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
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Abstract
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
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
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
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.
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>
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
<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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
<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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
<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
Claims (15)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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