JPH0824078B2 - 加速器の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は運転パターン信号発生装置を改良した加速器
の制御装置に関する。

（従来の技術） 一般に、シンクロトロン加速器などにおいては、荷電
粒子にエネルギーを与えて加速を行う過程で、偏向電磁
石の電流値等をエネルギーに依存して変化させること、
すなわち、時間的に変化するパターンとする必要があ
る。このパターンは予め、電磁石電源の容量や、加速さ
れた荷電粒子を取り出す周期などによって決められてい
て、パターン信号発生用のメモリに記録されている。パ
ターン信号の発生は、このメモリのデータを所定の周期
で読み出して出力することにより行われる。

第５図は、このような従来の加速器制御装置の構成を
示すもので、電磁石１に電磁石電源２より電流を供給
し、加速器動作に必要な磁場Ｂを発生することを示して
いる。電磁石電源２に対し、磁場パターン発生器３より
磁場基準値BRが時間的に変化するパターン信号として与
えられる。磁場パターン発生器３には、タイミング信号
発生器４よりタイムクロック信号CTが与えられ、これに
より磁場パターン発生器３は動作する。電磁石１の発生
する磁場Ｂの強さは磁場センサ５により電気信号に変換
されて磁場クロック発生器６に入力される。磁場クロッ
ク発生器６では、一定量の磁場値の変化に応じて１個の
パルス信号を磁場クロック信号CBとして出力する（例え
ば、0.2gauss相当の磁場変化につき１個のパルス信号を
出力する）。この磁場クロック信号CBは周波数パターン
発生器７に入力される。この周波数パターン発生器７に
は、タイミング信号発生器４よりリセット信号Ｒも入力
される。周波数パターン発生器７は磁場クロック信号CB
によって動作して周波数基準値fRを時間的に変化するパ
ターン信号として出力し、この周波数基準値fRは高周波
発生装置８に入力される。高周波発生装置８は、入力さ
れた周波数基準値fRで与えられる周波数の高周波出力PR
Fを発生し、この高周波出力PRFが加速器リングに取付け
られた高周波加速空胴９に供給される。

第６図は、このような従来の加速器制御装置における
磁場Ｂと高周波出力PRFの周波数ｆとの関係を示す図
で、横軸に時間、縦軸に磁場B,周波数ｆをとり、加速前
の荷電粒子の入射Injから加速完了後の荷電粒子の取り
出しExtまでの一周期の時間的変化を示したものであ
る。

第７図は、周波数パターン発生器７の構成を示し、そ
れはアドレスカウンタ71、メモリ72、出力レジスタ73お
よびこれら相互のデータ入出力を行うデータバス74より
構成されている。

第８図は、第７図におけるアドレスカウンタ71の構成
を示すもので、クロックパルスカウンタ711、アドレス
レジスタ712より構成される。

このような従来の加速器制御装置においては、第６図
のグラフで示すような磁場Ｂのパターンを発生させるた
めに、タイミング信号発生器４がクロック信号CTを磁場
パターン発生装置３に対して与える。これにより、磁場
パターン発生装置３のメモリに書かれているパターンデ
ータが順次読み出されて磁場基準値BRが出力される。磁
場基準値BRは第６図における磁場Ｂの波形を得るような
時間的な変化パターンとなっていて、電磁石電源２に与
えられる。電磁石電源２はこの磁場基準値ＢRの変化に
従って、電磁石に電流を供給する。電磁石１の発生する
磁場はセンサ５によって検出される。センサ５は巻線を
使用しているので、出力は磁場の変化の大きさに比例す
る電圧出力Ｖであり、これが磁場クロック発生器６に入
力される。磁場クロック発生器６は積分回路を備え、入
力電圧の積分値、すなわち磁場の大きさが一定値（例え
ば１ガウスに相当する値）に達したところで１個のパル
ス出力を行うとともに、この積分値を０にクリアする。
従って、出力としては、磁場の大きさが一定値増加する
ごとに１個のパルスが出力されるような磁場クロック信
号CBを得る。周波数パターン発生器７はリセット信号Ｒ
および、磁場クロック信号CBを入力することにより、次
のように動作する。

まず、リセット信号Ｒにより、第７図、第８図に示し
たように、クロックパルスカウンタ711がリセットさ
れ、アドレスレジスタ712に０をセットする。アドレス
レジスタ712はメモリ72の読み出しアドレスを示してい
るので、この時点でメモリ72の先頭アドレスのデータが
読み出され、出力レジスタ73にセットされる。出力レジ
スタ73にセットされたデータはそのまま周波数基準値fR
として出力される。次に、磁場クロック信号CBより１個
のパルスが入力されるごとに、クロックパルスカウンタ
711はカウントアップを行い、そのたびにメモリ72の読
み出しアドレスを１アドレスずつ進ませながら、その読
み出したデータを出力レジスタ73にセットし、周波数基
準値fRの出力とする。このような動作により、周波数基
準値fRは磁場Ｂの関数として与えられるので、磁場Ｂの
変化に対応したパターンとして得ることができる。

このような、電磁石の発生する磁場の強度に対応させ
て、荷電粒子の加速に用いられる高周波電力の周波数を
変化させる必要性は、特にシンクロトロン加速器におい
て、電子のような軽い粒子に比較して重い粒子（例えば
水素原子）の加速を行うときに生ずるものである。軽い
粒子においては、ある程度のエネルギーを得ると、相対
論的効果によってスピードはほとんど光速となり、粒子
の重量がエネルギーを得るに従って増加する。シンクロ
トロン加速器においては、粒子の軌道は一定の閉軌道上
になければならないが、スピードが一定の場合は閉軌道
上を周回する周期は一定となり、従って、加速のために
印加すべき高周波電力の周波数も一定で良い。ところが
重い粒子の場合は、エネルギー増加にともなってスピー
ドも増加していく（光速よりスピードは十分低い領域で
使用されるため）、このため、粒子が周回する周波数は
エネルギーの増加とともに増加させていく。一方、電磁
石（偏向電磁石）の発生する磁場の強さは、エネルギー
に比例させることにより、一定の曲率を確保し、一定の
閉軌道としている。このような事情から、周波数を磁場
に依存して変化させるということは、エネルギーに依存
して変化させることと等価であり、かつ、エネルギーと
スピード、すなわち周波数は一定の周波数によって与え
られるので、結局、上述のような装置が有効である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の加速器制御装置では、上述のよ
うに磁場の変化に応じてパターンを発生しているため、
磁場が一定に達したところで、周波数を若干変更して荷
電粒子の閉軌道を微調整し、ビームの取り出しを効果的
に行うような操作ができなかった。

そこで、本発明は磁場が一定値に達したところでも、
出力パターンの変更が可能な加速器の制御装置を提供す
ることを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の加速器の制御装置は、磁場クロック信号に対
応する周波数パターンデータを記録する第１のメモリ
と、電磁石の磁場が所定値に達するタイミングでメモリ
アドレス分岐信号とタイムクロック信号とを発生するタ
イミング信号発生器と、このタイムクロック信号に対応
するパターンデータを記録する第２のメモリと、前記メ
モリアドレス分岐信号が出力されたときに前記第１のメ
モリから前記第２のメモリに出力データアドレスを切換
えるメモリアドレスカウンタを備えるものである。

（作用） 加速器の電磁石の磁場の変化を検出して作られる磁場
クロック信号の出力に応じて第１メモリの内容が順次読
み出されて高周波発生装置に入力する。これにより、加
速器リングに取付けられた高周波加速空胴に供給する高
周波出力の周波数が磁場が所定値に達する迄漸次上昇す
る。

次に、電磁石の磁場が所定値に達するタイミングでメ
モリアドレス分岐信号が発生し、これにより第１メモリ
から第２メモリに切換り、以後はタイミング信号発生器
から出力するタイムクロック信号に応じて第２メモリの
内容が順次読み出されて高周波発生装置に入力する。こ
れにより、前記高周波出力の周波数は磁場が一定に達し
たのちも上昇させることができ、荷電粒子ビームの出射
時の閉軌道を微調整してビームの取り出しが容易にな
る。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例による加速器の制御装置の
構成図を示したものである。図中、第５図と同一符号は
同一又は相当部分を示し、第５図の構成と異なる点は、
タイミング信号発生器10から周波数パターン発生器11
に、リセット信号Ｒの他電磁石１の磁場値が所定値に達
するタイミングで発生するメモリアドレス分岐信号Ｊ
と、タイムクロック信号CTとを入力するようにした点、
および、周波数パターン発生器11内部に磁場クロック信
号CBに対応するパターンデータを記憶している第１のメ
モリ112と、タイムクロック信号CTに対応するパターン
データを記憶している第２のメモリ113とを設けると共
に、メモリアドレスカウンタ111が前記メモリアドレス
分岐信号Ｊが出力されたときに、前記第１のメモリから
前記第２のメモリに出力データアドレスに切換えるよう
にした点である。以上の構成で、電磁石１には、すでに
述べたように電磁石電源２より、第２図で示すようなパ
ターンで磁場Ｂを発生するように電流が供給される。こ
の磁場Ｂのパターンは磁場パターン発生器３の基準値出
力である磁場パターン信号BRによって与えられる。一
方、磁場Ｂは磁場センサ５によって、その変化が検出さ
れ磁場クロック発生器６に入力される。この磁場変化信
号によって磁場クロック発生器６は磁場クロック信号CB
をアドレスカウンタ111に出力する。アドレスカウンタ1
11はその磁場クロック信号CBの入力ごとに、第１のメモ
リ112内の１ワードのデータを、アドレスをカウントア
ップしながら周波数基準値fRとして出力する。

磁場Ｂの一定となるタイミングで、アドレス分岐信号
Ｊがタイミング信号発生器10より出力されアドレスカウ
ンタ111に与えられる。アドレスカウンタ111はこの信号
Ｊによって読み出し動作を行うメモリアドレスを第１の
メモリ112から第２のメモリ113の先頭アドレスに切換え
る。この後、タイミング信号発生器３は一定周期のタイ
ムクロックCTをアドレスカウンタ111に対して出力す
る。すると、アドレスカウンタ111は、第２のメモリ112
の内容を順次アドレスをカウントアップしながら周波数
基準値fRとして出力する。従って、第２図に示すように
して、荷電粒子ビームの出射のタイミングExtに合せて
周波数ｆを変化させることができる。

なお、タイミング信号発生器10よりアドレスカウンタ
111に出力されるリセット信号Ｒは、アドレスを第１の
メモリ112の先頭にもって来ると同時に、その先頭アド
レスのデータをfRとして出力させるもので、１周期の最
初に動作する。J,R,CTの動作するタイミングは予めタイ
ミング信号発生器10にセットされている。また、第１図
には示していないが、荷電粒子ビームの入射（Inj）や
出射（Ext）の動作は上記磁場Ｂや周波数ｆのパターン
に同期する必要があり、これらの装置に対するタイミン
グ信号の発生もタイミング信号発生器10で行う場合が多
い。

第３図は、第１のメモリ112、第２のメモリ113、アド
レスカウンタ111および出力レジスタ114の関係をより詳
細に示したものである。これら第１のメモリ112、第２
のメモリ113、アドレスカウンタ111および出力レジスタ
114はデータバス115によって相互につながれている。

第４図はアドレスカウンタ111の構成をさらに詳細に
示したもので、磁場クロック信号CBとタイムクロック信
号CTのいずれか一方より入力されるパルス信号をクロッ
ク信号Ｃとして出力するクロックOR回路121、クロック
信号Ｃより入力されるパルス信号の個数を累算しメモリ
アドレスA1を出力するカウンタ122、リセット信号Ｒと
アドレス分岐信号Ｊのいずれかのパルス信号をカウンタ
122のリセット信号としてカウンタリセット信号Reを出
力するリセットOR回路123、第２のメモリの先頭アドレ
スJAを保持する分岐アドレスレジスタ124、アドレス分
岐信号Ｊ入力後に出力信号JHをリセット信号Ｒが入力さ
れるまで出力信号JHをON状態に保持する保持回路125、
信号JHがONの間、分岐アドレスデータJAをアドレスA2と
して出力するAND回路126、アドレスA1とA2との和をアド
レスＡとして出力する加算器127、アドレスＡの値を保
持するアドレスレジスタ128より構成される。

第１のメモリ112と第２のメモリ113は、実質的には１
つのメモリを２つに分割したものであり、第１のメモリ
112の先頭アドレスは０、第２のメモリ113の先頭アドレ
スは、分岐アドレスレジスタ124にセットされている分
岐アドレスJAである。これらのメモリには、第３図に示
すように、周波数基準値fRのデータが、第１のメモリ11
2においては、磁場クロック信号CBの１クロック信号の
単位ΔＢごとに、磁場Ｂの関数として記録されており、
第２のメモリ113においては、タイムクロック信号CTの
１クロック信号の単位Δｔごとに、時間ｔの関数として
記憶されている。

まず、リセット信号Ｒが入力すると、カウンタ122の
出力A1は０にクリアされる。また保持回路125の出力JH
もクリアされるのでA2も０にクリアされる。従って、加
算器127の出力Ａも０にクリアされて、アドレスレジス
タ128には第１のメモリ112の先頭アドレスがセットされ
る。同時に、第１のメモリ112の先頭アドレスのデータ
が読み出されて出力レジスタ114にセットされる。出力
レジスタ114にセットされたデータはそのまま周波数基
準値fRとして出力される。

次に、周波数パターン発生器３の動作がタイムクロッ
ク信号CTの入力によって開始すると、磁場Ｂは第２図に
示すように単調に増加を開始する。この場合、加速器の
性格上、荷電粒子エネルギーと磁場Ｂとは、ほぼ比例の
関係にあるので、エネルギー増加の過程で磁場を減少さ
せるような動作は行わない。この磁場の増加によって、
磁場センサ５及び磁場クロック発生器６によって磁場ク
ロック信号CBを発生し、アドレスカウンタ111に入力さ
れる。アドレスカウンタ111において、入力する磁場ク
ロック信号CBはクロックOR回路121を経由してカウンタ1
22に入力されるので、カウンタ122はパルスのカウント
動作を行う。カウンタ122の１カウントごとにカウント
値をアドレスA1として出力すると、加算器127におい
て、アドレスA1とA2とは加算されるが、このときA2は０
なので出力ＡはA1と同じである。Ａはアドレスレジスタ
128にセットされるとともに、第１のメモリのＡで示さ
れるアドレスのデータが読み出されて出力レジスタ14に
セットされ、このデータが周波数基準値fRとして出力さ
れる。このようにして、磁場Ｂの増加に伴って第１のメ
モリ112の内容が読み出されてfRとして出力される。

次に、磁場Ｂが一定となるタイミングにおいて、分岐
信号Ｊがアドレスカウンタ111に入力されると、この信
号によりカウンタ122には、リセットOR回路123を経てリ
セット信号が入力されるので、カウント値は０にクリア
され、アドレスA1も０となる。また、保持回路125の出
力JHはONとなるので、分岐アドレスレジスタ124にセッ
トされる分岐アドレスJAがAND回路126を経てアドレスA2
となり、加算回路127に入力される。このときA1は０に
クリアされているので、ＡはA2に一致する。このアドレ
スＡがアドレスレジスタ128にセットされると、メモリ
アドレスは第２のメモリ113の先頭アドレスとなり、こ
のアドレスのデータが出力レジスタ14にセットされてfR
として出力される。次に、タイムクロック信号CTがアド
レスカウンタ111に入力されると、カウンタ122には、ク
ロックOR回路121を経てパルス信号が入力されるので、
再びカウント動作を開始し、カウント値をA1として出力
する。加算器127において、A1とA2を加算してＡを出力
する。A2は、Ｊの入力以降は第２のメモリ113の先頭ア
ドレスとなっているので、Ａとしては、タイムクロック
信号CTが１個入るごとに、第２のメモリ113のアドレス
を順次先に進めるアドレスとなる。従って、第２のメモ
リ113の内容は、CTのパルス信号によって読み出されてf
Rとして出力される。

このように、磁場クロック信号CB、タイムクロック信
号CT、メモリ分岐信号Ｊをアドレスカウンタ111に入力
することにより、第１のメモリ112の読み出しと出力、
第２のメモリ113への切換え及び第２のメモリ113読み出
しと出力を行うことができるので、磁場の関数としての
周波数基準値fRのパターンと時間の関数としてのfRのパ
ターンを別々ににメモリに書き込んでおき、それを所定
のタイミングで切換えて出力することができる。

なお、上記実施例では、周波数基準値fRを得る場合に
ついて説明したが、周波数基準値以外の他の基準値（例
えば高周波出力電圧パターンなど）にも同様に適用でき
る。

また、上記の実施例では、第１のメモリ112、第２の
メモリ113の２種類のメモリを備える場合を示したが、
さらに、第３、第４のようにメモリを分け、同時に、ア
ドレス分岐信号ＪをJ₁,J₂,J₃…のように増して、メモリ
の切換えを行うように変形して使用することも本発明の
主旨を変えるものではない。

さらに、上記の説明ではエネルギーの増加に伴って磁
場Ｂは単調に増加するものとしているが、電磁石電源の
方式によっては、電磁石の電流に交流のリップルを含む
場合があり、磁場も微小に変動する。この対策として従
来より磁場クロックに増加方向クロックと減少方向クロ
ックの２種類を設け、増加方向でメモリのアドレスを進
め、減少方向でメモリのアドレスを戻す装置が使用され
ているが、本発明はこの場合にも、同様に適用可能であ
る。

また、リセット信号Ｒやアドレス分岐信号Ｊは、タイ
ミング信号発生器10より得る場合について説明したが、
これら信号を磁場パターン発生器３より得ることもでき
る。その場合は、磁場のパターンデータの他に、パルス
出力のデータを所定のアドレスのデータに付け加えてお
き、そのデータが読み出されたときに、パルス信号を出
力するようにすればよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、磁場クロック信
号と、タイムクロック信号とを使用することによって、
磁場の増加の過程では、磁場クロック信号によってパタ
ーンデータを磁場の関数として出力することができ、ま
た、磁場が一定値となる領域では、タイムクロック信号
によってパターンデータを時間の関数として出力するこ
とが可能となった。これにより、従来は不可能だった荷
電粒子ビームの出射時におけるパターンの微調整が可能
となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す加速器制御装置の構成
図、第２図は第１図の加速器制御装置の動作を示すタイ
ムチャート、第３図は第１図のパターン発生器の詳細構
成図、第４図は第１図のアドレスカウンタの詳細構成
図、第５図は従来の加速器制御装置の構成図、第６図は
第５図の装置の動作を示すタイムチャート、第７図は第
５図のパターン発生器の構成を示す図、第８図は第５図
のアドレスカウンタの構成を示す図である。 11……周波数パターン発生器、111……アドレスカウン
タ、112……第１のメモリ、113……第２のメモリ、114
……出力レジスタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加速器の電磁石の磁場の変化を検出して作
   られる磁場クロック信号を用いて荷電粒子を加速する高
   周波電力周波数のパターンデータを発生させる加速器の
   制御装置において、前記磁場クロック信号に対応する第
   １のパターンデータを記憶している第１のメモリと、前
   記電磁石の磁場が所定値に達するタイミングでメモリア
   ドレス分岐信号に続いてタイムクロック信号を発生する
   タイミング信号発生器と、このタイムクロック信号に対
   応する第２のパターンデータを記憶している第２のメモ
   リと、前記メモリアドレス分岐信号が出力されたとき
   に、前記第１のメモリから前記第２のメモリに出力デー
   タアドレスを切換えるメモリアドレスカウンタを備える
   ことを特徴とする加速器の制御装置。