JP2002267759A - ビームモニタシステム及びビーム照射システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大強度のビームをモニタできるビームモニタ
システム、及び大強度のビームを照射できるビーム照射
システムとの提供。 【解決手段】 ビームモニタシステムは、ビーム検出部
を、通過するビームを受けるモニタ位置とビームを受け
ない非モニタ位置とに交互に高速移動させる検出部移動
手段を備えたことを特徴とする。又、ビーム照射システ
ムは、本発明に係るビームモニタシステムを備えたこと
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、ビーム照射システ
ム及びそのシステムに用いられるビームモニタシステム
に関し、詳しくは、例えば、医療器具や食品等の殺菌や
滅菌、発芽防止や殺虫、材料性質改善や各種加工、その
他、研究実験等のために用いられるビーム照射システム
及びそのビームモニタシステム、特に、大強度ビーム
（高エネルギー）を必要とするビーム照射システム及び
そのビームモニタシステムに関する。尚、ビームモニタ
システムは、有限断面サイズをもったビームの断面形状
(以下、単に形状ともいう)や、ビームが或る断面を通過
する際の当該断面内の位置或いは当該断面内において強
度分布を持つ場合にはその中心位置等(以下、単に位置
ともいう)をモニタするものであり、ビームの種類即ち
粒子ビームであるか、光ビームかを問わずモニタする。

【０００２】

【従来の技術】従来のビームモニタシステムは、エッチ
・コジョール（Ｈ．Ｋｏｚｉｏｌ）氏により、欧州合同
原子核研究機関、粒子加速器学校の第５回一般粒子加速
器物理講座の会報「粒子加速器のビーム診断」、ＣＥＲ
Ｎ９４-０１、第１２巻、５６５頁に記載の論文で発表
されている。図１２はこの論文中の、粒子ビームをモニ
タするビームモニタシステムの概略図である。同図にお
いて、符号の１はビーム発生装置としての粒子加速器、
２はビームを輸送するための真空ダクト、３はビーム輸
送装置である。又、４は真空ビームダクト、５は真空ビ
ームダクト４を通過して行くビームを示す。６は真空ビ
ームダクト４の途中に設けられた真空チャンバーであ
り、この真空チャンバー６にビームモニタシステムのビ
ーム検出部７が配置される。

【０００３】このビーム検出部７は通過するビーム５を
受けるため、ビーム５の通路を遮るように固定配置され
ており、このビーム検出部７によってビーム５の位置や
形状等の諸情報が得られる。図示のビーム検出部７は蛍
光板で構成されており、ビーム５の衝突により、蛍光板
（７）に塗布された蛍光体にエネルギーが与えられて発
光する光を、真空チャンバー６の真空窓１３を通してビ
デオカメラ１２で撮影し、モニタする仕組みとなってい
る。。このような仕組みは、光ビームをモニタするビー
ムモニタシステムにおいても同様であるので、以下、ビ
ームの種類（光ビーム及び粒子ビーム）を問わず、単に
ビームともいう。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のビームモニタシ
ステムは、上記のように、ビーム検出部７が常時、通過
するビーム５の全てを受けていたため、ビーム５の衝突
による発熱でビーム検出部７が損傷を受け易く、その耐
久性に問題があった。特に、大強度ビーム（高エネルギ
ー）を受けると、過剰発熱により損傷し易かった。従っ
て、大強度ビームのモニタは更に困難であり、ビームモ
ニタシステムによって運転制御される大強度ビームを用
いたビーム照射システムの提供も困難であった。

【０００５】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたもので、損傷を受け難く大強度ビームをも
モニタできるビーム検出部を備えたビームモニタシステ
ムと、そのビームモニタシステムを備え、大強度ビーム
が照射可能なビーム照射システムの提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１のビームモニタ
システムの発明は、ビーム検出部を、通過するビームを
受けるモニタ位置とビームを受けない非モニタ位置とに
交互に移動させる検出部移動手段を備えたことを特徴と
する。

【０００７】請求項２の発明は、請求項１に記載のビー
ムモニタシステムにおいて、検出部移動手段は、ビーム
検出部を、モニタ位置を通って旋回させる旋回装置であ
ることを特徴とする。

【０００８】請求項３の発明は、請求項２に記載のビー
ムモニタシステムにおいて、旋回装置は、ビーム検出部
が非モニタ位置を移動している間は遅く、モニタ位置を
移動している間は速く旋回させる速度制御手段を有する
ことを特徴とする。

【０００９】請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３
の何れかに記載のビームモニタシステムにおいて、ビー
ムは少なくともＸ線以上のエネルギーを持つ光ビームで
あることを特徴とする。

【００１０】請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４
の何れかに記載のビームモニタシステムにおいて、ビー
ム検出部は検出機能の異なる複数の検出部で構成された
ことを特徴とする。

【００１１】請求項６のビーム照射システムの発明は、
請求項１乃至請求項５の何れかに記載のビームモニタシ
ステムを備えたことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】実施の形態１．実施の形態１は、
ビーム検出部が、過するビームを受けるモニタ位置とビ
ームを受けない非モニタ位置とに交互に移動させる構成
としたビームモニタシステムであり、ビーム検出部を移
動させる検出部移動手段として、ビーム検出部を支持し
て旋回させる旋回装置を用いた構成としたものである。
このビームモニタシステムは、旋回装置によって、ビー
ム検出部をビームが通過する通路を横断する旋回軌道上
に旋回させることにより、通過するビームを、従来のよ
うに常時検出するのではなく、非モニタ位置を通って旋
回している間はビームを受けず、モニタ位置を通って旋
回する間だけビームを検出する、即ち、ビームをサンプ
リング的に検出する構成としたものである。以下、この
形態１を図１乃至図２に基づいて説明する。図１はビー
ムモニタシステムの概要を示す概略図、図２は旋回装置
の正面図である。

【００１３】図１及び図２において、図中の符号１はビ
ーム発生装置であり、この形態１では粒子ビーム（以
下、ビームともいう）を出射する粒子加速器である。２
は出射された粒子ビームを導く真空ダクト、３はビーム
を輸送するビーム輸送装置である。４は真空ビームダク
ト、５は真空ビームダクト４を通過して行くビームを示
す。６は真空ビームダクト４の途中に設けられた真空チ
ャンバーである。又、１３は真空チャンバー６に設けら
れた真空窓であり、この真空窓１３を通して、外部に設
置されたビデオカメラ１２で、後述のビーム検出部７と
しての蛍光板がモニタされる。

【００１４】次に、検出部移動手段を説明する。この形
態１におけるビーム検出部７及びその検出部移動手段と
しての旋回装置は、真空チャンバー６に配置されてい
る。尚、ビーム検出部７は蛍光体(非図示)が施された蛍
光板からなる所謂スクリーンモニタである。上記のビデ
オカメラ１２は、モニタ位置に向けられており、モニタ
位置を通る間にビームが衝突して発光させた蛍光板
（７）の蛍光を効率よく撮影できる好適な位置に配置さ
れている。旋回装置は、ビーム検出部としての蛍光板
（７）が外縁の一部に設けられた支持部材８としての円
盤と、この円盤（８）の蛍光板（７）がモニタ位置を横
断して旋回するように当該円盤（８）を回転させる回転
駆動源としてのモータ９とを備えた構成である。

【００１５】図２において、符号１１は円盤（８）の回
転方向を示し、１５はビーム検出部７の大きさを表す回
転中心から見た円周セクタ角度を示す。円盤（８）の回
転は、ビーム検出部７がビームによって損傷されない程
度の速さで回転させればよい。例えば、回転数は少なく
とも１００rpｍ以上がよい。この旋回装置は、モータ９
を制御してビーム検出部７の旋回速度を適宜制御する速
度制御手段(非図示)を備え、この速度制御手段により、
例えば、ビーム検出部７がモニタ位置を通過する間は速
く、そうでない非モニタ位置を通過する間は遅くなるよ
うな回転パターンで回転(旋回)させてもよい。この場
合、平均回転速度を遅くしても、ビーム検出部７の受け
る損傷を小さくすることができる。

【００１６】尚、真空チャンバー６内に配設された円盤
（８）と真空チャンバー６外に配設されたモータ９との
間には、モータ９の回動力を円盤（８）に伝える回転導
入機構１４を介在させている。このような回転導入機構
１４を用いてモータ９を真空チャンバー６に配置してい
るのは、モータ９から発生する雑ガスによって、真空チ
ャンバー６内に良好な真空状態が得られなくなってビー
ムが減衰するという悪影響を避けるためである。従っ
て、大気中でも減衰の少ないビーム、例えばＸ線ビーム
等の場合には、必ずしもこのような構成にする必要はな
い。図６及び図７は、このような場合に、回転駆動源と
してのモータ９を真空チャンバー６の内部に配置した構
成を示すもので、図示のような構成とすれば、回転導入
機構１４を不要とすることができる。尚、図６はビーム
モニタシステムの概要を示す概略図、図７はビーム検出
部を移動させる検出部移動手段の正面図であり、図中の
符号１０はモータ９を固定するための固定装置である。

【００１７】ビーム検出部としての蛍光板（７）は、上
記旋回装置の円盤（８）の外縁に配置されており、円盤
（８）の回転に伴って、ビーム５の通路のモニタ位置を
通過（横断）することになる。蛍光板（７）は、モニタ
位置を通過（横断）する際に、通過するビーム５を受け
るが、モニタ位置を除く旋回領域即ち非モニタ位置では
ビーム５を受けることがない。即ち、このビーム検出部
７は、従来のように常時ビーム５を受けるのではなく、
図２に示す円周角１５と３６０度のレーショで決まる割
合でしかビーム５を受けない。これによって、ビーム５
を受けない割合に応じてビーム５によるビーム検出部７
の損傷を小さくすることができる。従って、損傷を更に
小さくするには、上記の円周角１５をより小さくすれば
よい。

【００１８】上記の支持部材（円盤）８は、ビーム検出
部７が円盤状の支持部材８の外縁に配置され、ビーム検
出部７と一緒に旋回（回転）する構成とされているが、
この支持部材８は、必ずしも円盤である必要はなく、例
えば、軽量化を図るために、支持棒(非図示)のようなも
ので構成してもよいし、これらの円盤や支持棒をアルミ
やチタン等の軽金属で構成してもよい。又、ビーム検出
部としての蛍光板（７）は、上記のような支持部材８と
一体に構成してもよいが、その場合には、蛍光板（７）
の部分に蛍光体を被膜する。この場合の蛍光板（７）は
蛍光体被膜を含め、ビーム５が通過できるように、なる
べく薄くした方がよいこともある。尚、上記の蛍光板
（７）は、金属等の基板上にＣｒ−Ａｌ₂Ｏ₃等のセラミ
ック膜を形成して作成されている。又、このような蛍光
板（７）に施される蛍光体は、発光した蛍光の減衰が比
較的速い蛍光体、例えば硫化亜鉛（ＺｎＳ）を用いてお
り、モニタ位置を通過する際に発光する蛍光は、前回発
光した蛍光より強い光となり、問題なくモニタされる。

【００１９】この形態１のビームモニタシステムによれ
は、通過するビーム５を常時受ける状態でモニタするの
ではなく、時間間隔を置いてサンプリング的にモニタす
るので、ビーム５を常時受けていた従来のビーム検出部
に比べて、過熱や劣化等、ビーム５によるビーム検出部
７の損傷を大幅に低減させることができると共に、ビー
ム検出部の寿命を大幅に延ばすことができ、耐久性を高
めることができる。従って、大強度(高エネルギー)ビー
ムをモニタする場合でも、ビーム検出部７の損傷が低減
され、例えば、電子線や少なくともＸ線以上のエネルギ
ーを持つ大強度ビームを用いて行われる医療器具等の殺
菌や滅菌用のビーム照射システムにおけるビームモニタ
システムとして用いることができる。

【００２０】又、この形態１において、速度制御手段に
より、例えば、ビーム検出部７がモニタ位置を通過する
際（間）には速く、そうでない非モニタ位置を通過する
際(間)には遅くなるように制御することによって、更に
一段とビーム検出部７の損傷を低減させることができる
ので、更に一段と高いエネルギーを持つ大強度ビームを
モニタすることができる。

【００２１】又、この形態１では、図１に示すように、
ビーム検出部７をその支持部材８の旋回面に対して約１
５度位傾けて設けてあるが、図３に示すように、ビーム
検出部７を支持部材８の旋回面上に位置させると共に支
持部材８の軸線を傾けて設けることによって、ビーム検
出部７をビデオカメラ１２のカメラ視線に対応させるこ
ともできる。図３はこのように構成したビームモニタシ
ステムの概要を示す概略図である。

【００２２】又、この形態１では、ビーム検出部７が蛍
光体で構成されているが、これに限らず、例えば、図４
乃至図５に示すように、電流検出器やエネルギー検出部
（検出体）等で構成しても同様の作用効果を発揮するこ
とができる。この場合、同図に示すように、ビデオカメ
ラ１２及びカメラ用の真空窓１３は不要となる。従っ
て、ビーム検出部７をカメラ視線に応ずるように傾ける
必要がなく、ビーム検出部７をビーム５の通過方向即ち
進行方向に垂直な面として横断させるように構成するこ
とができる。

【００２３】又、この形態１では、ビーム５がビーム検
出部７を通過するように説明したが、ビーム検出部７で
粒子が止まっても、この形態１における作用効果に差異
はない。しかし、このような場合には、図２に示す円周
角１５より小さい値の範囲でビーム検出部７を設けて、
止まる粒子の量を少なくする方が好ましい。

【００２４】又、この形態１において、ビーム発生装置
１としては、粒子加速器に限らず、パルスやＣＷモード
の電子線加速器や電子銃であってもよい。

【００２５】又、この形態１のビームモニタシステム
を、電子線やＸ線を照射するビーム照射システムに組み
込む場合には、電子線加速又は輸送システムの１箇所以
上に設置してもよい。例えば、電子銃と加速空洞との間
や加速器ビーム軌道の途中に設置してもよいし(非図
示)、加速器から電子ビームを取り出した後のビームラ
インに設置してもよい(非図示)。

【００２６】又、この形態１において、ビーム検出部７
を移動させる検出部移動手段は、ビーム検出部７を旋回
(回転)させる旋回装置に限らず、例えば、ビーム５の通
路を遮断してビームを受ける位置（モニタ位置）と、ビ
ームを受けることができない位置(非モニタ位置)との間
を、交互に直線的に、或いは弧を描くように移動させる
構成としてもよい(非図示)。

【００２７】又、この形態１では、ビーム５として粒子
ビームを用いて説明したが、その外の粒子ビームとし
て、原子ビーム、分子ビーム等のα線及び電子ビーム、
イオン注入装置で用いるイオンビーム等のβ線、光ビー
ムとしては放射光、Ｘ線、レーザビーム等のγ線を用い
ても、同様の作用効果を得ることができる。

【００２８】実施の形態２．実施の形態２は、上記実施
の形態１におけるビーム検出部を構成する検出部として
の蛍光板（７）に代えて、ビーム電流検出器（以下、電
流検出器ともいう）、或いはエネルギーを検出する検出
器(以下、エネルギー検出器ともいう）とした構成であ
る。尚、この構成では、ビデオカメラ１２や真空窓１３
は不要であるが、その他の構成は上記実施の形態１と実
質的に同様である。これを図８及び図９に基づいて説明
する。図８はビームモニタシステムの概要を示す概略
図、図９はビーム検出部を移動させる検出部移動手段の
正面図である。

【００２９】図８乃至図９において、ビーム検出部とし
て用いる電流検出器（７）としては、例えば、金属性の
板やワイアーからなる２次電子電流検出器があり、エネ
ルギー検出器（７）としては、例えば、フォトダイオー
ド等がある。ビーム検出部７として、このような電流検
出器（７）或いはエネルギー検出器（７）を用いる場合
には、これらの検出器（７）からの電流信号或いはエネ
ルギー信号を取り出すケーブルが必要となる。図中の符
号１６はこのケーブルであり、１５は上記の信号を真空
チャンバー６の外へ導出する信号端子である。尚、図示
のケーブル１６の配線は概念的に示しているに過ぎず、
実際には、旋回（回転）の影響を受けない適当な手段に
よりビーム検出部７と信号端子１５とがケーブル１６に
より接続されている(非図示)。

【００３０】この形態２においても、形態１と同様に、
ビーム検出部７としての電流検出器（７）或いはエネル
ギー検出器（７）が、旋回装置によって、粒子ビーム
（５）の通路を横断するように旋回(回転)されるため、
粒子ビーム（５）が大強度である場合でも、電流検出器
（７）或いはエネルギー検出器（７）で構成されるビー
ム検出部７が、所定割合でサンプリングしながら粒子ビ
ーム（５）を受けることになるから、粒子ビーム（５）
によるビーム検出部７の急激な劣化や破壊等の損傷を大
幅に低減させることができる。又、ビーム検出部７を電
流検出器（７）或いはエネルギー検出器（７）で構成す
ることにより、大強度粒子ビームの電流や電流分布やエ
ネルギー等をモニタすることができる。更には、ビーム
検出部７の回転角位置と検出された電流信号（電流値）
との相関、即ち、回転位置角と電流値を十分細かい時間
ステップで計算機等に記録するだけで、粒子ビーム
（５）の断面における電流強度の１次元分布情報を得る
ことができる。尚、この形態２では、粒子ビーム（５）
を用いて説明したが、放射光やＸ線等の光ビームの場合
でも、同様の作用効果を得ることができる。

【００３１】実施の形態３．実施の形態３は、上記実施
の形態１や２において、検出機能の異なる複数の検出器
を用いてビーム検出部７を構成としたものである。例え
ば、実施の形態１で説明した検出器としての蛍光板や、
実施の形態２で説明した電流検出器やエネルギー検出器
等の機能の異なる検出器を、円盤（８）の外縁に適宜間
隔を置いて配置してビーム検出部７を構成する。その他
の構成は検出器に応じて上記実施の形態１や形態２と実
質的に同様である。これを図１０乃至図１１に基づいて
説明する。図１０はビームモニタシステムの概要を示す
概略図、図１１はビーム検出部を移動させる検出部移動
手段の正面図である。

【００３２】図１０及び図１１において、７ａは検出器
として、上記実施の形態１と同様の蛍光板であり、７ｂ
は種類の異なる検出器として、上記実施の形態２と同様
の電流検出器或いはエネルギー検出器である。

【００３３】この形態３によれば、上記実施の形態１及
び形態２による作用効果に加えて、ビーム検出部７を、
機能に応じた複数種類の検出器（７ａ，７ｂ）を適宜組
み合わせて構成することにより、同時に複数のビーム情
報を得ることができる。例えば、この形態３では、大強
度のビーム５の形状と位置とを蛍光板７ａで測定しなが
ら、同時に、そのビーム電流を電流検出器（７ｂ）、或
いはそのエネルギーをエネルギー検出器（７ｂ）で測定
することができる。尚、複数個の検出器（７ａ，７ｂ）
を組み合わせてビーム検出部７を構成する場合には、各
検出器の間に適宜間隔を置いて分散配置することによ
り、当該間隔を置かない場合に比べて、ビーム５の衝突
によって各検出器に発生する熱を効率よく放散させるこ
とができ、発熱による損傷を低減させることができる。

【００３４】尚、上記実施の形態１及び３において、ビ
ーム電流や電流分布の情報を得るためには、例えば、ビ
ーム検出部７としての電流検出器を金属板で構成して、
ビームがこの金属板を通過する際に二次電子を叩き出し
て金属板に流す電流を測定器で測定する。この電流はビ
ーム電流或いはビーム強度（単位時間当り所定断面を通
過する粒子の数）に比例する。尚、ビームが荷電粒子ビ
ームであり、或いは、粒子ビームがビーム検出部７で止
まってしまう場合（例えば、粒子ビームのエネルギーが
低い場合やビーム検出部７が厚い場合）には、ビーム検
出部７を金属板で構成した上で、当該ビーム検出部７に
正の数十から数百の直流電流を印加すると、荷電粒子ビ
ームの電流を直接測定することができる。又、粒子ビー
ムエネルギーの情報を得るためには、例えば、ビーム検
出部７としてのエネルギー検出器を半導体検出器で構成
すると、粒子ビームのエネルギーを直接測定することが
できる。ビーム検出部７をシンチレタ検出器で構成して
飛行時間法を用いても、粒子エネルギーを測定すること
ができる。

【００３５】

【発明の効果】請求項１乃至請求項６の各発明によれ
ば、何れも、ビーム検出部が常時ビームを受ける場合に
比べて、ビームを受ける時間を減らすことができるの
で、ビームによるビーム検出部の損傷（ダメージ）を低
減させることができる。これにより、ビーム検出部の性
能低下や破壊等を防止でき、ビーム検出部の耐久性が高
められるので、大強度ビーム（高エネルギービーム）を
モニタできるビームモニタシステムを提供することがで
きる。又、本発明に係るビームモニタシステムを装備す
ることによって、大強度ビームを照射できるビーム照射
システムを、医療器具や食品等の殺菌や滅菌用、或いは
産業用加工機器等用として提供することができる。

【００３６】請求項３の発明によれば、請求項１や請求
項２の発明に比べて、ビーム検出部のビームによる損傷
を更に低減させることができる。

【００３７】請求項５の発明によれば、請求項１や請求
項２の発明、及び請求項３の発明に比べて、ビーム検出
部として複数の検出器を配設することによって、各検出
器の機能に応じたビームに関する複数の情報を同時に得
ることができると共に、各検出器を分散配置することに
よって、ビームの衝突による発熱を放熱しやすくなり、
発熱によるビーム検出部全体の損傷を低減させることが
できる。

【００３８】請求項６の発明によれば、大強度ビームを
モニタできるビームモニタシステムを装備することによ
り大強度ビームを照射可能なビーム照射システムを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１のビームモニタシステムの概要
を示す概略図である。

【図２】 図１の検出部移動手段の正面図である。

【図３】 実施の形態１の別のビームモニタシステムの
概要を示す概略図である。

【図４】 実施の形態１の更に別のビームモニタシステ
ムの概要を示す概略図である。

【図５】 図４の検出部移動手段の正面図である。

【図６】 実施の形態１の更に別のビームモニタシステ
ムの概要を示す概略図である。

【図７】 図６の検出部移動手段の正面図である。

【図８】 実施の形態２のビームモニタシステムの概要
を示す概略図である。

【図９】 図８の検出部移動手段の正面図である。

【図１０】 実施の形態３のビームモニタシステムの概
要を示す概略図である。

【図１１】 図１０の検出部移動手段の正面図である。

【図１２】 従来のビームモニタシステムの概要を示す
概略図である。

【符号の説明】

１ ビーム発生装置、４ 真空ビームダクト、５ ビー
ム、６ 真空チャンバー、７ ビーム検出部、７ａ、７
ｂ 検出器（ビーム検出部）、８ 支持部材(検出部移
動手段)、９ モータ（検出部移動手段）。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G085 BE03 BE04 BE06 CA20 CA21 CA22 CA27 EA06 2G088 EE30 FF10 FF12 FF14 GG17 GG25 JJ01 JJ22 JJ23 JJ36

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビーム検出部を、通過するビームを受け
   るモニタ位置とビームを受けない非モニタ位置とに交互
   に移動させる検出部移動手段を備えたことを特徴とする
   ビームモニタシステム。
2. 【請求項２】 検出部移動手段は、ビーム検出部を、モ
   ニタ位置を通って旋回させる旋回装置であることを特徴
   とする請求項１に記載のビームモニタシステム。
3. 【請求項３】 旋回装置は、ビーム検出部が非モニタ位
   置を移動している間は遅く、モニタ位置を移動している
   間は速く旋回させる速度制御手段を有することを特徴と
   する請求項２に記載のビームモニタシステム。
4. 【請求項４】 ビームは少なくともＸ線以上のエネルギ
   ーを持つ光ビームであることを特徴とする請求項１乃至
   請求項３の何れかに記載のビームモニタシステム。
5. 【請求項５】 ビーム検出部は検出機能の異なる複数の
   検出部で構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求
   項４の何れかに記載のビームモニタシステム。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５の何れかに記載の
   ビームモニタシステムを備えたことを特徴とするビーム
   照射システム。