JP2002246200A - 粒子加速器の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 渦電流や磁気余効による磁場変動の少ない粒
子加速器の運転方法の提供。 【解決手段】 電磁石の励磁電流を操作して、荷電粒子
ビームを入射し、加速し、出射するパターンを繰り返す
粒子加速器の運転方法において、荷電粒子ビームの加速
時に磁場強度を最大に上げた後、出射に必要な励磁電流
に下げて出射し、出射の後には、次の荷電粒子ビームの
入射に必要な励磁電流に下げて入射することを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁石の励磁電流
を操作して、荷電粒子ビームを入射し、加速し、出射す
る粒子加速器の運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】粒子加速器（シンクロトロン）は、荷電
粒子ビームを入射し、加速し、出射したり、或いは、当
該ビームの軌道を偏向し、収束し、補正したりするため
各種の電磁石、例えば、偏向電磁石、四極電磁石、六極
電磁石、ステアリング電磁石等を備えている。これらの
電磁石は、求められる荷電粒子ビーム（以下、ビームと
もいう）のエネルギーに応じて磁場強度を変えるように
電磁石の励磁電流が操作される。例えば、ビームの入射
時には磁場強度が低くなるように操作され、加速時に
は、当該ビームが出射時に求められる所要のエネルギー
となるよう即ち磁場強度が上がるように操作され、出射
時には、こうして所要のエネルギーまで加速された後、
効率よく出射するために、前記エネルギーを一定に維持
するよう操作する。

【０００３】ビームは、遅い取出しといわれる場合で
も、例えば、数百ｍｓから数秒かけて少しずつ取り出さ
れるため、一般の装置では、出射に必要な励磁電流を一
定に保った状態を維持しながら、出射用電磁石等を使っ
てビームパラメータを変化させて出射させている。勿
論、装置によっては、磁場強度を僅かに変えて出射する
こともある。何れにしても、ビームを効率良く入射し、
損失なく加速し、効率良く出射するには、入射、加速、
出射におけるそれぞれの磁場パターンを極めて精度良く
発生させる必要がある。この場合、偏向電磁石や四極電
磁石等の電磁石の励磁電流の操作が重要となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、磁場を
時間的に変化させる電磁石では、渦電流や磁気余効等の
問題が生じる。以下、これらについて説明する。粒子加
速器に装置される上記のような各種の電磁石は、磁極や
ヨークやビームを通過させる真空ダクト等が導電体で構
成されているため、時間的に磁場が変動すると、これら
の導電体に磁場の時間変化を打ち消すように渦電流が発
生する。

【０００５】この渦電流を図６及び図７に基づいて説明
する。図６は渦電流と磁場との関係を示す概念図であ
り、図７は励磁電流による磁場と渦電流による磁場との
関係を示す図である。図７に示すように、図示の磁場強
度は直線的に増大して一定になる台形的パターンを示し
ているが、この場合、磁場強度が増大している間は、渦
電流による磁場は逆方向に或る一定の値で発生する。磁
場強度が一定になった場合に、導電体の抵抗がゼロだと
渦電流による磁場もゼロになるが、実際には有限の値を
持っているため、それによる時定数で指数関数的にゼロ
に近づいて行く。この磁場は、励磁電流による磁場強度
を下げる方向に発生しているため、一定モードになった
後にゼロに近づいて行くということは、全体の磁場強度
を上げて行くことになる。

【０００６】次に、磁気余効について説明する。磁気余
効とは、磁気励磁電流を突然ゼロにした場合、電磁石に
発生している磁場は渦電流の影響がなくても励磁電流に
合わせてゼロになることはなく、或る値から徐々にゼロ
に近づいて行く、という現象をいう。この現象は、励磁
電流を突然立ち上げた場合も同様に起こり、図８に示す
ように、磁気余効による影響も渦電流による影響と同様
に一定モードになった後に、磁場強度を増やすことにな
る。

【０００７】上記のような渦電流や磁気余効による悪影
響は、出射後の入射の際にも、即ち、次のビームを入射
するに際して、磁場強度を入射に必要な所要レベルまで
下げた時にも現れる。この場合、磁場強度は徐々に下が
る傾向を示す。又、出射の際にも、即ち、入射後の加速
によって一定モードになったビームを取り出す際には、
一般にビームの共鳴現象を利用するため、磁場強度は極
めて精度良く一定に制御される必要があるが、上記のよ
うな磁場変化によっても悪影響が現れて、ビームの出射
効率を悪化させていた。又、ビームを入射する際にも、
磁場強度を安定させないと上記の悪影響が現れて、ビー
ムを効率良く入射させることができなかった。

【０００８】特に、この種の粒子加速器を医療用に用い
る場合には、患者や患部の症状等の治療目的に応じて、
求められる出射ビームエネルギーが当然異なるため、そ
れに応じた様々な磁場パターンが必要となるが、従来で
は、このような様々な磁気パターンに対応するように励
磁電流を操作するには、大変な労力とコストとを必要と
していた。

【０００９】本発明は、粒子加速器における上記のよう
な諸問題を解消するため、渦電流や磁気余効による磁場
変動の少ない励磁電流の操作方法即ち運転方法の提供を
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、電磁
石の励磁電流を操作して、荷電粒子ビームを入射し、加
速し、出射するパターンを繰り返す粒子加速器の運転方
法において、荷電粒子ビームの加速時に磁場強度を最大
に上げた後、出射に必要な励磁電流に下げて出射し、出
射の後には、次の荷電粒子ビームの入射に必要な励磁電
流に下げて入射することを特徴とする。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１に記載の粒子
加速器の運転方法において、加速時に磁場強度を最大に
上げた状態を一旦維持させることを特徴とする。

【００１２】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載の粒子加速器の運転方法において、荷電粒子ビー
ムを出射後、次の荷電粒子ビームの入射に際して、当該
荷電粒子ビームの入射に必要な励磁電流より下げた後、
入射に必要な励磁電流に上げて入射することを特徴とす
る。

【００１３】請求項４の発明は、請求項３に記載の粒子
加速器の運転方法において、入射に必要な励磁電流より
下げた状態を一旦維持させることを特徴とする。

【００１４】請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４
の何れかに記載の粒子加速器の運転方法において、加速
時に磁場強度を最大に上げた後、出射に必要な励磁電流
より下げた後、出射に必要な励磁電流に上げて出射する
ことを特徴とする。

【００１５】請求項６の発明は、請求項５に記載の粒子
加速器の運転方法において、出射に必要な励磁電流より
下げた状態を一旦維持させることを特徴とする。

【００１６】請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６
に記載の粒子加速器の運転方法のうち少なくとも２つの
運転方法を任意の順序で連続して運転することを特徴と
する。

【００１７】

【発明の実施の形態】実施の形態１．実施の形態１にお
いて、荷電粒子ビームを入射し、加速し、出射する運転
パターンを繰り返す粒子加速器において励磁電流を操作
する運転方法を図１に基づいて説明する。図１は励磁電
流の運転パターンＰ１を示す。この形態で使用される粒
子加速器のシステムは、ビームを生成するイオン源（或
いは電子銃）、イオン源で生成されたビームを円形加速
器で加速可能なエネルギーまで加速する前段加速器、前
段加速器で加速されたビームを円形加速器に導く入射ビ
ーム輸送系、ビームを所望のエネルギーまで加速させる
円形加速器、加速されたビームを取り出し、所定の場所
まで導く出射ビーム輸送系等（非図示）で構成されてい
る。

【００１８】この形態１の運転方法を運転パターンＰ１
として図１に示す。この運転パターンＰ１では、円形加
速器に入射されたビームの加速時に、励磁電流を最大励
磁電流にまで、従って最大磁場強度（Ｂｍａｘ）まで一
旦上げた後に、出射に必要な励磁電流にまで、従って出
射に必要な所望の磁場強度（Ｂ１）まで下げて出射し、
出射の後には、ビームの入射に必要な励磁電流まで、従
って入射に適した磁場強度(Ｂｉｎｊ)に下げてから入射
するように励磁電流を操作している。

【００１９】上記のように、ビームの加速時に、一旦、
励磁電流値を最大に上げて磁場強度を最大（最大磁場強
度Ｂｍａｘ）とした後に、所望の出射ビームエネルギー
に相当する磁場強度Ｂ１となるように励磁電流を下げる
操作を行うことにより、渦電流や磁気余効などの影響に
よる磁場変化の遅れを早めることができる。渦電流の影
響に対しては、励磁電流を下げる操作で反対方向の渦電
流が発生するため、全体としてキャンセルされるからで
ある。これにより、出射に必要な励磁電流まで下げた時
には、渦電流や磁気余効などの悪影響を小さくすること
ができる。この作用は、例えば、電気回路で時定数の問
題で立ち上がりの遅い電流波形を早めるために、立ち上
げ時に電圧を高くするのと似ている。

【００２０】又、この形態１において、図２の運転方法
(運転パターンＰ２)に示すように、励磁電流を入射のレ
ベル、即ち、入射に必要な励磁電流（Ｂｉｎｊ）に下げ
る（減磁する）場合に、図示のように、一旦、入射に必
要な励磁電流（Ｂｉｎｊ）よりも低いレベルまで下げた
後に、入射に必要な励磁電流（Ｂｉｎｊ）まで上げる操
作を行うと、上記と実質的に同様の作用が生じて、渦電
流や磁気余効などの悪影響を更に小さくすることがで
き、常に安定した磁場で入射を効率良く行うことができ
る。以上の何れにおいても、繰り返される運転パターン
Ｐ１やＰ２における加速時に、常に磁場を最大磁場強度
まで一旦上げておくことにより、磁場の再現性をよくす
ることができる。

【００２１】実施の形態２．実施の形態２は、図３の運
転パターンＰ３に示すように、上記実施の形態１におけ
る運転パターンＰ２において、加速時に、最大励磁電流
（最大磁場強度）まで上げた後、直ちに、出射に必要な
励磁電流Ｂ１まで下げる（減磁する）のではなく、最大
磁場強度（Ｂｍａｘ）まで上げた後、若干の時間(所要
時間)、その最大磁場強度（Ｂｍａｘ）を維持させるよ
う励磁電流を操作している。即ち、最大励磁電流に上げ
た状態（最大磁場強度）を一旦維持させた後に、出射に
必要な励磁電流Ｂ１に下げるように励磁電流を操作す
る。このように、最大磁場強度（Ｂｍａｘ）を維持する
時間を、最適化即ち適宜調整することによって、渦電流
や磁気余効などの悪影響を上記実施の形態１の場合より
更により小さくすることができる。

【００２２】又、この運転方法(運転パターンＰ３)で
は、励磁電流を入射のレベル、即ち、入射に必要な励磁
電流（Ｂｉｎｊ）に下げる（減磁する）場合にも、図示
のように、一旦、入射に必要な励磁電流（Ｂｉｎｊ）よ
りも低いレベルまで下げて低い磁場強度とした後、その
低い磁場強度を、上記と同様に、若干の時間(所要時
間)、その磁場強度なまま維持させるよう励磁電流を操
作している。即ち、低いレベルの励磁電流に下げた状態
を一旦維持させた後に、入射に必要な励磁電流（Ｂｉｎ
ｊ）に上げるように励磁電流を操作している。このよう
に、出射後、次のビームの入射に必要な励磁電流（Ｂｉ
ｎｊ）まで下げる（減磁する）際に、入射に必要な励磁
電流（Ｂｉｎｊ）よりも下げた状態を一旦維持させるよ
うに励磁電流を操作することによって、上記と同様の作
用が生じて、渦電流や磁気余効などの悪影響を一段と小
さくすることができ、常に安定した磁場で入射を効率良
く行うことができる。

【００２３】実施の形態３．実施の形態３は、入射時の
磁場の変化が入射効率にあまり影響しない粒子加速器に
おける運転方法に関するもので、このような粒子加速器
の場合には、上記実施の形態１の運転パターンＰ２や形
態２の運転パターンＰ３(図２、図３）のように、出射
後、次のビームの入射に必要な励磁電流（Ｂｉｎｊ）ま
で下げる（減磁する）際に、入射に必要な励磁電流（Ｂ
ｉｎｊ）よりも下げたり、下げた状態を一旦維持させる
ように励磁電流を操作する必要はない。上記実施の形態
１の運転パターンＰ１で説明したように、励磁電流を入
射に必要なレベルに下げるだけでよい。即ち、上記運転
パターンＰ１において、出射時の磁場強度Ｂ１から次の
ビームの入射に必要な励磁電流（Ｂｉｎｊ）まで直線的
に減磁するよう励磁電流を操作すればよい。

【００２４】実施の形態４．医療用等に用いられる粒子
加速器には、様々なエネルギーの出射ビームが要求され
る。この実施の形態４は、このような粒子加速器の運転
方法に関するもので、例えば、図４に示すように、最大
加速エネルギー即ち最大磁場強度（Ｂｍａｘ）よりも相
当低いエネルギー即ち磁場強度Ｂ３で出射が行われる場
合の励磁電流の操作に関する。このように、最大磁場強
度（Ｂｍａｘ）よりも相当低い磁場強度Ｂ３で出射が行
われる場合には、出射に必要な励磁電流Ｂ３まで下げた
時に、渦電流や磁気余効による悪影響が生じる。このた
め、図４の運転パターンＰ４に示すように、出射に必要
な励磁電流Ｂ３まで下げる際には、一旦、出射に必要な
励磁電流Ｂ３より下げてから出射に必要な励磁電流Ｂ３
に上げて出射させるように励磁電流を操作する。

【００２５】このように操作することにより、上記実施
の形態１の運転パターンＰ１、Ｐ２において、一旦、出
射に必要な励磁電流Ｂ１を越えた磁場強度（この例では
最大磁場強度Ｂｍａｘ）とした後、或いは、実施の形態
２の運転パターンＰ３において、出射に必要な励磁電流
Ｂ１を越えた磁場強度の状態を一旦維持させた後に、出
射に必要な励磁電流Ｂ１とする操作を行ったのと実質的
に同様な作用が生じて、出射時における磁場強度Ｂ３に
対する渦電流や磁気余効の悪影響を小さくすることがで
きる。

【００２６】実施の形態５．実施の形態５は、上記実施
の形態１乃至形態４で説明した粒子加速器の各種の運転
方法(運転パターンＰ１乃至Ｐ４)やこれらを使用目的に
応じて応用した運転パターンＰ５やＰ６を適宜組み合わ
せて、例えば、少なくとも２つの運転方法を任意の順序
で連続させて運転する形態を示したものである。これを
図５に示す。図において、このように、上記実施の形態
１乃至形態４で示した運転方法やこれらの運転方法を適
用した運転パターン（Ｐ３−Ｐ５−Ｐ４−Ｐ７・・・）
を組み合わせて運転しても、従来の運転に比べて、効率
の良い入射、加速、出射を行うことができる。従って、
この運転方法は、パターン毎に出射エネルギーを変える
運転が要求される医療用としての粒子加速器の運転にお
いて極めて有効である。

【００２７】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、従来の運転方
法に比べて、磁場の再現性が良く、且つ、出射時の渦電
流や磁気余効などの悪影響による磁場変動を小さくする
ことができる。

【００２８】請求項２の発明によれば、上記請求項１の
発明の効果に比べて、更に、出射時における渦電流や磁
気余効などの悪影響による磁場変動を小さくすることが
できる。

【００２９】請求項３の発明によれば、出射時だけでな
く入射時における渦電流や磁気余効などの悪影響による
磁場変動を小さくすることができる。

【００３０】請求項４の発明によれば、上記請求項３の
発明の効果に比べて、更に、入射時における渦電流や磁
気余効などの悪影響による磁場変動を小さくすることが
できる。

【００３１】請求項５の発明によれば、上記請求項１乃
至請求項４の何れの発明においても、最大事場強度より
相当低いレベルの磁場強度にて出射する場合に、上記請
求項１乃至請求項４の何れの発明による効果に比べて
も、出射時における渦電流や磁気余効などの悪影響によ
る磁場変動を小さくすることができ、所望の出射ビーム
エネルギーを得ることができる。

【００３２】請求項６の発明によれば、請求項５の発明
の効果に比べて、更に、出射における渦電流や磁気余効
などの悪影響による磁場変動を小さくすることができ
る。

【００３３】請求項７の発明によれば、運転毎に出射エ
ネルギーの変化を要求される医療用としての粒子加速器
の運転において、渦電流や磁気余効による磁場変動によ
る悪影響が少なく、効率の良い入射、加速、出射を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１の運転パターンを示す図であ
る。

【図２】 実施の形態３の運転パターンを示す図であ
る。

【図３】 実施の形態２の運転パターンを示す図であ
る。

【図４】 実施の形態４の運転パターンを示す図であ
る。

【図５】 実施の形態５の運転パターンを示す図であ
る。

【図６】 渦電流と磁場との関係を示す概念図である。

【図７】 励磁電流による磁場と渦電流による磁場との
関係を示す図である。

【図８】 励磁電流と磁場強度との関係を示す図であ
る。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁石の励磁電流を操作して、荷電粒子
   ビームを入射し、加速し、出射するパターンを繰り返す
   粒子加速器の運転方法において、 荷電粒子ビームの加速時に磁場強度を最大に上げた後、
   出射に必要な励磁電流に下げて出射し、出射の後には、
   次の荷電粒子ビームの入射に必要な励磁電流に下げて入
   射することを特徴とする粒子加速器の運転方法。
2. 【請求項２】 加速時に磁場強度を最大に上げた状態を
   一旦維持させることを特徴とする請求項１に記載の粒子
   加速器の運転方法。
3. 【請求項３】 荷電粒子ビームを出射後、次の荷電粒子
   ビームの入射に際して、当該荷電粒子ビームの入射に必
   要な励磁電流より下げた後、入射に必要な励磁電流に上
   げて入射することを特徴とする請求項１又は請求項２に
   記載の粒子加速器の運転方法。
4. 【請求項４】 入射に必要な励磁電流より下げた状態を
   一旦維持させることを特徴とする請求項３に記載の粒子
   加速器の運転方法。
5. 【請求項５】 加速時に磁場強度を最大に上げた後、出
   射に必要な励磁電流より下げた後、出射に必要な励磁電
   流に上げて出射することを特徴とする請求項１乃至請求
   項４の何れかに記載の粒子加速器の運転方法。
6. 【請求項６】 出射に必要な励磁電流より下げた状態を
   一旦維持させることを特徴とする請求項５に記載の粒子
   加速器の運転方法。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項６に記載の粒子加速
   器の運転方法のうち少なくとも２つの運転方法を任意の
   順序で連続して運転することを特徴とする粒子加速器の
   運転方法。