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JP2015133241A - Circular accelerator, circular acceleration system, and particle acceleration method - Google Patents

Circular accelerator, circular acceleration system, and particle acceleration method Download PDF

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JP2015133241A
JP2015133241A JP2014004133A JP2014004133A JP2015133241A JP 2015133241 A JP2015133241 A JP 2015133241A JP 2014004133 A JP2014004133 A JP 2014004133A JP 2014004133 A JP2014004133 A JP 2014004133A JP 2015133241 A JP2015133241 A JP 2015133241A
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circular accelerator
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circular
dee
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JP2014004133A
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重充 原
Shigemitsu Hara
原  重充
文章 野田
Fumiaki Noda
文章 野田
孝道 青木
Takamichi Aoki
孝道 青木
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract


【課題】 荷電粒子を加速する装置において、荷電粒子の出射エネルギーを瞬時に変えることができ、荷電粒子の軌道を偏向する磁場と高周波加速電極部の加速周波数の変更が不要な円形加速器を提供すること。
【解決手段】 円形加速器100は、荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加するディー電極1及びダミーディー電極2a〜2eと、荷電粒子ビームを偏向する電磁石装置と、ディー電極1とダミーディー電極2a〜2eを部分的に短絡接続する開閉装置8a、8bと、インピーダンス調整用回路素子7a1、7a2、7b1、7b2と、絶縁材3と、を備える。

【選択図】 図1

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a circular accelerator capable of instantaneously changing the emission energy of charged particles in an apparatus for accelerating charged particles and not requiring a change in the acceleration frequency of a magnetic field and a high-frequency acceleration electrode part for deflecting the trajectory of the charged particles. about.
A circular accelerator 100 includes a dee electrode 1 and dummy dee electrodes 2a to 2e for applying a high-frequency electric field for accelerating a charged particle beam, an electromagnet device for deflecting the charged particle beam, a dee electrode 1 and a dummy dee. Opening / closing devices 8a and 8b for partially short-circuiting the electrodes 2a to 2e, impedance adjustment circuit elements 7a1, 7a2, 7b1, and 7b2, and an insulating material 3 are provided.

[Selection] Figure 1

Description

本発明は、円形加速器、円形加速システム及び粒子加速方法に係り、特に、磁場中で荷電粒子を偏向して円形に近い軌道を周回させながら、高周波電場により高いエネルギーまで荷電粒子を加速して、加速された荷電粒子を外部へ出射するための円形加速器、円形加速システム及び粒子加速方法に関する。   The present invention relates to a circular accelerator, a circular acceleration system, and a particle acceleration method, in particular, while accelerating a charged particle to a high energy by a high-frequency electric field while deflecting the charged particle in a magnetic field and orbiting a circular orbit, The present invention relates to a circular accelerator, a circular acceleration system, and a particle acceleration method for emitting accelerated charged particles to the outside.

従来のサイクロトロンもしくはシンクロサイクロトロン等は円形加速器の一種である。サイクロトロンによる荷電粒子ビームの加速は、例えば、イオン源から出てきた荷電粒子ビームを磁場に対して垂直な平面における円形軌道に導入し、その円形軌道上に設置されたいわゆるディー電極(Dee electrode)に高周波の交流電圧を印加して、通過する荷電粒子ビームを加速して、そのエネルギーを増加させることによって達成される。   A conventional cyclotron or synchrocyclotron is a kind of circular accelerator. The charged particle beam is accelerated by the cyclotron by, for example, introducing a charged particle beam emitted from an ion source into a circular orbit in a plane perpendicular to a magnetic field, and a so-called Dee electrode installed on the circular orbit. This is achieved by applying a high-frequency AC voltage to accelerating the charged particle beam passing therethrough and increasing its energy.

従来の円形加速器について、図13を用いて説明する。図13は、従来の円形加速器1000の水平断面の概略構成を示す。
従来のビームエネルギー可変の円形加速器1000は、ディー電極1001と、ダミーディー電極1002とを備えている。また、ディー電極1001は同軸共振器に接続されており、その同軸のシールド側1005とそれを接地するための配線1004を具備する。なお、ビームは最終的に静電デフレクタ電極1010により静電的な高電界でビーム軌道は曲げられて取り出される。
A conventional circular accelerator will be described with reference to FIG. FIG. 13 shows a schematic configuration of a horizontal section of a conventional circular accelerator 1000.
A conventional circular accelerator 1000 with variable beam energy includes a dee electrode 1001 and a dummy dee electrode 1002. The Dee electrode 1001 is connected to a coaxial resonator, and includes a coaxial shield side 1005 and a wiring 1004 for grounding it. The beam is finally extracted by the electrostatic deflector electrode 1010 with its beam trajectory bent by an electrostatic high electric field.

特許文献1に記載されたシンクロサイクロトロンでは、第一に高周波電圧印加電極部の加速周波数をビーム加速中に1kHz程度の運転周期で高速に周波数変調してビームを加速し、第二に高周波加速の位相安定性の原理によりビーム進行方向に収束させ、第三に弱収束磁場にしてビーム垂直方向を収束させており、これらが主な特徴となっている。特許文献1に記載された装置では、共振周波数が例えば1kHzレベルの周波数変調が技術的に非常に困難である場合が想定される。   In the synchrocyclotron described in Patent Document 1, first, the acceleration frequency of the high-frequency voltage application electrode portion is accelerated at a high speed with an operation cycle of about 1 kHz during beam acceleration, and secondly, the high-frequency acceleration is performed. It is converged in the beam traveling direction by the principle of phase stability, and thirdly, it is a weakly converging magnetic field to converge the beam vertical direction, which are the main features. In the apparatus described in Patent Document 1, it is assumed that frequency modulation with a resonance frequency of, for example, a 1 kHz level is technically very difficult.

特許文献2に記載されているサイクロトロンでは、イオン源から引き出されたイオンビームが、偏向電磁石により作られる偏向磁場により周回しながら、加速電極部を通過する毎に徐々に加速される。イオンビームが加速されてエネルギーが増加するに従い、周回軌道の半径は徐々に大きくなり、らせん状の軌道となって、加速されたイオンビームが最高エネルギーに達してから出射用デフレクタによって加速器外部へ取り出される。ここまではシンクロサイクロトロンと同じである。   In the cyclotron described in Patent Document 2, an ion beam extracted from an ion source is gradually accelerated each time it passes through an acceleration electrode section while circling by a deflection magnetic field generated by a deflection electromagnet. As the ion beam accelerates and the energy increases, the radius of the orbit becomes gradually larger and becomes a spiral orbit, and after the accelerated ion beam reaches the maximum energy, it is taken out of the accelerator by the extraction deflector. It is. Up to this point, it is the same as the synchrocyclotron.

サイクロトロンにおいて荷電粒子を安定に加速するためには、第一に加速電極において、荷電粒子の通過のタイミングに合わせて、ビーム進行方向に所定の高周波加速電界を印加する、第二にビーム垂直方向に所定の収束力を与える必要があり、また第三にビーム進行方向には収束力はない。   In order to stably accelerate charged particles in a cyclotron, first, a predetermined high-frequency accelerating electric field is applied in the beam traveling direction at the acceleration electrode in accordance with the timing of passage of the charged particles, and secondly in the beam vertical direction. It is necessary to give a predetermined convergence force. Third, there is no convergence force in the beam traveling direction.

特許文献2に記載されたサイクロトロンでは、シンクロサイクロトロンと異なり、荷電粒子の周回周波数が加速とともに変化しないように、偏向電磁石の磁場分布は発生されるので、高周波加速電界の周波数を変調する必要はない。この磁場のことを等時性磁場と呼ぶ。等時性磁場はビーム進行方向には収束力がないため、例えば、電磁石の磁場整形の精度を1×10−6程度に高くし、且つ、加速電圧を大きくして、数百ターンほどでビームを取り出す構成とする。また等時性磁場とする為に、半径が大きい方向に強くなる磁場分布とする必要があり、垂直方向に大きな発散力が生じる。この発散力に打ち勝って垂直方向の収束力を得るために、偏向電磁石の構成が、荷電粒子の周回方向に沿って大きい磁極ギャップ(谷)と小さい磁極ギャップ(山)が交互に繰り返すセクター集束サイクロトロンまたはAVFサイクロトロンの構造となっており、さらに磁極形状をスパイラル状の磁極形状としている。
In the cyclotron described in Patent Document 2, unlike the synchrocyclotron, the magnetic field distribution of the deflecting electromagnet is generated so that the circulating frequency of the charged particles does not change with acceleration, so there is no need to modulate the frequency of the high-frequency acceleration electric field. . This magnetic field is called an isochronous magnetic field. Since the isochronous magnetic field does not have a converging force in the beam traveling direction, for example, the magnetic field shaping accuracy of the electromagnet is increased to about 1 × 10 −6 , and the acceleration voltage is increased to increase the beam in several hundred turns. It is set as the structure which takes out. Further, in order to obtain an isochronous magnetic field, it is necessary to obtain a magnetic field distribution that becomes stronger in the direction in which the radius is larger, and a large divergent force is generated in the vertical direction. In order to overcome this diverging force and obtain a vertical focusing force, the configuration of the deflecting electromagnet is a sector focusing cyclotron in which large magnetic pole gaps (valleys) and small magnetic pole gaps (crests) repeat alternately along the circumferential direction of the charged particles. Alternatively, it has an AVF cyclotron structure, and the magnetic pole shape is a spiral magnetic pole shape.

特表2008−507826号公報Special table 2008-507826 gazette 特表平5−501632号公報Japanese National Patent Publication No. 5-501632 特願2011−244298号公報Japanese Patent Application No. 2011-244298

従来のシンクロサイクロトロン及びサイクロトロンでは、出射ビームのエネルギーを変更するためには、磁場強度を変更するか、もしくは高周波加速電界の周波数を変更する必要があった。しかし、磁場強度を大きく変更すると、等時性磁場の空間分布も大きく変化してしまい、この等時性磁場の調整には長時間を要するという課題がある。また、加速周波数を大きく変更するためには、高周波加速空洞の共振周波数を大きく変更する必要が生じるが、この共振周波数の調整には長時間を要するという課題がある。これらの理由により、シンクロサイクロトロン及びサイクロトロンの出射ビームのエネルギーを瞬時に大きく変更することは簡単ではなかった。また、ビームの取り出しにおいては、ビームの周回軌道間隔が狭いため、ビーム取り出し用の静電デフレクタの半径方向内側電極をまたげずにビームが電極に当たって損失が比較的大きいというということが想定された。   In the conventional synchrocyclotron and cyclotron, in order to change the energy of the outgoing beam, it is necessary to change the magnetic field strength or the frequency of the high-frequency acceleration electric field. However, when the magnetic field strength is greatly changed, the spatial distribution of the isochronous magnetic field is also greatly changed, and there is a problem that it takes a long time to adjust the isochronous magnetic field. Further, in order to greatly change the acceleration frequency, it is necessary to largely change the resonance frequency of the high-frequency acceleration cavity, but there is a problem that it takes a long time to adjust the resonance frequency. For these reasons, it is not easy to instantaneously change the synchrocyclotron and the energy of the emitted beam of the cyclotron. Further, in beam extraction, it was assumed that the beam hits the electrode without straddling the radially inner electrode of the electrostatic deflector for beam extraction and the loss is relatively large because the beam orbit interval is narrow. .

なお、現状のシンクロサイクロトロン及びサイクロトロンでは、通常、加速器によるエネルギー変更はできないので、一定のエネルギーでビームを取り出した後に、デグレーダーでエネルギー損失を発生させて、エネルギーを変更しているが、この方法ではビームの性能が劣化すると伴に装置が大きくなってしまうという課題があった。   In the current synchrocyclotron and cyclotron, the energy cannot be changed by an accelerator, so the energy is changed by generating energy loss with a degrader after extracting the beam with a constant energy. When the beam performance deteriorates, there is a problem that the apparatus becomes large.

本発明は、以上の点に鑑み、円形加速器の出射ビームのエネルギーを変更又は調整することができる円形加速器、円形加速システム及び粒子加速方法を提供することを目的とする。
In view of the above points, an object of the present invention is to provide a circular accelerator, a circular acceleration system, and a particle acceleration method that can change or adjust the energy of an outgoing beam of the circular accelerator.

本発明の第1の解決手段によると、
荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加するディー電極と、
少なくとも円の1/4の領域を含む第1の部分電極と、前記第1の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第2の部分電極とに分割されたダミーディー電極と、
ひとつ又は複数の前記第2の部分電極を、前記ディー電極又は前記第1の部分電極のいずれか一方に接続するための開閉装置と
を備えたことを特徴とする円形加速器が提供される。
According to the first solution of the present invention,
A Dee electrode for applying a high-frequency electric field for accelerating the charged particle beam;
A dummy electrode divided into a first partial electrode including at least a quarter of a circle and one or a plurality of second partial electrodes including a portion excluding the first partial electrode;
There is provided a circular accelerator comprising an opening / closing device for connecting one or a plurality of the second partial electrodes to either the Dee electrode or the first partial electrode.

本発明の第2の解決手段によると、
円形加速システムであって、
円形加速器と、
前記円形加速器から出力されたビームを輸送するためのビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系により輸送された前記ビームをターゲットへ照射するためのビーム照射系と
を備え、
前記円形加速器は、
荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加するディー電極と、
少なくとも円の1/4の領域を含む第1の部分電極と、前記第1の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第2の部分電極とに分割されたダミーディー電極と、
ひとつ又は複数の前記第2の部分電極を、前記ディー電極又は前記第1の部分電極のいずれか一方に接続するための開閉装置と
を備えたことを特徴とする円形加速システムが提供される。
According to the second solution of the present invention,
A circular acceleration system,
A circular accelerator,
A beam transport system for transporting the beam output from the circular accelerator;
A beam irradiation system for irradiating a target with the beam transported by the beam transport system;
The circular accelerator is
A Dee electrode for applying a high-frequency electric field for accelerating the charged particle beam;
A dummy electrode divided into a first partial electrode including at least a quarter of a circle and one or a plurality of second partial electrodes including a portion excluding the first partial electrode;
There is provided a circular acceleration system comprising: an opening / closing device for connecting one or a plurality of the second partial electrodes to either the Dee electrode or the first partial electrode.

本発明の第3の解決手段によると、
円形加速器における粒子加速方法であって、
前記円形加速器において、
ディー電極と、少なくとも円の1/4の領域を含む第1の部分電極と、前記第1の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第2の部分電極とに分割されたダミーディー電極とにより、荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加し、
開閉装置により、ひとつ又は複数の前記第2の部分電極を、前記ディー電極又は前記第1の部分電極のいずれか一方に接続する
ことにより、
前記荷電粒子ビームのビーム軌道上に磁場Bと一次のハーモニック電界EによるExBドリフトを発生させ、前記荷電粒子ビームの出力エネルギーを変更して荷電粒子ビームを出力することを特徴とする粒子加速方法が提供される。
According to the third solution of the present invention,
A particle acceleration method in a circular accelerator,
In the circular accelerator,
A dummy dee electrode divided into a dee electrode, a first partial electrode including at least a quarter of a circle, and one or a plurality of second partial electrodes including a portion excluding the first partial electrode By applying a high frequency electric field to accelerate the charged particle beam,
By connecting one or more of the second partial electrodes to one of the dee electrode or the first partial electrode by a switchgear device,
A particle acceleration method characterized by generating an ExB drift due to a magnetic field B and a primary harmonic electric field E on a beam trajectory of the charged particle beam, and changing the output energy of the charged particle beam to output the charged particle beam. Provided.

本発明によると、円形加速器の出射ビームのエネルギーを変更又は調整することができる円形加速器、円形加速システム及び粒子加速方法を提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a circular accelerator, a circular acceleration system, and a particle acceleration method capable of changing or adjusting the energy of the exit beam of the circular accelerator.

本発明の第1の実施例によるエネルギー可変型の円形加速器の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the energy variable type | mold circular accelerator by 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例によるエネルギー可変型の円形加速器の垂直断面概略構成を示す図である。It is a figure which shows the perpendicular | vertical cross-sectional schematic structure of the energy variable type | mold circular accelerator by 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例によるエネルギー可変型の円形加速器のビームドリフト軌道の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the beam drift orbit of the energy variable type | mold circular accelerator by 1st Example of this invention. 本発明をPET薬剤製造用サイクロトロン装置に適用した場合のディー電極短絡開始半径reとインピーダンス調整回路のインピーダンスZと出射ビームエネルギーの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the dee electrode short circuit start radius re, the impedance Z of an impedance adjustment circuit, and the emitted beam energy at the time of applying this invention to the cyclotron apparatus for PET chemical | medical agent manufacture. 本発明の第2の実施例によるエネルギー可変型の円形加速器の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the energy variable type | mold circular accelerator by the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例によるエネルギー可変型の円形加速器の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the energy variable type | mold circular accelerator by the 3rd Example of this invention. 本発明の第4の実施例による円形加速器の低損失ビーム取り出しシステムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the low-loss beam extraction system of the circular accelerator by the 4th Example of this invention. 出射ビームエネルギーとスイッチ状態の関係の一例を示す対応テーブルの説明図である。It is explanatory drawing of the corresponding | compatible table which shows an example of the relationship between emitted beam energy and a switch state. スイッチと調整用インピーダンスによってビームエネルギーを運転中にダイナミックに変える運転パターンの説明を示す図(A)である。It is a figure (A) which shows explanation of an operation pattern which changes beam energy dynamically during operation by a switch and impedance for adjustment. スイッチと調整用インピーダンスによってビームエネルギーを運転中にダイナミックに変える運転パターンの説明を示す図(B)である。It is a figure (B) which shows description of the driving | operation pattern which changes beam energy dynamically during driving | operation with a switch and the impedance for adjustment. 円形加速器が用いられるPET薬剤生成システムの一例である。1 is an example of a PET drug generation system in which a circular accelerator is used. 円形加速器が用いられる粒子線治療システムの一例である。It is an example of the particle beam therapy system in which a circular accelerator is used. 制御部を備えた円形加速器の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the circular accelerator provided with the control part. 従来の円形加速器の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the conventional circular accelerator.

本発明及び本実施例は円形ビーム加速装置の全般に適用可能であるが、ここでは一例として、エネルギー可変の円形加速器とそのビームエネルギー変更方法について記述している。
The present invention and this embodiment can be applied to all types of circular beam accelerators. Here, as an example, a variable energy circular accelerator and its beam energy changing method are described.

1.概要

本実施例では、円形加速器において、荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加する電極と、荷電粒子ビームを偏向する電磁石装置と、高周波電場を印加するディー電極とダミーディー電極間を部分的に短絡接続する開閉装置を備えることによって、ある半径以上で1次のハーモニック電界を印加して、軌道中心をドリフトさせて、異なるエネルギーでビームを取り出すことにより、上述のような課題を解決することができる。
1. Overview

In this embodiment, in the circular accelerator, an electrode for applying a high-frequency electric field for accelerating the charged particle beam, an electromagnet device for deflecting the charged particle beam, and a portion between the dee electrode and the dummy dee electrode for applying the high-frequency electric field are partially provided. To solve the above-mentioned problems by providing a first-order harmonic electric field with a certain radius or more, drifting the center of the orbit, and extracting the beam with different energy Can do.

本実施例によれば、本装置はこの円形加速器において、ビームの偏向磁場を一定に保ちながら、出射ビームエネルギーの自由な変更が可能で、かつビームの最外周回軌道の間隔を広げて、ビームの取り出し効率を高めることができる。   According to the present embodiment, this apparatus uses this circular accelerator to freely change the output beam energy while keeping the beam deflection magnetic field constant, and to widen the interval between the outermost orbits of the beam. The take-out efficiency can be increased.

本実施例によれば、例えば、ある半径以上では1次のハーモニック電界を印加して、軌道中心をドリフトさせ、そのための半径方向に複数分割絶縁されたダミーディー電極と高周波回路のインピーダンスを調整できる構造を具備することで、円形加速器の出射ビームのエネルギーを変更又は調整することが可能になる。また、本実施例によれば、磁場の変化も加速周波数も変更することがないため、出射ビームのエネルギー変更装置まで含めた全体円形加速器システムとしての高性能化、小型化、低コスト化が可能となる。また、本実施例によれば、ビーム損失の少ない高効率なビームの取り出しも可能になり、より高性能化に寄与することができる。
According to the present embodiment, for example, a primary harmonic electric field is applied above a certain radius to drift the center of the orbit, and the impedance of the high frequency circuit and the dummy de-electrode that is divided into a plurality of parts in the radial direction can be adjusted. By providing the structure, the energy of the exit beam of the circular accelerator can be changed or adjusted. In addition, according to the present embodiment, since neither the change of the magnetic field nor the acceleration frequency is changed, the high performance, downsizing, and cost reduction as a whole circular accelerator system including the energy changing device of the outgoing beam are possible. It becomes. Further, according to the present embodiment, it is possible to extract a highly efficient beam with little beam loss, which can contribute to higher performance.

2.円形加速器
2. Circular accelerator

本発明の好適な一実施例である円形加速器について、図1を用いて説明する。

図1は、本実施例の円形加速器100の水平断面の概略構成図を示す。以下、本実施例の円形加速器100による荷電粒子ビームのエネルギー変更について説明する。
A circular accelerator which is a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a horizontal section of a circular accelerator 100 according to the present embodiment. Hereinafter, the energy change of the charged particle beam by the circular accelerator 100 of the present embodiment will be described.

本実施例のビームエネルギー可変の円形加速器100は、ディー電極1と、絶縁材3により半円形状に分割絶縁されたダミーディー電極2a、2b、2c、2d、2eと、ある半径re以上のダミーディー電極をディー電極と接続するためのスイッチ部8と、その接続にあたり空洞共振器(例えば、円形加速器の電気的な等価回路)のインピーダンス特性を調整するための回路素子Z1〜Z8、Za、Zbを有するインピーダンス調整用回路素子7a1、7a2、7b1、7b2を備えている。また、ディー電極1は同軸共振器に接続されており、その同軸のシールド側5とそれを接地するための配線4を具備し、またダミーディー電極2は、接地配線6により接地されている。なお、ビームは最終的に静電デフレクタ電極10により静電的な高電界でビーム軌道は曲げられて取り出される。   The circular accelerator 100 with variable beam energy according to the present embodiment includes a dee electrode 1, dummy dee electrodes 2 a, 2 b, 2 c, 2 d, 2 e that are divided and insulated in a semicircular shape by an insulating material 3, and a dummy having a radius greater than or equal to re. Circuit elements Z1 to Z8, Za and Zb for adjusting the impedance characteristics of the cavity resonator (for example, an electrical equivalent circuit of a circular accelerator) for connecting the Dee electrode to the Dee electrode and the switch unit 8 Impedance adjusting circuit elements 7a1, 7a2, 7b1, and 7b2. The Dee electrode 1 is connected to a coaxial resonator, and has a coaxial shield side 5 and a wiring 4 for grounding it. The dummy Dee electrode 2 is grounded by a ground wiring 6. The beam is finally extracted by the electrostatic deflector electrode 10 by bending the beam trajectory with an electrostatic high electric field.

本実施例では、ダミーディー電極が5つに分割絶縁された構成としたが、5分割に限定されるものではなく、複数に分割絶縁される構成であればよい。なお、ここでディー電極とは、円形軌道上に設置されて、電極間に高電界を発生して粒子を加速するための2つの電極のうちの高電圧側の電極であり、ダミーディー電極とは粒子を加速するための2つの電極のうちの接地電位側の電極と定義する。イオン源(図示せず)で生成された荷電粒子ビームは円形加速器100の中心部に入射され、1/4λ同軸導波管(空洞共振器)から同軸モードの高周波電力が伝送されるディー電極1と絶縁材3により同心円状に分割絶縁されたダミーディー電極2a、2b、2c、2d、2eとの間の高周波加速電界で順次加速される。ディー電極1とダミーディー電極2a〜2eの存在する領域には、紙面方向に垂直に磁場が印加されているため、通過する荷電粒子ビームのビーム軌道は磁場による偏向を受けて螺旋状になり、最終的にディー電極の外側に配置された静電デフレクタ電極10において、荷電粒子ビームは引き出される。   In this embodiment, the dummy dee electrode is divided and divided into five parts. However, the structure is not limited to five, and any structure may be used as long as it is divided and divided into a plurality of parts. Here, the dee electrode is an electrode on the high voltage side of two electrodes that are installed on a circular orbit and generate a high electric field between the electrodes to accelerate particles, Is defined as an electrode on the ground potential side of two electrodes for accelerating particles. A charged particle beam generated by an ion source (not shown) is incident on the center of the circular accelerator 100, and a Dee electrode 1 to which coaxial mode high frequency power is transmitted from a 1 / 4λ coaxial waveguide (cavity resonator). And the dummy dee electrodes 2a, 2b, 2c, 2d, and 2e that are divided and concentrically concentrically formed by the insulating material 3 are sequentially accelerated by a high-frequency accelerating electric field. In the region where the Dee electrode 1 and the dummy Dee electrodes 2a to 2e are present, a magnetic field is applied perpendicularly to the paper surface direction. Finally, the charged particle beam is extracted at the electrostatic deflector electrode 10 disposed outside the Dee electrode.

本実施例の円形加速器100は、図13に示された従来の円形加速器と比較して異なるのは、主に、ダミーディー電極2が同心の半円形状に複数に分割され、分割されたダミーディー電極2a、2b、2c、2d、2eの各々が絶縁材3によって絶縁されていることと、ダミーディー電極2a、2b、2c、2d、2eの各々にディー電極1と接続するかもしくはしないかを選択可能にするためのスイッチ部8a、8bを備えることと、その接続による同軸共振器のインピーダンス特性の変化を調整するための回路素子7a1、7a2、7b1、7b2を備えていることにある。スイッチ部8a、8bにより、ダミーディー電極2b、2c、2d、2eの各々が、ディー電極1かダミーディー電極2aのいずれか一方に接続される。   The circular accelerator 100 of this embodiment is different from the conventional circular accelerator shown in FIG. 13 mainly in that the dummy dee electrode 2 is divided into a plurality of concentric semicircular shapes, and the divided dummy Each of the dee electrodes 2a, 2b, 2c, 2d and 2e is insulated by the insulating material 3, and whether or not each of the dee electrodes 2a, 2b, 2c, 2d and 2e is connected to the dee electrode 1 Are provided with switch units 8a and 8b, and circuit elements 7a1, 7a2, 7b1 and 7b2 for adjusting a change in impedance characteristics of the coaxial resonator due to the connection. Each of the dummy dee electrodes 2b, 2c, 2d, and 2e is connected to either the dee electrode 1 or the dummy dee electrode 2a by the switch portions 8a and 8b.

また、図2は、本実施例のビームエネルギー可変の円形加速器100の垂直断面の概略図を示している。図2に示すとおりに、本実施例のビームエネルギー可変の円形加速器100は、図1の構成機器以外に、荷電粒子ビームを偏向するための主磁場コイル12、磁場を調整する補助磁場コイル13、電磁石鉄心14、高周波電源15を備えている。   FIG. 2 is a schematic view of a vertical cross section of the circular accelerator 100 with variable beam energy according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the circular accelerator 100 with variable beam energy of the present embodiment includes a main magnetic field coil 12 for deflecting a charged particle beam, an auxiliary magnetic field coil 13 for adjusting a magnetic field, An electromagnet core 14 and a high frequency power source 15 are provided.

次に、円形加速器100が荷電粒子ビームのエネルギーを変更して運転する方法について説明する。高周波を伝送するディー電極1とダミーディー電極2a〜2eの間にはスイッチ部8aが接続され、それによりディー電極1は並列に複数に分岐されてインピーダンス調整回路7a1を介して各ダミーディー電極2a〜2eへ接続される。また、接地側のダミーディー電極2aとダミーディー電極2b、2c、2d、2eの間にはスイッチ部8bが接続され、それによりダミーディー電極2aは並列に複数に分岐されてインピーダンス調整回路7b1を介して各ダミーディー電極2b〜2eへ接続される。スイッチ部8aは通常は開かれており、ディー電極1は各ダミーディー電極2a〜2eから切り離されて、かつスイッチ部8bは通常は閉じられており、各ダミーディー電極2b〜2eは接地側のダミーディー電極2aに接続されているため、そのギャップ間には交流電界が発生し、粒子はその交流電界に同期して加速される。その加速において、シャントインピーダンスが低下すると、加速電界も低下する。シャントインピーダンスとは、ディー電極とダミーディー電極およびλ/4同軸導波管を含めた空洞構造(空洞共振器)を等価回路的に記した時の、ディー電極とダミーディー電極間のギャップのキャパシタンスと空洞のインダクタンスとそれらの電気抵抗で計算される。シャントインピーダンスが低下する事は、ディー電極とダミーディー電極間のギャップをショートして電界が印加できないようにする事と等価なので、シャントインピーダンスが低下しないように調整する必要がある。そのインピーダンス調整回路素子7a1、7a2、7b1、7b2は、高周波空洞のシャントインピーダンスの低下を防ぎ、シャントインピーダンスを高く維持するための調整素子ある。なお、シャントインピーダンスの概略値としては、例えば論文THE DESIGN AND COMMISSIONING OF THE RF SYSTEM FOR CYCIAE−14 CYCLOTRON, Proceedings of IPAC 2013(WEPFI026)においては80kΩで設計されている。各ダミーディー電極2a〜2eにつながるスイッチ部8aを閉じることで、ディー電極と各ダミーディー電極が接続される構造になっている。つまり、スイッチ部8aの各々を独立して開閉制御することによって、各ダミーディー電極2a〜2eとディー電極1の接続を制御し、荷電粒子への交流電界印加のON/OFFを制御できる。ディー電極1とダミーディー電極2a〜2eの間の短絡接続によってディー電極とダミーディー電極間に無電界の領域が出来て1次のハーモニック電界が荷電粒子に印加されるため、荷電粒子ビームの軌道上には偏向磁場Bと直角方向にドリフトが発生する。どの半径reのダミーディー電極2a〜2eまでをディー電極と短絡するのかと、いかほどにシャントインピーダンスを調整するかで、発生するビーム軌道のドリフトを調整して、出射ビームのエネルギーは変更される。また、各インピーダンス調整回路素子7a1、7a2、7b1、7b2のインピーダンスは適宜の値とすることができる。なお、スイッチ部8a、スイッチ部8bは、ひとつの開閉装置により構成してもよい。   Next, a method in which the circular accelerator 100 operates by changing the energy of the charged particle beam will be described. A switch unit 8a is connected between the D electrode 1 for transmitting a high frequency and the dummy D electrodes 2a to 2e, whereby the D electrode 1 is branched into a plurality of parallel and each dummy D electrode 2a via the impedance adjustment circuit 7a1. To 2e. Further, a switch portion 8b is connected between the dummy dee electrode 2a on the ground side and the dummy dee electrodes 2b, 2c, 2d, and 2e, so that the dummy dee electrode 2a is branched into a plurality in parallel, and the impedance adjusting circuit 7b1 is provided. To the dummy dee electrodes 2b to 2e. The switch part 8a is normally open, the dee electrode 1 is disconnected from each dummy dee electrode 2a-2e, and the switch part 8b is normally closed, and each dummy dee electrode 2b-2e is on the ground side. Since it is connected to the dummy electrode 2a, an alternating electric field is generated between the gaps, and the particles are accelerated in synchronization with the alternating electric field. In the acceleration, when the shunt impedance decreases, the acceleration electric field also decreases. Shunt impedance is the capacitance of the gap between the dee electrode and dummy dee electrode when the cavity structure (cavity resonator) including the dee electrode, dummy dee electrode, and λ / 4 coaxial waveguide is described in an equivalent circuit. And the cavity inductance and their electrical resistance. Lowering the shunt impedance is equivalent to shorting the gap between the dee electrode and the dummy dee electrode so that an electric field cannot be applied, and therefore it is necessary to adjust so that the shunt impedance does not decrease. The impedance adjustment circuit elements 7a1, 7a2, 7b1, and 7b2 are adjustment elements for preventing the shunt impedance of the high-frequency cavity from being lowered and keeping the shunt impedance high. The approximate value of the shunt impedance is designed to be 80 kΩ in, for example, the paper THE DESIGN AND COMMISSIONING OF THE RF SYSTEM FOR CYCIAE-14 CYCLOTRON, Processings of IPAC 2013 (WEPFI026). By closing the switch portion 8a connected to each of the dummy dee electrodes 2a to 2e, the dee electrode and each dummy dee electrode are connected. In other words, by independently controlling the opening and closing of each of the switch portions 8a, the connection between each of the dummy dee electrodes 2a to 2e and the dee electrode 1 can be controlled, and ON / OFF of application of an alternating electric field to charged particles can be controlled. The short-circuit connection between the dee electrode 1 and the dummy dee electrodes 2a to 2e creates a non-electric field region between the dee electrode and the dummy dee electrode, and the primary harmonic electric field is applied to the charged particles. A drift occurs in the direction perpendicular to the deflection magnetic field B. The energy of the outgoing beam is changed by adjusting the drift of the generated beam trajectory depending on which radius de dummy dee electrodes 2a to 2e are short-circuited with the dee electrode and how much the shunt impedance is adjusted. Moreover, the impedance of each impedance adjustment circuit element 7a1, 7a2, 7b1, 7b2 can be made into an appropriate value. In addition, you may comprise the switch part 8a and the switch part 8b by one switchgear.

スイッチ部8a、スイッチ部8bの設定は、予め定めて固定としてもよいし制御部(図12参照)により可変(ダイナミック)に制御するようにしてもよい。
図8は、エネルギー毎に各スイッチはどういう状態(ON又はOFF)なのかを示す対応テーブルの説明図である。また、図9に、スイッチを運転中にダイナミックに変えてエネルギーを変更する運転パターンを示した。
固定とする場合は、図8に従い、所定のビームエネルギーを出力できるようにスイッチ部8a、8bの各々を設定する。
The setting of the switch unit 8a and the switch unit 8b may be determined and fixed in advance, or may be controlled variably (dynamic) by a control unit (see FIG. 12).
FIG. 8 is an explanatory diagram of a correspondence table indicating what state (ON or OFF) each switch has for each energy. FIG. 9 shows an operation pattern in which the energy is changed by dynamically changing the switch during operation.
When fixed, according to FIG. 8, each of the switch units 8a and 8b is set so that predetermined beam energy can be output.

図12は、制御部を備えた円形加速器の概略構成を示す図である。可変(ダイナミック)に制御するときは、制御部30が、図8のような対応テーブルを予め記憶し、制御部30に所定のビームエネルギー出力の時間変化を設定入力することで、制御部30が図8のテーブルを参照してスイッチ8a、8bを制御する。
一例として5MeVから10MeVにエネルギーを切替える時には、制御部30は、次にように制御する。図9Aに示したように、最初に、5MeVとする場合、スイッチ部8aにより、Zaとz1〜z4との間をONとし、スイッチ部8bにより、Zbとz5〜z8との間をOFFとする。つぎに10MeVに切り替える場合、スイッチ部8aにより、Zaとz1との間をOFFとし、Zaとz2〜z4との間をONとし、スイッチ部8bにより、Zbとz5との間をONとして、Zbとz6〜z8との間をOFFとする。
FIG. 12 is a diagram illustrating a schematic configuration of a circular accelerator including a control unit. When control is performed in a variable (dynamic) manner, the control unit 30 stores a correspondence table as shown in FIG. 8 in advance, and the control unit 30 sets and inputs a predetermined change in beam energy output over time. The switches 8a and 8b are controlled with reference to the table of FIG.
As an example, when the energy is switched from 5 MeV to 10 MeV, the control unit 30 controls as follows. As shown in FIG. 9A, when 5 MeV is initially set, the switch unit 8a turns ON between Za and z1 to z4, and the switch unit 8b turns OFF between Zb and z5 to z8. . Next, when switching to 10 MeV, Zb and z1 are turned off by the switch unit 8a, Zb and z2 to z4 are turned on, Zb and z5 are turned on by the switch unit 8b, Zb And z6 to z8 are set to OFF.

また、制御部30によりインピーダンスを制御することで切り替えを比較的連続的に行うこともできる。一例として5MeVと10MeVの間でエネルギーを連続的に変える時には、図8の各スイッチの状態と図9Bの波形に示す様に、インピーダンスz1とz5をスイッチ開の無限大と離散化したエネルギーの場合の有限の値との間で調整する。すなわち、図9Bのように、たとえば、5MeVから10MeVに切り替える途中で、制御部30が、インピーダンス調整用回路素子7a2を制御して、Z1をZ1+dz1として、予め定められた値(ここでは、8MeV)まで離散的(ステップ状)又は連続的に増加させた後に、スイッチ部8aを制御してダミーディー電極2bとディー電極1とを開状態とし、スイッチ部8bを制御してダミーディー電極2bとダミーディー電極2を閉状態とする。図では、dz1を離散的(ステップ状)に調整している例を示したが、連続的に調整することもできる。   Further, the switching can be performed relatively continuously by controlling the impedance by the control unit 30. As an example, when the energy is continuously changed between 5 MeV and 10 MeV, as shown in the state of each switch in FIG. 8 and the waveform in FIG. Adjust between finite values of. That is, as shown in FIG. 9B, for example, in the middle of switching from 5 MeV to 10 MeV, the control unit 30 controls the impedance adjustment circuit element 7a2 so that Z1 is Z1 + dz1, and a predetermined value (here, 8 MeV). After being increased discretely (stepwise) or continuously, the switch part 8a is controlled to open the dummy dee electrode 2b and the dee electrode 1, and the switch part 8b is controlled to control the dummy dee electrode 2b and dummy. Dee electrode 2 is closed. In the figure, an example in which dz1 is adjusted discretely (stepwise) is shown, but it can also be adjusted continuously.

本実施例により、中心から予め定められた半径reまでのダミーディー電極はディー電極と接続せずに加速電界を発生させてビームを加速し、半径reより外側のダミーディー電極はディー電極と接続して加速電界を発生させずに、一次のハーモニック電場により荷電粒子ビームをドリフトさせる。   According to this embodiment, the dummy dee electrode from the center to a predetermined radius re is not connected to the dee electrode to generate an accelerating electric field to accelerate the beam, and the dummy dee electrode outside the radius re is connected to the dee electrode. Thus, the charged particle beam is drifted by the primary harmonic electric field without generating an acceleration electric field.

図3に、この時のビーム軌道の一例を示す。図3では、4セクターのAVFサイクロトロンのビーム軌道であり、半径reまでは概ね螺旋状の軌道で、そのreより外側ではディー電極がダミーディー電極と短絡しているために電界が発生しないので1次のハーモニック電場によるビームのドリフトが発生して、ビーム軌道11は中心からずれて外側にドリフトしていき、静電デフレクタ10によって荷電粒子ビームは取り出される。   FIG. 3 shows an example of the beam trajectory at this time. In FIG. 3, the beam trajectory of the 4-sector AVF cyclotron is a spiral trajectory up to the radius re, and since the dee electrode is short-circuited with the dummy dee electrode outside the re, no electric field is generated. A beam drift due to the next harmonic electric field occurs, the beam trajectory 11 is shifted from the center and drifts outward, and the charged particle beam is taken out by the electrostatic deflector 10.

図4に、ビーム出射エネルギーに対するインピーダンス調整回路素子の抵抗値と接続を開始する半径reとの関係の一例を示す。図4に示される様に、ビーム出射エネルギーは、ディー電極とダミーディー電極の短絡を開始する半径reと共振空洞のインピーダンス調整回路素子を調整して自由に変更することができる。なお、複数分割絶縁された同心半円形のダミーディー電極用の絶縁材としては、例えばマイラー、ポリカーボネート、カプトンなどを用いれば、絶縁破壊電界が100kV/mm以上の高い固体絶縁性能をもつので、絶縁構造的にも十分な設計が可能である。   FIG. 4 shows an example of the relationship between the resistance value of the impedance adjustment circuit element with respect to the beam emission energy and the radius re at which connection is started. As shown in FIG. 4, the beam emission energy can be freely changed by adjusting the radius re for starting the short circuit between the dee electrode and the dummy dee electrode and the impedance adjustment circuit element of the resonance cavity. As the insulating material for the concentric semicircular dummy dee electrode that is divided into multiple parts, for example, if Mylar, polycarbonate, Kapton, etc. are used, the dielectric breakdown electric field has a high solid insulation performance of 100 kV / mm or more. A sufficient structural design is possible.

本実施例によれば、円形加速器100により出射ビームエネルギーを変更でき、従来のエネルギー変更用デグレーダーが不要になり、デグレーダーによるビームエネルギー損失と伴に発生するエミッタンスの増大等によるビーム性能の劣化を防ぐことができる。さらに、デグレーダーが不要になるため、加速器システム全体が小型化、低コスト化できるようになる。   According to the present embodiment, the output beam energy can be changed by the circular accelerator 100, the conventional energy changing degrader is not required, and the beam energy loss caused by the degrader is prevented and the beam performance is not deteriorated due to the increase in emittance. be able to. Furthermore, since the degrader is unnecessary, the entire accelerator system can be reduced in size and cost.

本実施例によれば、荷電粒子に加速電界を印加するためのディー電極1と複数分割絶縁された同心半円形のダミーディー電極2を部分的に接続することで、円形加速器100の出射ビームのエネルギーを変更・調整することが可能になり、磁場の変化も加速周波数も変更することがないため、出射ビームのエネルギー変更装置まで含めた全体の円形加速器システムとしての高性能化、小型化、低コスト化が可能となり、またビーム損失の少ない高効率なビームの取り出しも可能になり、より高性能化に寄与できるようになる。   According to the present embodiment, the dee electrode 1 for applying an accelerating electric field to the charged particles and the concentric semicircular dummy dee electrode 2 insulated in multiple divisions are partially connected, so that the output beam of the circular accelerator 100 The energy can be changed and adjusted, and neither the change of the magnetic field nor the acceleration frequency is changed, so the overall circular accelerator system including the energy change device of the outgoing beam is improved in performance, size, and low. Costs can be reduced, and high-efficiency beams can be extracted with less beam loss, which can contribute to higher performance.

本発明の第2の実施例である円形加速器について、図5を用いて説明する。図5は、本実施例の円形加速器101の水平断面の概略構成を示す。   A circular accelerator according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a schematic configuration of a horizontal cross section of the circular accelerator 101 of the present embodiment.

本実施例の円形加速器101は、実施例1の円形加速器100と同様に、ディー電極1とダミーディー電極2bとがスイッチ部8aによって接続されることにより、そのギャップ間に無電界の領域が形成され、それによる1次のハーモニック電界と偏向磁場Bによりビーム軌道にドリフトを発生させて、ビームエネルギーを変更して荷電粒子ビームを取り出す構成である。この例では、スイッチ部8aによってディー電極1に接続されていないダミーディー電極2bは、スイッチ部8bによってダミーディー電極2aと接続されている。実施例1の円形加速器100では、ダミーディー電極を同心半円形に複数に分割して各々を絶縁する構成としたが、本実施例の円形加速器101は、ダミーディー電極2が2分割に絶縁分割されたダミーディー電極とする構成とした。   In the circular accelerator 101 of the present embodiment, as in the circular accelerator 100 of the first embodiment, the dee electrode 1 and the dummy dee electrode 2b are connected by the switch unit 8a, thereby forming a non-electric field region between the gaps. Accordingly, a drift is generated in the beam trajectory by the primary harmonic electric field and the deflecting magnetic field B thereby, and the charged particle beam is extracted by changing the beam energy. In this example, the dummy dee electrode 2b that is not connected to the dee electrode 1 by the switch unit 8a is connected to the dummy dee electrode 2a by the switch unit 8b. In the circular accelerator 100 of the first embodiment, the dummy dee electrode is divided into a plurality of concentric semicircles and insulated from each other. However, in the circular accelerator 101 of this embodiment, the dummy dee electrode 2 is divided into two parts. It was set as the made dummy dee electrode.

本実施例の円形加速器101と実施例1のようにダミーディー電極を同心円状に分割して絶縁した円形加速器100を比較すると、本実施例の円形加速器101は分割絶縁されたダミーディー電極が2つのみの構成であるため、製造コストは低減され、かつインピーダンス調整回路素子を調整してディー電極とのギャップ間隔の電界を調整することで、エネルギーの連続的な変更が可能になる。しかし、ディー電極1とダミーディー電極2b間の広い領域がほぼ無電界になるため、より広い領域でビーム軌道のドリフトが発生するため、広い領域でビーム周回の等時性が崩れて、正常に目的とするエネルギーまで粒子を加速できなる場合が発生することも想定される。このために、等磁性磁場を補償するための、例えば、追加的なトリムコイル等の設置が必要になる可能性がある。   Comparing the circular accelerator 101 according to the present embodiment and the circular accelerator 100 in which the dummy dee electrodes are concentrically divided and insulated as in the first embodiment, the circular accelerator 101 according to the present embodiment has two dummy dee electrodes divided and insulated. Since it has only one configuration, the manufacturing cost is reduced, and the energy can be continuously changed by adjusting the electric field at the gap distance from the Dee electrode by adjusting the impedance adjustment circuit element. However, since the wide region between the dee electrode 1 and the dummy dee electrode 2b is substantially free of electric field, the beam trajectory drifts in a wider region, so that the isochronism of the beam circulation is disrupted in the wide region, so that It may be assumed that the particles can be accelerated to the target energy. For this reason, it may be necessary to install, for example, an additional trim coil to compensate for the isomagnetic magnetic field.

本実施例によれば、円形加速器101により出射ビームエネルギーを変更でき、従来のエネルギー変更用デグレーダーが不要になり、デグレーダーによるビームエネルギー損失と伴に発生するエミッタンスの増大等によるビーム性能の劣化を防ぐことができる。さらに、デグレーダーが不要になるため、加速器システム全体が小型化、低コスト化できるようになる。   According to the present embodiment, the output beam energy can be changed by the circular accelerator 101, the conventional energy changing degrader is not required, and the beam energy loss caused by the degrader is prevented and the beam performance is not deteriorated due to the increase in emittance. be able to. Furthermore, since the degrader is unnecessary, the entire accelerator system can be reduced in size and cost.

本発明の第3の実施例である円形加速器について、図6を用いて説明する。図6は、本実施例の円形加速器102の水平断面の概略構成を示す。   A circular accelerator according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a schematic configuration of a horizontal section of the circular accelerator 102 of the present embodiment.

本実施例の円形加速器102は、実施例1の円形加速器100と同様に、ディー電極1とダミーディー電極2a〜2eのいずれかひとつ又は複数とがスイッチ部8aによって接続されることにより、そのギャップ間にほぼ無電界の領域が形成され、それによる1次のハーモニック電界と偏向磁場Bによりビーム軌道にドリフトを発生させて、ビームエネルギーを変更して荷電粒子ビームを取り出す構成である。スイッチ部8a、8bにより、ダミーディー電極2b、2c、2d、2eの各々が、ディー電極1かダミーディー電極2aのいずれか一方に接続される。この例では、スイッチ部8aによってディー電極1とダミーディー電極2d、2eが接続され、スイッチ部8bによってダミーディー電極2aとダミーディー電極2b、2cとが接続されている。実施例1の円形加速器100では、ダミーディー電極2を同心半円形に複数に絶縁分割する構成としてが、本実施例の円形加速器102は、ダミーディー電極2を直線的に複数に絶縁分割した構成とした。   Similar to the circular accelerator 100 of the first embodiment, the circular accelerator 102 of the present embodiment has a gap between the Dee electrode 1 and any one or more of the dummy Dee electrodes 2a to 2e connected by the switch unit 8a. A region with substantially no electric field is formed between them, and a drift is generated in the beam trajectory by the primary harmonic electric field and the deflection magnetic field B thereby to take out the charged particle beam by changing the beam energy. Each of the dummy dee electrodes 2b, 2c, 2d, and 2e is connected to either the dee electrode 1 or the dummy dee electrode 2a by the switch portions 8a and 8b. In this example, the dee electrode 1 and the dummy dee electrodes 2d and 2e are connected by the switch unit 8a, and the dummy dee electrode 2a and the dummy dee electrodes 2b and 2c are connected by the switch unit 8b. In the circular accelerator 100 of the first embodiment, the dummy dee electrode 2 is configured to be divided into a plurality of concentric semicircles. However, the circular accelerator 102 of the present embodiment is configured to divide the dummy dee electrode 2 into a plurality of lines linearly. It was.

実施例1のようにダミーディー電極を同心半円形状に分割して絶縁した円形加速器100と本実施例の円形加速器102とを比較すると、本実施例の円形加速器102は分割絶縁されたダミーディー電極が直線状であるため、製造コストは低減され、かつエネルギーの変更が可能になる。本実施例の円形加速器102の場合、分割されたダミーディー電極2a、2b、2c、2d、2eの絶縁部の電界が一定方向のみに印加されるため、ExBドリフトの発生により、荷電粒子ビームのビーム軌道がドリフトしていく際に、等時性が崩れて、正常に目的とするエネルギーまで粒子を加速できなる場合が発生することが想定される。このために、等磁性磁場を補償するための、例えば、追加的なトリムコイル等の設置が必要になる可能性がある。   Comparing the circular accelerator 100 in which the dummy dee electrode is divided and insulated into concentric semicircular shapes as in the first embodiment and the circular accelerator 102 in the present embodiment, the circular accelerator 102 in the present embodiment is divided and insulated dummy dee Since the electrodes are linear, the manufacturing cost is reduced and the energy can be changed. In the case of the circular accelerator 102 of this embodiment, the electric field of the divided dummy dee electrodes 2a, 2b, 2c, 2d and 2e is applied only in a certain direction. As the beam trajectory drifts, it is assumed that isochronism breaks down and particles can be normally accelerated to the target energy. For this reason, it may be necessary to install, for example, an additional trim coil to compensate for the isomagnetic magnetic field.

本実施例によれば、円形加速器102により出射ビームエネルギーを変更でき、従来のエネルギー変更用デグレーダーが不要になり、デグレーダーによるビームエネルギー損失と伴に発生するエミッタンスの増大等によるビーム性能の劣化を防ぐことができる。さらに、デグレーダーが不要になるため、加速器システム全体が小型化、低コスト化できるようになる。   According to the present embodiment, the output beam energy can be changed by the circular accelerator 102, the conventional energy changing degrader becomes unnecessary, and the beam performance loss due to the beam loss caused by the degrader and the deterioration of the beam performance due to the increase in emittance are prevented. be able to. Furthermore, since the degrader is unnecessary, the entire accelerator system can be reduced in size and cost.

本発明の第4の実施例である円形加速器について、図7を用いて説明する。図7は、本実施例の円形加速器103の水平断面の概略構成を示す。   A circular accelerator according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a schematic configuration of a horizontal cross section of the circular accelerator 103 of the present embodiment.

本実施例の円形加速器103は、実施例1の円形加速器100と同様に、ディー電極1とダミーディー電極2bとがスイッチ部8aによって接続されることにより、そのギャップ間にほぼ無電界の領域が形成され、それによる1次のハーモニック電界と偏向磁場Bによりビーム軌道にドリフトを発生させて、ビームの周回軌道間隔を広げて、ビームがデフレクタ電極に当たって損失する量を低減して、高効率のビーム取り出しを図る構成である。この例では、スイッチ部8aによってディー電極1に接続されていないダミーディー電極2bは、スイッチ部8bによってダミーディー電極2aと接続されている。本実施例の円形加速器103と実施例1の円形加速器100との違いは、ビームエネルギーの変更が目的ではなく、ビームの高効率な取り出しを目的とする点である。   In the circular accelerator 103 of the present embodiment, as in the circular accelerator 100 of the first embodiment, the dee electrode 1 and the dummy dee electrode 2b are connected by the switch portion 8a, so that a substantially no electric field region is formed between the gaps. A high-efficiency beam is formed by generating a drift in the beam trajectory by the primary harmonic electric field and the deflection magnetic field B formed thereby, widening the beam orbit interval, and reducing the amount of loss of the beam hitting the deflector electrode. It is the structure which takes out. In this example, the dummy dee electrode 2b that is not connected to the dee electrode 1 by the switch unit 8a is connected to the dummy dee electrode 2a by the switch unit 8b. The difference between the circular accelerator 103 of the present embodiment and the circular accelerator 100 of the first embodiment is that the purpose is not to change the beam energy but to extract the beam with high efficiency.

全般的に、軌道を磁場Bで偏向して、高周波加速空洞による高周波電場で粒子を加速する円形加速器においては、一次のハーモニック電界Eと偏向磁場Bとにより、ExBドリフトを発生できるため、これらの出射ビームのエネルギー変更システムとして、又は出射ビームの高効率な取り出し方法として、上記の実施例1〜4を同様に適用して、荷電粒子ビームの取り出しとエネルギー変更装置まで含めた全システムの高性能化、小型化、低コスト化を達成することが可能である。   Generally, in a circular accelerator that deflects an orbit with a magnetic field B and accelerates particles with a high-frequency electric field generated by a high-frequency accelerating cavity, an ExB drift can be generated by the primary harmonic electric field E and the deflecting magnetic field B. The above-described Examples 1 to 4 are similarly applied as an exit beam energy changing system or an exit beam high-efficiency extraction method, and the high performance of the entire system including the charged particle beam extraction and the energy changing device. , Miniaturization, and cost reduction can be achieved.

本実施例によれば、円形加速器103により出射ビームエネルギーを変更でき、従来のエネルギー変更用デグレーダーが不要になり、デグレーダーによるビームエネルギー損失と伴に発生するエミッタンスの増大等によるビーム性能の劣化を防ぐことができる。さらに、デグレーダーが不要になるため、加速器システム全体が小型化、低コスト化できるようになる。
According to the present embodiment, the output beam energy can be changed by the circular accelerator 103, a conventional energy changing degrader becomes unnecessary, and deterioration of the beam performance due to the increase in emittance caused by the beam energy loss caused by the degrader is prevented. be able to. Furthermore, since the degrader is unnecessary, the entire accelerator system can be reduced in size and cost.

3.システム

ここで、円形加速を用いたシステムの例を図10に説明する。

PET薬剤生成用陽子サイクロトロンシステムの一例を示す。図10のこのシステムは、サイクロトロン16(円形加速器100)と、出射ビームをPETターゲット20まで損失なく輸送するためのビーム輸送系19とを備え、さらにビーム輸送系19はビーム収束用電磁石17とビーム偏向電磁石18とを有する。このシステムに要求される一般的スペックの概略は、例えば、加速周波数〜50MHz、ビーム電流ピーク値〜1.0mA、入射エネルギー30keV、出射エネルギー10MeV程度である。この場合に必要な高周波加速電圧は〜100kVであり、ビーム偏向磁場は〜1Tである。
3. system

Here, an example of a system using circular acceleration will be described with reference to FIG.

1 shows an example of a proton cyclotron system for PET drug generation. This system of FIG. 10 includes a cyclotron 16 (circular accelerator 100) and a beam transport system 19 for transporting the outgoing beam to the PET target 20 without loss. The beam transport system 19 further includes a beam focusing electromagnet 17 and a beam. And a deflection electromagnet 18. The general specifications required for this system are, for example, an acceleration frequency of about 50 MHz, a beam current peak value of about 1.0 mA, an incident energy of 30 keV, and an output energy of about 10 MeV. The high frequency acceleration voltage required in this case is ˜100 kV, and the beam deflection magnetic field is ˜1T.

なお、本実施例は、PET薬剤以外にも、他の物質の生成にも適用することができる。   In addition, a present Example is applicable also to the production | generation of another substance other than PET chemical | medical agent.

また、本実施例は、そのビームエネルギーを腫瘍の深さに応じて変更して癌を治療する粒子線治療システム用サイクロトロンにおいても適用できる。
図11に、粒子線治療システムの一例を示す。粒子線治療システムは図11に示すように、治療用高エネルギービームを発生するサイクロトロン16(円形加速器100)と、ビーム輸送系19と、癌患者25へ多方向からビーム24を照射するための回転ガントリ21と、水平方向へビーム走査するための電磁石22と、垂直方向へビーム走査するための電磁石23とを備える。
The present embodiment can also be applied to a cyclotron for a particle beam therapy system that treats cancer by changing the beam energy according to the depth of the tumor.
FIG. 11 shows an example of a particle beam therapy system. As shown in FIG. 11, the particle beam therapy system includes a cyclotron 16 (circular accelerator 100) for generating a high energy beam for treatment, a beam transport system 19, and a rotation for irradiating the cancer patient 25 with a beam 24 from multiple directions. A gantry 21, an electromagnet 22 for scanning the beam in the horizontal direction, and an electromagnet 23 for scanning the beam in the vertical direction are provided.

4.付記

なお、実施例1〜4では、荷電粒子ビームについて述べたが、電子や陽電子等であっても、ビームであれば、本実施例の円形加速器におけるエネルギー変更方法は当然ながら成立する。
4). Appendix

In the first to fourth embodiments, the charged particle beam has been described. However, even if it is an electron or a positron, the energy changing method in the circular accelerator of the present embodiment is naturally valid if it is a beam.

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれている。例えば、上記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るものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。   In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。   Each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit. Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor. Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a memory, a hard disk, a recording device such as an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。   Further, the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.

1 ディー電極のダミー電極側
2、2a、2b、2c、2d、2e ダミーディー電極
3 絶縁材
4 同軸共振器シールド側のアース配線
5 同軸共振器シールド側
6 ダミーディー電極の接地配線
7、7a1、7a2、7b1、7b2 空洞共振器インピーダンス特性調整用回路素子
8、8a、8b スイッチあるいは開閉装置
9 荷電粒子
10 静電デフレクタ
11 荷電粒子ビームのドリフト軌道
12 主磁場コイル
13 補助磁場コイル
14 電磁石鉄心
15 高周波電源
16 サイクロトロン
17 ビーム収束用電磁石
18 ビーム偏向用電磁石
19 ビーム輸送系
20 PETターゲット
21 回転ガントリ
22 水平方向ビーム走査電磁石
23 垂直方向ビーム走査電磁石
24 粒子ビーム
25 治療対象となる患者

100、101,102,103,104 円形加速器
1 Dummy electrode side 2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e Dummy electrode 3 Insulating material 4 Coaxial resonator shield side ground wiring 5 Coaxial resonator shield side 6 Dummy electrode ground wiring 7, 7a1, 7a2, 7b1, 7b2 Cavity resonator impedance characteristic adjustment circuit element 8, 8a, 8b Switch or switch 9 Charged particle 10 Electrostatic deflector 11 Drift trajectory 12 of charged particle beam Main magnetic field coil 13 Auxiliary magnetic field coil 14 Electromagnetic core 15 High frequency Power supply 16 Cyclotron 17 Beam focusing electromagnet 18 Beam deflection electromagnet 19 Beam transport system 20 PET target 21 Rotating gantry 22 Horizontal beam scanning electromagnet 23 Vertical beam scanning electromagnet 24 Particle beam 25 Patient to be treated

100, 101, 102, 103, 104 Circular accelerator

Claims (15)

荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加するディー電極と、
少なくとも円の1/4の領域を含む第1の部分電極と、前記第1の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第2の部分電極とに分割されたダミーディー電極と、
ひとつ又は複数の前記第2の部分電極を、前記ディー電極又は前記第1の部分電極のいずれか一方に接続するための開閉装置と
を備えたことを特徴とする円形加速器。
A Dee electrode for applying a high-frequency electric field for accelerating the charged particle beam;
A dummy electrode divided into a first partial electrode including at least a quarter of a circle and one or a plurality of second partial electrodes including a portion excluding the first partial electrode;
A circular accelerator comprising: an opening / closing device for connecting one or a plurality of the second partial electrodes to either the Dee electrode or the first partial electrode.
請求項1に記載された円形加速器において、
各々の前記第1及び第2の部分電極を絶縁する絶縁材と、
前記開閉装置と接続されたインピーダンス特性調整用回路素子と
をさらに備え、
前記開閉装置は、
ひとつ又は複数の前記第2の部分電極と前記ディー電極とをそれぞれ接続又は開放するための第1の開閉装置と、
前記第1の開閉装置で前記ディー電極と接続又は開放されたひとつ又は複数の前記第2の部分電極と、前記第1の部分電極とをそれぞれ開放又は接続するための第2の開閉装置と
を有する
ことを特徴とする円形加速器。
The circular accelerator according to claim 1, wherein
An insulating material for insulating each of the first and second partial electrodes;
Further comprising an impedance characteristic adjusting circuit element connected to the switchgear,
The switchgear is
A first switching device for connecting or opening one or a plurality of the second partial electrodes and the dee electrode, respectively;
One or a plurality of the second partial electrodes connected or opened to the dee electrode by the first switchgear, and a second switchgear for opening or connecting the first partial electrode, respectively. A circular accelerator comprising:
請求項1に記載された円形加速器において、
前記ダミーディー電極は、ひとつ又は複数の前記部分電極が半径方向に同心円状に分割され、前記第1の部分電極は、1/2の円のうち一方の1/4の円と他方の1/4の中心側の同心円状の部分を含み、前記第2の部分電極は、他方の1/4の円のうち第1の部分電極を除く部分を同心円状にひとつ又は複数に分割したものであることを特徴とする円形加速器。
The circular accelerator according to claim 1, wherein
In the dummy dee electrode, one or a plurality of the partial electrodes are concentrically divided in the radial direction, and the first partial electrode is divided into one quarter circle and one other half of the half circle. 4 includes a concentric circular portion on the center side, and the second partial electrode is obtained by dividing a portion excluding the first partial electrode in the other ¼ circle into one or a plurality of concentric circles. A circular accelerator characterized by that.
請求項3に記載された円形加速器において、
前記第2の部分電極は、ひとつであることを特徴とする円形加速器。
The circular accelerator according to claim 3, wherein
The circular accelerator is characterized in that the second partial electrode is one.
請求項4に記載された円形加速器において、
前記ダミーディー電極は、前記荷電粒子ビームのビーム軌道の最大半径付近で又は出力付近分割されており、
ビーム軌道の最大半径付近で磁場Bと一次のハーモニック電界EによるExBドリフトを発生させ、前記荷電粒子ビームの周回軌道間隔を広げて、荷電粒子ビームを取り出すことを特徴とする円形加速器。
The circular accelerator according to claim 4, wherein
The dummy dee electrode is divided near the maximum radius of the beam trajectory of the charged particle beam or near the output,
A circular accelerator characterized in that an ExB drift due to a magnetic field B and a primary harmonic electric field E is generated in the vicinity of a maximum radius of a beam trajectory, and a charged particle beam is taken out by widening an orbital interval of the charged particle beam.
請求項1に記載された円形加速器において、
前記ダミーディー電極の前記第1の部分電極は、1/2の円のうち一方の1/4の円を含み、
前記第2の部分電極は、前記第1の部分電極を除いた部分を直線的に複数に分割したものである
ことを特徴とする円形加速器。
The circular accelerator according to claim 1, wherein
The first partial electrode of the dummy dee electrode includes one quarter of one half of the circles,
The circular accelerator is characterized in that the second partial electrode is obtained by linearly dividing a portion excluding the first partial electrode into a plurality of portions.
請求項1に記載された円形加速器において、
前記開閉装置は、開閉状態が予め固定的に設定されることを特徴とする円形加速器。
The circular accelerator according to claim 1, wherein
A circular accelerator characterized in that the open / close state of the open / close device is fixedly set in advance.
請求項1に記載された円形加速器において、
ビームエネルギーに応じた前記開閉装置の開閉状態を記憶したテーブルと、
前記テーブルを参照して、予め設定されたひとつ又は複数のビームエネルギーに従い前記開閉装置を開閉制御する制御部と
を備えたことを特徴とする円形加速器。
The circular accelerator according to claim 1, wherein
A table storing the open / close state of the switchgear according to beam energy;
A circular accelerator comprising: a control unit that controls opening and closing of the switchgear according to one or more preset beam energies with reference to the table.
請求項8に記載された円形加速器において、
前記ディー電極と前記ダミーディー電極の各前記第2の部分電極との間に設けられ、インピーダンス特性を調整するための回路素子
を備え、
前記制御部は、ビームエネルギーを切り替える際、前記回路素子に対して、接続から開放に切り替えられる前記第2の部分電極に接続されたインピーダンスを予め定められた値まで離散的又は連続的に増加するよう制御した後、前記開閉装置を切替えることを特徴とする円形加速器。
The circular accelerator according to claim 8, wherein
A circuit element provided between the dee electrode and each of the second partial electrodes of the dummy dee electrode, for adjusting impedance characteristics;
When the beam energy is switched, the control unit discretely or continuously increases the impedance connected to the second partial electrode that is switched from connection to release to a predetermined value with respect to the circuit element. A circular accelerator characterized by switching the switchgear after the control.
請求項2に記載の円形加速器において、
前記インピーダンス特性調整用回路素子は、
前記第1の開閉装置と前記ディー電極との間に設けられ、インピーダンス特性を調整するための第1の回路素子と、
前記第1の開閉装置と前記ダミーディー電極の各前記第2の部分電極との間に設けられ、インピーダンス特性を調整するための第2の回路素子と、
前記第2の開閉装置と前記ダミーディー電極との間に設けられ、インピーダンス特性を調整するための第3の回路素子と、
前記第2の開閉装置と前記ダミーディー電極の各前記第2の部分電極との間に設けられ、インピーダンス特性を調整するための第4の回路素子と
を備えたことを特徴とする円形加速器。
The circular accelerator according to claim 2, wherein
The impedance characteristic adjusting circuit element is:
A first circuit element provided between the first switchgear and the dee electrode for adjusting impedance characteristics;
A second circuit element provided between the first switchgear and each second partial electrode of the dummy dee electrode for adjusting impedance characteristics;
A third circuit element provided between the second switchgear and the dummy dee electrode for adjusting impedance characteristics;
A circular accelerator comprising a fourth circuit element provided between the second switchgear and each second partial electrode of the dummy electrode for adjusting impedance characteristics.
請求項1に記載された円形加速器において、
荷電粒子ビームを偏向するための磁場コイルと、
荷電粒子ビームを発生し、前記円形加速器の中心部分に入射する高周波電源と、
ビーム軌道を曲げて取り出すためのデフレクタ電極と
を備えたことを特徴とする円形加速器。
The circular accelerator according to claim 1, wherein
A magnetic field coil for deflecting a charged particle beam;
A high frequency power source that generates a charged particle beam and is incident on a central portion of the circular accelerator;
A circular accelerator comprising a deflector electrode for bending and extracting a beam trajectory.
請求項1に記載された円形加速器と、
前記円形加速器からの出射ビームをターゲットまで輸送するためのビーム輸送系と
を備えたことを特徴とする薬剤又は物質生成用円形加速システム。
A circular accelerator according to claim 1;
A circular acceleration system for generating a drug or substance, comprising: a beam transport system for transporting an outgoing beam from the circular accelerator to a target.
請求項1に記載された円形加速器と、
前記円形加速器から出力されたビームを輸送するためのビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系により輸送された前記ビームを、ターゲットへ多方向から照射するための回転ガントリと、
水平及び垂直方向へ前記ビームを走査するための電磁石と
を備えたことを特徴とする粒子線治療用円形加速システム。
A circular accelerator according to claim 1;
A beam transport system for transporting the beam output from the circular accelerator;
A rotating gantry for irradiating the target from multiple directions with the beam transported by the beam transport system;
A circular acceleration system for particle beam therapy, comprising: an electromagnet for scanning the beam horizontally and vertically.
円形加速システムであって、
円形加速器と、
前記円形加速器から出力されたビームを輸送するためのビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系により輸送された前記ビームをターゲットへ照射するためのビーム照射系と
を備え、
前記円形加速器は、
荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加するディー電極と、
少なくとも円の1/4の領域を含む第1の部分電極と、前記第1の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第2の部分電極とに分割されたダミーディー電極と、
ひとつ又は複数の前記第2の部分電極を、前記ディー電極又は前記第1の部分電極のいずれか一方に接続するための開閉装置と
を備えたことを特徴とする円形加速システム。
A circular acceleration system,
A circular accelerator,
A beam transport system for transporting the beam output from the circular accelerator;
A beam irradiation system for irradiating a target with the beam transported by the beam transport system;
The circular accelerator is
A Dee electrode for applying a high-frequency electric field for accelerating the charged particle beam;
A dummy electrode divided into a first partial electrode including at least a quarter of a circle and one or a plurality of second partial electrodes including a portion excluding the first partial electrode;
A circular acceleration system comprising: an opening / closing device for connecting one or a plurality of the second partial electrodes to either the Dee electrode or the first partial electrode.
円形加速器における粒子加速方法であって、
前記円形加速器において、
ディー電極と、少なくとも円の1/4の領域を含む第1の部分電極と、前記第1の部分電極を除いた部分を含むひとつ又は複数の第2の部分電極とに分割されたダミーディー電極とにより、荷電粒子ビームを加速するための高周波電場を印加し、
開閉装置により、ひとつ又は複数の前記第2の部分電極を、前記ディー電極又は前記第1の部分電極のいずれか一方に接続する
ことにより、
前記荷電粒子ビームのビーム軌道上に磁場Bと一次のハーモニック電界EによるExBドリフトを発生させ、前記荷電粒子ビームの出力エネルギーを変更して荷電粒子ビームを出力することを特徴とする粒子加速方法。
A particle acceleration method in a circular accelerator,
In the circular accelerator,
A dummy dee electrode divided into a dee electrode, a first partial electrode including at least a quarter of a circle, and one or a plurality of second partial electrodes including a portion excluding the first partial electrode By applying a high frequency electric field to accelerate the charged particle beam,
By connecting one or more of the second partial electrodes to one of the dee electrode or the first partial electrode by a switchgear device,
A particle accelerating method comprising: generating an ExB drift due to a magnetic field B and a primary harmonic electric field E on a beam trajectory of the charged particle beam; and changing the output energy of the charged particle beam to output the charged particle beam.
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CN111279801A (en) * 2018-01-29 2020-06-12 株式会社日立制作所 Circular accelerator, particle beam therapy system provided with circular accelerator, and operation method of circular accelerator

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