JP2019039702A - Charged particle beam generation device, particle beam therapy equipment equipped with the same, and operation method of charged particle beam generation device - Google Patents

Charged particle beam generation device, particle beam therapy equipment equipped with the same, and operation method of charged particle beam generation device Download PDF

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Abstract

To provide a charged particle beam generation device capable of reducing undesired stoppage of the device while, compared to conventional, constantly maintaining a beam current emitted from a straight line accelerator with a simple constitution, a particle beam therapy equipment equipped with the same, and an operation method of charged particle beam generation device.SOLUTION: The charged particle beam generation device comprises: an ion source 2; a pull-out electrode system 5; an electrostatic lens 7 for focusing a pull-out beam 14; a straight line accelerator 9 for accelerating the pull-out beam 14; a beam current detection unit 10 for detecting a beam current of an output beam 11 or the pull-out beam 14 after having passed the electrostatic lens 7; and a control unit 13 configured to control the voltage to be applied to the electrostatic lens 7 depending on the beam current detected the beam current detection unit 10.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、荷電粒子ビーム発生装置とそれを備えた粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム発生装置の運転方法に関する。   The present invention relates to a charged particle beam generator, a particle beam therapy apparatus including the same, and a method for operating the charged particle beam generator.

本技術分野の背景技術として、特許文献1に記載の技術がある。特許文献1には、「安価で単純な構成の静電レンズを用いながらも、長い輸送区間であっても高いビーム利用効率で大電流ビームの輸送が可能なビーム輸送装置として、引き出し電極は負電圧が印加される減速電極を有し、静電レンズはビーム入射側電極と正電圧が印加される中央電極の間、及び正電圧が印加される中央電極とビーム出射側電極との間に負電圧が印加される電子抑制電極を2つ有し、減速電極と電子抑制電極は、輸送区間などに電子を留める役割を果たし、ビーム空間電荷が効果的に中和されることによりビーム発散を抑制する」と記載されている。   As a background art in this technical field, there is a technique described in Patent Document 1. Patent Document 1 states that “the extraction electrode is a negative electrode as a beam transport device capable of transporting a large current beam with high beam utilization efficiency even in a long transport section while using an inexpensive and simple electrostatic lens. The electrostatic lens has a decelerating electrode to which a voltage is applied, and the electrostatic lens is negative between the beam incident side electrode and the central electrode to which a positive voltage is applied, and between the central electrode to which a positive voltage is applied and the beam emission side electrode. It has two electron suppression electrodes to which a voltage is applied. The deceleration electrode and the electron suppression electrode play a role in retaining electrons in the transport section, etc., and the beam space charge is effectively neutralized to suppress beam divergence. It is described.

特開2005−235697号公報JP 2005-235697 A

シンクロトロンなどのリング状の円形加速器には、その前段として荷電粒子の加速・入射用の荷電粒子ビーム発生装置が用いられる。   In a ring-shaped circular accelerator such as a synchrotron, a charged particle beam generator for accelerating / injecting charged particles is used as a preceding stage.

粒子線治療用の荷電粒子ビーム発生装置は、イオン源で発生した荷電粒子を加速し、所定のエネルギーまで加速した後に円形加速器に対して出射するものである。円形加速器でさらに高いエネルギーまで加速された粒子は例えばがんなどの患者の患部に荷電粒子ビームを照射する粒子線治療に用いられる。   A charged particle beam generator for particle beam therapy accelerates charged particles generated by an ion source, accelerates them to a predetermined energy, and then emits them to a circular accelerator. Particles accelerated to a higher energy by a circular accelerator are used for particle beam therapy in which a charged particle beam is irradiated onto an affected part of a patient such as cancer.

粒子線治療用の円形加速器に接続される荷電粒子ビーム発生装置では、正電荷を持つ荷電粒子ビームプラズマから引き出して集束するための静電レンズが備わっている。   In a charged particle beam generator connected to a circular accelerator for particle beam therapy, an electrostatic lens for extracting and focusing from a charged particle beam plasma having a positive charge is provided.

このような静電レンズの一例として、上述した特許文献1に記載の技術がある。   As an example of such an electrostatic lens, there is a technique described in Patent Document 1 described above.

しかし、この特許文献1に記載の静電レンズでは、一般に用いられる3枚電極で構成される静電レンズに対して、2枚の負電位の電極及び高圧電源を追加する必要がある。   However, in the electrostatic lens described in Patent Document 1, it is necessary to add two negative electrodes and a high-voltage power supply to the commonly used electrostatic lens composed of three electrodes.

このため、静電レンズの構造が複雑になるとともに、イオン源から直流加速器までの距離が長くなることでビームラインが長くなる、との問題があった。さらに高圧電源の追加により、コスト増加につながる、との問題があった。   This complicates the structure of the electrostatic lens and increases the distance from the ion source to the DC accelerator, resulting in a longer beam line. Furthermore, there was a problem that the addition of a high-voltage power supply would lead to an increase in cost.

また、静電レンズ内で残留ガスに衝突して発生した電子の抑制には効果が小さく、完全に出射ビーム電流の低下を抑制することは難しいとの問題があった。   In addition, there is a problem that the effect of suppressing electrons generated by colliding with the residual gas in the electrostatic lens is small, and it is difficult to completely suppress the decrease in the output beam current.

本発明の目的は、単純な構成であっても、出射されるビーム電流を従来に比べて一定に保ち、不要な装置停止を従来に比べて抑制することが可能な、荷電粒子ビーム発生装置とそれを備えた粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム発生装置の運転方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a charged particle beam generator capable of maintaining an emitted beam current constant as compared with the prior art and suppressing unnecessary apparatus stop as compared with the prior art even with a simple configuration. It is to provide a particle beam therapy system including the same and a method of operating a charged particle beam generator.

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、イオンを生成するイオン源と、前記イオン源から前記イオンを引き出し、荷電粒子ビームとするための引き出し電極系と、前記引き出し電極系によって引き出された前記荷電粒子ビームを集束させる静電レンズと、前記荷電粒子ビームを加速する直線加速器と、前記静電レンズを通過した以降の前記荷電粒子ビームのビーム電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器によって検出されたビーム電流に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。   The present invention includes a plurality of means for solving the above-described problems. For example, an ion source for generating ions, and an extraction electrode for extracting the ions from the ion source to form a charged particle beam. A system, an electrostatic lens for focusing the charged particle beam extracted by the extraction electrode system, a linear accelerator for accelerating the charged particle beam, and a beam current of the charged particle beam after passing through the electrostatic lens And a control unit that controls a voltage applied to the electrostatic lens in accordance with a beam current detected by the current detector.

本発明によれば、単純な構成であっても、直線加速器から出射されるビーム電流を従来に比べて一定に保ち、不要な装置停止を従来に比べて抑制することが可能となる。   According to the present invention, even with a simple configuration, it is possible to keep the beam current emitted from the linear accelerator constant compared to the prior art and to suppress unnecessary apparatus stop compared to the prior art.

本発明の実施例1の荷電粒子ビーム発生装置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the charged particle beam generator of Example 1 of this invention. 実施例1の荷電粒子ビーム発生装置の荷電粒子ビーム出射時の機器動作タイミングの概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the apparatus operation | movement timing at the time of the charged particle beam emission of the charged particle beam generator of Example 1. FIG. 実施例1の荷電粒子ビーム発生装置の制御フロー図である。2 is a control flow diagram of the charged particle beam generator according to Embodiment 1. FIG. 本発明の実施例1の変形例の荷電粒子ビーム発生装置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the charged particle beam generator of the modification of Example 1 of this invention. 実施例1の荷電粒子ビーム発生装置における静電レンズの電圧低下の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the voltage drop of the electrostatic lens in the charged particle beam generator of Example 1. FIG. 本発明の実施例2の荷電粒子ビーム発生装置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the charged particle beam generator of Example 2 of this invention. 実施例2の荷電粒子ビーム発生装置の制御フロー図である。6 is a control flow diagram of a charged particle beam generator according to Embodiment 2. FIG. 本発明の実施例3の粒子線治療装置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the particle beam therapy apparatus of Example 3 of this invention.

以下に本発明の荷電粒子ビーム発生装置とそれを備えた粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム発生装置の運転方法の実施例について図面を用いて説明する。   Embodiments of a charged particle beam generator of the present invention, a particle beam therapy apparatus equipped with the same, and a method for operating the charged particle beam generator will be described below with reference to the drawings.

<実施例1>
本発明の荷電粒子ビーム発生装置およびその運転方法の実施例1を、図1乃至図3を用いて説明する。
<Example 1>
Embodiment 1 of a charged particle beam generator and its operating method according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、本実施例の荷電粒子ビーム発生装置の装置構成を示す概略図である。図2は荷電粒子ビームを出射するときの機器動作タイミングの概略と、プラズマ点火遅れによる静電レンズの電圧低下の概略を示した図である。図3は、荷電粒子ビーム発生装置の制御フロー図である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a charged particle beam generator according to the present embodiment. FIG. 2 is a diagram showing an outline of device operation timing when a charged particle beam is emitted and an outline of voltage drop of the electrostatic lens due to plasma ignition delay. FIG. 3 is a control flow diagram of the charged particle beam generator.

図1に示すように、荷電粒子ビーム発生装置1は、イオン源2と、真空容器4と、引き出し電極系5と、静電レンズ7と、直線加速器9と、ビーム電流検出器10と、静電レンズ電源8と、制御部13と、減速電源16と、引き出し電源15とで構成される。   As shown in FIG. 1, the charged particle beam generator 1 includes an ion source 2, a vacuum vessel 4, an extraction electrode system 5, an electrostatic lens 7, a linear accelerator 9, a beam current detector 10, An electrolens power supply 8, a control unit 13, a deceleration power supply 16, and a drawing power supply 15 are configured.

イオン源2は、引き出すビームの元となるプラズマ3を生成するものである。その種類は、例えば、マイクロ波イオン源、ECR(Electron Cyclotron Resonance)イオン源、デュオプラズマトロン等があり、いずれのイオン源とすることができる。本実施例ではマイクロ波イオン源を採用した場合の例で説明する。   The ion source 2 generates a plasma 3 as a source of a beam to be extracted. The type includes, for example, a microwave ion source, an ECR (Electron Cyclotron Resonance) ion source, a duoplasmatron, and the like, and any ion source can be used. In this embodiment, an example in which a microwave ion source is employed will be described.

プラズマ3は、引き出しビーム14方向の磁場と、例えば水素、ヘリウム、炭素、酸素などの試料ガスと、マイクロ波により生成される。この場合のマイクロ波の周波数は、例えば2.45GHzなどである。   The plasma 3 is generated by a magnetic field in the direction of the extraction beam 14, a sample gas such as hydrogen, helium, carbon, and oxygen, and microwaves. In this case, the frequency of the microwave is, for example, 2.45 GHz.

引き出し電極系5はイオン源2で生成したプラズマ3からイオンを引き出すことで引き出しビーム14を得るための電極系であり、1個以上の穴を有した電極が3枚以上並んで配置されている。   The extraction electrode system 5 is an electrode system for obtaining an extraction beam 14 by extracting ions from the plasma 3 generated by the ion source 2, and three or more electrodes having one or more holes are arranged side by side. .

図1に示すように、本実施例の引き出し電極系5は、イオン源2に接する引き出し電極5aと、順に引き出し電極5aからある距離を置いて設置される減速電極5bおよび接地電極5cとの3枚の電極により構成される。   As shown in FIG. 1, the extraction electrode system 5 of this embodiment includes an extraction electrode 5 a in contact with the ion source 2, and a deceleration electrode 5 b and a ground electrode 5 c that are installed at a certain distance from the extraction electrode 5 a in order. It is composed of a single electrode.

イオン源2及び引き出し電極5aには正の電位が引き出し電源15によって与えられ、減速電極5bには負の電位が減速電源16によって与えられる。接地電極5cは接地電位(0V)とする。引き出し電源15は直線加速器9の仕様にもよるが例えば30kV、減速電源16は例えば−2kVなどである。   A positive potential is applied to the ion source 2 and the extraction electrode 5a by the extraction power source 15, and a negative potential is applied to the deceleration electrode 5b by the deceleration power source 16. The ground electrode 5c is set to the ground potential (0V). Depending on the specifications of the linear accelerator 9, the extraction power supply 15 is, for example, 30 kV, and the deceleration power supply 16 is, for example, -2 kV.

静電レンズ7は引き出し電極系5によって引き出された引き出しビーム14を集束させるレンズであり、入射側電極7a、中央電極7b、出射側電極7cの3枚の電極で構成されている。3枚の電極のいずれにも中央に引き出しビーム14が通過する穴が設けられている。   The electrostatic lens 7 is a lens that focuses the extraction beam 14 extracted by the extraction electrode system 5, and is composed of three electrodes, that is, an incident side electrode 7a, a central electrode 7b, and an emission side electrode 7c. A hole through which the extraction beam 14 passes is provided at the center of each of the three electrodes.

静電レンズ7のうち、両端の入射側電極7aと出射側電極7cとは接地電位で、中央電極7bは正電位である。   In the electrostatic lens 7, the incident-side electrode 7a and the emission-side electrode 7c at both ends are ground potential, and the central electrode 7b is positive potential.

中央電極7bが正電位の場合、減速−加速モードと呼ばれる。減速−加速モードの集束では、ビームは入射側電極7aと中央電極7b間で、電界分布形状により発散力を受けて広がる。   When the center electrode 7b has a positive potential, it is called a deceleration-acceleration mode. In focusing in the deceleration-acceleration mode, the beam spreads by receiving a divergence force between the incident side electrode 7a and the central electrode 7b due to the electric field distribution shape.

これに対し、中央電極7bと出射側電極7c間では集束力を受ける。ここで、引き出しビーム14は正電荷であるため、入射側電極7aで速度が速く、中央電極7b付近で減速され、通過する速度が遅くなる。しかし出射側電極7cで再び加速され、ビームの速度が速くなる。このため、中央電極7b付近を通過する時間は入射側電極7a及び出射側電極7c付近に比べて長くなり、正電荷のビームは正電位の影響を受けることで反発、すなわち強い集束力を受ける。   On the other hand, a focusing force is received between the center electrode 7b and the emission side electrode 7c. Here, since the extraction beam 14 is positively charged, the velocity is high at the incident side electrode 7a, the velocity is decelerated near the central electrode 7b, and the velocity of passing through is slow. However, the beam is accelerated again by the emission side electrode 7c, and the beam speed is increased. For this reason, the time for passing through the vicinity of the central electrode 7b is longer than that in the vicinity of the incident side electrode 7a and the outgoing side electrode 7c, and the positively charged beam is repelled by the influence of the positive potential, that is, receives a strong focusing force.

このような仕組みにより、静電レンズ7は全体として集束レンズとして機能する。   With such a mechanism, the electrostatic lens 7 functions as a focusing lens as a whole.

本実施例では、静電レンズ7の中央電極7bの電位は、出射ビーム11の電流値をビーム電流検出器10によって検出し、制御部13によって調整する。   In this embodiment, the potential of the central electrode 7 b of the electrostatic lens 7 is adjusted by the control unit 13 by detecting the current value of the outgoing beam 11 by the beam current detector 10.

引き出し電極系5、および静電レンズ7は真空容器4の中に配置されており、真空に保たれている。   The extraction electrode system 5 and the electrostatic lens 7 are disposed in the vacuum vessel 4 and are kept in a vacuum.

直線加速器9は引き出しビーム14を加速する加速器であり、例えば高周波加速器などで、RFQ(Radio Frequency Quadrupole)やDTL(Drift Tube Linac)などがあり、単体あるいは両方を用いることができる。あるいは、コッククロフトウォルトン型やバンデグラーフ型などの静電加速器とすることができる。   The linear accelerator 9 is an accelerator for accelerating the extraction beam 14. For example, the linear accelerator 9 is a high-frequency accelerator such as RFQ (Radio Frequency Quadrupole), DTL (Drift Tube Linac), or the like. Or it can be set as electrostatic accelerators, such as a cockcroft Walton type and a Van de Graaff type.

ビーム電流検出器10は、直線加速器9より下流側に設置されており、直線加速器9で加速された出射ビーム11のビーム電流を検出する非接触型のCT(Current Transformer)などの検出器である。   The beam current detector 10 is installed on the downstream side of the linear accelerator 9 and is a detector such as a non-contact type CT (Current Transformer) that detects the beam current of the outgoing beam 11 accelerated by the linear accelerator 9. .

制御部13は、ビーム電流検出器10によって検出された出射ビーム電流の変動を計算し、静電レンズ7に印加する電圧を決定し、静電レンズ電源8にその値を設定する。制御部13は、例えばPC内のCPU、ROM、RAM等で構成され、制御部13単体で存在することができる。なお、荷電粒子ビーム発生装置1の全体の制御装置(図示省略)や後述する図8に示すように荷電粒子ビーム発生装置1が組み込まれた装置(例えば粒子線治療装置)の制御装置に組み込むことができる。   The control unit 13 calculates the variation of the outgoing beam current detected by the beam current detector 10, determines the voltage to be applied to the electrostatic lens 7, and sets the value in the electrostatic lens power supply 8. The control unit 13 is composed of, for example, a CPU, ROM, RAM, and the like in the PC, and can exist as a single control unit 13. In addition, the charged particle beam generator 1 is incorporated into a control device (not shown) or a control device of a device (for example, a particle beam therapy device) in which the charged particle beam generator 1 is incorporated as shown in FIG. Can do.

制御部13は、ビーム電流検出器10で検出したビーム電流値や、静電レンズ7に印加する電圧の波形、その電圧値等の各種制御パラメータを表示する表示部23を備えている。   The control unit 13 includes a display unit 23 that displays various control parameters such as the beam current value detected by the beam current detector 10, the waveform of the voltage applied to the electrostatic lens 7, and the voltage value.

出射ビーム11が入射する円形加速器12は、例えばサイクロトロンや、シンクロサイクロトロン、シンクロトロンなどの様々な種類の加速器である。   The circular accelerator 12 on which the outgoing beam 11 is incident is various types of accelerators such as a cyclotron, a synchrocyclotron, and a synchrotron.

次に、出射ビーム11を得るための動作と課題を、図2を参照して説明する。図2は、例えばイオン源2にマイクロ波イオン源を使用し、パルスビームを引き出す場合の例である。図2では、縦軸は上から順にビーム引き出しトリガーおよびビームリクエストトリガー、イオン源2に印加されるマイクロ波電力、引き出しビーム14の電流値、静電レンズ7の電圧、静電レンズ7に流入する電流値、直線加速器9の出射電流値、静電レンズ電源8の出力値とし、横軸は全て時間とする。   Next, operations and problems for obtaining the outgoing beam 11 will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows an example of using a microwave ion source as the ion source 2 and extracting a pulse beam. In FIG. 2, the vertical axis indicates the beam extraction trigger and the beam request trigger, the microwave power applied to the ion source 2, the current value of the extraction beam 14, the voltage of the electrostatic lens 7, and the electrostatic lens 7 in order from the top. The current value, the output current value of the linear accelerator 9 and the output value of the electrostatic lens power supply 8 are all represented on the horizontal axis.

上述のように、引き出しビーム14はイオン源2から引き出し電極系5によって引き出される。引き出された引き出しビーム14は一般に発散ビームであり、直線加速器9に入射させるためにはこのビームを集束ビームに整形し、直線加速器9中の電極等にあたらないようにする必要がある。更に、直線加速器9で通過可能なビーム形状に整形する必要がある。このため、3枚の電極で構成された静電レンズ7等の集束機構が必要となる。   As described above, the extraction beam 14 is extracted from the ion source 2 by the extraction electrode system 5. The extracted extraction beam 14 is generally a diverging beam, and in order to enter the linear accelerator 9, it is necessary to shape this beam into a focused beam so that it does not hit an electrode or the like in the linear accelerator 9. Furthermore, it is necessary to shape the beam shape so that it can pass through the linear accelerator 9. For this reason, a focusing mechanism such as an electrostatic lens 7 composed of three electrodes is required.

イオン源2からのビーム引き出しは次のようにして行われる。真空状態としたイオン源2内に試料ガスを導入し、磁場を印加する。また、引き出し電極系5、静電レンズ7に所定の電圧を印加する。   Beam extraction from the ion source 2 is performed as follows. A sample gas is introduced into the vacuumed ion source 2 and a magnetic field is applied. A predetermined voltage is applied to the extraction electrode system 5 and the electrostatic lens 7.

その後、ビーム引き出しトリガーを受け、マイクロ波電力がイオン源2に印加されると、イオン源2内に浮遊する電子がマイクロ波と磁場により円運動を起こし、導入された試料ガスに衝突することによってプラズマ3が生成される。その後、衝突による電子生成が増加し、プラズマ3の生成が加速するために、イオン源2からの引き出しビーム14の電流値は徐々に増加する。増加時間はマイクロ波電力に依存するが、例えば数十〜数百マイクロ秒である。   Thereafter, when a beam extraction trigger is received and microwave power is applied to the ion source 2, electrons floating in the ion source 2 cause a circular motion by the microwave and the magnetic field, and collide with the introduced sample gas. Plasma 3 is generated. Thereafter, the generation of electrons due to collision increases and the generation of the plasma 3 accelerates, so that the current value of the extraction beam 14 from the ion source 2 gradually increases. Although the increase time depends on the microwave power, it is several tens to several hundreds of microseconds, for example.

このとき引き出しビーム電流にあわせて、ビームは発散角が大から小へ変化する。また、静電レンズ7の入射側電極7a等に一時的にビームが衝突し、二次電子が発生する。これらの二次電子が静電レンズ7の中央電極7bに流入することで減速電源16に電流が流れ、一時的に静電レンズ7の電圧が低下する。静電レンズ7の電圧低下は電源の内部回路定数に依存する。   At this time, the divergence angle of the beam changes from large to small in accordance with the extracted beam current. Further, the beam temporarily collides with the incident side electrode 7a and the like of the electrostatic lens 7 and secondary electrons are generated. When these secondary electrons flow into the center electrode 7b of the electrostatic lens 7, a current flows through the deceleration power source 16, and the voltage of the electrostatic lens 7 temporarily decreases. The voltage drop of the electrostatic lens 7 depends on the internal circuit constant of the power source.

ビーム引き出しトリガーの後、一定時間後にビームリクエストトリガーを受けて、直線加速器9に高周波等を印加して加速用の電界を発生させて出射ビーム11を得る。引き出しビーム14の電流が一定であれば、静電レンズ7の電圧波形はパルスビーム間で変化が小さくなる。   After a beam extraction trigger, a beam request trigger is received after a certain period of time, a high frequency or the like is applied to the linear accelerator 9 to generate an electric field for acceleration, and an outgoing beam 11 is obtained. If the current of the extraction beam 14 is constant, the change in the voltage waveform of the electrostatic lens 7 between the pulse beams becomes small.

ここで、プラズマ3が接するイオン源2内の表面の状態の変化によって点火に必要な電子の発生が一定にならず、プラズマ3の点火遅れを生じることが本発明者の実験で明らかとなった。これは、イオン源2に寿命が長く、メンテナンス周期や、稼働率を向上できるマイクロ波イオン源やECRイオン源を用いる場合に特に顕著であることも明らかとなった。そのときの波形の概略を図2に破線で示す。   Here, the experiment of the present inventor has revealed that the generation of electrons necessary for ignition is not constant due to a change in the state of the surface of the ion source 2 in contact with the plasma 3 and the ignition delay of the plasma 3 occurs. . It has also been clarified that this is particularly conspicuous when a microwave ion source or an ECR ion source that has a long lifetime and can improve the maintenance cycle and operating rate is used for the ion source 2. The outline of the waveform at that time is shown by a broken line in FIG.

この点火遅れは、パルスごと変化するものではなく、運転時間に依存し、イオン源2内部の表面の清浄度が高くなるまでの間に不規則かつ不安定に発生するものである。点火遅れ時間は例えば数十ナノ秒程度である。   This ignition delay does not change with each pulse, but depends on the operation time, and is irregularly and unstablely generated until the cleanness of the surface inside the ion source 2 becomes high. The ignition delay time is, for example, about several tens of nanoseconds.

このような点火遅れが発生した場合、ビームリクエストトリガーのタイミングで引き出される引き出しビーム電流の変化は小さいものの、図2の破線で示すように静電レンズ7の電圧変動が発生する。これにより静電レンズ7での集束性が悪化し、直線加速器9でのビーム透過率が減少して出射ビーム11の電流が変化する。電圧変動は、過渡現象であり、例えば数十〜数百マイクロ秒内と短時間である。これを解消するような回路を持つ電源を採用することも可能であるが、非常にコストがかかることから、現実的ではない。   When such an ignition delay occurs, the change in the extracted beam current drawn at the timing of the beam request trigger is small, but the voltage variation of the electrostatic lens 7 occurs as shown by the broken line in FIG. As a result, the focusing property at the electrostatic lens 7 deteriorates, the beam transmittance at the linear accelerator 9 decreases, and the current of the outgoing beam 11 changes. The voltage fluctuation is a transient phenomenon, for example, within a few tens to several hundreds of microseconds. Although it is possible to employ a power supply having a circuit that can solve this problem, it is not practical because it is very expensive.

一方、出射ビーム11の電流を一定にするためには、引き出しビーム量を決定するプラズマ3の生成量を増やすことが考えられる。プラズマ3の生成量を増やすためには、マイクロ波電力、ガス流量などのイオン源2の条件を調整することが考えられる。   On the other hand, in order to make the current of the outgoing beam 11 constant, it is conceivable to increase the generation amount of the plasma 3 that determines the extraction beam amount. In order to increase the amount of plasma 3 generated, it is conceivable to adjust the conditions of the ion source 2 such as microwave power and gas flow rate.

しかし、プラズマ3の生成量を増やすと、引き出し電極5aと減速電極5b、及びこれらの電極に設けられた穴の大きさとイオン源2の条件によって変化するプラズマ密度から決まる引き出しビーム14の発散角が変化するため、引き出しビーム14の発散による静電レンズ7への粒子衝突が増加し、二次電子の増加による静電レンズ7の電圧の低下や、静電レンズ7の損傷がより多く発生することになり、静電レンズ7の寿命が短くなる可能性がある。   However, when the generation amount of the plasma 3 is increased, the divergence angle of the extraction beam 14 determined by the extraction electrode 5a and the deceleration electrode 5b, the size of the holes provided in these electrodes, and the plasma density that varies depending on the conditions of the ion source 2 is obtained. Therefore, the collision of particles with the electrostatic lens 7 due to the divergence of the extraction beam 14 increases, and the voltage drop of the electrostatic lens 7 due to the increase of secondary electrons and the damage of the electrostatic lens 7 occur more. Thus, the life of the electrostatic lens 7 may be shortened.

ここで、点火遅れが生じたとしても、図2に示すように、出射ビーム取り出しタイミング時の引き出しビーム14の電流は変化しない。このことから、静電レンズ7に印加する電圧を調整するほうが、引き出しビーム電流の変化による静電レンズ7へのビーム衝突量が変化せず、静電レンズ7への二次電子流入も変化しないため、制御性がよく、安定した出射ビームを取出せることが本発明者によって明らかとなった。さらに、引き出しビーム14の衝突による静電レンズ7の電極の損傷も低減できる効果があることが明らかとなった。なお、静電レンズ7に印加する電圧の制御は、引き出しビーム電流が変化した場合であっても、上述のように二次電子の影響による静電レンズ7の電圧の低下に対応できるので、有効に作用する。   Here, even if an ignition delay occurs, as shown in FIG. 2, the current of the extraction beam 14 at the extraction beam extraction timing does not change. Therefore, adjusting the voltage applied to the electrostatic lens 7 does not change the beam collision amount to the electrostatic lens 7 due to the change of the extraction beam current, and the secondary electron inflow to the electrostatic lens 7 does not change. For this reason, the present inventor has revealed that the controllability is good and a stable outgoing beam can be extracted. Further, it has been clarified that the damage of the electrode of the electrostatic lens 7 due to the collision of the extraction beam 14 can be reduced. The control of the voltage applied to the electrostatic lens 7 is effective because it can cope with a decrease in the voltage of the electrostatic lens 7 due to the influence of secondary electrons as described above even when the extraction beam current changes. Act on.

次に、図1における荷電粒子ビーム発生装置1の動作について説明する。   Next, the operation of the charged particle beam generator 1 in FIG. 1 will be described.

まず、イオン源2で生成されたプラズマ3から引き出し電極5a、減速電極5b、接地電極5cで構成された引き出し電極系5で引き出しビーム14を得る。その後、入射側電極7a、中央電極7b、出射側電極7cの3枚電極で構成される静電レンズ7で引き出しビーム14を整形して直線加速器9でさらに加速を行った後、出射ビーム11として円形加速器12に入射させる。   First, the extraction beam 14 is obtained from the plasma 3 generated by the ion source 2 by the extraction electrode system 5 including the extraction electrode 5a, the deceleration electrode 5b, and the ground electrode 5c. After that, the extraction beam 14 is shaped by the electrostatic lens 7 composed of the three electrodes of the incident side electrode 7a, the central electrode 7b, and the emission side electrode 7c, and further accelerated by the linear accelerator 9, and then the output beam 11 is obtained. The light enters the circular accelerator 12.

ビーム電流検出器10で出射ビーム11の電流を計測し、制御部13で必要な出射ビーム11との差を計算した後、変化していれば静電レンズ電源8の設定値を変更して静電レンズ7に印加する電圧を調整する。   After measuring the current of the outgoing beam 11 with the beam current detector 10 and calculating the necessary difference with the outgoing beam 11 with the control unit 13, if it has changed, the set value of the electrostatic lens power supply 8 is changed to reduce the static current. The voltage applied to the electric lens 7 is adjusted.

次に動作中の制御部13による制御の流れについて図3を用いて説明する。制御部13は、荷電粒子ビーム発生装置1の運転中は、図3に示すようなフローの制御を実行し続ける。   Next, the flow of control by the controller 13 during operation will be described with reference to FIG. The controller 13 continues to execute the flow control as shown in FIG. 3 while the charged particle beam generator 1 is in operation.

最初に、制御部13は、ビーム電流検出器10によるビーム電流計測結果の入力を受ける(ステップS11)。   First, the control unit 13 receives an input of a beam current measurement result from the beam current detector 10 (step S11).

次いで、制御部13は、ビーム電流検出器10で検出された出射ビーム電流値が、円形加速器12で必要とするビーム電流値に対して変化しているかを計算し、またその変化量が予め設定された許容範囲内に収まっているか否かを判定する(ステップS12)。   Next, the control unit 13 calculates whether the output beam current value detected by the beam current detector 10 changes with respect to the beam current value required by the circular accelerator 12, and the amount of change is set in advance. It is determined whether it is within the allowable range (step S12).

ステップS12において許容範囲内であると判定されたときは処理を終了する。これに対し、許容範囲内ではないと判定されたときは処理をステップS13に進める。   If it is determined in step S12 that the value is within the allowable range, the process ends. On the other hand, if it is determined that it is not within the allowable range, the process proceeds to step S13.

次いで、制御部13は、現在の静電レンズ電圧に、ある設定された増加量分の電圧dVを加えて静電レンズ電源8に設定する、あるいは減少量分の電圧dVを減じて静電レンズ電源8に設定する(ステップS13)。   Next, the control unit 13 adds the voltage dV corresponding to a set increase amount to the current electrostatic lens voltage and sets it to the electrostatic lens power supply 8, or reduces the voltage dV corresponding to the decrease amount to reduce the electrostatic lens. The power source 8 is set (step S13).

試験によれば、出射ビーム電流が設定値より高い場合は電圧を上げる方向で、逆に設定値より低い場合は電圧を下げる方向とする。また、増加量あるいは減少量としては例えば電圧が30kV程度の場合、増加させる電圧は0.2〜0.4kVなどである。   According to the test, when the outgoing beam current is higher than the set value, the voltage is increased. Conversely, when the output beam current is lower than the set value, the voltage is decreased. As an increase or decrease, for example, when the voltage is about 30 kV, the voltage to be increased is 0.2 to 0.4 kV.

その後、処理を終了する。   Thereafter, the process ends.

次に、本実施例の効果について説明する。   Next, the effect of the present embodiment will be described.

上述した本実施例1の荷電粒子ビーム発生装置1は、イオン源2と、引き出し電極系5と、引き出し電極系5によって引き出された引き出しビーム14を集束させる静電レンズ7と、引き出しビーム14を加速する直線加速器9と、静電レンズ7を通過した以降の引き出しビーム14または出射ビーム11のビーム電流を検出するビーム電流検出器10と、ビーム電流検出器10によって検出されたビーム電流に応じて静電レンズ7に印加する電圧を制御する制御部13と、を備えている。   The charged particle beam generator 1 according to the first embodiment described above includes the ion source 2, the extraction electrode system 5, the electrostatic lens 7 that focuses the extraction beam 14 extracted by the extraction electrode system 5, and the extraction beam 14. In accordance with the beam current detected by the beam current detector 10, the linear current accelerator 9 that accelerates, the beam current detector 10 that detects the beam current of the extraction beam 14 or the outgoing beam 11 after passing through the electrostatic lens 7, and the beam current detector 10. And a control unit 13 that controls a voltage applied to the electrostatic lens 7.

上記のように構成することで、静電レンズ7に正電極をはさむように設けた負電極を設けずに直線加速器9からの出射ビーム電流を一定に保つことができる。すなわち、静電レンズ7の形状を変更することなく、簡単でかつ低コストとすることが可能な構成で直線加速器9からの出射ビーム電流を一定に保つことができる。従って、不要な装置停止が従来の装置に比べて抑制された、安定動作する荷電粒子ビーム発生装置1やその運転方法を提供することができる。さらに、プラズマ3の点火遅れによる静電レンズ7の電圧変化に対する出射ビーム電流の変化にも対応できる、との効果が得られる。   By configuring as described above, the beam current emitted from the linear accelerator 9 can be kept constant without providing the negative electrode provided so as to sandwich the positive electrode on the electrostatic lens 7. That is, the output beam current from the linear accelerator 9 can be kept constant with a simple and low-cost configuration without changing the shape of the electrostatic lens 7. Therefore, it is possible to provide a charged particle beam generator 1 that operates stably and an operation method thereof, in which unnecessary apparatus stoppage is suppressed as compared with the conventional apparatus. Further, it is possible to cope with the change in the output beam current with respect to the voltage change of the electrostatic lens 7 due to the ignition delay of the plasma 3.

また、制御部13は、検出されたビーム電流の変化量に応じて、電圧を予め設定した変化量だけ増加あるいは減少させることにより、より高い精度で直線加速器9からの出射ビーム電流を一定に保つことができ、より安定した動作を実現することができる。   Further, the control unit 13 keeps the beam current emitted from the linear accelerator 9 constant with higher accuracy by increasing or decreasing the voltage by a preset change amount according to the detected change amount of the beam current. And more stable operation can be realized.

更に、ビーム電流検出器10を直線加速器9より下流側に設置することにより、発生させた荷電粒子ビームを利用する系に入射する直前、すなわち発生装置に要求されるビームに最も近い箇所のビーム電流に応じて静電レンズ7に印加する電圧を制御することができ、より正確で、かつ安定した動作を実現することができる。   Further, by installing the beam current detector 10 on the downstream side of the linear accelerator 9, the beam current at the position closest to the beam required for the generator immediately before entering the system using the generated charged particle beam is obtained. Accordingly, the voltage applied to the electrostatic lens 7 can be controlled, and a more accurate and stable operation can be realized.

以下、実施例1における荷電粒子ビーム発生装置の変形例について図4および図5を用いて説明する。図4は、本実施例の荷電粒子ビーム発生装置の装置構成を示す概略図である。図5は静電レンズの電圧低下状況と、イオン源での点火遅れ時の静電レンズ電圧の電圧低下時の制御方法を示した図である。   Hereinafter, a modified example of the charged particle beam generator in the first embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the charged particle beam generator according to the present embodiment. FIG. 5 is a diagram showing a voltage drop state of the electrostatic lens and a control method when the voltage of the electrostatic lens voltage drops when the ignition is delayed in the ion source.

図4に示す荷電粒子ビーム発生装置1Aは、図1に示す荷電粒子ビーム発生装置1が更に静電レンズ7の電圧を検出する電圧計8aを備えているものである。また、制御部13の替わりに、電圧計8aで検出された静電レンズ電圧を必要とするビーム電流が得られている場合の静電レンズ電圧と比較し、予め設定した静電レンズ電圧の変動許容範囲外になった場合に不足電圧分を加えるよう制御する制御部13Aと、電圧計8aで検出された静電レンズ電圧を表示する表示部23、正常時のビーム出射時刻における静電レンズ電圧を記憶する記憶部24を備えている。   A charged particle beam generator 1A shown in FIG. 4 includes a voltmeter 8a that further detects the voltage of the electrostatic lens 7 in the charged particle beam generator 1 shown in FIG. Further, instead of the control unit 13, the variation of the electrostatic lens voltage set in advance is compared with the electrostatic lens voltage when the beam current that requires the electrostatic lens voltage detected by the voltmeter 8 a is obtained. Control unit 13A that controls to add an insufficient voltage when it is outside the allowable range, display unit 23 that displays the electrostatic lens voltage detected by voltmeter 8a, electrostatic lens voltage at the normal beam emission time Is stored.

上述した図2や図5に示すように、点火遅れが生じても引き出しビーム電流の立ち上がりは点火遅れがない場合と同じであり、静電レンズ電源8の低下も時間がずれるだけで、同様の変化量で低下する。また、ビーム出射時刻は変化しないため、ビーム出射時刻での静電レンズ電圧がdVだけ上昇することになる。   As shown in FIG. 2 and FIG. 5 described above, even when an ignition delay occurs, the rise of the extracted beam current is the same as when there is no ignition delay. Decreases with the amount of change. Further, since the beam emission time does not change, the electrostatic lens voltage at the beam emission time increases by dV.

そこで、出射ビーム11を得るごとに静電レンズ電圧を電圧計8aで計測して、制御部13Aでは、ビーム電流検出器10で計測したビーム電流に応じて静電レンズ7に印加する電圧を制御する。更に、記憶部24で記憶している正常時の静電レンズ電圧と比較し、この電圧の差分が予め設定した変動許容範囲を超えた場合は、記憶したレンズ電圧からの変動電圧dVだけレンズ電圧を上げる、もしくは下げるように静電レンズ電源8に信号を出力する制御を行う。   Therefore, each time the outgoing beam 11 is obtained, the electrostatic lens voltage is measured by the voltmeter 8a, and the controller 13A controls the voltage applied to the electrostatic lens 7 in accordance with the beam current measured by the beam current detector 10. To do. Further, in comparison with the normal electrostatic lens voltage stored in the storage unit 24, if the difference between the voltages exceeds a preset variation allowable range, the lens voltage is changed by the variation voltage dV from the stored lens voltage. Control is performed to output a signal to the electrostatic lens power supply 8 so as to raise or lower the value.

なお、ビーム出射時刻の電圧だけでなく、電圧計8aによって電圧波形を計測して、正常時の電圧波形と比較して静電レンズ7に印加する電圧を制御することも可能である。   It is possible to measure not only the voltage at the beam emission time but also the voltage waveform by the voltmeter 8a and control the voltage applied to the electrostatic lens 7 in comparison with the voltage waveform at the normal time.

このような制御によれば、より高い精度で直線加速器9からの出射ビーム電流を一定に保つことができ、より安定した動作を実現することができる。   According to such control, the output beam current from the linear accelerator 9 can be kept constant with higher accuracy, and more stable operation can be realized.

また、ビーム電流検出器10を直線加速器9より下流側に設置して出射ビーム11の電流を見る形態に限られず、ビーム電流検出器10を静電レンズ7の直後に配置することができる。この場合、直線加速器9を、例えば加速で用いる高周波等を停止するなどしてビーム出射を停止して、正常な電流値になるまで待機することが可能である。また、数パルスで設定のビーム電流にならなかった場合は、ビーム出射を停止するように制御することも可能である。   The beam current detector 10 is not limited to the configuration in which the beam current detector 10 is disposed downstream of the linear accelerator 9 and the current of the emitted beam 11 is observed, and the beam current detector 10 can be disposed immediately after the electrostatic lens 7. In this case, it is possible for the linear accelerator 9 to stop the beam emission, for example, by stopping the high frequency used for acceleration, and to stand by until a normal current value is obtained. Further, when the set beam current is not reached with several pulses, it is possible to control to stop the beam emission.

このように静電レンズ7に印加する電圧を変化させる際に、直線加速器9の動作を停止させることで、より安定した出射ビームが得られることから、安定した動作を実現することができる。   As described above, when the voltage applied to the electrostatic lens 7 is changed, by stopping the operation of the linear accelerator 9, a more stable outgoing beam can be obtained, so that a stable operation can be realized.

なお、ビーム電流検出器10を直線加速器9より下流側と静電レンズ7の直後のいずれにも配置することも可能である。   It is possible to arrange the beam current detector 10 either on the downstream side of the linear accelerator 9 or immediately after the electrostatic lens 7.

<実施例2>
本発明の実施例2の荷電粒子ビーム発生装置およびその運転方法について図6および図7を用いて説明する。実施例1と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施例においても同様とする。
<Example 2>
A charged particle beam generator and its operation method according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The same applies to the following embodiments.

図6に示す本実施例の荷電粒子ビーム発生装置1Bは、静電レンズ7の前後の真空度にも応じて静電レンズ7に印加する電圧を制御するとともに、機械学習器19を用いるものである。   The charged particle beam generator 1B of the present embodiment shown in FIG. 6 controls the voltage applied to the electrostatic lens 7 according to the degree of vacuum before and after the electrostatic lens 7, and uses a machine learning device 19. is there.

図6に示す荷電粒子ビーム発生装置1Bは、イオン源2と、真空容器4と、引き出し電極系5と、静電レンズ7と、直線加速器9と、ビーム電流検出器10と、静電レンズ電源8と、電圧計8aと、制御部13Bと、減速電源16と、引き出し電源15と、機械学習器19と、第1真空計17と、第2真空計18で構成される。   A charged particle beam generator 1B shown in FIG. 6 includes an ion source 2, a vacuum vessel 4, an extraction electrode system 5, an electrostatic lens 7, a linear accelerator 9, a beam current detector 10, and an electrostatic lens power source. 8, a voltmeter 8 a, a control unit 13 </ b> B, a deceleration power supply 16, a drawer power supply 15, a machine learning device 19, a first vacuum gauge 17, and a second vacuum gauge 18.

第1真空計17は、引き出し電極系5の後、かつ静電レンズ7の前である真空容器4の真空度を計測する。第2真空計18は直線加速器9内の真空度を計測する。   The first vacuum gauge 17 measures the degree of vacuum of the vacuum vessel 4 after the extraction electrode system 5 and before the electrostatic lens 7. The second vacuum gauge 18 measures the degree of vacuum in the linear accelerator 9.

引き出しビーム14は正電荷を持つ粒子であり、粒子同士の反発力によって広がってしまう。しかし、残留ガスとの衝突によって発生した電子によって発散は抑えられるが、真空度がよくなるにつれて、残留ガスが減り、発散が大きくなる。このため静電レンズ7の集束力が変化して、出射ビーム電流が変化する。   The extraction beam 14 is a particle having a positive charge and spreads due to the repulsive force between the particles. However, the divergence is suppressed by the electrons generated by the collision with the residual gas, but the residual gas decreases and the divergence increases as the degree of vacuum increases. For this reason, the focusing force of the electrostatic lens 7 changes, and the outgoing beam current changes.

真空容器4内の真空度の変化に対しては実施例1の制御によっても対応することは可能であるが、より確実に真空容器4内の真空度の変化に対応できることが望まれる。   Although it is possible to cope with the change in the degree of vacuum in the vacuum vessel 4 by the control of the first embodiment, it is desired that the change in the degree of vacuum in the vacuum vessel 4 can be dealt with more reliably.

また、直線加速器9内の真空度が変化した場合に、レンズ電圧を戻しても直線加速器9内の真空度の変化によってビームが発散し、最終的に出射ビーム電流値が変化することをより確実に抑制するための制御を行うことが望まれる。   Further, when the degree of vacuum in the linear accelerator 9 changes, the beam diverges due to the change in the degree of vacuum in the linear accelerator 9 even if the lens voltage is returned, and the outgoing beam current value finally changes more reliably. It is desired to perform control for suppressing the noise.

そこで、本実施例の荷電粒子ビーム発生装置1Bでは、真空容器4の真空度を第1真空計17で計測するとともに、直線加速器9の真空度を第2真空計18で計測して、制御部13Bはこれら検出された真空度と出射ビーム電流の値に応じて静電レンズ7に印加する電圧を調整する。   Therefore, in the charged particle beam generator 1B of the present embodiment, the vacuum degree of the vacuum vessel 4 is measured by the first vacuum gauge 17, and the vacuum degree of the linear accelerator 9 is measured by the second vacuum gauge 18, so that the control unit 13B adjusts the voltage applied to the electrostatic lens 7 in accordance with the detected degree of vacuum and the value of the outgoing beam current.

機械学習器19は、電圧計8aで検出された静電レンズ電圧を継続的に機械学習し、制御部13Bは機械学習器19で学習した電圧の値に応じて静電レンズ7に印加する電圧を制御する。機械学習器19における機械学習法は特に限定されず、様々な公知の方法(例えば、ニューラルネットワークや決定木学習、相関ルール学習、遺伝的プログラミング、サポートベクターマシン、ベイジアンネットワークなど)を用いることができる。   The machine learner 19 continuously learns the electrostatic lens voltage detected by the voltmeter 8a, and the control unit 13B applies a voltage to the electrostatic lens 7 according to the value of the voltage learned by the machine learner 19. To control. The machine learning method in the machine learner 19 is not particularly limited, and various known methods (for example, neural network, decision tree learning, correlation rule learning, genetic programming, support vector machine, Bayesian network, etc.) can be used. .

次に制御部13Bによる制御の流れについて図7を用いて説明する。制御部13Bは、荷電粒子ビーム発生装置1Bの運転中は、図7に示すようなフローの制御を実行し続ける。   Next, the flow of control by the control unit 13B will be described with reference to FIG. The controller 13B continues to execute the flow control as shown in FIG. 7 while the charged particle beam generator 1B is in operation.

最初に、制御部13Bは、ビーム電流検出器10によるビーム電流計測結果の入力を受ける(ステップS21)。   First, the control unit 13B receives an input of a beam current measurement result from the beam current detector 10 (step S21).

次いで、制御部13Bは、第1真空計17および第2真空計18による真空度の計測結果、および電圧計8aによる静電レンズ電圧の計測結果の入力を受ける(ステップS22)。   Next, the control unit 13B receives the measurement result of the degree of vacuum by the first vacuum gauge 17 and the second vacuum gauge 18 and the measurement result of the electrostatic lens voltage by the voltmeter 8a (step S22).

次いで、制御部13Bは、ステップS21において入力された電流値およびステップS22において入力された真空度および静電レンズ電圧が許容範囲内であるか否かを判定する(ステップS23)。許容範囲内であると判定されたときは処理をステップS24に進める。これに対し、許容範囲内ではないと判定されたときは処理をステップS25に進める。   Next, the control unit 13B determines whether or not the current value input in step S21 and the degree of vacuum and electrostatic lens voltage input in step S22 are within allowable ranges (step S23). If it is determined that the value is within the allowable range, the process proceeds to step S24. On the other hand, if it is determined that it is not within the allowable range, the process proceeds to step S25.

ステップS23において許容範囲内であると判定されたときは、制御部13Bは、機械学習器19において出射ビーム電流が設定範囲内にある場合の各部位の計測値を正常範囲として機械学習するとともに、直線加速器9内の真空度と関連付けして機械学習し、その後の設定値変更に反映させる(ステップS24)。その後、処理を終了する。   When it is determined in step S23 that it is within the allowable range, the control unit 13B performs machine learning using the machine learning device 19 with the measurement values of the respective parts when the emission beam current is within the set range as the normal range, Machine learning is performed in association with the degree of vacuum in the linear accelerator 9 and reflected in the subsequent set value change (step S24). Thereafter, the process ends.

これに対し、ステップS23において許容範囲内ではないと判定されたときは、制御部13Bは、静電レンズ7に印加する電圧の調整を行う(ステップS25)。この際、ビーム電流値に加え、機械学習の結果および真空度を考慮して印加する電圧を調整する。例えば、真空度が高くなった場合は、レンズ電圧を上げるなどの調整を行う。その後、処理を終了する。   On the other hand, when it is determined in step S23 that it is not within the allowable range, the control unit 13B adjusts the voltage applied to the electrostatic lens 7 (step S25). At this time, in addition to the beam current value, the applied voltage is adjusted in consideration of the result of machine learning and the degree of vacuum. For example, when the degree of vacuum increases, adjustment such as increasing the lens voltage is performed. Thereafter, the process ends.

その他の構成・動作は前述した実施例1の荷電粒子ビーム発生装置およびその運転方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。   Other configurations and operations are substantially the same configurations and operations as the charged particle beam generator and its operation method of the first embodiment described above, and the details are omitted.

本発明の実施例2の荷電粒子ビーム発生装置1Bおよびその運転方法においても、前述した実施例1の荷電粒子ビーム発生装置1,1Aおよびその運転方法とほぼ同様な効果が得られる。   In the charged particle beam generator 1B and the operation method thereof according to the second embodiment of the present invention, substantially the same effects as those of the charged particle beam generators 1 and 1A and the operation method thereof according to the first embodiment can be obtained.

また、引き出し電極系5の後、かつ静電レンズ7の前の真空度を検出する第1真空計17や、直線加速器9内の真空度を検出する第2真空計18を更に備え、制御部13Bは、更に、第1真空計17や第2真空計18で検出された真空度に応じて静電レンズ7に印加する電圧を制御することで、真空度の変化による直線加速器9へのビーム照射による電極等の損傷を防止できるため、装置寿命を延ばすことができ、稼働率向上にもつながるという効果が得られる。   Further, the controller further includes a first vacuum gauge 17 for detecting the degree of vacuum after the extraction electrode system 5 and before the electrostatic lens 7 and a second vacuum gauge 18 for detecting the degree of vacuum in the linear accelerator 9. 13B further controls the voltage applied to the electrostatic lens 7 in accordance with the degree of vacuum detected by the first vacuum gauge 17 and the second vacuum gauge 18, thereby allowing the beam to the linear accelerator 9 due to the change in the degree of vacuum. Since damage to electrodes and the like due to irradiation can be prevented, the life of the apparatus can be extended, and the effect of improving the operating rate can be obtained.

特に、第1真空計17を備え、それを利用した制御を行うことにより、エネルギーが低いために空間電荷の影響を大きく受ける引き出しビーム14の状態に応じた制御が可能となり、より安定した出射ビーム制御が可能となる。また、第2真空計18を備え、それを利用した制御を行うことにより、直線加速器9内の真空度の変化に応じた出射ビーム制御ができ、より安定した出射ビーム電流の制御が可能となる。   In particular, by providing the first vacuum gauge 17 and performing control using the first vacuum gauge 17, control according to the state of the extraction beam 14 that is greatly affected by space charge due to low energy becomes possible, and a more stable outgoing beam Control becomes possible. Further, by providing the second vacuum gauge 18 and performing control using the second vacuum gauge 18, the outgoing beam control according to the change in the degree of vacuum in the linear accelerator 9 can be performed, and the outgoing beam current can be controlled more stably. .

また、静電レンズ7電圧を継続的に機械学習する機械学習器19を更に備え、制御部13Bは、更に、機械学習器19で学習した静電レンズ電圧の値に応じて静電レンズ7に印加する電圧を制御することにより、出射ビーム電流の変動をより確実に抑えることができる。   Further, the machine learning device 19 for continuously machine learning the voltage of the electrostatic lens 7 is further provided, and the control unit 13B further controls the electrostatic lens 7 according to the value of the electrostatic lens voltage learned by the machine learning device 19. By controlling the voltage to be applied, fluctuations in the output beam current can be suppressed more reliably.

なお、上述した実施例2では、第1真空計17、第2真空計18、機械学習器19のいずれも備えている場合について説明したが、第1真空計17のみを設けることができる。また、同様に、第2真空計18のみを設けること、機械学習器19のみを設けることが可能である。更には、第1真空計17と第2真空計18を設ける、第1真空計17と機械学習器19を設ける、機械学習器19と第2真空計18を設ける、のいずれかとすることができる。   In the second embodiment described above, the case where all of the first vacuum gauge 17, the second vacuum gauge 18, and the machine learning device 19 are provided has been described. However, only the first vacuum gauge 17 can be provided. Similarly, it is possible to provide only the second vacuum gauge 18 and only the machine learning device 19. Furthermore, the first vacuum gauge 17 and the second vacuum gauge 18 may be provided, the first vacuum gauge 17 and the machine learner 19 may be provided, or the machine learner 19 and the second vacuum gauge 18 may be provided. .

また、機械学習器19は、電圧計8aで検出した静電レンズ電圧を機械学習する形態のみならず、静電レンズ電圧と出射ビーム電流との関係について学習することができる。このような形態とすることで、機械学習器19を実施例1の荷電粒子ビーム発生装置1,1Aに適用することが可能となる。   The machine learning device 19 can learn not only the form of machine learning of the electrostatic lens voltage detected by the voltmeter 8a but also the relationship between the electrostatic lens voltage and the outgoing beam current. By adopting such a configuration, the machine learning device 19 can be applied to the charged particle beam generators 1 and 1A of the first embodiment.

<実施例3>
本発明の実施例3の粒子線治療装置について図8を用いて説明する。
<Example 3>
A particle beam therapy system according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図8において、本実施例の粒子線治療装置100は、荷電粒子ビーム発生装置1、シンクロトロン型加速器50、ビーム輸送系51、照射装置52、治療台53、制御装置56で構成される。   In FIG. 8, the particle beam therapy system 100 according to this embodiment includes a charged particle beam generator 1, a synchrotron accelerator 50, a beam transport system 51, an irradiation device 52, a treatment table 53, and a control device 56.

荷電粒子ビーム発生装置1は、実施例1で説明したものであり、治療に用いられる荷電粒子ビームを発生させ、シンクロトロン型加速器50に入射するのに適した速度まで加速する機器である。   The charged particle beam generator 1 is the device described in the first embodiment, and is a device that generates a charged particle beam used for treatment and accelerates it to a speed suitable for entering the synchrotron accelerator 50.

なお、荷電粒子ビーム発生装置は実施例1に示す荷電粒子ビーム発生装置1に限られず、実施例1の変形例で説明した荷電粒子ビーム発生装置1Aや実施例2で説明した荷電粒子ビーム発生装置1Bとすることができる。   The charged particle beam generator is not limited to the charged particle beam generator 1 shown in the first embodiment, and the charged particle beam generator 1A described in the modification of the first embodiment and the charged particle beam generator described in the second embodiment. 1B.

シンクロトロン型加速器50は、荷電粒子ビーム発生装置1で所定の速度まで加速された荷電粒子ビームを照射に適したエネルギーまで更に加速する加速器である。シンクロトロン型加速器50は、偏向電磁石や、高周波加速空胴、出射装置などから構成される。なお、シンクロトロン型加速器50を用いる場合について説明したが、加速器は高周波電源装置を備えていればよく、例えばサイクロトロン型加速器やシンクロサイクロトロン型加速器など、他の加速器でもかまわない。   The synchrotron accelerator 50 is an accelerator that further accelerates the charged particle beam accelerated to a predetermined speed by the charged particle beam generator 1 to energy suitable for irradiation. The synchrotron accelerator 50 includes a bending electromagnet, a high-frequency acceleration cavity, an emission device, and the like. Although the case of using the synchrotron accelerator 50 has been described, the accelerator may be provided with a high-frequency power supply device, and other accelerators such as a cyclotron accelerator and a synchrocyclotron accelerator may be used.

ビーム輸送系51はシンクロトロン型加速器50に接続されており、シンクロトロン型加速器50で加速され、出射された荷電粒子ビームを照射装置52に導く。   The beam transport system 51 is connected to a synchrotron accelerator 50, and is accelerated by the synchrotron accelerator 50 and guides the emitted charged particle beam to the irradiation device 52.

照射装置52は治療室に設けられており、荷電粒子ビームを照射するための機器であり、ビームの軌道に対して垂直な平面内の直交する二方向(以下、まとめて横方向と定義する)に独立にビームが走査させる二台の走査電磁石、ビームモニタ等を備えている。   The irradiation device 52 is provided in the treatment room, and is a device for irradiating a charged particle beam. The irradiation device 52 is in two orthogonal directions in a plane perpendicular to the trajectory of the beam (hereinafter collectively referred to as a lateral direction). Are equipped with two scanning electromagnets, a beam monitor and the like that allow the beam to scan independently.

治療台53は、荷電粒子ビームの照射対象である患者54をのせるベッドである。   The treatment table 53 is a bed on which a patient 54 to be irradiated with a charged particle beam is placed.

制御装置56は、上述のシンクロトロン型加速器50をはじめとした粒子線治療装置100内の各装置,機器の動作を制御する。本実施例の制御装置56内には、図1に示す制御部13が配置されている。   The control device 56 controls the operation of each device and apparatus in the particle beam therapy system 100 including the synchrotron accelerator 50 described above. The control unit 13 shown in FIG. 1 is arranged in the control device 56 of the present embodiment.

図8に示すような粒子線治療装置100では、荷電粒子ビーム発生装置1で発生させた荷電粒子ビームをシンクロトロン型加速器50でさらにエネルギーを上げて加速し、ビーム輸送系51を用いて照射装置52まで輸送される。輸送された荷電粒子ビームは照射装置52で患部形状に合致するように整形され、治療台53上に横になった患者54の標的に対して所定量照射される。   In the particle beam therapy system 100 as shown in FIG. 8, the charged particle beam generated by the charged particle beam generator 1 is further accelerated by increasing the energy by the synchrotron accelerator 50, and the irradiation device is used by using the beam transport system 51. Transported to 52. The transported charged particle beam is shaped by the irradiation device 52 so as to match the shape of the affected part, and is irradiated to a target of the patient 54 lying on the treatment table 53 by a predetermined amount.

荷電粒子ビーム発生装置1の制御方法や運転動作は、実施例1と略同じであるため、詳細は省略する。   Since the control method and operation of the charged particle beam generator 1 are substantially the same as those in the first embodiment, the details are omitted.

本発明の実施例3の粒子線治療装置は、前述した実施例1の荷電粒子ビーム発生装置を備えていることから、直線加速器9から出射されるビーム電流が一定に保たれており、不要な装置停止が抑制されている。このため、安定した荷電粒子ビームの照射が可能であり、治療時間の短縮を図ることができる。また、低コストでの運用が可能である。   Since the particle beam therapy system according to the third embodiment of the present invention includes the charged particle beam generation apparatus according to the first embodiment described above, the beam current emitted from the linear accelerator 9 is kept constant, which is unnecessary. Device stoppage is suppressed. Therefore, stable charged particle beam irradiation is possible, and the treatment time can be shortened. In addition, operation at a low cost is possible.

<その他>
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る。例えば、上記した実施例は本発明をわ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。
<Others>
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.

1,1A,1B…荷電粒子ビーム発生装置
2…イオン源
3…プラズマ
4…真空容器
5…引き出し電極系
5a…引き出し電極
5b…減速電極
5c…接地電極
7…静電レンズ
7a…入射側電極
7b…中央電極
7c…出射側電極
8…静電レンズ電源
8a…電圧計
9…直線加速器
10…ビーム電流検出器
11…出射ビーム
12…円形加速器
13,13A,13B…制御部
14…引き出しビーム
15…引き出し電源
16…減速電源
17…第1真空計
18…第2真空計
19…機械学習器
23…表示部
24…記憶部
50…シンクロトロン型加速器
51…ビーム輸送系
52…照射装置
53…治療台
54…患者
56…制御装置
100…粒子線治療装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A, 1B ... Charged particle beam generator 2 ... Ion source 3 ... Plasma 4 ... Vacuum container 5 ... Extraction electrode system 5a ... Extraction electrode 5b ... Deceleration electrode 5c ... Ground electrode 7 ... Electrostatic lens 7a ... Incident side electrode 7b ... center electrode 7c ... exit side electrode 8 ... electrostatic lens power supply 8a ... voltmeter 9 ... linear accelerator 10 ... beam current detector 11 ... exit beam 12 ... circular accelerators 13, 13A, 13B ... control unit 14 ... extraction beam 15 ... Drawer power supply 16 ... Deceleration power supply 17 ... First vacuum gauge 18 ... Second vacuum gauge 19 ... Machine learning device 23 ... Display unit 24 ... Storage unit 50 ... Synchrotron accelerator 51 ... Beam transport system 52 ... Irradiation device 53 ... Treatment table 54 ... Patient 56 ... Control device 100 ... Particle beam therapy device

Claims (15)

イオンを生成するイオン源と、
前記イオン源から前記イオンを引き出し、荷電粒子ビームとするための引き出し電極系と、
前記引き出し電極系によって引き出された前記荷電粒子ビームを集束させる静電レンズと、
前記荷電粒子ビームを加速する直線加速器と、
前記静電レンズを通過した以降の前記荷電粒子ビームのビーム電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器によって検出されたビーム電流に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する制御部と、を備えた
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
An ion source for generating ions;
An extraction electrode system for extracting the ions from the ion source into a charged particle beam;
An electrostatic lens for focusing the charged particle beam extracted by the extraction electrode system;
A linear accelerator for accelerating the charged particle beam;
A current detector for detecting a beam current of the charged particle beam after passing through the electrostatic lens;
A charged particle beam generation apparatus comprising: a control unit that controls a voltage applied to the electrostatic lens in accordance with a beam current detected by the current detector.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記制御部は、検出されたビーム電流の変化量に応じて、前記電圧を予め設定した変化量だけ増加あるいは減少させる
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
The charged particle beam generator according to claim 1,
The charged particle beam generator according to claim 1, wherein the controller increases or decreases the voltage by a preset change amount according to the detected change amount of the beam current.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記静電レンズの電圧を検出する電圧計を更に備え、
前記制御部は、更に、前記電圧計で検出された静電レンズ電圧を必要とするビーム電流が得られている場合の静電レンズ電圧と比較し、予め設定したレンズ電圧の変動範囲外になった場合に不足電圧分を加える
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
The charged particle beam generator according to claim 1,
A voltmeter for detecting the voltage of the electrostatic lens;
The control unit is further compared with the electrostatic lens voltage when a beam current requiring the electrostatic lens voltage detected by the voltmeter is obtained, and is outside a preset lens voltage fluctuation range. A charged particle beam generator characterized by applying an insufficient voltage in the event of a failure.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記引き出し電極系の後、かつ前記静電レンズの前の真空度を検出する第1真空計を更に備え、
前記制御部は、更に、前記第1真空計で検出された真空度に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
The charged particle beam generator according to claim 1,
A first vacuum gauge for detecting a degree of vacuum after the extraction electrode system and before the electrostatic lens;
The control unit further controls a voltage applied to the electrostatic lens according to a degree of vacuum detected by the first vacuum gauge. A charged particle beam generator.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記直線加速器内の真空度を検出する第2真空計を更に備え、
前記制御部は、更に、前記第2真空計で検出された真空度に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
The charged particle beam generator according to claim 1,
A second vacuum gauge for detecting a degree of vacuum in the linear accelerator;
The controller further controls a voltage to be applied to the electrostatic lens according to a degree of vacuum detected by the second vacuum gauge.
請求項3に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記静電レンズ電圧を継続的に機械学習する機械学習器を更に備え、
前記制御部は、更に、前記機械学習器で学習した前記静電レンズ電圧の値に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
In the charged particle beam generator according to claim 3,
A machine learner for continuously machine learning the electrostatic lens voltage;
The controller further controls a voltage to be applied to the electrostatic lens according to the value of the electrostatic lens voltage learned by the machine learning device.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記電流検出器を前記直線加速器より下流側に設置する
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
The charged particle beam generator according to claim 1,
The charged particle beam generator, wherein the current detector is installed downstream of the linear accelerator.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記制御部は、前記静電レンズに印加する電圧を変化させる際は、前記直線加速器の動作を停止させる
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
The charged particle beam generator according to claim 1,
The control unit stops the operation of the linear accelerator when changing the voltage applied to the electrostatic lens.
請求項3に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記電流検出器で検出したビーム電流、前記電圧計で検出された前記静電レンズ電圧を表示する表示部を更に備えた
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
In the charged particle beam generator according to claim 3,
A charged particle beam generator, further comprising a display unit for displaying the beam current detected by the current detector and the electrostatic lens voltage detected by the voltmeter.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記イオン源は、マイクロ波イオン源、ECRイオン源のいずれかである
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
The charged particle beam generator according to claim 1,
The ion source is either a microwave ion source or an ECR ion source.
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の荷電粒子ビーム発生装置と、
前記荷電粒子ビーム発生装置で発生させた荷電粒子ビームを加速する円形加速器と、
前記円形加速器で加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系で輸送された荷電粒子ビームを照射する照射装置と、
前記荷電粒子ビームの照射対象をのせる治療台と、を有する
ことを特徴とする粒子線治療装置。
The charged particle beam generator according to any one of claims 1 to 10,
A circular accelerator for accelerating the charged particle beam generated by the charged particle beam generator;
A beam transport system for transporting a charged particle beam accelerated by the circular accelerator;
An irradiation device for irradiating the charged particle beam transported by the beam transport system;
And a treatment table on which the charged particle beam irradiation target is placed.
イオンを生成するイオン源と、前記イオン源から前記イオンを引き出し、荷電粒子ビームとするための引き出し電極系と、前記引き出し電極系によって引き出された前記荷電粒子ビームを集束させる静電レンズと、前記荷電粒子ビームを加速する直線加速器と、前記静電レンズを通過した以降の前記荷電粒子ビームのビーム電流を検出する電流検出器と、前記静電レンズに印加する電圧を制御する制御部と、を備えた荷電粒子ビーム発生装置の運転方法であって、
前記電流検出器によって検出されたビーム電流に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
An ion source for generating ions; an extraction electrode system for extracting the ions from the ion source to form a charged particle beam; an electrostatic lens for focusing the charged particle beam extracted by the extraction electrode system; A linear accelerator for accelerating a charged particle beam, a current detector for detecting a beam current of the charged particle beam after passing through the electrostatic lens, and a controller for controlling a voltage applied to the electrostatic lens. A charged particle beam generator operating method comprising:
A method for operating a charged particle beam generator, comprising: controlling a voltage applied to the electrostatic lens in accordance with a beam current detected by the current detector.
請求項12に記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
検出されたビーム電流の変化量に応じて、前記電圧を予め設定した変化量だけ増加あるいは減少させる
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
In the operation method of the charged particle beam generator according to claim 12,
A method for operating a charged particle beam generator, wherein the voltage is increased or decreased by a preset change amount according to a detected change amount of the beam current.
請求項12に記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
前記ビーム電流の検出を前記直線加速器より下流側で行う
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
In the operation method of the charged particle beam generator according to claim 12,
The method for operating a charged particle beam generator, wherein the beam current is detected downstream of the linear accelerator.
請求項12に記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
前記静電レンズに印加する電圧を変化させる際は、前記直線加速器の動作を停止させる
ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
In the operation method of the charged particle beam generator according to claim 12,
When the voltage applied to the electrostatic lens is changed, the operation of the linear accelerator is stopped.
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