its betatron oscillation amplitude increased, eventually reaches the peeler magnetic field region 44 and regenerator magnetic field region 45, which are located a certain distance from the maximum energy beam orbit 80 on the outer periphery of the maximum energy beam orbit 80.
  • kicking refers to deflecting the beam by applying an electric or magnetic field to it.
  • the kick from the quadrupole magnetic field component of the peeler magnetic field region 44 further increases the betatron oscillation amplitude of the beam, and the turn separation increases.
  • the magnetic field of the regenerator magnetic field region 45 prevents the horizontal tune of the beam from changing suddenly, preventing the betatron oscillation from diverging in the vertical direction, which is 90 degrees perpendicular to the horizontal direction, and causing the beam to be lost before it is extracted.
  • the beam enters the septum coil 43, is kicked out of the orbital plane, passes through the high-energy beam transport system 47, and is extracted outside the accelerator 1.
  • the increase in turn separation due to the peeler magnetic field region 44 and regenerator magnetic field region 45 is much greater than the increase due to the high-frequency kicker 70.
  • beam emission can be resumed by restarting the application of high frequency to the high frequency kicker 70.
  • FIG 4 shows the cross-sectional configuration of the radio-frequency kicker 70.
  • the radio-frequency kicker 70 consists of a ground electrode 71 and a high-voltage electrode 72.
  • the two electrodes are installed facing each other, with the ground electrode 71 on the inner side and the high-voltage electrode 72 on the outer side, sandwiching the maximum energy beam trajectory 80.
  • the ground electrode 71 and high-voltage electrode 72 are shaped so that a high-frequency electric field acts in the orbital plane in a direction perpendicular to the orbit; in other words, the ground electrode 71 and high-voltage electrode 72 are shaped so that they are roughly parallel to the curve of the maximum energy beam orbit 80.
  • a metal protrusion 73 can be attached to the ground electrode 71 to increase the concentration of the high-frequency electric field generated between the ground electrode 71 and high-voltage electrode 72.
  • the high-voltage electrode 72, to which the high-frequency voltage is applied, is supported and insulated.
  • the beam In the cylindrical acceleration region, the beam describes an orbital plane near the center of the cylinder in the height direction.
  • Both the ground electrode 71 and the high-voltage electrode 72 have passage openings near the orbital plane through which the beam passes. Taking into account the beam's expansion due to betatron oscillation, these passage openings should be wide enough to prevent beam collisions.
  • the radio-frequency kicker 70 can be placed anywhere on the maximum energy beam orbit 80, but for example, it is placed near the septum coil 43 as shown in Figure 3.
  • the regenerator magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45 are regions where a multipole magnetic field acting on the beam exists.
  • This multipole magnetic field includes at least a quadrupole magnetic field component, but may also include a multipole magnetic field with more than four poles or a bipole magnetic field.
  • the magnetic field gradient is such that the main magnetic field weakens toward the radial outer periphery, whereas in the regenerator magnetic field region 45, the magnetic field gradient is such that the main magnetic field strengthens toward the radial outer periphery.
  • the peeler magnetic field region 44 can also be the region at the pole tip where the main magnetic field weakens.
  • peeler magnetic field regions 44 and regenerator magnetic field regions 45 are respectively positioned on the outer periphery of the maximum energy beam orbit 80, in azimuthal angular regions on either side of the beam extraction path entrance 82.
  • the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45 are positioned on the outer periphery of the maximum energy beam orbit 80, with a gap greater than the amplitude of the betatron oscillation before resonance. Furthermore, the peeler magnetic field region 44 is positioned upstream in the direction of beam progression, and the regenerator magnetic field region 45 is positioned downstream.
  • pole piece region 44 and the regenerator magnetic field region 45 multiple magnetic pole pieces or coils, or both, made of magnetic material, are fixed and arranged with non-magnetic material to form the desired multipole magnetic field.
  • a multipole magnetic field is formed using multiple pole pieces, and a dipole magnetic field is formed using coils.
  • the multiple pole pieces and coils can be positioned close to each other or at spatially separated locations.
  • pole pieces and coils correspond to the magnetic poles that generate the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45.
  • Figure 5 shows an example of the pole piece arrangement in the peeler magnetic field region 44, as seen from the arrows A-A' in Figure 1.
  • the pole pieces used include a magnetic field gradient shim 36 that generates a magnetic field gradient in the peeler magnetic field region 44, and a magnetic field correction shim 37 that cancels out the unnecessary magnetic field generated by the magnetic field gradient shim 36 on the inner side of the maximum energy beam orbit 80.
  • the regenerator magnetic field region 45 also uses magnetic field gradient shims that generate magnetic field gradients in the regenerator magnetic field region 45, and magnetic field correction shims that cancel out unnecessary magnetic fields generated by the magnetic field gradient shims on the inner side of the maximum energy beam orbit 80.
  • Figure 6 shows the distribution of the main magnetic field on the r-axis in Figure 5.
  • the magnetic field gradient ⁇ B/ ⁇ r drops slightly, allowing the beam to orbit stably.
  • the magnetic field gradient drops sharply, making the beam unstable and kicking it toward the outer periphery of the orbital plane.
  • the regenerator magnetic field region 45 in contrast to the peeler magnetic field region 44, the magnetic field gradient rises sharply, making the beam unstable and kicking it toward the inner periphery of the orbital plane.
  • Figure 7 is a diagram explaining the beam extraction procedure.
  • Figure 7 (a) is a graph showing the relationship between the acceleration voltage Vacc generated in the acceleration gap 11, the radio-frequency kicker voltage Vext applied to the radio-frequency kicker 70, and time T.
  • Figure 7 (b) is a graph showing the relationship between the current of the incoming beam, the current of the outgoing beam, and time T.
  • One acceleration cycle shown in Figure 7 (a) begins with the rise of the acceleration voltage Vacc (time T1). After that, when the acceleration voltage Vacc has risen sufficiently, a beam is injected from the ion source 12 (time T2). After the time t1 has elapsed since the beam was injected, high-frequency capture of the beam ends.
  • the captured beam i.e., the injected beam that is ready for acceleration, begins to accelerate using the acceleration voltage Vacc (time T3).
  • the acceleration radio frequency begins to be shut off (time T4), and after time t2 has passed, the acceleration radio frequency voltage Vacc is turned off.
  • the application of the radio frequency voltage Vext to the radio frequency kicker 70 begins (time T5). Note that the start of application of the radio frequency voltage Vext to the radio frequency kicker 70 (time T5) does not have to occur exactly at the same time as the acceleration radio frequency voltage Vacc is turned off.
  • the application of the high-frequency voltage Vext may begin immediately before, simultaneously with, or immediately after the acceleration high-frequency voltage is shut off (time T4), or immediately before or immediately after the acceleration high-frequency voltage Vacc is turned off.
  • the high-frequency voltage of the high-frequency kicker 70 rises quickly, with a response of a few microseconds, if the high-frequency kicker 70 is not a resonator structure and is designed so that the capacitance is an appropriate value.
  • betatron oscillation has the property that its amplitude increases resonantly when the product of either the tune or the decimal part of the tune and the orbital frequency of the beam is approximately the same as the frequency of the applied high-frequency voltage. How to select the high-frequency frequency required to generate this resonance will be described later.
  • a septum coil 43 is installed at the entrance 82 of the beam extraction path.
  • the beam is guided into the septum coil 43, where it is sufficiently deflected and guided to the high-energy beam transport system 47, where it is extracted.
  • the time until beam extraction can be shortened by applying as large a radio-frequency voltage as possible and quickly increasing the amplitude of the beam. Then, just before the beam reaches the peeler magnetic field region 44 or the regenerator magnetic field region 45 (time T6), the radio-frequency voltage is reduced, and the amount of beam traveling into the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45 can be adjusted, allowing for precise control of the beam extraction current.
  • the beam extraction current can also be changed by sweeping the frequency of the radio frequency applied to the radio frequency kicker 70 or by changing the phase of the radio frequency. This takes advantage of the property that the betatron frequencies of the charged particles contained in the beam vary over a certain distribution (tune spread).
  • the beam extraction current can be changed by matching it to a band in the distribution of the frequencies of the charged particles that cause resonance. Also, instead of lowering the radio frequency voltage Vacc, it can be cut off.
  • time T6 the application of the high-frequency voltage Vext to the high-frequency kicker 70 is stopped, thereby stopping the beam extraction (time T7).
  • Figure 8 explains in detail the behavior and resonance conditions in phase space of a beam particle undergoing betatron oscillation in the horizontal direction at the high-frequency kicker 70.
  • beam particle 500 is one of the constituent particles of a beam that orbits while oscillating betatronically near the maximum energy beam orbit 80.
  • Phase space 5500 is a two-dimensional space consisting of the horizontal displacement y of the beam particle as viewed from the beam center and the amount of change py in the beam orbit direction, with the beam center 501 corresponding to the origin.
  • Separatrix 502 is a region in phase space, representing the region in which the beam orbits stably. Inside separatrix 502, beam particles orbit stably, but outside separatrix 502, the beam diverges. The beam is extracted by bringing the beam particles inside separatrix 502 to the outside of separatrix 502. Beam particles 500 move inside separatrix 502.
  • phase angle ⁇ and phase radius J are parameters that represent the position of the beam particle 500 in phase space, and respectively represent the distance from the beam center and the angle between the line connecting the position of the beam particle 500 and the beam center and the positive direction of the r-axis.
  • the phase radius J is proportional to the amplitude of the particle's betatron oscillation. One period of betatron oscillation corresponds to the particle going around the phase space described above.
  • a radio-frequency voltage is applied to the radio-frequency kicker 70 at frequency fext.
  • fext is approximately equal to the product ⁇ r ⁇ frev of the decimal part ⁇ of the horizontal tune ⁇ of the beam particle 500 and the circular frequency frev of the maximum energy beam
  • the amplitude of the horizontal betatron oscillation increases resonantly.
  • the phase radius J of the beam particle 500 continues to increase with each circular revolution, and the beam eventually reaches the peeler magnetic field region 44.
  • the beam particle 500 As the beam particle 500 approaches the peeler magnetic field region 44, it is kicked toward the outer periphery, that is, in a direction where the displacement r from the beam center becomes larger, due to the effect of the magnetic field, and is emitted by entering the septum coil 43.
  • Figure 9 shows the frequency and amplitude of the high frequency voltage applied to the high frequency kicker 70.
  • the horizontal betatron tune ⁇ of a particle changes depending on the magnetic field gradient in the orbit through which the particle passes, so there is a tune spread of about 1/100 between particles in the beam. Therefore, the frequency fext of the radio frequency voltage applied to the radio frequency kicker 70 must be a band with a certain degree of width.
  • the extraction control device 5000 calculates the minimum and maximum values of the betatron tune ⁇ in the beam, ⁇ min and ⁇ max, as well as the high-frequency frequencies corresponding to each tune, based on the results of a simulation based on electromagnetic field analysis.
  • Nrf [(fmax - fmin) / ⁇ f] + 1 high-frequency rf1, rf2, ..., rfNrf is set at an appropriate frequency interval ⁇ f within the band from fmin to fmax, and a high-frequency waveform is created by inputting this into synthesizer 5002, which then inputs it into high-frequency kicker 70.
  • [(fmax - fmin) / ⁇ f] represents an integer not exceeding (fmax - fmin) / ⁇ f.
  • the frequency interval ⁇ f of the applied high frequency must be sufficiently small relative to the fluctuation in the high frequency resonance frequency that corresponds to the tuning fluctuation, and is on the order of several kHz to several tens of kHz.
  • the power Wrf supplied by the high frequency kicker power supply 5004 is expressed by the following equation (1):
  • V1, V2, ... are the amplitudes of the high-frequency waves rf1, rf2, ..., rfNrf.
  • R is the impedance of the high-frequency kicker 70.
  • Beam particle 500 receives a kick at time t expressed by the following equation (2) due to the electric field caused by the voltage of frequency f and amplitude V applied to the high-frequency kicker 70.
  • v is the velocity of the beam particle
  • ⁇ is the orbital radius of the maximum energy beam orbit 80
  • B is the average magnetic field on the beam particle orbit
  • L is the electrode length of the radio frequency kicker 70.
  • Figure 10 shows the relationship between the position and tune at the high-frequency kicker point of beam particles in accelerators that generally do not have a peeler magnetic field region or a regenerator magnetic field region, such as synchrotrons.
  • r represents the radial outer side of the beam orbit, and the beam center is the origin.
  • the magnitude of the magnetic field gradient on the orbit through which a particle passes is symmetrical about the r' axis in phase space, so the tune, or the phase advance angle ⁇ in phase space per orbit, depends primarily on the amplitude of the betatron oscillation. Therefore, as the amplitude of the particle's betatron oscillation increases, the betatron tune also changes, and the corresponding high-frequency frequency changes.
  • Figure 10(b) shows the relationship between the position of beam particles and tune near the peeler magnetic field region 44 in the accelerator 1 targeted by the present invention, where the quadrupole magnetic field distribution on the beam orbit is asymmetrical horizontally as viewed from the direction of beam travel.
  • r uses the same coordinates as r in Figure 5, with the beam center being the origin.
  • the accelerator 1 has a peeler magnetic field region 44, the magnitude of the magnetic field gradient on the orbit becomes asymmetric in phase space, and as the particle's orbit approaches the above-mentioned magnetic field region, it is kicked by the magnetic field of the magnetic field region, and the particle's tune, i.e., the phase lead angle ⁇ in phase space, increases or decreases.
  • the frequency fext band of the high-frequency voltage to be applied to the phase-leading high-frequency kicker 70 depends on the distance between the beam particles and the peeler magnetic field region 44, and even if the radius of the phase space is constant, the positional relationship between the beam particle trajectory and the peeler magnetic field region 44 fluctuates with each revolution due to betatron oscillation, causing the particle tune to fluctuate.
  • Figure 11 shows an example of the relationship between the frequency fext required to generate resonance in betatron oscillation, the center position of the peeler magnetic field region 44, and the closest distance l of the beam particle trajectory.
  • the origin is the center of the peeler magnetic field region 44.
  • the beam is preferably inserted into the beam extraction path when irradiating the target or discarding the remaining beam, but the strength of each frequency component of the electric field applied to the radio frequency kicker 70 is controlled based on the relationship between the position where the beam particles pass under the peeler magnetic field region 44 and the phase lead of the betatron oscillation per turn at the position of the radio frequency kicker 70.
  • the amount of kick received by the beam uniform by inputting an amount proportional to the reciprocal of the amount of change based on the relationship between the position where the beam particles pass under the peeler magnetic field region 44 and the phase advance of the betatron oscillation per turn at the position of the radio-frequency kicker 70.
  • the kick given to the beam is made uniform by controlling the amplitude of the radio frequency voltage of each frequency applied to the radio frequency kicker 70, taking into consideration the kick caused by the peeler magnetic field region 44. This makes it possible to give a consistent kick regardless of the position of the particle passing through in the beam, reducing the power required for beam extraction without over or undershooting the kick amount and allowing the use of an inexpensive radio frequency kicker power supply 5004.
  • the kick amount kick received by the beam particles is expressed as the differential dkick/df with respect to frequency f, provided that the number of applied frequencies Next is sufficiently large. This is expanded as shown in the following equation (3).
  • r is the closest distance between the center position of the peeler magnetic field region 44 and the trajectory of the beam particle.
  • dkick/dl Even if the positional relationship between the beam particle trajectory and the peeler magnetic field region 44 fluctuates with each revolution due to betatron oscillation, dkick/dl must be kept constant to ensure a uniform kick.
  • df(l)/dl is the first-order derivative of the frequency f required to generate resonance in betatron oscillation and the closest distance l between the center position of the peeler magnetic field region 44 and the beam particle trajectory.
  • Transforming equation (3) yields equation (4) below, and to keep the left-hand side a constant value, the single high-frequency kick dkick/df applied to the high-frequency kicker 70 can be made a quantity inversely proportional to df(l)/dl.
  • the amplitude of the high-frequency voltage of frequency fext applied to the high-frequency kicker 70 can be set to a x df(l)/dl.
  • a is a proportionality constant, and by controlling a, the amount of current in the emitted beam can be controlled.
  • Figure 12 shows the procedure for beam extraction control using the beam control method of the present invention.
  • Step S1 Before the accelerator 1 starts operating, preferably during the manufacture of the accelerator 1 or when the accelerator 1 is installed at the operating location, the extraction control device 5000 performs a numerical simulation of the beam particle trajectory by solving the equation of motion of the beam particle under an electromagnetic field based on the Runge-Kutta method, based on the magnetic field measurement results on the beam trajectory of the maximum energy of the accelerator 1.
  • the above numerical simulation is performed on n particles until the particles have completed one revolution within the accelerator, and the results of the simulation are used to calculate the orbit of the beam particles and the change in particle position in phase space before and after the beam particles have orbited within the accelerator, thereby calculating the closest distances r1, r2, ..., rn between the center position of the peeler magnetic field region 44 and the beam particle orbit, and the phase advances ⁇ 1, ⁇ 2, ..., ⁇ n in phase space generated by the particles orbiting within the accelerator.
  • the number of particles n calculated here can be around 10,000.
  • Step S2-1 The calculated data sets (l1, ⁇ 1), ..., (ln, ⁇ n) of the closest distance and phase lead between the center position of the peeler magnetic field region 44 and the beam particle trajectory are sorted in order from smallest to largest, and the difference between the preceding and following data is calculated.
  • the difference in phase lead is divided by the difference in the closest distance to calculate the value of df(l)/dl at the corresponding closest distance.
  • Step S2-2 The high-frequency frequency band to be applied to the high-frequency kicker 70 is determined from the maximum values ⁇ max and ⁇ min of the phase advance amounts ⁇ 1, ⁇ 2, ..., ⁇ n in the phase space of the simulation results. Frequencies are selected from the above-mentioned frequency band at frequency intervals ⁇ f according to the operating status of the accelerator 1, and the frequencies fext1, fext2, ... to be applied to the high-frequency kicker 70 are determined.
  • Step S3 The relative amplitudes Vref1, Vref2, ... of the respective high-frequency voltages are calculated by substituting the above-mentioned frequencies into the function V(f) that determines the amplitudes of the above-mentioned high-frequency voltages.
  • Information on the high-frequency frequencies fext1, fext2, ... and the relative amplitudes Vref1, Vref2, ... calculated as above is input to the synthesizer 5002.
  • Step S4 After the accelerator 1 starts operation, the extraction control device 5000 receives an instruction on the amount of extracted beam at the time of beam extraction from the overall control device 400. Based on this instruction, the control computer 5001 inputs a signal that scales the relative amplitudes Vref1, Vref2, ... by a factor of a to the signal amplifier 5003, and at the same time issues an instruction to the synthesizer 5002 to synthesize a high-frequency signal.
  • Step S5 Based on instructions from the control computer 5001, the synthesizer 5002 synthesizes high-frequency signals based on information on high-frequency frequencies fext1, fext2, . . . and relative amplitudes Vref1, Vref2, .
  • Step S6 Based on the scale signal from the control computer 5001, the high frequency signal is amplified by a factor a in the signal amplifier 5003, and the signal is applied to the high frequency kicker 70, starting beam extraction.
  • Step S7 After the beam is extracted, the dose measurement device 3a in the irradiation device 3 measures the irradiation dose, and based on the result, the overall control device 400 determines whether the beam is excessive or insufficient, and if so, again instructs the extraction control device 5000 to correct the extracted beam amount. If the overall control device 400 instructs the extraction control device 5000, step S4 and subsequent steps are executed again.
  • Steps S1, S2-1, and S2-2 may be executed on a computer separate from the control computer 5001 and input to the control computer 5001. Steps S2-1 and S2-2 may also be executed in parallel, or step S2-2 may be executed after step S2-1 is completed.
  • the relationship f(l) between the frequency f required to generate resonance of betatron oscillation and the closest distance l between the center position of the peeler magnetic field region 44 and the trajectory of the beam particle can be determined by providing position detectors 44A and 44B within the accelerator 1A, as in the accelerator 1A shown in Figure 13, and using these position detectors 44A and 44B to detect the passage position and passage time of the beam particle under the peeler magnetic field region 44 (used to determine the phase advance of betatron oscillation per turn at the position of the high-frequency kicker 70), and then determining this in the control computer 5001A within the extraction control device 5000A.
  • two detectors, 44A and 44B are provided in this embodiment, one or more detectors can be used.
  • the processing from step S4 onwards described above can be performed while performing the same processing as step S1.
  • step S4 the synthesis of the high-frequency signal by the synthesizer 5002 in step S4 may be performed before the accelerator 1 starts operating.
  • step S1 the processing of step S1 can be performed when reviewing the operation. This makes it possible to extract the beam with high accuracy over a long period of time.
  • the accelerator 1 of this embodiment described above has a radio-frequency kicker 70 that generates an electric field component that kicks the beam horizontally, and magnetic poles that generate a peeler magnetic field region 44, which is a quadrupole magnetic field that is asymmetrical when viewed from the direction of beam propagation, with the amplitude of betatron oscillation increased by the radio-frequency kicker 70.
  • the strength of each frequency component of the electric field applied to the radio-frequency kicker 70 is controlled based on the relationship between the position where the beam particles pass under the peeler magnetic field region 44 and the phase lead of the betatron oscillation per turn at the position of the radio-frequency kicker 70.
  • control computer 5001 that calculates the relationship between the particle passage position and the phase advance of the betatron oscillation per turn at the position of the high-frequency kicker 70, or receives input of this relationship from outside, making it possible to apply an electric field to the high-frequency kicker 70 at more appropriate timing.
  • the relationship can be determined in advance, enabling more accurate beam extraction.

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Abstract

ビームを水平方向にキックする成分の電場を発生させる高周波キッカ（７０）と、高周波キッカ（７０）によりベータトロン振動の振幅が増大したビーム進行方向から見て左右非対称の四極磁場であるピーラ磁場領域（４４）を生成する磁極と、を有しており、ピーラ磁場領域（４４）下でのビームの粒子の通過位置と、高周波キッカ（７０）の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みと、の関係から高周波キッカ（７０）に印加する電場の各周波数成分の強度を制御する。

Description

円形加速器、粒子線治療システム、及び円形加速器の運転方法
　本発明は、陽子や炭素イオン等の重イオンを加速する円形加速器、粒子線治療システム、及び円形加速器の運転方法に関する。
　主電磁石電源のリップルによってはベータトロン振動の安定領域境界が変動し出射されてしまうという課題を解決する技術の一例として、特許文献１には、周回軌道からのビーム出射は、安定領域境界を変化させる手段が出射のタイミングで運転されるとともに、高周波発生装置の高周波信号発生部は、周回ビーム中心付近の荷電粒子を共鳴状態にする周波数ｆ１から、安定領域境界内のほぼ最大振幅の荷電粒子を共鳴状態にする周波数ｆ２で掃引され、かつｆ１＞ｆ２の振幅変調波形で制御される、ことが記載されている。
特許第４６５０３８２号
　従来から、荷電粒子ビームを周回加速させ、その周回軌道から取り出されたビームをビーム輸送系で輸送することで所望の対象物に照射する物理実験用や医療用に円形加速器が供されている。
　この場合、円形加速器からのビーム取り出し方法（出射方法）に関して、高周波電界を周回ビームに与えて、ベータトロン振動の振幅を大きくし、ビームが安定して周回軌道上を通過する領域外に出すことにより出射する方法が採用されている。
　高周波電界によりビームのベータトロン振動の振幅を増大させるためにはベータトロン振動の振動速度に対応した周波数のＲＦを与える必要がある。
　特許文献１には、ビーム出射のための高周波発生装置を有する加速器において、ビーム中心の粒子とセパラトリクス辺縁部粒子のベータトロン振動数ｆ１、ｆ２に対し、ｆ１～ｆ２の範囲に対応するＲＦ周波数の強度をｆ１ほど大きくする関数で与えることにより、ビーム中の粒子密度の低下を抑え、主電磁石電源の低コスト化を図る技術が記載されている。
　加速器の運転コスト及び初期コスト低減のためには高周波装置稼働時の消費電力の低減及び安価な低電力性能の高周波装置電源によるビーム取り出しの実現が求められている。
　高周波を用いたビーム取り出しはビームを水平方向にキックする成分の電場を発生させる電極（キッカ）に数ｋＶ以上の振幅の高周波を印加することで行う。このことから高周波発生装置の消費電力及び装置の電源に求められる電力性能が高い、との事情がある。
　円形加速器においてビームが安定に周回する領域はビーム軌道近傍の四極磁場量により決定される。また、ビームに与えるべき高周波電界の周波数もビーム各粒子の軌道上の四極磁場量に依存する。
　ビーム軌道上の四極磁場分布がビームの進行方向から見て水平方向の左右で非対称である場合、印加するべきＲＦ周波数はビーム中心からの位相空間上の距離だけでなく、粒子の通過位置と電磁石の距離に依存するものとなる。ビーム軌道上の四極磁場分布がビームの進行方向から見て水平方向の左右で非対称である場合とはビーム取り出しにピーラ磁場等を印加している場合である。
　ビームに与えるべき高周波電界の周波数のずれや強度不足が発生すると、ビームの一部が取り出されない、又は取り出されたビームを使用する上で不都合なビーム強度の乱れが生じる。
　特許文献１ではビーム出射のための高周波発生装置を有する加速器において、ビーム中心の粒子とセパラトリクス辺縁部粒子のベータトロン振動数ｆ１、ｆ２に対しｆ１～ｆ２の範囲に対応するＲＦ周波数の強度をｆ１ほど大きくする関数で与えている。
　しかしながら特許文献１のような加速器とは異なり、ビーム軌道上の四極磁場分布がビームの進行方向から見て水平方向の左右で非対称である加速器の場合、ビーム取り出しのために印加すべきＲＦ周波数はビーム中心の粒子とセパラトリクス辺縁部粒子のベータトロン振動数ｆ１、ｆ２からだけでは決定できないことから、特許文献１とは異なる手法が必要となる。
　本発明は、ビーム軌道上の四極磁場分布がビームの進行方向から見て水平方向の左右で非対称である円形加速器において、従来に比べて省エネルギーでビームを取り出すことが可能な円形加速器、粒子線治療システム、及び円形加速器の運転方法を提供する。
　本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ビームを水平方向にキックする成分の電場を発生させる電極と、前記電極によりベータトロン振動の振幅が増大したビーム進行方向から見て左右非対称の四極磁場を生成する磁極と、を有する円形加速器であって、前記磁場下での前記ビームの粒子の通過位置と、前記電極の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みと、の関係から前記電極に印加する電場の各周波数成分の強度を制御する。
　本発明によれば、従来に比べて省エネルギーでビームを取り出すことができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
実施例の粒子線治療システムの構成の概略を示す図。 実施例の加速器の外観の概略を示す図。 実施例の加速器の横断面の構成及びビームの出射に関わる機器の関係を示す図。 実施例の加速器が備える高周波キッカの断面構成を示す図。 図３のＡ－Ａ’矢視図であるピーラ磁場領域の磁極片配置例を示す図。 図５中ｒ軸上の主磁場の分布を示す図。 実施例の加速器でのビームの出射手順について説明するタイムチャート図。 実施例の加速器でのビーム粒子の高周波キッカ地点における位相空間中での振る舞い及び共鳴条件を示す図。 実施例の加速器での高周波キッカに入力する高周波の決定方法を説明する図。 加速器でのビーム出射の過程におけるベータトロンチューンの変動を説明する図。 ベータトロン振動の共鳴の発生に必要な周波数ｆｅｘｔとピーラ磁場領域の中心位置とビーム粒子の軌道の最近接距離ｌの関係の例を示す図。 実施例の加速器でのビーム出射制御の手順を示すフローチャート図。 実施例の加速器の他の形態の横断面の構成及びビームの出射に関わる機器の関係を示す図。
　本発明の円形加速器、粒子線治療システム、及び円形加速器の運転方法の実施例について図１乃至図１３を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。
　最初に、本発明の好適な実施例である粒子線治療システムを図１を用いて説明する。図１は実施例の粒子線治療システムの構成の概略を示す図である。
　図１に示す粒子線治療システム１０００は、ビームを加速して、その外部に取り出す加速器１、加速器１から取り出されたビームを輸送するビーム輸送装置２、照射装置３、加速器１及びビーム輸送装置２を制御する全体制御装置４００、照射制御装置５０、治療計画データベース６０、遮断装置３５０、及び治療計画装置７等を有する。
　粒子線治療システム１０００では、加速器１で生成されたビームはビーム輸送装置２を通じて照射装置３に運ばれる。照射装置３ではビームの位置をスキャニング電磁石の磁場によって制御しながら、治療台４上に仰臥している患者５の所定の患部位置に照射している。照射装置３は実際に患者に照射した線量を測定する線量測定装置３ａを内部に有する。
　治療計画装置７は、患者５へのビームの照射に関する様々な制御パラメータを演算、決定する装置であり、作成された治療計画は治療計画データベース６０に記録される。
　全体制御装置４００は治療計画データベース６０から取得した治療計画に基づき、各機器を制御する。また全体制御装置４００は治療計画に基づき、加速する目標エネルギーを決定し、各装置にあらかじめ定めた指令値を送信する。
　ビームの患者５への照射中に、照射装置３は照射した線量を常時計測しており、照射制御装置５０に対して計測結果を出力している。照射制御装置５０は、照射線量と照射位置を監視するための制御装置であり、あるスポットで所定の計画線量の照射を完了すると次のスポットの照射を実行する。この繰り返しにより適切な位置と深さに治療計画装置７によってあらかじめ立案された治療計画で規定された線量分布を付与することができる。
　遮断装置３５０は、加速器１から取り出されたビームをその後段側（照射装置３）に輸送せずに遮断する遮蔽機器であり、ビーム遮断電磁石と、ビーム遮断電磁石の励磁電源と、遮断電磁石で除去したビーム成分を廃棄するビームダンプと（いずれも図示の都合で省略）から構成される。励磁電源が遮断電磁石に接続されるとともに、全体制御装置４００が励磁電源に接続されており、遮断電磁石の励磁を制御することでビームの破棄の制御が実行されている。
　本実施例の加速器１は、時間的に一定な磁場を主磁場として持ち、主磁場中を周回する陽子を高周波電場によって加速する円形の加速器である。その外観を図２、横断面の構成図及びビームの出射に関わる機器の関係を図３に示す。
　本実施例の加速器１は、例えばシンクロサイクロトロンなどの加速器とすることができる。
　図２に示すように、加速器１は上下方向に分割可能な主電磁石４０によってその外殻を形成し、主電磁石４０内部のビーム加速領域は真空引きされている。
　主電磁石４０の内部には主電磁石４０に入射するためのイオンのビームを生成するイオン源１２及び加速間隙１１が設置されている。加速間隙１１には高周波発生装置（いずれも図示省略）により高周波電場が印加されている。
　図３に示すように、加速器１は、ビームを出射するための機器として、出射制御装置５０００、高周波キッカ７０、高エネルギービーム輸送系４７及び磁場構造としてピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５を有する。加速されたビームは、ビーム出射経路入口８２から、加速領域の外に出射される。主電磁石４０の内部から外部へ出射ビームを輸送するための高エネルギービーム輸送系４７が主電磁石４０の内部から外部にかけて配置されている。
　出射制御装置５０００は、制御用計算機５００１、シンセサイザ５００２、信号増幅装置５００３、高周波キッカ電源５００４を有し、全体制御装置４００からのビーム照射指示を受けて、高周波キッカ７０に印加する高周波信号を作成し、高周波キッカ７０に入力する。
　高周波キッカ７０は、自身の内部を通過する周回ビームに高周波電圧を印加する機器であり、ビームを水平方向にキックする成分の電場を発生させる電極である。
　制御用計算機５００１は計算機であり、粒子の通過位置と高周波キッカ７０の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みの関係を算出する装置である。例えば、制御用計算機５００１は、加速器１内の磁場測定結果を基に高周波キッカ７０に印加する高周波電圧の周波数帯域及び強度を算出し、全体制御装置４００の制御信号に従って高周波キッカに印加する高周波のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
　なお、制御用計算機５００１は、粒子の通過位置と高周波キッカ７０の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みの関係を算出する形態に限られず、外部の演算装置で求められた粒子の通過位置と高周波キッカ７０の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みの関係の入力を受ける形態ともできる。
　シンセサイザ５００２は、信号の周波数や波形を自由に変形して出力する電子回路を有する装置であり、制御用計算機５００１からの信号に基づき該当する周波数帯域の高周波を合成する。
　信号増幅装置５００３は、信号の増幅器でありシンセサイザ５００２で作成した信号を最大数ｋＶの振幅にまで増幅する働きを持つ。
　高周波キッカ電源５００４は、数十ｋＷの最大出力を持つ電源であり、信号増幅装置５００３へ電源を供給する。
　主電磁石４０の内部には、２極磁場や多重極磁場からなる擾乱磁場であるピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とが形成されている。ビーム出射には、ビームを水平方向にキックする成分の電場を発生させる高周波キッカ７０と、高周波キッカ７０によりベータトロン振動の振幅が増大したビーム進行方向から見て左右非対称の四極磁場であるピーラ磁場領域４４及びリジェネレータ磁場領域４５と、を用いる。
　ここで、加速器１でビームが入射されてから出射するまでのビームの動きについて簡単に説明する。
　まず、イオン源１２で生成された荷電粒子のビームは、主電磁石４０内部のビーム加速領域に入射される。入射されたビームは、高周波電場で加速され、エネルギーを増しながら主磁場中を周回する。ビームは加速されるにつれ、その軌道の曲率半径を増し、ビームは加速領域の中心から外側に向かって、螺旋状の軌道を描く。
　ここで、ビーム加速領域内において、ビームが加速開始されて最大エネルギー（例えば、２３０ＭｅＶ）になるまでに通る軌道を周回軌道と呼ぶ。周回軌道のうち、最大エネルギーのビームが通過する軌道を最大エネルギービーム軌道８０と呼ぶ。また、周回軌道が螺旋を描く面を軌道面または軌道平面という。また、加速領域の中心を原点とする軌道面の２次元極座標系としたときの中心からの半径外側方向の軸をｒ軸とする。
　この周回の際に、ビームの荷電粒子は、ビームの軌道と直交する方向に振動しており、この振動をベータトロン振動、この振動の振動数をベータトロン振動数という。また、周回一周あたりの振動数をチューンといい、周回一周あたりの軌道面外側へのビームのｒ軸上変位をターンセパレーションという。また、周回するビームは、軌道面内かつビームの軌道と直交する方向のベータトロン振動を水平方向のベータトロン振動、チューンを水平方向チューンという。このベータトロン振動は、適切な高周波電圧を印加すると、共鳴が起こり振幅が急激に増大する性質がある。
　主磁場は、周方向に主磁場強度が一定となる磁場であり、ビームのエネルギーが高くなるにつれ軌道上の磁場が低下していくような分布、つまり、径方向外側の磁場が低下するような磁場を形成する。このような磁場下においては、ビームの軌道面内の動径方向と軌道面に対して垂直な方向のそれぞれに対して安定にベータトロン振動する。設計軌道に沿って磁場は一定となっている。その結果、設計軌道は円形となり、ビームエネルギーが高まるにつれてその軌道半径・周回時間は増大する。
　このような体系では、設計軌道から半径方向に微小にずれた粒子は設計軌道に戻すような復元力を受けると同時に軌道面に対して鉛直な方向にずれた粒子も軌道面に戻す方向に主磁場から復元力を受ける。すなわち、ビームのエネルギーに対して適切に磁場を小さくしていけば、常に設計軌道からずれた粒子は設計軌道に戻そうとする向きに復元力が働き、設計軌道の近傍を振動することになる。これにより、安定にビームを周回・加速させることが可能である。この設計軌道を中心とする振動をベータトロン振動と呼ぶ。全エネルギーのビームで、軌道面内に平行、かつ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は１に近い値に設定される。
　上述の主磁場分布は、主電磁石４０、及び主電磁石４０の内部に設置するトリムコイルや磁極片（図示省略）によって形成する。これら主磁場分布を形成する構成要素は、軌道平面に対し対称に配置するため、主磁場は軌道平面上においては、軌道平面と垂直な方向の磁場成分のみを持つ。
　この主磁場中でビームが最大エネルギーまで加速されると、加速間隙１１にビームを加速するための高周波加速電圧が停止され、ビームは、最大エネルギービーム軌道８０上を周回する。そして、最大エネルギービーム軌道８０上に設置され、高周波を印加する高周波キッカ７０にビームが入ると、高周波電圧が印加され、ビームのベータトロン振動振幅が増大する。
　ベータトロン振動振幅が増大したビームは、やがて、最大エネルギービーム軌道８０の外周側に、最大エネルギービーム軌道８０からある距離を置いて設置されたピーラ磁場領域４４及びリジェネレータ磁場領域４５に到達する。
　ピーラ磁場領域４４に到達したビームは軌道面の外周側にキックされ、リジェネレータ磁場領域４５に到達したビームは軌道面内周側にキックされる。ここで、キックするとは、電場または磁場をビームにかけることにより、ビームを偏向させることをいう。
　ピーラ磁場領域４４の四極磁場成分によるキックで、ビームは、さらにベータトロン振動振幅を増大させ、ターンセパレーションは増大していく。同時に、リジェネレータ磁場領域４５の磁場により、ビームの水平方向チューンが急激に変動しないようにしておき、ビームが出射されるまでの間に、水平方向と９０度直交する垂直方向にベータトロン振動が発散してビームが失われるのを防ぐ。十分なターンセパレーションが得られると、セプタムコイル４３にビームが入り、軌道面外側にキックされ、高エネルギービーム輸送系４７を通り、加速器１の外側に出射される。
　ターンセパレーションの増大幅は、高周波キッカ７０による増大幅より、ピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とによる増大幅のほうがはるかに大きい。
　そのため、高周波キッカ７０により印加する高周波電圧を調整することで、最大エネルギービーム軌道８０上を周回するビームのうち、ピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とに到達するビームの量を調整することができる。
　対して、高周波キッカ７０への高周波印加をビーム出射途中で停止することで、ピーラ磁場領域４４及びリジェネレータ磁場領域４５にビームが到達しなくなり、加速器１からのビーム出射を中断できるようになる。
　従って、高周波キッカ７０への高周波の印加を再開することでビームの出射の再開もできる。
　図４に、高周波キッカ７０の断面構成を示す。高周波キッカ７０は、接地電極７１と高圧電極７２からなる。両電極は、最大エネルギービーム軌道８０を挟むように、内周側に接地電極７１、外周側に高圧電極７２が対向して設置される。
　これら接地電極７１と高圧電極７２とは、軌道面内で軌道と直交する方向に高周波電場が作用するように形状、すなわち、接地電極７１と高圧電極７２とが、最大エネルギービーム軌道８０のカーブにおおよそ平行な形状、に定められている。接地電極７１には金属製の突起部７３を取り付け、接地電極７１と高圧電極７２との間に生じる高周波電場の集中を高めることもできる。高周波電圧が印加される高圧電極７２は絶縁支持される。
　円筒状の加速領域の中で、ビームは該円筒の高さ方向真ん中付近に軌道平面を描く。接地電極７１、高圧電極７２共にビームが通過する軌道平面付近に通過口を有する。この通過口は、ビームのベータトロン振動による拡がりを考慮して、ビーム衝突が起きない程度の広さがよい。高周波キッカ７０は、最大エネルギービーム軌道８０上に配置するのであればどこでもよいが、例えば図３に示すようにセプタムコイル４３の近辺に配置する。
　ピーラ磁場領域４４及びリジェネレータ磁場領域４５は、ビームに作用する多重極磁場が存在する領域である。この多重極磁場には少なくとも４極磁場成分が含まれるが、４極以上の多極磁場や２極磁場が含まれていてもよい。
　ピーラ磁場領域４４では、径方向外周側に向かって主磁場を弱める方向の磁場勾配となっているのに対して、リジェネレータ磁場領域４５では逆に径方向外周側に向かって主磁場を強める方向の磁場勾配とする。なお、ピーラ磁場領域４４としては、磁極端部の主磁場が減少する領域を利用することもできる。
　これらのピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５は、最大エネルギービーム軌道８０の外周側に、ビーム出射経路入口８２を挟んである方位角領域にそれぞれ配置される。
　また、高周波キッカ７０によりベータトロン振動振幅が増大される前にピーラ磁場領域４４またはリジェネレータ磁場領域４５にビームが進行しないよう、ピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とは、最大エネルギービーム軌道８０からベータトロン振動の共鳴前の振幅分よりも大きい幅を空けて外周側に配置されている。また、ビーム進行方向に対して上流側にピーラ磁場領域４４、下流側にリジェネレータ磁場領域４５が配置されている。
　ピーラ磁場領域４４及びリジェネレータ磁場領域４５の近辺には、磁性体製の複数の磁極片かコイル、あるいはその両者が非磁性材にて固定配置されており、所望の多重極磁場を形成する。
　例えば、ピーラ磁場領域４４及びリジェネレータ磁場領域４５のそれぞれについて、複数の磁極片で多重極磁場を、コイルで２極磁場を形成する。複数の磁極片とコイルは、近接配置させることも、空間的に離れた場所に配置することもできる。
　これらの磁極片やコイルがピーラ磁場領域４４やリジェネレータ磁場領域４５を生成する磁極に相当する。
　図５に、図１のＡ－Ａ’矢視図であるピーラ磁場領域４４の磁極片配置例を示す。磁極片としては、ピーラ磁場領域４４に磁場勾配を発生させる磁場勾配用シム３６と、磁場勾配用シム３６が最大エネルギービーム軌道８０の内周側に発生させる不要磁場を打ち消すための磁場補正用シム３７と、を用いる。
　また、図５はピーラ磁場領域４４を例に説明したが、リジェネレータ磁場領域４５についても、リジェネレータ磁場領域４５での磁場勾配を発生させる磁場勾配用シムと、磁場勾配用シムが最大エネルギービーム軌道８０の内周側に発生させる不要磁場を打ち消すための磁場補正用シムと、を用いる。
　図６は、図５中ｒ軸上の主磁場の分布を示す。最大エネルギービーム軌道８０までは、磁場勾配∂Ｂ／∂ｒがわずかに下がっており、ビームが安定に周回する。しかし、ピーラ磁場領域４４では、磁場勾配が急激に下降しており、ビームは安定せず、軌道面外周側にキックされる。また、リジェネレータ磁場領域４５では、ピーラ磁場領域４４とは逆に磁場勾配が急激に上昇しており、ビームが安定せず、軌道面内周側にキックされる。
　図７は、ビームの出射手順について説明する図である。図７中（ａ）は、加速間隙１１に発生する加速電圧Ｖａｃｃと高周波キッカ７０に印加される高周波キッカ電圧Ｖｅｘｔと、時刻Ｔとの関係を表すグラフである。図７中（ｂ）は、入射するビームの電流と出射するビームの電流と、時刻Ｔとの関係を表すグラフである。
　図７中（ａ）に示す一加速周期は、加速電圧Ｖａｃｃの立ち上がり（時刻Ｔ１）から始まる。その後、加速電圧Ｖａｃｃが十分に上がると、イオン源１２よりビームが入射される（時刻Ｔ２）。ビームが入射してから時間ｔ１経過後にビームの高周波捕獲が終了する。
　捕獲されたビーム、すなわち入射されたビームのうち加速の準備が整ったビームが加速電圧Ｖａｃｃにより加速され始める（時刻Ｔ３）。ビームが所望の出射エネルギー、例えば最大エネルギーである２３０ＭｅＶに達すると、加速高周波の遮断が開始され（時刻Ｔ４）、それから時間ｔ２が経過すると加速高周波電圧ＶａｃｃがＯＦＦ状態となる。それと同時に、高周波キッカ７０へ高周波電圧Ｖｅｘｔの印加が開始される（時刻Ｔ５）。なお、高周波キッカ７０への高周波キッカ７０へ高周波電圧Ｖｅｘｔの印加開始（時刻Ｔ５）は、加速高周波電圧ＶａｃｃがＯＦＦ状態となるのと厳密に同時でなくてもよい。
　高周波電圧Ｖｅｘｔの印加開始は、加速高周波の遮断開始（時刻Ｔ４）の直前や同時、直後でもよく、加速高周波電圧ＶａｃｃがＯＦＦ状態の直前や直後でもよい。
　高周波キッカ７０の高周波電圧は、高周波キッカ７０が共振器構造でなく、静電容量が適切な値となるように設計されていれば、数μｓの応答で素早く立ち上がる。ここで、ベータトロン振動は、チューン又はチューンの小数部のいずれか一方とビームの周回周波数との積が、印加される高周波電圧の周波数と略同一であるとき、振幅が共鳴的に増大する性質をもつ。この共鳴を発生させるために必要な高周波周波数の選び方は後に述べる。
　ビームは、ピーラ磁場領域４４を通過すると外周側にキックされ、リジェネレータ磁場領域４５を通過すると逆に内周側にキックされる。ピーラ磁場領域４４、リジェネレータ磁場領域４５共に径方向に磁場勾配を有するので、複数回ビームが周回するうちに、キック量が次第に増えていき、ターンセパレーションが増大する。つまり、２νｒ＝２のベータトロン振動の共鳴条件を利用することで、ターンセパレーションを増大させる。
　ビーム出射経路入口８２にはセプタムコイル４３が設置されている。やがてセプタムコイル４３の内周側に設置されるコイル導体（図示省略）の厚みを大きく超えるターンセパレーションが得られるようになると、ビームは、セプタムコイル４３内部へと導かれ、十分な偏向を受け高エネルギービーム輸送系４７へ導かれ、出射される。
　なお、高周波キッカ７０へ高周波電圧印加を開始した直後（時刻Ｔ５）は、可能な限り大きな高周波電圧を印加し、ビームの振幅を素早く増大させることで、ビーム出射までの時間を短縮できる。そして、ビームがピーラ磁場領域４４またはリジェネレータ磁場領域４５に到達する直前（時刻Ｔ６）に高周波電圧を低下させ、ピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とに進行するビームの量を調整することで、ビーム出射電流を細かく制御することができる。
　なお、高周波電圧Ｖｅｘｔを低下させるかわりに、高周波キッカ７０に印加する高周波の周波数をスイープする、あるいは該高周波の位相を変えることでも、ビームの出射電流を変えることができる。これは、ビームに含まれる荷電粒子のベータトロン振動数が、ある分布をもってばらついているという性質（チューンスプレッド）を利用している。高周波の周波数を変えることにより、共鳴を起こす荷電粒子の振動数の分布のどの帯域に合わせるかで、ビームの出射電流を変えることができる。また、高周波電圧Ｖａｃｃを低下させるかわりに、遮断してもよい。
　そして、ビームの出射開始（時刻Ｔ６）から時間ｔ４経過後に高周波キッカ７０へ高周波電圧Ｖｅｘｔの印加を停止することで、ビームの出射を停止させる（時刻Ｔ７）。この時間ｔ４を調整することでビームの出射時間を制御することができる。
　粒子線治療では、治療計画などで予め定められた照射線量の許容範囲を超過することなく照射対象の腫瘍にビームを照射することが求められる。そのため照射レイヤ変更時等ではビームの出射停止後（時刻Ｔ８）、可能な限り大きな高周波電圧を印加し、加速器１内に残存するビームを遮断装置３５０に照射することで過剰な線量照射を防ぐことが考えられる。これをビーム破棄運転と呼び、加速器１に残存するビーム粒子がほぼ０となる時間ｔ５経過後まで続けられる。本発明のビーム制御技術はビーム出射時だけでなくこのようなビーム破棄運転時にも適用可能である。
　イオン源１２の熱的な安定性などにより、出射するビーム電荷量がパルスごとにばらつく一方で粒子線治療にはビーム電流の時間安定性が重要であるため、加速器１から出射するビームの強さを制御することが必要である。以下では図８を用いて、ビーム粒子の高周波キッカ７０地点における位相空間中での振る舞い及び共鳴条件の詳細を説明する。
　図８では、水平方向にベータトロン振動しているビーム粒子の高周波キッカ７０地点における位相空間中での振る舞い及び共鳴条件の詳細を説明する。また、ビーム粒子５００は最大エネルギービーム軌道８０近傍をベータトロン振動しながら周回するビームの構成粒子の一つである。位相空間５５００はビーム中心から見た水平方向のビーム粒子の変位ｙとそのビーム軌道方向の変化量ｐｙからなる二次元空間であり、ビーム中心５０１が原点に相当する。
　加速器１においては、図８に示す変位ｙ正の方向にピーラ磁場領域４４が存在している。セパラトリクス５０２は位相空間中の領域であり、ビームが安定に周回する領域を表している。セパラトリクス５０２内部ではビーム粒子は安定に周回し、外部ではビームは発散してしまう。ビームの取り出しはセパラトリクス５０２内部のビーム粒子をセパラトリクス５０２の外側までもっていくことで行われている。ビーム粒子５００はセパラトリクス５０２内部を運動する。
　位相角度θ及び位相半径Ｊは位相空間中のビーム粒子５００の位置を表すパラメータであり、それぞれビーム中心からの距離及びビーム粒子５００の位置とビーム中心を結ぶ直線がｒ軸正の方向となす角を表している。位相半径Ｊは粒子のベータトロン振動の振幅に比例している。ベータトロン振動の１周期は上述の位相空間中を粒子が一周することに対応する。
　ビームが最高エネルギーに達した後、高周波キッカ７０へ高周波電圧を印加していない場合は位相空間５５００中ではビーム粒子５００は位相半径Ｊを一定として周回している。加速器１中を周回するごとに発生する位相角度θの変化量である位相進み角度Δθはビーム粒子５００の水平方向チューンνを用いてΔθ＝２πνラジアンとなる。
　ビームを取り出す際には高周波キッカ７０へ高周波電圧を周波数ｆｅｘｔで印加する。この時、ｆｅｘｔがビーム粒子５００の水平方向チューンνの小数部Δνと、最大エネルギービームの周回周波数ｆｒｅｖとの積Δνｒ×ｆｒｅｖと略同一となる場合、水平方向ベータトロン振動の振幅は共鳴的に増大する。すなわち、ビーム粒子５００の位相半径Ｊが周回ごとに増大し続け、やがてピーラ磁場領域４４にビームが到達する。ビーム粒子５００はピーラ磁場領域４４に近づくほどに磁場の効果により外周側、つまりビーム中心からの変位ｒがより大きくなる方向にキックされセプタムコイル４３に入ることで出射される。
　図９を用いて高周波キッカ７０に入力する高周波の決定方法を説明する。図９は高周波キッカ７０に印加する高周波電圧の周波数と振幅を示している。
　一般に、粒子の水平方向のベータトロンチューンνは粒子が通過する軌道上の磁場勾配によって変化するため、チューンスプレッドはビーム中の粒子間で１／１００程度存在する。そのため、高周波キッカ７０へ印加する高周波電圧の周波数ｆｅｘｔはある程度の幅を持った帯域である必要がある。
　出射制御装置５０００では電磁場解析に基づくシミュレーション結果を基にビーム中のベータトロンチューンνの最小値νｍｉｎ及び最大値νｍａｘ及びそれぞれのチューンに対応する高周波の周波数を算出する。
　ベータトロンチューンνの最小値νｍｉｎ及び最大値νｍａｘに対応する高周波の周波数がｆｍａｘ、ｆｍｉｎであるとき、図９に示す通り、ｆｍｉｎ～ｆｍａｘの帯域中において適切な周波数間隔ΔｆでＮｒｆ＝［（ｆｍａｘ－ｆｍｉｎ）／Δｆ］＋１本の高周波ｒｆ１，ｒｆ２，…，ｒｆＮｒｆを設定し、シンセサイザ５００２に入力することで高周波波形を作成し、高周波キッカ７０に入力する。ここで［（ｆｍａｘ－ｆｍｉｎ）／Δｆ］は、（ｆｍａｘ－ｆｍｉｎ）／Δｆを超えない整数を表す。
　一般にビーム粒子のチューンはビーム出射の過程で変動するため、印加する高周波の周波数間隔Δｆはチューンの変動に対応する高周波の共鳴周波数変動に対し十分小さくとる必要があり、数ｋＨｚ～数十ｋＨｚ程度である。この時、高周波キッカ電源５００４が供給する電力Ｗｒｆは下記の式（１）で表される。
　ここで、式（１）中、Ｖ１，Ｖ２，…は高周波ｒｆ１，ｒｆ２，…，ｒｆＮｒｆの振幅である。Ｒは高周波キッカ７０が持つインピーダンスである。
　高周波キッカ７０に印加された周波数ｆ、振幅Ｖの電圧に起因する電場により、ビーム粒子５００は時刻ｔにおいて下記の式（２）で表すキックを受ける。
　ここで、式（２）中、ｖはビーム粒子の速度、ρは最大エネルギービーム軌道８０の軌道半径、Ｂはビーム粒子の軌道上の平均磁場、Ｌは高周波キッカ７０の電極長さである。
　大電力の電源は高価である点と加速器１の運転コスト低減の観点から高周波キッカ電源５００４の出力を抑えることは重要であるが、ビーム粒子５００のベータトロン振幅を増大させるためには水平方向のチューンνに対応する周波数ｆｅｘｔの高周波振幅Ｖｅｘｔを十分な強度で与える必要がある。
　次いで、図１０を用いてビーム出射の過程におけるベータトロンチューンの変動を説明する。図１０中（ａ）は一般にシンクロトロンをはじめとしたピーラ磁場領域、リジェネレータ磁場領域を持たない加速器におけるビーム粒子の高周波キッカ地点での位置とチューンの関係を示している。ここでｒはビーム軌道の動径方向外側を表しており、ビーム中心が原点である。
　シンクロトロン等の加速器においては、粒子が通過する軌道上の磁場勾配の大小は位相空間のｒ‘軸対称であることからチューン、つまり周回あたりの位相空間中の位相進み角度Δθは主にベータトロン振動の振幅に依存している。そのため、粒子のベータトロン振動の振幅が増大するとそれに伴ってベータトロンチューンも変化し、対応する高周波周波数が変化する。
　従って、高周波電場によりビーム粒子をセパラトリクス外へ移動させるためには、特許文献１に記載の通りビーム中心の粒子及びセパラトリクス辺縁部のチューンνｃ、νｏに対応する周波数ｆｃ～ｆｏの帯域の高周波電圧に対し、周波数ｆｃ、ｆｏの高周波の振幅Ｖｃ，ＶｏをＶｃ＞Ｖｏとなるようにキッカに印加することでビーム中心に近い粒子ほどキックを受けやすく、粒子がセパラトリクス近傍に集まりやすくなるためビーム出射の制御が容易となる。これにより特許文献１に記載の効果である主電磁石電源の低コスト化及び出射ビームの安定化が実現されている。
　一方、図１０中（ｂ）はビーム軌道上の四極磁場分布がビームの進行方向から見て水平方向の左右で非対称である本発明が対象とする加速器１におけるピーラ磁場領域４４近傍におけるビーム粒子の位置とチューンの関係を表している。ｒは図５におけるｒと同様の座標を採用しており、ビーム中心が原点である。
　加速器１はピーラ磁場領域４４を有するため、軌道上の磁場勾配の大小は位相空間において非対称となり、上述の磁場領域に粒子の軌道が近づくほどに磁場領域の磁場によるキックを受け、粒子のチューン、即ち位相空間中の位相進み角度νは増大又は減少する。
　従って、位相進み高周波キッカ７０に印加すべき高周波電圧の周波数ｆｅｘｔ帯域はビーム粒子とピーラ磁場領域４４の距離に依存しており、位相空間の半径が一定の状態でもビーム粒子の軌道とピーラ磁場領域４４の位置関係はベータトロン振動により周回毎に変動するため粒子のチューンは変動する。
　以下に本発明のビーム制御の原理を説明する。図１１にベータトロン振動の共鳴の発生に必要な周波数ｆｅｘｔとピーラ磁場領域４４の中心位置とビーム粒子の軌道の最近接距離ｌの関係の例を示す。ここで原点はピーラ磁場領域４４の中心である。
　本発明では、好適にはビームを照射対象に照射する際或いは残存するビームを破棄する際にビーム出射経路に侵入させるが、ピーラ磁場領域４４下でのビームの粒子の通過位置と、高周波キッカ７０の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みと、の関係から高周波キッカ７０に印加する電場の各周波数成分の強度を制御する。
　この際、ピーラ磁場領域４４下でのビームの粒子の通過位置と、高周波キッカ７０の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みと、の関係に基づいて、その変化量の逆数に比例する量を高周波キッカ７０に入力することで、ビームが受けるキック量を均一化することが望ましい。
　ビーム粒子の通過位置がピーラ磁場領域４４に近づくほど共鳴の発生に必要な周波数ｆｅｘｔは急激に変化する。これはピーラ磁場領域４４近傍の磁場によりビーム粒子がキックを受けるためである。上述のキックは高周波キッカ７０の電場によるキックよりも十分大きいため、ピーラ磁場領域４４に近づくほど高周波キッカ７０の電場によるキックが弱くてもビームの出射は可能となる。
　本発明では、ピーラ磁場領域４４によるキックも考慮した上で高周波キッカ７０に印加する各周波数の高周波電圧の振幅を制御することで、ビームに与えるキックを均一にする。これによりビーム中の粒子の通過位置によらず一定のキックを与えることが可能であり、キック量の過不足がなくビーム出射に要する電力の低減及び安価な高周波キッカ電源５００４を用いることができる。
　ビームに与えるキックを均一化する高周波電圧の振幅の決定の原理を以下に説明する。ビーム粒子が受けるキック量ｋｉｃｋに対し、高周波キッカ７０に印加する単一の高周波によるキックは印加している周波数の数Ｎｅｘｔが十分多い場合、周波数ｆによる微分ｄｋｉｃｋ／ｄｆで表される。これは以下の式（３）に示す通り展開される。
　ここで、式（３）中、ｒはピーラ磁場領域４４の中心位置とビーム粒子の軌道の最近接距離である。
　ベータトロン振動により周回毎にビーム粒子の軌道とピーラ磁場領域４４の位置関係が変動した場合でも受けるキックを均一化するためにはｄｋｉｃｋ／ｄｌを一定とする必要がある。ｄｆ（ｌ）／ｄｌはベータトロン振動の共鳴の発生に必要な周波数ｆとピーラ磁場領域４４の中心位置とビーム粒子の軌道の最近接距離ｌの関係の最近接距離ｌによる一階微分である。式（３）を変形すると以下の式（４）となり、左辺を一定値とするためには高周波キッカ７０に印加する単一の高周波によるキックｄｋｉｃｋ／ｄｆをｄｆ（ｌ）／ｄｌに反比例する量としてやることができる。
　すなわち、高周波キッカ７０に印加する周波数ｆｅｘｔの高周波電圧の振幅をａ×ｄｆ（ｌ）／ｄｌとしてやればよい。ここでａは比例定数であり、ａを制御することで出射するビームの電流量を制御可能である。
　図１２に本発明のビーム制御手法を用いたビーム出射制御の手順を示す。
　（ステップＳ１）　
　加速器１の運転開始前、好適には加速器１の製造時か運転箇所への設置時に、出射制御装置５０００において加速器１の最大エネルギーのビーム軌道上の磁場計測結果を基に電磁場下でのビーム粒子の運動方程式をＲｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法に基づき解くことでビーム粒子の軌道の数値シミュレーションを行う。
　このように、以下の加速器１の実運転前に計測するピーラ磁場領域４４の磁場の強さから演算してピーラ磁場領域４４下でのビームの粒子の通過位置と、高周波キッカ７０の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みと、の関係を求めることが望ましい。
　具体的には、ｎ個の粒子に対して粒子が加速器内を一周するまで上記数値シミュレーションを行い、シミュレーション結果よりビーム粒子の周回軌道及びビーム粒子が加速器内を周回する前後での位相空間内の粒子位置の変化を算出することで、ピーラ磁場領域４４の中心位置とビーム粒子の軌道の最近接距離ｒ１，ｒ２，…，ｒｎ及び粒子が加速器内を周回することで発生した位相空間内の位相進み量Δθ１，Δθ２，…，Δθｎを算出する。ここで計算する粒子数ｎは１００００前後とできる。
　（ステップＳ２－１）　
　算出したピーラ磁場領域４４の中心位置とビーム粒子の軌道の最近接距離と位相進み量のデータ組（ｌ１，Δθ１），…，（ｌｎ，Δθｎ）を最近接距離が小さいものから順に並べ替え、前後のデータの差分を取る。位相進み量の差分を最近接距離の差分で割った値を該当最近接距離におけるｄｆ（ｌ）／ｄｌの値として算出する。各最近接距離ｌ１，ｌ２，…，ｒｎにおけるｄｆ（ｌ）／ｄｌを内挿することで高周波キッカ７０に印加する周波数ｆｅｘｔの高周波電圧の振幅を決定する関数Ｖ（ｆ）を作成する。
　（ステップＳ２－２）　
　シミュレーション結果の位相空間内の位相進み量Δθ１，Δθ２，…，Δθｎの最大値Δθｍａｘ及びΔθｍｉｎより高周波キッカ７０に印加する高周波周波数帯域を決定する。上述の周波数帯域中から加速器１の運転状況に応じた周波数間隔Δｆごとに周波数を選び高周波キッカ７０に印加する周波数ｆｅｘｔ１，ｆｅｘｔ２，…を決定する。
　（ステップＳ３）　
　前述の高周波電圧の振幅を決定する関数Ｖ（ｆ）に上述の周波数を代入することで各高周波電圧の相対振幅Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，…を算出する。以上により算出された高周波の周波数ｆｅｘｔ１，ｆｅｘｔ２，…及び高周波電圧の相対振幅Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，…の情報はシンセサイザ５００２に入力される。
　この後、加速器の運転を開始する。
　（ステップＳ４）　
　加速器１が運転を開始した後、出射制御装置５０００ではビーム出射時に全体制御装置４００からの出射ビーム量の指示を受け取る。この指示に基づき制御用計算機５００１では相対振幅Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，…をａ倍にスケールする信号を信号増幅装置５００３へ入力すると同時にシンセサイザ５００２に高周波信号合成の指示を出す。
　（ステップＳ５）　
　制御用計算機５００１からの指示を基にシンセサイザ５００２では高周波の周波数ｆｅｘｔ１，ｆｅｘｔ２，…及び高周波電圧の相対振幅Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，…の情報を基に高周波信号が合成され、信号増幅装置５００３に送信される。
　（ステップＳ６）　
　制御用計算機５００１からのスケール信号に基づき、信号増幅装置５００３で高周波信号はａ倍に増幅され、高周波キッカ７０に信号が印加され、ビーム出射が開始される。
　（ステップＳ７）　
　ビーム出射後、照射装置３内の線量測定装置３ａで照射線量を測定し、結果を基に全体制御装置４００にてビームの過不足を判定し、過不足がある場合は出射制御装置５０００に修正した出射ビーム量の指示を再度行う。全体制御装置４００から出射制御装置５０００に指示があった場合は再度ステップＳ４以降を実行する。
　ステップＳ１，ステップＳ２－１，ステップＳ２－２は制御用計算機５００１とは別の計算機で実行し、制御用計算機５００１に入力しても良い。また、ステップＳ２－１、ステップＳ２－２は並列で実行しても良いし、ステップＳ２－１が完了した後にステップＳ２－２を実行しても良い。
　ベータトロン振動の共鳴の発生に必要な周波数ｆとピーラ磁場領域４４の中心位置とビーム粒子の軌道の最近接距離ｌの関係ｆ（ｌ）は、図１３に示す加速器１Ａのように、位置検出器４４Ａ，４４Ｂを加速器１Ａ内に設けて、これら位置検出器４４Ａ，４４Ｂによりピーラ磁場領域４４下でのビームの粒子の通過位置及び通過時間（高周波キッカ７０の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みを求める際に利用）を検出したうえで出射制御装置５０００Ａ内の制御用計算機５００１Ａにおいて求める形態とできる。なお、位置検出器４４Ａ，４４Ｂの２つの検出器を設ける形態としているが、検出器は１以上とすることができる。この図１３に示すような加速器１Ａの場合、上述するステップＳ４以降の処理をステップＳ１と同様の処理を実行しながら実行することができる。
　また、ステップＳ４のシンセサイザ５００２による高周波信号の合成は加速器１の運転前でもよい。
　また、上述のピーラ磁場領域４４下でのビームの粒子の通過位置と、高周波キッカ７０の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みと、の関係は、運転からの経過時間に伴い修正することができる。この場合、ステップＳ１の処理を見直しの際に実行すればよい。これにより、長期間にわたり高い精度でビームの取り出しを実現できる。
　次に、本実施例の効果について説明する。
　上述した本実施例の加速器１は、ビームを水平方向にキックする成分の電場を発生させる高周波キッカ７０と、高周波キッカ７０によりベータトロン振動の振幅が増大したビーム進行方向から見て左右非対称の四極磁場であるピーラ磁場領域４４を生成する磁極と、を有しており、ピーラ磁場領域４４下でのビームの粒子の通過位置と、高周波キッカ７０の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みと、の関係から高周波キッカ７０に印加する電場の各周波数成分の強度を制御する。
　これによって、左右非対称な磁場及び高周波電場に起因するキックをビーム粒子に対して過不足なく与えることができるため、より低い高周波電力でもビームの全量取り出しを実現することができる。従って、ビーム取り出しに用いる高周波電源の価格及び消費電力を従来に比べて抑え、より省エネルギーでの運転が可能な加速器を実現可能となる。
　また、粒子の通過位置と高周波キッカ７０の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みの関係を算出する、または外部からの関係の入力を受ける制御用計算機５００１を備えるため、より適切なタイミングでの高周波キッカ７０への電場の印加を実現することができる。
　更に、加速器１の実運転前に計測するピーラ磁場領域４４から演算して関係を求めることで、予め関係が決定できることから、より精度が高いビーム取り出しを実現できる。
　また、ビームを、照射対象に照射する際、或いは残存するビームを破棄する際にビーム出射経路に侵入させることで、ビーム出射を確実に行うことができる。
　更に、関係に基づいて、その変化量の逆数に比例する量を入力することやビームが受けるキック量を均一化することで、ビームの全量取り出しを確実に実現することができる。
　＜その他＞　
　なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
１，１Ａ…加速器
２…ビーム輸送装置
３…照射装置
３ａ…線量測定装置
４…治療台
５…患者
７…治療計画装置
１１…加速間隙
１２…イオン源
３６…磁場勾配用シム
３７…磁場補正用シム
４０…主電磁石
４３…セプタムコイル
４４…ピーラ磁場領域
４４Ａ，４４Ｂ…位置検出器
４５…リジェネレータ磁場領域
４７…高エネルギービーム輸送系
５０…照射制御装置
６０…治療計画データベース
７０…高周波キッカ
７１…接地電極
７２…高圧電極
７３…突起部
８０…最大エネルギービーム軌道
８２…ビーム出射経路入口
３５０…遮断装置
４００…全体制御装置
５００…ビーム粒子
５０１…ビーム中心
５０２…セパラトリクス
１０００…粒子線治療システム
５０００，５０００Ａ…出射制御装置
５００１，５００１Ａ…制御用計算機（計算装置）
５００２…シンセサイザ
５００３…信号増幅装置
５００４…高周波キッカ電源
５５００…位相空間

Claims (13)

  1. 　ビームを水平方向にキックする成分の電場を発生させる電極と、前記電極によりベータトロン振動の振幅が増大したビーム進行方向から見て左右非対称の四極磁場を生成する磁極と、を有する円形加速器であって、
    　前記磁場下での前記ビームの粒子の通過位置と、前記電極の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みと、の関係から前記電極に印加する電場の各周波数成分の強度を制御する
    　円形加速器。
  2. 　請求項１に記載の円形加速器において、
    　前記粒子の通過位置と前記電極の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みの関係を算出する、または外部からの前記関係の入力を受ける計算装置を備える
    　円形加速器。
  3. 　請求項１又は２に記載の円形加速器において、
    　前記円形加速器の実運転前に計測する磁場から演算して前記関係を求める
    　円形加速器。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の円形加速器において、
    　前記ビームを、照射対象に照射する際或いは残存する前記ビームを破棄する際に、ビーム出射経路に侵入させる
    　円形加速器。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の円形加速器において、
    　前記関係に基づいて、その変化量の逆数に比例する量を入力する
    　円形加速器。
  6. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の円形加速器において、
    　前記ビームが受けるキック量を均一化する
    　円形加速器。
  7. 　請求項１乃至６のいずれか１項に記載の円形加速器と、
    　前記円形加速器から取り出された前記ビームを出射する照射装置を備えた
    　粒子線治療システム。
  8. 　ビームを水平方向にキックする成分の電場を発生させる電極と、前記電極によりベータトロン振動の振幅が増大したビーム進行方向から見て左右非対称の四極磁場を生成する磁極と、を有する円形加速器の運転方法であって、
    　前記磁場下での前記ビームの粒子の通過位置と、前記電極の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みと、の関係から前記電極に印加する電場の各周波数成分の強度を制御する
    　円形加速器の運転方法。
  9. 　請求項８に記載の円形加速器の運転方法において、
    　前記粒子の通過位置と前記電極の位置での１ターンあたりのベータトロン振動の位相進みの関係を算出する
    　円形加速器の運転方法。
  10. 　請求項８又は９に記載の円形加速器の運転方法において、
    　前記円形加速器の運転方法の実運転前に計測する磁場から演算して前記関係を求める
    　円形加速器の運転方法。
  11. 　請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の円形加速器の運転方法において、
    　前記ビームを、照射対象に照射する際あるいは残存する前記ビームを破棄する際に、ビーム出射経路に侵入させる
    　円形加速器の運転方法。
  12. 　請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の円形加速器の運転方法において、
    　前記関係に基づいて、その変化量の逆数に比例する量を入力する
    　円形加速器の運転方法。
  13. 　請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の円形加速器の運転方法において、
    　前記ビームが受けるキック量を均一化する
    　円形加速器の運転方法。
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