JP2021512326A - 荷電粒子のビームを特性評価するためのシステムおよびそのようなシステムを含む荷電粒子のビームを生成するための機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、荷電粒子のビーム（Ｆ）の特性評価のためのシステム（１）であって、スタックを含み、該スタックは、導電性材料から形成された超薄型パターン（２０）と、パターンを担持する薄い基板（１０）とを含み、スタックは放射電極（２）を形成し、該放射電極は、該放射電極を荷電粒子のビームが通過するとき、パターンの表面（２２）の近傍で二次電子（ｅ−）を放出することができる、システムに関する。【選択図】図５ａ

Description

本発明は、荷電粒子のビームを特性評価するためのシステム、およびそのようなシステムを備える荷電粒子のビームを生成するための機械に関する。これは特に、真空中の荷電粒子のビームの位置、プロファイル、および／または強度を測定することを意図しており、粒子は、例えば数メガボルト電子から数十ギガボルトの電子の運動エネルギーを有し、ビームは１００フェムトアンペアから最大１マイクロアンペアの強度を有する。

本発明は、健康の分野、特に治療用のイオンのビームを測定および誘導することによって癌性腫瘍を治療するための機器に、その主要な用途を有する。また、放射性医薬品の同位元素を生成するための機器の荷電粒子のビームラインや、原子力分野の学術研究や生物学分野の照射で使用されるようなラインの機器のアイテムにも使用できる。

癌性腫瘍の治療には、ハドロン療法、より具体的には陽子療法などの治療法が必要である。各々イオンと陽子である荷電粒子のビームによる癌細胞の照射に基づくものである。それらの電荷のおかげで、これらの粒子は、電場の適用によって運動エネルギーを獲得することができ、ビームに誘導されることができる。ハドロン療法および陽子療法による癌性腫瘍の治療には、通常、イオンの場合は核子あたり５０ＭｅＶから核子あたり９００ＭｅＶ、陽子の場合は７０ＭｅＶ〜２５０ＭｅＶの運動エネルギーを有する粒子が必要である。このエネルギーの範囲は、一般的に治療エネルギー範囲と呼ばれる。

さらに、これらの方法の周知の利点は、他の従来の放射線治療と比較して、治療対象のゾーンの近くにある健常な組織や臓器の劣悪化を回避することにより、癌細胞の照射を改善できる可能性があることである。

ビームをモニタリングするには、ビームの特性、特に強度、位置、プロファイルを測定する必要がある。この測定は、通常、治療的処置を実施するために使用される機械の近くまたはその中に設置されたモニタによって行われる。

モニタを通過することにより、ビームは角度分散、つまり初期の軌道に対する逸脱を経て、モニタからの所定の距離でのビームの横方向の偏差を修正する結果になる。腫瘍をスキャンして操作する治療法（ペンシルビームスキャン）の場合、ビームを患者のレベルでサブミリメートルの横方向の偏差に制限し、許容できるように、角度分散は十分に低くなければならない。したがって、モニタが患者から数メートル上流に配置されている場合、これはそれ故、その水等価厚（ＷＥＴ：ｗａｔｅｒ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）が１５マイクロメートルを超えてはならず、水等価のマイクロメートルでの測定は、荷電粒子のビームと材料などの媒体との相互作用の深さの測定であることを意味する。

材料の厚さｘ（ｃｍ）を通過する電荷ｚと移動量ｐ（ＭｅＶ／ｃ）の粒子の場合、角度分散（二次の平均、つまり二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）という観点）θ_０（ラジアン）は、おおよそ次の式で得られる。

式中、Ｘ_０は、ｃｍで表される、通過される媒体の放射の長さ、βは光速ｃに対する粒子の速度である。陽子線療法とハドロン療法の場合、粒子はやや相対論的なレジームにあり、分散は次のように記述される。

式中、Ｅ_ｋｉｎは粒子の運動エネルギー、

は、他のパラメータを吸収する定数である。したがって、所与の運動エネルギーから１０倍低い運動エネルギーに通過する同じ分散θ_０、すなわち、Ｅ_ｋｉｎ−＞Ｅ_ｋｉｎ／１０に準拠するには、

という事実によって、厚さｘを１００分の１、つまりｘ−＞ｘ／１００にする必要があることがわかる。これらの定性的な角度の基準は、数値シミュレーションに基づいて、図１ｃ〜図４ｃにさらに具体的に表されている。

上記の式（１）および（２）に関連して、また図１ａに示すように、一定のエネルギービームでは、通過する材料の厚さが小さくなり、ビームの分散が小さくなるため、送られるエネルギーの割合が多くなる。例えば、モニタから２ｍでの１ｍｍからの横方向の逸脱制限（ここでは陽子線療法型と呼ばれている）が順守されるように、１０ＭｅＶの陽子線が通過する材料の厚さは１μｍのＷＥＴ未満である必要がある。ただし、２５０ＭｅＶの陽子ビームの場合、モニタの厚さは１００μｍのＷＥＴを超えてはならない。

さらに、図１ｂおよび図１ｃは、陽子ビームのエネルギー損失が、１ｋｅＶ〜１０ＧｅＶのエネルギー範囲にわたってビームが通過する材料の厚さに従って、また０．１μｍのＷＥＴ、１μｍのＷＥＴ、１０μｍのＷＥＴおよび１００μｍのＷＥＴの厚さに対して表されていることを示している。高エネルギーでは、伝達されるエネルギーの割合は１に等しくなる。つまり、陽子ビームは、通過する物質の厚さによってほとんど乱されず、ビームのエネルギーとともに減少する。さらに、通過する材料の厚さが薄くなるほど、伝達されるエネルギーの割合の減少が大きくなり、最低のエネルギーで発生する。

図２ａ、図３ａ、および図４ａを分析すると、陽子線療法型の横方向の偏差制限は、厚さが、１０ＭｅＶの電子ビームで０．１μｍのＷＥＴ、または１０ＭｅＶ／ｕに対してアルファ粒子または^１２Ｃイオンのビームで約３μｍのＷＥＴを超えないモニタでのみ尊重され得ることを示している。さらに、図２ｂ、図２ｃ、図３ｂ、図３ｃ、図４ｂおよび図４ｃは、１ｋｅＶと１０ＧｅＶ（電子）の間、１ｋｅＶ／ｕと１０ＧｅＶ／ｕ（アルファおよび^１２Ｃイオン）の間のエネルギー範囲にわたってビームによって通過された材料の厚さによる、また上記の厚さに対する、アルファ粒子と^１２Ｃイオンの電子ビームのエネルギー損失を示している。陽子ビームで観察されたものと同様に、そのようなビームがモニタを通過した後に伝達されるエネルギーの割合は、通過する物質の厚さが増加し、入射ビームのエネルギーが減少するにつれて、いっそう影響を受ける。

横方向の偏位の要件が尊重されるように、ビームを遮る粒子のビームの特性評価をするシステムは、マイクロメートルの厚さ、例えば１５μｍのＷＥＴ未満であることが必要であることが、出願人により示された。これらすべてについて、この要件はハドロン療法または陽子線療法でのこれらのモニタの単純な使用に限定されたものではなく、このことは他の用途に使用できる荷電粒子のビームをモニタリングするための定性的な評価基準である。

荷電粒子のビームを特性評価するために業界で現在開発されている主な解決策は、電離箱からなる。特許文献１は、そのような電離箱を記載している。それらは通常、互いに向かい合う２つの電極からなり、ガス体積によって互いに分離されている。電離箱がラインの真空内に、粒子のビームが通過するために置かれ、電子を放出することによって、粒子とガスの分子の衝突によりイオンが生成される。したがって、放出された電子は、カソードによって収集され、それは測定可能な信号を生成し、粒子のビームの強度と形状を判定するためのものである。

ビームの分散に関する能力に関係なく、電離箱には多くの欠点がある。実際、特に空間電荷現象のために、ガスの圧力をビームの強度の範囲に適合させねばならない。さらに、これらは、デバイス内に配置され、これらの箱の小型化を本質的に制限し、箱によって実行される操作に影響を与える、環境パラメータ（温度、圧力、湿度）を制御するための、センサーなどの追加の手段を必要とする。さらに、放射線に対する良好な耐性を確実にするために、頻繁にそれらを交換せねばならない。実際、放射は壁、特にそれらの機械的強度の特性の劣化を引き起こし、ガスによって及ぼされる圧力に対するそれらの抵抗を変化させ、その後漏れる。さらに、電流密度が増加した粒子ビームの場合、信号を補正する手段も必要である。実際、このようなビームはガスを通過することにより、電子と正孔のペアの再結合を引き起こし、信号を乱す多数の電子と正孔のペアを生成し、これにより、信号が補正されない場合はビームの強度と形状の測定に誤差が生じる。

粒子のビームをモニタリングするために、他の代替の解決策も開発されている。

特許文献２は、粒子ビームの供給源と、照射されるゾーンとの間に位置するシンチレーション材料に基づくスクリーンの使用に基づくシステムを記載している。陽子ビームに反応して、材料は可視光スクリーンに蓄積されたエネルギーを変換する。したがって、この光は、信号に乱れを生じさせる可能性のある光学デバイス（レンズ、ミラーなど）を使用して送られ、最大１つ以上のイメージングセンサーによって、ビームの位置とプロファイルを瞬時に提供できる。このようなシステムでは、イメージングセンサーにスクリーンの画像を投影するのに必要な収縮率を補うために、感光センサーのサイズをできるだけ大きくしなければならない。それは特にかさばりをもたらす。さらに、複雑な光学的手段を使用するのに伴い、画面からセンサーを分離する距離が正確に調整されていない場合、測定でのアーチファクトが現れる可能性がある。さらに、例示的な実施形態で基板の厚さは１００μｍである他には、システムの厚さが示されていない。

Ｓｈａｐｉｒａら（非特許文献１）では、二次電子の放出に基づくハドロン療法のためのオフセットイメージングシステムを提案している。このシステムでは、粒子のビームの伝播軸に対して４５°または３０°で傾斜したシートがこのビームにより通過され、シートの表面で二次電子を放出するメカニズムの起点で、イオンのインパクトを発生させる。次に、シートから放出された電子は、イメージング検出器の方向を示すために、電場から来る第１のパルスに曝され、次に、検出器の方向に加速されるために、より中程度の電場からくる第２のパルスに曝される。したがって、検出器は入射電子の数、またシンチラントスクリーンと組み合わせて、２Ｄの電子というパターンの形で画像化するために検出および処理される信号を増加させる。シートから放出される電子の分散を最小限に抑えるために、検出器の近くにマスクも配置される。したがって、システムは相対的に複雑である。さらに、得られるパターンの解像度は検出器の解像度（＜０．２５ｍｍ）に制限される。システムは、高強度と同様に低強度でも使用できるが、高強度では、検出器の比率のカウントのしきい値に到達すると、得られるパターンが大幅に劣化する可能性がある。さらに、このシステムは、測定対象のビームを生成する機械の要素によって引き起こされる電磁環境に非常に影響を受けやすい。

Ｖｉｇｎｅｔら（非特許文献２）は金属製のワイヤーモニタを提案している。これらのモニタは、例えばアルミニウム製の放出シート上で粒子の部分ビームが通過する際の二次電子の放出にも基づいている。このシステムでは、検出器の放出シートを分離する金属線ネットワークが電子からのエネルギーを最適化し、モニタが損傷を受けることなく高輝度で動作できるようにする。モニタは、中程度のエネルギー（５０ＭｅＶ）と同じように、低エネルギー（５０ｋｅＶ）で動作できる。しかし、そのようなモニタは、低エネルギーのビームの通過をブロックするので、照射中、ビームの伝搬ラインに留めておくことができない。さらに、モニタの形状、特に電子の移動を制御するために使用される磁石の配置は、シートと検出器の間の電子分散に大きな影響を与える。

特許文献３は、金属電極によってその各面が覆われた誘電体からなる検出器を提案している。誘電体は、検出器から電子を放出する非導電性の媒体を形成する。誘電体を覆う金属電極は、測定システムと組み合わせて使用することにより、誘電体から放出された電子が発生した場所を画像化することができる。したがって、この場合、金属電極は受容電極を形成する。この検出器は、二次電子を放出する原理に従って動作しない。

非特許文献３は、ハドロン療法での使用を目的としたビームモニタを開示している。モニタは、０．１〜０．３μｍのアルミナのサポートと、アルミナサポートの両側にある１０〜２０ｎｍのアルミニウムの層で構成されている。シートの両側に存在するアルミニウム層は、シートの表面から電界線によって放出された二次電子を誘導する。パターンがないため、このアルミニウム層は、それ自体ではビームを結像できない。これは独立した検出デバイス（ビームの軸の外側にある）であり、イメージングを確実にする。

Ｋｏｐｐら（非特許文献４）は、高強度および高エネルギー（例えば、１２０ＧｅＶ）のビームの強度、位置、およびプロファイルを測定するように適合された、セグメント化されたシートベースのモニタを提案している。５μｍの厚さの５つのセグメント化されたチタンシートが、位置合わせと機械的強度を保証する溝を持つセラミック櫛に取り付けられる。これは、材料の厚さの合計が２５μｍであることを示す。このようなシステムは、高エネルギー（数ＧｅＶ）での粒子ビームの特性評価に非常に適している。これは、この厚さの材料では、放射線を遮断しないためである。しかし、中間エネルギーを有するそのようなモニタを使用することにより、粒子のビームはモニタによって高度に妨害され、ビームを伝搬するラインへの恒久的な設置は不可能である。

確かに、下方の式（１）から得るＫｏｐｐらのモニタの水等価の数字なら、このようなモニタを使用すると、許容できる１５μｍのＷＥＴをはるかに超える分散が生じる。実際、チタンの場合、放射の長さは３．５６ｃｍで、これは水の放射の長さの３６．０８ｃｍの１０分の１である。したがって、チタンの厚さが５μｍの場合、水５０μｍと同じ分散が生じる。２つの平面２と４を有する各シートでは、モニタの通過が１００μｍの水と等価の分散を誘発する。

ＵＳ２０１４／０２６５８２３ ＵＳ７，５１５，６８１Ｂ２ ＵＳ３４５０８７９

Ｓｈａｐｉｒａ ｅｔ ａｌ．（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｖｏｌ．４５４，ｐ．４０９−４２０，２００） Ｖｉｇｎｅｔ ｅｔ ａｌ．（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＢＩＣ２０１３，Ｏｘｆｏｒｄ，ＵＫ，ＩＳＢＮ：９７８−３−９５４５０−１２７−４） Ｂａｄａｎｏ ｅｔ ａｌ．，Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ａｎｄ Ｉｎ−Ｂｅａｍ Ｔｅｓｔｓ ｏｆ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｂｅａｍ Ｍｏｎｉｔｏｒ ｆｏｒ Ｈａｄｒｏｎｔｈｅｒａｐｙ，ＩＥＥＥ，ｖｏｌ．５２，４，２００５．０８．０１ Ｋｏｐｐ ｅｔ ａｌ．（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ａ：Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ， Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ，Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｖｏｌ．５５４，ｉｓｓｕｅ１−３，ｐ．１３８−１４６，２００５）

上述の代替的な解決策には、多くの欠点がある。実際、モニタは、選択により、中間エネルギーの観点からは厚すぎ、光学および／または電磁設備の点で複雑すぎ、ビームの伝搬ラインでは永続的には使用できず、使用の点で制限され、利用可能なエネルギー範囲および／または強度のダイナミックという点で制限される。

したがって、課題は、ビームを劣化させない荷電粒子のビームのプロフィロメトリーを達成することであり、ここで検討されているような低エネルギーのビームについてさえもである。

本発明は、荷電粒子のビームを特性評価するためのシステムを提案する、上述のシステムの欠点を克服するものである。このシステムはスタックを含み、スタックは、
−導電性材料から形成された超薄型パターンと、
−パターンを担持する薄い基板と、
を含み、
スタックは、基板とパターンとにより構成され、放射電極を形成し、前記放射電極は、当該放射電極を荷電粒子のビームが通過するとき、パターンの表面の近傍で二次電子を放出することができる。

「薄い基板」とは、マイクロメートルまたはサブマイクロメートルの厚さを有する基板、すなわち、システムの機械的強度を確保するために特有でありながら、可能な限り薄い基板を意味する。基板の材料の収支は、目的とする用途に依存し、例えば、特に陽子線療法のビームを特性評価するために、１５マイクロメートル未満の水等価量であり得る。

さらに、「超薄型パターン」は、導電性を確保するために特有でありながら、可能な限り薄いパターンを意味する。例えば、ナノメートルの寸法の厚さを有するパターン、すなわち、厳密に１ｍｍ未満の厚さのパターンが挙げられる。

したがって、本発明のおかげで、導電を可能にすることに寄与し、したがって荷電粒子のビームのプロファイルを確立することに寄与する一方で、本発明による特性評価システムで使用される超薄型パターンは、２メートルでのサブミリメートルの偏差で、ビームの分散を制限することに寄与する。つまり、２メートルに対して、システムに到達する完全なビームの幅が１ｍｍ未満である。

さらに、それは以下を可能にする：
−システムへの通過中のビームの途絶を減らすため、つまり、特性評価システムへの通過後に伝達されるエネルギーの割合が、例えば０．９５を超えるようにすること、および
−ビームの通過によって引き起こされる過熱を最小限に抑えること、これにより、本発明は、現在の陽子線療法システムよりも高い強度で動作することができる。

さらに、システムの全体の厚さ、つまり放射電極の厚さが薄いままなので、これによりビームの途絶が制限され、連続測定が保証される。

また、現在のシステムとは対照的に、本発明による特性評価システムは単純な構造を有することに留意しなければならない。実際、横方向の偏位が低次であること、すなわち患者のレベルでのビームの分散が低いことは、システム自体の厚みが薄いことによってもたらされる。また、ビームのプロファイルをモニタリングする際の測定の精度と連続性を向上させるのは、この薄い厚さである。

さらに、形成されたスタックの特性のおかげで、本発明による特性評価システムは、放射線に対する良好な耐性を有し、機械的な力を受けないため、累積する線量に耐えることができ、寿命が現在の陽子線治療システムより長くなる。

一緒にまたは別々に取得することができる本発明の異なる特徴によれば、
−放射電極は、略平坦な分布に沿って、および／またはビームの伝播方向に略垂直に延びる。
−システムは、測定するビームのラインに配置することを意図している。
−粒子は、核子あたり１０ＭｅＶから数十ＧｅＶの間、好ましくはイオンについて核子あたり５０〜９００ＭｅＶの間、またさらに好ましくは陽子について７０〜２５０ＭｅＶの間のエネルギーを有する。
−ビームの強度は１００ｆＡ〜１μＡの間である。
−スタックは、パターンの基板への接着を促進するために、パターンと基板との間に挿入された少なくとも１つの結合層を含む。
−基板は、ポリマーおよび／またはセラミックおよび／またはＭＹＬＡＲ（登録商標）および／またはＰＥＥＫなどの耐熱性材料から形成される。
−基板は、ＣＰ１（登録商標）やＫａｐｔｏｎ（登録商標）などのポリアミドから形成される。
−変形例として、基板は窒化ケイ素からなる。
−パターンの厚さは１０ｎｍ〜１００ｎｍの間である。
−基板は電気的に絶縁性である。
−パターンは、互いに電気的に絶縁された複数の導電性セグメントから形成される。
−セグメントは、防錆材料、好ましくは金で作製される。
−セグメントは並んで配置されている。
−セグメントは電子手段に接続されている。
−所定の軸に沿ってビームをサンプリングするために、セグメントは同じ方向に向けられている。
−セグメントは同じ幅で等距離である。
−ビームの非センタリングおよび／または放射状分布を測定するために、セグメントは角度セクタに切断される。
−変形例では、セグメントは、ビームの非センタリングおよび／または放射状分布を測定するために、同心のセクタに切断される。
−変形例では、セグメントは、ビームのイメージングを実行するために、角度のある同心のセクタに切断される。
−システムは、収集電極を含む。
−収集電極は、放射電極によって放出された二次電子を収集するために、放射電極の電位よりも高い電位が与えられる。
−収集電極は、放射電極の反対側に位置する。
−収集電極は、放射電極の反対側ではなく、ビームの軸の外側に配置されている。
−システムは、複数の放射電極を含む。
−システムは、複数の収集電極を含む。
−各収集電極は、複数の放射電極のうちの１つによって放出された二次電子の収集専用である。
−変形例では、各収集電極は、複数の放射電極によって放出された二次電子の収集専用である。
−システムは、放射電極によって放出された二次電子がシステムを取り巻く材料によって収集されるように構成される。
−システムは測定手段を含む。
−測定手段は、放射電極の表面から放出される二次電子の量を測定する。
−測定手段は、放射電極に電気的に接続される。

別の態様によれば、本発明はまた、上記のようなシステムを備える、荷電粒子のビームを生成するための機械に関する。システムは、好ましくは、機械に固定され永続的である。このことは、この変形が可能であるが、格納式に取り付けられていないことを意味する。

別の態様によれば、本発明はまた、例として、癌性腫瘍を治療するための機器のアイテムの荷電粒子のビームを特性評価するための、上記のような特性評価システムの使用に関する。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、添付の図面を参照して行われる以下の説明でより明確になる。

２ｍでモニタを通過した陽子ビームの幅を示し（図１ａ）、ビームのエネルギーに応じたビームのエネルギー損失を示している（図１ｂ、１ｃ）。横軸は、図１ａ、図１ｂ、および図１ｃに共通であり、ビームの運動エネルギー（ＭｅＶ／ｕ）を表す。図１ａの縦軸は、２ｍ（ミリメートル）でモニタを通過した陽子ビームの幅を表している。図１ｂおよび図１ｃの縦軸は、伝達されるエネルギーの割合を表す。上向きの実線の矢印は、厚さが１００μｍのＷＥＴのモニタに対応している。下向きの黒の矢印は、厚さが１０μｍのＷＥＴのモニタに対応している。上向きの白の矢印は、厚さが１μｍのＷＥＴのモニタに対応する。下向きの白の矢印は、厚さが０．１μｍのＷＥＴのモニタに対応する。 ２ｍでモニタを通過した電子ビームの幅を示し（図２ａ）、ビームのエネルギー損失を示している（図２ｂ、２ｃ）。図２ａ、図２ｂおよび図２ｃの横軸および縦軸に表されているパラメータは、図１ａ、図１ｂおよび図１ｃに表されるものと同一である。これは、考慮されている様々なモニタの厚さに対応するシンボルについても同じである。 ２ｍでのアルファ粒子のビームの幅を示し（図３ａ）、モニタを通過したビームのエネルギー損失を示す（図３ｂ、３ｃ）。図３ａ、図３ｂおよび図３ｃの横軸および縦軸に表されているパラメータは、図１ａ、図１ｂおよび図１ｃに表されるものと同一である。これは、考慮されている様々なモニタの厚さに対応するシンボルについても同じである。 ２ｍでモニタを通過した^１２Ｃイオンのビームの幅を示し（図４ａ）、ビームのエネルギー損失を示している（図４ｂ、４ｃ）。図４ａ、図４ｂ、図４ｃの横軸および縦軸に表されているパラメータは、図１ａ、図１ｂおよび図１ｃに表されるものと同一である。これは、考慮されている様々なモニタの厚さに対応するシンボルについても同じである。 本発明の実施形態による特性評価システムを斜視図で概略的に示し（図５ａ）、本発明の変形例による特性評価システムを斜視図で概略的に示す（図５ｂ、５ｃ）。矢印Ｆ（１）は前方への放出を表し、矢印Ｆ（２）は後方への放出を表す。 本発明によるパターンを示す。 本発明の第２の実施形態による特性評価システムを斜視図で概略的に示し、このシステムは、収集電極を含む。矢印Ｆ（１）は前方への放出を表し、矢印Ｆ（２）は後方への放出を表す。 ビームの軸に平行な１つ以上の収集電極を有する、本発明の第３の実施形態による特性評価システムを斜視図で概略的に示す。ビームの軸に平行な１つ以上の収集電極を有する、本発明の第３の実施形態による特性評価システムを斜視図で概略的に示す。矢印Ｆ（１）は前方への放出を表し、矢印Ｆ（２）は後方への放出を表す。 本発明の第４の実施形態による特性評価システムを斜視図で概略的に示し、システムはいくつかの放射電極を含む。 本発明の第４の実施形態の変形による特性評価システムを概略的に斜視図で示し、システムはいくつかの放射電極およびいくつかの収集電極を含む。 本発明による特性評価システムおよび測定手段を含む電気測定回路を概略的に示す。 本発明および最新技術の様々なシステムによるビームのエネルギーによる（図１０ａ）およびビームの強度による（図１０ｂ）二次電子の比率の変化を示す。 セグメントの位置に従って測定された電流の変化を示し、陽子は６０ＭｅＶのエネルギーを有し、ビームの強度は、本発明に従ってそれぞれ２００ｆＡ、１ｐＡおよび１ｎＡである。

図５ａを参照すると、本発明は、荷電粒子のビームＦを特性評価するためのシステム１に関する。システム１は、測定されるべきビームＦを含む、粒子を輸送するためのラインに配置され、その結果、システムは、ビームによって通過される。

ビームを構成する粒子は、陽子および／またはイオンおよび／または電子および／または陽電子などの荷電亜原子の粒子である。それらは、通過する媒体、例えば材料に、それから１つ以上の電子を得ることにより、その後、媒体の原子を直接電離することにより、エネルギーを蓄積することができる。

治療目的のために、特に陽子療法およびハドロン療法によって癌性腫瘍を治療するために、粒子は好ましくは陽子および／またはイオンである。他のタイプの荷電粒子は、それ自体で、または他の粒子と組み合わせて使用することができ、本発明は上記の例に限定されない。

照射または治療されるゾーンは、特性評価システム１および粒子のビームＦの出力窓から数メートルまで下流に位置することができ、すなわち、ゾーンは、粒子を輸送するためのラインの出力に位置する。

特性評価システム１は、スタックを含み、スタックは、導電性材料から形成された超薄型パターン２０と、パターン２０を担持する薄い基板１０とを含む。パターン２０が超薄型の場合、基板１０は、特にその厚さによって、パターン２０の機械的支持を確実なものする。

基板１０およびパターン２０によって構成されるスタックは、実質的に平坦な分布に従って有利に延びる、および／またはパターン２０および基板１０のスタック方向に対応するビームＦの伝播方向に実質的に垂直に延びる放射電極２を形成する。換言すれば、放射電極２は低寸法を有する、すなわち、ビームＦの伝播方向に延びるＺ軸に沿った、および他の２つの寸法であるＸ軸およびＹ軸に沿った低寸法であって、粒子を輸送するためのラインへのその挿入および維持に適合した低厚みを有する。

特性評価システム１は、１０ＭｅＶと数十ＧｅＶの間の運動エネルギーを有する粒子のビームのモニタリングを可能にする。

実際、図１ａ〜図４ｂを参照すると、高エネルギー、つまり５００ＭｅＶ（または５００ＭｅＶ／ｕ）を超えるエネルギーでは、ビームＦを遮るＷＥＴが１００μｍ未満の厚さのシステムは、ビームに大きな途絶をもたらすことはない、すなわち、伝達されたエネルギーの割合は、例えば、ビームがシステム１を通過した後、０．９５以上である。さらに、これらのエネルギーでは、１００μｍのＷＥＴのシステムを通過した後でも、荷電粒子のビームＦはいずれの分散もほとんど経ない。これは、非常に高いエネルギー（１ＧｅＶ以上）に対して、２ｍで１ｍｍ未満、２ｍで０．１ｍ未満であってもその幅を維持するためである。

ただし、低エネルギー、つまり５０ＭｅＶ（または１２．５ＭｅＶ／ｕ）未満のエネルギーでは、ビームの途絶が小さく（例えば、０．９５以上の透過エネルギーの割合）、ビームの分散が小さい（２ｍで１ｍｍ未満のビーム幅）、厚さが非常に薄いシステムでのみ到達する。より具体的には、電子ビームに対し１００μｍのＷＥＴ、陽子ビームに対し１０μｍのＷＥＴ、アルファ粒子または^１２Ｃイオンのビームに対し１μｍのＷＥＴである。

特性評価システム１は、中間エネルギー範囲と呼ばれる、核子あたり５０ＭｅＶと９００ＭｅＶの間のエネルギーを有する粒子のビームＦに特によく適合している。実際、システム１は、マイクロメートルまたはサブマイクロメートルの次元であり、特に厚さが１５μｍのＷＥＴ未満であり、ビームＦの低い途絶および低分散という要件が尊重されている。

したがって、中間エネルギー範囲は、治療用途のビームＦを標的にする。つまり、特性評価システム１からの、この用途に特に適合される発明を形成する陽子に対して７０ＭｅＶ〜２５０ＭｅＶ、イオンに対して核子あたり５０ＭｅＶから核子あたり９００ＭｅＶのエネルギーを有する。実際、ビームＦは、低分散であることにより、治療されるゾーンに到達することができ、そのため、ゾーンの近くに位置する健常な組織および器官の劣悪化を回避することにより、非常に正確な解像度でゾーンをターゲットにすることが可能になる。したがって、ビームＦのエネルギーを変えるだけで、ビームＦの侵入する深さを腫瘍ゾーンで非常に正確に、したがって患者に何かしらのリスクを及ぼすことなく変更することができる。

本発明によれば、放射電極２は、放射電極２を荷電粒子のビームが通過するときに、パターン２０の表面２２の近くで二次電子ｅ_ｓ ⁻を放出することができる。二次電子ｅ_ｓ ⁻の放出は、パターン２０を通過したビームの粒子の数に比例しているため、この現象は有利には線形である。実際、パターン２０を通過することにより、ビームＦの荷電粒子は、パターン２０の原子にそれらのエネルギーを蓄積させ、その結果、パターン２０の原子で電子が得られ、原子が電離される。

言い換えると、粒子のビームＦが通過した後、パターン２０の表面２２に位置する原子は、最後の電子層に１つ以上の電子を含まず、そのため、それらの安定性を回復するべく電子ｅ_ｒ ⁻を回復させざるを得なくなる。パターン２０が導電性材料から形成されている場合、電子ｅ_ｒ ⁻は、少なくとも１つの電子手段２６を介して電子デバイスから移動でき、次いで、電子デバイスによって、ビームＦの通過により誘導された電荷または電流の画像によって測定される。したがって、この画像は、特性評価システム１によって測定された信号を構成する。

ビームＦが放射電極２を通過する間に関与する二次電子の放出は、パターン２０の表面上で数ナノメートル、特に１０ｎｍにわたってのみ動作する現象である。言い換えれば、それは、パターンの表面２２から始まる１０ｎｍの厚さにのみ関連する。したがって、パターン２０は、超薄型のままでありながら、少なくとも１０ｎｍの厚さを有することが好ましい。

同時に、基板１０はパターン２０を機械的に支持することのみが対象であり、有利には、基板から放出される二次電子は測定信号に寄与しないことが理解される。

好ましくは、パターン２０は、その導電性を確保するのに十分な厚さを有する。実際、使用される堆積技術および／または使用される材料の性質によれば、超薄層、すなわちナノメートルの寸法は、厚みが薄いため多かれ少なかれ互いから絶縁された材料の「島」または「集合体」の形で提示され得る。したがって、その表面の特定の領域では、超薄層が十分な導電性を有することができる一方で、他の領域では、導電性は必要なものよりはるかに低い。

したがって、パターン２０の厚さは、これらの材料の島または集合体の合体、すなわち、パターン２０による基板１０の完全な被覆を確実にするために適合され、その結果、パターン２０の電導性が十分であるだけでなく、表面２２の全体にわたって均一でもあることを確実にすることが好ましい。当業者は、使用される堆積技術および／またはパターンを構成する材料に従って、パターン２０の厚さを調整することができる。例として、金で作られたパターン２０の場合、二次電子ｅ_ｓ ⁻の放出を可能にするのに十分な導電率を得るためには、３０ｎｍの厚さで十分である。

パターン２０は、金属、金属合金、酸化金属、有機化合物、またはそれが十分に導電性となることを可能にする任意の他の材料などの異なる材料で作ることができる。しかし、酸化は二次電子の比率を変更する汚染源であるので、パターン２０を形成する材料は防錆性であることが好ましい。実際、導電性または半導電性の薄層および超薄層の汚染は、層の表面が異質の原子および主に酸素原子を吸収する電流劣化現象である。

有利には、パターン２０は金で作ることができる。金は、原子番号が大きく、防錆性があり、優れた導体である。したがって、二次電子を放出するプロセスを保証および促進するのに特に適している。金は、その防錆特性とそれに起因する層間剥離のために、基板に弱く付着する可能性があるが、金はその一般的な特性、つまり、導電率と原子番号により好ましい材料になる。

図５ｂを参照すると、放射電極２は、有利には、パターン２０と基板１０との間に挿入された結合層２８を備えることができる。

結合層２８は、特にパターンを形成する材料が十分に付着しない場合に、基板１０のパターン２０の付着を促進する。例えば、結合層２８は、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）で作ることができる。クロムは平均的な原子番号であるが、酸化されやすく、チタンと同様に金の可能な層間剥離を含むように非常によく適合される。特性評価システム１は、異なる特性を有する複数の結合層２８を含むこともできる。

さらに、マイクロメートルの基板１０の厚さは、荷電粒子のビームＦが、より厚いシステム（例えば、１５μｍのＷＥＴを超える厚さ）で発生するであろう加熱と比較して、特性評価システム１の中で誘導する加熱がより少ないことを意味する。実際に、特性評価システム１を通過することにより、ビームＦの荷電粒子は原子の低次の厚みと相互作用し、したがって、同一のシステムと比較してこのシステムではエネルギーが低くなるが、厚い基板１０を有する。

この原理はＧａｒｎｉｒら、ＮＩＭ，２０２（１−２），ｐ．１８７−１９２，１９８２）にて説明されており、これは、様々な基板での強度に応じた理論的な加熱の計算の結果を概説している。

加熱に対する良好な耐性を有する特性評価システム１は、非常に高い強度を有する粒子のビームによって生成された信号を測定する。確かに、粒子のビームの特性評価は、ビームＦの通過によって生成される熱に抵抗する能力によって制限される。しかし、実際には、この制限がデバイスの厚さの低減によって克服されたとしても、システムの完全性は強度が１μＡ未満のビームに対してのみ保証される。

したがって、この目的のために、基板１０は、耐熱性材料から有利に形成され得る。「耐熱性」とは、ビームが高強度であるときでさえ、基板１０を形成する材料が粒子のビームＦによって誘導された熱を特定の期間にわたってサポートできることを意味する。

好ましくは、基板１０は、耐熱性ポリマーで作製することができ、すなわち、ポリマーは、一定の期間、２００℃、好ましくは３００℃を超える熱に耐えることができる。例えば、ポリマーは、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、Ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ １（登録商標）（ＣＰ１）、またはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）であり得る。Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）は、過剰な放射と熱に対する優れた耐性を備えたポリアミドで、厚さ８μｍ未満で入手できる。さらに、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）は溶けない。したがって、ポリアミドであるＣＰ１は、放射線に対する耐性が優れている。さらに、１．５μｍの厚さで入手可能である。それは、入手可能であるＫａｐｔｏｎ（登録商標）よりも薄い。ＰＥＥＫは、化学エッチングに対する耐性に加えて、放射線や熱に対する耐性も優れている。有利には、これは６μｍ未満の厚さで利用できる。

ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）などの他のより一般的なポリマー、例えば、Ｍｙｌａｒ（登録商標）が使用できる。これらの材料は、０．５μｍなどの非常に薄い厚さで入手できるが、このような厚さでは操作が困難である。さらに、それらはガラス転移温度が低い、つまり７０℃である。つまり、この温度を超えると、ＰＥＴはゴム状態から固体状態に移行し、その特性が変化するため、高強度ビームに曝されるシステムには適していない。

また、基板を形成する材料は脱ガスしないことが好ましい。確かに、脱ガスは、物質が分子をガスの形態で放出させるプロセスである。これは、特定の材料、特に真空下にある場合に発生する可能性のあるプロセスである。以下に示す材料、つまりポリマーと耐熱性セラミックスは、ほとんど脱ガスされない。

また、より好ましくは、基板１０は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）のような耐熱性セラミックで作ることができる。窒化ケイ素は、放射線や熱に対する耐性が非常に大きく、溶けない。これは、１８００℃を超える温度で分解する。つまり、この温度で特性が変化する。非常に有利には、窒化ケイ素は、たとえ非常に小さな表面積（＜１ｃｍ^２）でしか利用できない場合でも、数十ナノメートルの厚さで形成できる。例として、システム１は、５０ｎｍの金のパターン２０で覆われた１００ｎｍの窒化ケイ素の基板１０を備えた放射電極２を備えることができる。

基板１０はいかなる機械的応力もないので、これは、放射線の有害な影響を制限し、特に、高すぎる強度のビームに曝された場合のシステム１の劣化を回避する。実際、特性評価システム１は、測定されるビームＦの真空ラインに配置されており、周囲の媒体によって基板１０に加えられる接触力はない。

特性評価システム１は、非常に低い強度、例えば１００ｆＡの粒子のビームの特徴を測定することを可能にする。１００ｆＡでのこの制限は、実際には、測定デバイスの限界である。実際、１００ｆＡ未満では、電子デバイスのノイズから電子の放出によって生成された信号を区別できるようにするために、高度に洗練された測定手段を使用しなければならない。したがって、特性評価システム１は、１００ｆＡと１μＡの間の強度を有するビームをモニタリングすることを可能にする。

特に有利には、パターン２０は、特に基板の表面に互いに距離を置いて配置されることによって、互いに電気的に絶縁された複数の導電性セグメント２４から形成される。基板１０は、セグメント２４間に導通がないことを確実にするために、好ましくは電気的に絶縁性である。

好ましくは、セグメント２４のそれぞれは、電子手段２６に接続される。したがって、セグメント２４ほど多くの電子手段２６は存在しない。したがって、電子ｅ_ｒ ⁻、つまり二次電子ｅ_ｓ ⁻の放出後に回収された電子は、各セグメント２４に対して独立して測定できる。したがって、有利には、各セグメント２４は、セグメントを通過した粒子の数に特徴的な特定の信号を有する。

好ましくは、セグメント２４は、並んで配置される。換言すれば、セグメント２４は、ビームＦの空間的サンプリングを可能にするように隣接している。ビームＦのサンプリングは、ビームの特徴、特にその位置、プロファイルおよびその強度を、形状および互いに対するセグメントの相対的な配置に従って、決定する。

図６ａに示されているように、所与の軸に沿ってビームＦをサンプリングするために、セグメント２４は、同じ方向に沿って、同じ幅で等距離に配向することができる。

より具体的には、セグメント２４は、水平方向に続いて並んで配置され、これにより、Ｘ軸に沿ったビームＦおよび／またはＸ軸に沿って移動される、移動可能なビームＦを測定することが可能になる（ビームＦは、図６ａに垂直な平面Ｚに沿ってパターン２０を通過する）。これは非限定的な例であり、セグメント２４は、Ｙ軸に沿った垂直方向、または任意の他の方向に配置することができる。

図６ｂでは、例えば、セグメント２４は、（１ｍｍから数ｍｍ程度の）異なる幅のものである。より具体的には、パターン２０の中心に位置するセグメント２４は、パターン２０のエッジに位置するセグメント２４よりも幅が狭くなっている。このような構成は、ビームＦのコアを、ビームＦのテール（尾部）よりも高い精度で測定し、ビームのテールをコアよりもより高い感度で、すなわち、中心と比較してビームの側方エッジをより高い感度で測定する。

変形例では、セグメント２４は、ビームＦの非センタリングおよび／または角度の分布を測定するために、角度セクタに切断することができる。また、変形例では、セグメント２４は、ビームＦの非センタリングおよび／または放射状分布を測定するために、同心セクタに切断することができる。

図６ｃでは、上記の２つの例の組み合わせを見ることができる。セグメント２４は、パターン２０の中心で角度セクタに切断され、またそれらは中心から離れても同心である。そのようなアレンジは、単一の放射電極２によるビームＦのイメージングを有利には達成する。

そうでなければ、２つの放射電極２に頼る必要があり、それぞれが、他のパターン２０を補完するパターン２０を含む。例として、第１の電極２がビームＦの角度分布の測定専用であるのに対し、他方の電極２が、その放射状分布の測定専用で、ビームＦのプロファイルを再構築することを可能にする。この２つの電極についての実施形態は、以下でより具体的に説明する。

ちなみに、図６ｃの例では、ビームのイメージングを得るために必要な電極２の数が減るので、通過する材料の量は少なくなる。したがって、そのようなセグメント２４の構成を有するパターン２０は、特に、リマインダとして、通過材料の非常に薄い厚さに対してビームの低い途絶および低分散の基準を満たすのみである低エネルギービームの測定に適合される。しかし、本発明は、そのような構成に限定されず、より特別な必要性を満たすことを可能にする他の任意の構成が考慮され得る。

図７を参照すると、システムは、放射電極２から分離された実質的に平坦な収集電極３をさらに含む。

より具体的には、収集電極３は、電極３と放射電極２との間に電位差が存在するように、正の電位で伝送することができる材料層３０を含む。実際、収集電極３は、放射電極２によって放出された二次電子ｅ_ｓ ⁻の全部または一部を収集する（電子の移動は、図７の矢印によって示されている）。換言すれば、収集電極３は、誘導された電流のループを確実にし、したがって、放射電極２と共に閉回路を形成する。

好ましくは、誘導電流をループさせる目的で、材料層３０は導電性であり、その結果、層３０の表面３２は入射二次電子ｅ_ｓ ⁻を収集することができる。材料層３０は、金属または任意の合金材料で作ることができ、したがって十分に導電性になる。放射電極２と同様に、収集電極３は、層３０の機械的支持を確実にする基板１２を備えることができる。

収集電極３がパターンを含むこと、すなわち、材料層３０が放射電極２のパターン２０のようなパターンを形成することは必須ではない。したがって、材料層３０は、収集電極３の表面全体を覆うことができる。実際、収集電極は、二次電子ｅ_ｓ ⁻が放射電極２の表面を離れる位置をイメージングする役割を有していない。この機能が本発明のパターンによって達成されるからである。上述のように、収集電極は、誘導電流のループを可能にし、したがって放射電極２と共に閉回路を形成するように機能する。

有利には、二次電子の収集を促進するために、収集電極３を放射電極２の反対側に配置することができる。実際、二次電子が放射電極２の表面を離れるとき、電子ｅ_ｓ ⁻は本質的に等方性の様式で放出される。したがって、電極２および３が互いに対向して配置されると、電子の収集が促進される。

表面２２からのそれらの主に等方性の放出により、二次電子ｅ_ｓ ⁻のいくつかは、収集電極３の表面３２の異なる位置に到達する可能性がある。

ちなみに、このような構成では、収集電極３の最大面がビームＦの伝搬軸を実質的に垂直に通過しているので、電極３の厚みと放射電極２の厚みは、好ましくは、例えば組み合わせて１５μｍのＷＥＴを超えないようにする。実際、これは、特性評価システム１がビームＦの低い途絶（例えば、０．９５を超えるエネルギーの透過率）およびビームＦの低分散（１ｍｍ未満である２ｍでのビームの幅）の基準を満たすプロセスである。言い換えると、この目的によれば、通過する材料の厚さ、すなわち基板１０とパターン２０、および基板１２と材料層３０の厚さの合計は、例えば、陽子線療法用に１５μｍ未満のＷＥＴでなければならない。

しかし、本発明は、そのような構成に限定されず、収集電極３は、ビームＦの伝播軸の外側に位置することができる。本発明のこの第３の実施形態（図８ａおよび図８ｂに示されている）では、収集電極３は遮るものではなく、厚さの制限を受けない。収集電極３は、この構成では、基板１２および導電性材料３０を含むスタック、または有利には単一の導電性材料、例えば金属板のいずれかで形成することができる。単一の制限が、ビームＦの伝播ライン内に特性評価システム１を設置できる必要性にある。例えば、図８ａでは、収集電極３は互いに対向する２つの収集電極に分離されているが、図８ｂでは、収集電極３は連続的であり、円形パターン２０を中心に円筒形である。

あるいは、収集電極３による二次電子ｅ_ｓ ⁻の収集率を最大化し、電子ｅ_ｓ ⁻の分散効果を最小化するために、収集電極３に印加される電位を増加させることも可能である。実際、収集電極３の電位を増加させることにより、電極３と放射電極２との間の電位差が増加し、その結果、表面３２に向かう二次電子の引力が増加する。

実際、特性評価システム１は、有利には、放射電極２の表面から放出された二次電子ｅ_ｓ ⁻の量を測定することを可能にする測定手段４を備えることができる。言い換えれば、測定手段４は、放射電極２の表面から放出された二次電子ｅ_ｓ ⁻の信号を「読み取る」。測定手段は、放出面から測定を行う、すなわち、放射電極２を出る信号を測定することを可能にする。放出面を測定することは有利である。

実際、一方では、セグメント２４が互いに電気的に絶縁されているため、放出面を測定すると、独立して導電性セグメント２４各々から放出された二次電子ｅ_ｓ ⁻の信号を個別に測定し、荷電粒子のビームＦをサンプリングする。

実際、一方で、上述したように、収集電極３によって収集された電流は、放射電極２に対する電極３の相対的な位置、収集電極３に印加される電位、または残留する電界および／または磁界の影響に応じて、変動を受ける。したがって、放出面の信号を測定することにより、電子が放出されること、及びビームのラインの機器に影響を与えることが回避される。

図９ｃは、セグメント２４と測定手段４との間を接続するための電気回路を概略的に示す。上記のように、各セグメント２４は、電子手段２６に接続されている。好ましくは、この電子手段は、測定手段４によってセグメント２４の電子手段２６を接続するインターフェース手段に通じている。測定手段４は、低強度電流を測定するように適合され、それにより、放射電極２の表面から放出された二次電子ｅ_ｓ ⁻の量を測定することができる。例えば、測定手段４は、低ノイズの電子システムからなることができる。電気回路は、電流をセグメントごとに測定できるように構成されている。

さらに、収集電極３の使用は任意である。実際、収集電極３がない場合、放出された二次電子ｅ_ｓ ⁻は、特性評価システム１の環境に残すことができる。この場合、電子ｅ_ｓ ⁻は、システム１を取り巻く物質によって吸収される。この操作方法を図５ａ、図５ｂ、および図５ｃに示す。したがって、放射電極２はそれ自体で十分である。

図９ａは、本発明の第４の実施形態による特性評価システム１を概略的に示す。この実施形態では、特性評価システム１は、複数、すなわち少なくとも２つの放射電極２と収集電極３とを備える。

複数の放射電極２の使用は、上記の通り、単一のパターン２０がすべての必要な情報を得ることを可能にしない場合、補足的な手段を得ることを可能にする。これはまた、冗長な測定値を取得する、さもなければ測定値を洗練させる。図９ａに示す例では、第１の放射電極２は、Ｘ軸に沿ったビームＦのプロファイルの測定専用であり、その一方で、他方の電極２が、Ｙ軸に沿ったビームＦのプロファイルを測定する。

さらに、図９ａにまた示されているように、収集電極３は、第１の表面３２の反対側の第２の表面３２も備えることができる。そのような構成では、収集電極３は、２つの放射電極２によって放出された二次電子ｅ_ｓ ⁻を収集することができるように、２つの放射電極２の間に配置される。このような構成では、図９ａの上部に見える放射電極２に対して放出が後方に行われながらも、図９ａの下部に見える放射電極２に対して放出が前方に行われる。

しかし、本発明はこの例示に限定されない。

特性評価システム１はまた、複数の放射電極２によって放出された二次電子の収集専用の複数の収集電極３を備えることができる。収集電極の数が放射電極の数と等しいことは可能であるが、必須ではない。

図９ｂの場合、第１の放射電極２（図９ｂの上部に見える）によって放出される二次電子を収集するための専用の第１の収集電極３と、第２の放射電極２から二次電子を収集するための専用の第２の収集電極３と、が存在する。この構成では、図９ｂの上部に見える放射電極２と収集電極３に対して放出が前方に行われながらも、図９ａの下部に見える放射電極２と収集電極３に対して放出が後方に行われる。

さらに、図９ｂにてまた見られるように、その伝搬方向において、ビームＦは、必ずしも電極の基板１０を通過してからパターン２０を通過するわけではない。換言すれば、ビームＦは、パターン２０、次いで基板１０を通過することもできる。

しかし、本発明はこの例示に限定されない。

例えば、システム１は、第１および第２の電極２のセグメント２４間ならびに第２の電極および第３の電極２のセグメント２４間で１２０°の角度のオフセットを含む３つの放射電極２を含むことができ、ビームＦは冗長セグメントに沿ってサンプリングでき、その精度が向上する。

あるいは、特性評価システム１は、並進および／または回転移動を実行するように移動可能であり得る。この目的のために、システム１をガイドするための機械的制御手段を設けることができる。そのような構成は、サンプリングを実行するために使用されるのが特性評価システム１の並進および／または回転ステップであるため、放射電極２の数を低減する。

本発明はまた、上記のようなシステム１を備える荷電粒子のビームを生成するための機械に関し、システムは、固定され、ビームＦの伝搬ラインに永続的である。

例えば、機械は、ハドロン療法または陽子線療法装置、粒子加速器、放射性医薬品同位体を製造するための機械であり得る。

その機械は、深度変調器の上流および下流のビームプロファイリングのためのシステムを備えることができ、アセンブリは陽子ビーム真空管内に配置される。ビームＦ、特にチャネル、ビームから来る粒子の軌道を制御するために、１つまたは複数の磁石をビームの近くに配置することができる。これらの磁石は磁場の起点にあり、粒子を照射または治療されるゾーンに向けることができるようになる。それらは、ビームＦの特性評価をするためのシステムの動作において何の役割も果たさない。

より一般的には、特性評価システム１は、荷電粒子のビームをモニタリングすることが有用である任意の機器に設置および／または使用することができる。

例示的な実施形態
荷電粒子のビームを特性評価するシステム１が検証されてきた。

それは、５０ｎｍの金のパターン２０が堆積された厚さ６μｍのＰＥＥＫで作られた基板１０から構成される放射電極２を含む。パターン２０は、Ｘ軸に沿って並んで配置され、幅が１．６ｍｍであり、互いに０．３５ｍｍの距離離れている複数のセグメント２４を含む。またこのシステムは、厚さ５０ｎｍの金の層３０を支える８μｍのＫａｐｔｏｎ（登録商標）基板１２を含む収集電極３を含む。

この特性評価システムは、ＡＲＲＯＮＡＸサイクロトロンの陽子線の出力から約１ｍ下流にある真空チャンバに設置されている。真空チャンバは、ビームＦ内でシステムを移動させる並進テーブルによって支えられる。設備はまた、ピコアンメータおよび簡略化された取得システムを備えた、信号を読み取るためのシステムを備える。

また、真空チャンバには２種類のビーム入射窓が備えられている。したがって、最初の一連の測定では、２ｍｍのサファイアで作られた窓が使用された（図１１ａ〜図１１ｃ）。このタイプの窓は、ビームからのエネルギーを減少させ、そのため、通過した後、機械によって供給された６８ＭｅＶの陽子は、検出器で６０ＭｅＶのエネルギーを有する、つまり１１．７％減少する。

しかし、２回目の測定では、２３０μｍのＫａｐｔｏｎ窓が使用されている。この窓は、たとえ途絶が存在していても、ビームの減少を減らす。例として、６８ＭｅＶのビームは窓を通過した後２ＭｅＶのエネルギーを失い、３０ＭｅＶのビームは２．２ＭｅＶのエネルギーを失う（２．９％および７．３％の減少）。

陽子線での二次電子の比率の測定。

図１０ａは、２７．８ＭｅＶ（テストＢ、黒丸）、６０ＭｅＶ（テストＡ、黒菱形）、６６ＭｅＶ（テストＢ、黒丸）のビームＦについて測定された二次電子の比率のバリエーションを示している。本研究中に行われた実験測定が、先行技術で得られた結果と比較されている。

上記の測定のほとんどは、低または非常に低いエネルギー（＜２０ＭｅＶ）の荷電粒子のビームに関連している。その時に利用可能なエネルギーで放出材料を検討するために、これらのエネルギーにおいて、数多くの実験が行われてきた。

本研究でテストされた３つのエネルギーでは、二次電子の速度は予想されたものに近い。得られた測定値がＲｏｔｔｈａｒｄらによる予測に基づいて重ねられるからである。さらに、この放出率は、まさに非常に低い強度のビームの場合でも、利用できる信号を生成するのに広く十分である。

二次電子の比率は、発射体粒子の長さの単位あたりの電子エネルギーの損失として変動があることを指摘することは有用である（Ｂｅｔｈｅの式）。しかし、後者の量は、発射体からのエネルギーとともに減少する。それは、最小値（電離の最小値と呼ばれ、例えば陽子の場合は約２ＧｅＶ／ｃ）まで増加してその後ゆっくりと戻るが、広範囲にわたった低エネルギーでの損失を下回ったままである。したがって、運動エネルギーが高いと、粒子は二次電子のより少ない放出を誘導する。しかし、この現象は、高エネルギービームが高強度で発生し、したがって放出されるより多くの二次電子を有利に誘導するという事実によって、高エネルギーで補償されることに留意しなければならない。

図１０ｂは、ビームの強度が２７．８ＭｅＶ（テストＢ、正方形）、６０ＭｅＶ（テストＡ、菱形）、６６ＭｅＶ（テストＢ、丸）のビームＦに対して１０^−１ｐＡと１０^４ｐＡの間で変化するときの（測定電流における）二次電子の比率の変化を示している。

二次電子の比率は、ビームの強度に応じて常に変化し、二次電子を放出する現象の線形性を示している。したがって、特性評価システム１は、ビームの強い部分と低い部分との間のモニタからの応答の歪みがないことにより、ビームのプロファイルを具体的にモニタリングすることができる。さらに、これは、側方過剰投与の適用が不可逆的に健常な組織に損傷を与え、患者の健康に影響を与える可能性がある陽子療法による腫瘍領域の治療に特に有利である。

さらに、図１０ｂは、特性評価システム１により、提供されているように、非常に低い強度のビーム、つまり６０ＭｅＶのビームで測定した場合に最大２・１０^−１ｐＡ、および非常に高い強度のビーム、つまり６６ＭｅＶのビームで測定した場合、最大１０^４ｐＡの二次電子の比率を測定できることを示している。当然、すべての中間の強度が利用できる。

陽子線のプロファイルと位置を測定する。

図１１ａ〜図１１ｃは、セグメント２４の位置にて測定された電流の変化を示している。陽子のエネルギーは６０ＭｅＶで、ビームの強度はそれぞれ２００ｆＡ、１ｐＡ、１ｎＡである。示されている３つのプロファイルは、図１０ｂに示されている菱形の点に対応している。

これらの図に示されているように、ビームＦのプロファイルは、対象のセグメント２４によって測定された信号に従って再構築することができる。実際、プロファイルは数個の点から調整できるため、プロファイルを取得するために各セグメント２４の信号を測定する必要はない。しかし、セグメント２４の数が増加するほど、プロファイルの解像度は高くなる。セグメント２４ごとに測定された信号は、ビームの強度とともに増加する。１５ｍｍにあるセグメント２４を分析すると、強度は５ｆＡ〜２００ｆＡ、０．０７ｐＡ〜１ｐＡ、２４ｐＡ〜１ｎＡになる。

より具体的には、図１１ａに見られるように、測定に関する不確実性は、非常に低い強度のビーム（２００ｆＡ）で非常に高いままである。上で明示したように、非常に低い強度の場合、測定電子機器のノイズは、特性評価システム１にとって制限を課す要因のままである。さらに、観察できるように、セグメント２４ごとに測定された電流（最大５ｆＡ）が２００ｆＡで低いままであっても、ビームのプロファイルを再構築でき、ビームの位置を比較的小さな誤差（１６．９９±０．４ｍｍ）で推定できる。

１ｐＡ（図１１ｂ）および１ｎＡ（図１１ｃ）のビームの場合、測定に関する不確実性が小さくなり、ビームのプロファイルと位置をより正確に判定できる。さらに、ビームの位置とプロファイルは、特性評価システム１の位置を変更することによって（真空チャンバをサポートする変換テーブルを使用して）、同じセグメント２４の電流の変動をモニタリングすることによって判定できる。

さらに、図１１ａ〜図１１ｃに見られるように、パラメータσからビームＦのサイズの「測定値」を求めることも可能である。実際、このパラメータσは、主に３〜３．５ｍｍで、２００ｆＡで０．６ｍｍ、１ｐＡで０．２８ｍｍ、１ｎＡで０．０６ｍｍの誤差があり、具体的にはビームの実際のサイズの６分の１を表す。つまり、シグマが３．３７ｍｍの場合、ビームのサイズは２０．２２ｍｍになる。そのような例は、さらに図１１ｃで得られる。したがって、本発明によるシステム１は、広いダイナミックレンジにわたって、すなわち、強度が１ｎＡで数百ｆＡの間で変動し得るビームについて、ビームのプロファイルを評価することを可能にする。

Claims (16)

1. 荷電粒子のビーム（Ｆ）の特性評価のためのシステム（１）であって、前記システムはスタックを含み、前記スタックは、
   −導電性材料から形成された超薄型パターン（２０）と、
   −前記パターンを担持する薄い基板（１０）と、
   を含み、
   前記スタックは放射電極（２）を形成し、前記放射電極は、前記放射電極を荷電粒子の前記ビームが通過するとき、前記パターンの表面（２２）の近傍で二次電子（ｅ_ｓ ⁻）を放出することができる、
   システム。
2. 前記スタックは、前記パターンの前記基板への接着を促進するために、前記パターン（２０）と前記基板（１０）との間に挿入された少なくとも１つの結合層（２８）をさらに含む、請求項１に記載の特性評価システム（１）。
3. 前記基板（１０）は、ポリマーおよび／またはセラミックなどの耐熱性材料から形成される、請求項１または２に記載の特性評価システム（１）。
4. 前記基板（１０）が、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、ＣＰ１（登録商標）および／またはポリエーテルエーテルケトンまたはＰＥＴ（ポリ（エチレン）テレフタレート）などのポリアミドから形成される、請求項１に記載の特性評価システム（１）。
5. 前記パターン（２０）の厚さは１０ｎｍ〜１００ｎｍの間である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の特性評価システム（１）。
6. 前記基板（１０）は電気的に絶縁性であり、前記パターン（２０）は互いに電気的に絶縁された複数の導電性セグメント（２４）から形成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の特性評価システム（１）。
7. 前記セグメント（２４）は、防錆材料、好ましくは金から作製される、請求項６に記載の特性評価システム（１）。
8. 前記セグメント（２４）は、前記ビームの伝播方向に対して略垂直に延びるように意図された平面に並んで配置される、請求項６または７に記載の特性評価システム（１）。
9. 前記セグメント（２４）は、所与の軸に沿って前記ビーム（Ｆ）をサンプリングするように、同じ幅で等距離に、同じ方向に配向される、請求項８に記載の特性評価システム（１）。
10. 前記セグメント（２４）は、前記ビーム（Ｆ）の前記非センタリングおよび／または前記角度分布を測定するために、角度セクタに切断される、請求項８に記載の特性評価システム（１）。
11. 前記セグメント（２４）は、前記ビーム（Ｆ）の前記非センタリングおよび／または前記放射状分布を測定するために、同心のセクタに切断される、請求項８に記載の特性評価システム（１）。
12. 前記セグメント（２４）は、前記ビーム（Ｆ）のイメージングを実行するように、角度のある同心のセクタに切断される、請求項８に記載の特性評価システム（１）。
13. 収集電極（３）をさらに含み、前記収集電極は正の電位が与えられ、前記電位は前記放射電極（２）の前記電位よりも大きく、前記放射電極によって放出された前記二次電子（ｅ_ｓ ⁻）を収集する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の特性評価システム（１）。
14. 測定手段（４）を含み、前記手段により、前記放射電極（２）の表面から放出された二次電子（ｅ_ｓ ⁻）の量を測定することが可能になる、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の特性評価システム（１）。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載のシステム（１）を含む荷電粒子のビームを生成するための機械であって、前記システムは固定され永続的である機械。
16. 癌性腫瘍を治療するための機器のアイテムの荷電粒子のビームを特性評価するための、請求項１〜１４に記載されるような特性評価システム（１）の使用。

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