JP4563928B2 - Beam position monitor - Google Patents

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Description

この発明は、荷電粒子またはX線のビームの位置およびプロファイルを計測するためのビーム位置モニタに関するものである。   The present invention relates to a beam position monitor for measuring the position and profile of a charged particle or X-ray beam.

従来のストリップ型ビーム位置モニタは、容器内に複数の電極基板を組み合わせて構成され、電極基板のうち一枚を両面をスリット加工した第1の電極とし、この第1の電極を電極基板のうち二枚からなる第2の電極で挟み、第1の電極と第2の電極を所定距離をもって保持する構成とし、第2の電極に電圧が印加されることで、第1の電極からスリットごとの電離電流を取り出す位置検出部を備え、位置検出部を互いに直交する方向に一対設け、ビームの位置を検出する(例えば、特許文献1参照)。   A conventional strip type beam position monitor is configured by combining a plurality of electrode substrates in a container, and one of the electrode substrates is used as a first electrode having slits on both sides, and the first electrode is used as an electrode substrate. The first electrode and the second electrode are held at a predetermined distance by being sandwiched between two second electrodes, and a voltage is applied to the second electrode so that each slit from the first electrode A position detection unit for extracting an ionizing current is provided, and a pair of position detection units are provided in directions orthogonal to each other to detect the position of the beam (for example, see Patent Document 1).

特開2002−006051号公報JP 2002-006051 A

このビーム位置モニタでは、ビームの中心部に対応するストリップ電極から電流信号の大きさが大きく、端部に対応する電流信号の大きさが小さくなるために、ビーム形状を正確に把握しようとした場合、ストリップ電極の信号を読み取るためのA/Dコンバータのダイナミックレンジを大きく取る必要がある。しかし、ビームの中心部に対応する電流信号が飽和しないように入力の許容範囲を設定すると、端部に対応する電流信号の大きさが小さく誤差が大きくなるので、重心計算の誤差が大きくなってしまうという問題がある。   In this beam position monitor, the magnitude of the current signal from the strip electrode corresponding to the center of the beam is large, and the magnitude of the current signal corresponding to the end is small, so that the beam shape is accurately grasped. It is necessary to increase the dynamic range of the A / D converter for reading the strip electrode signal. However, if the allowable input range is set so that the current signal corresponding to the center of the beam does not saturate, the error of the center of gravity calculation increases because the size of the current signal corresponding to the end becomes small and the error increases. There is a problem of end.

この発明の目的は、ストリップ電極からの電流信号を用いてビームの中心位置を計測するときのS/N比が改善されたビーム位置モニタを提供することである。   An object of the present invention is to provide a beam position monitor having an improved S / N ratio when measuring the center position of a beam using a current signal from a strip electrode.

この発明に係わるビーム位置モニタは、電荷粒子またはX線のビームが通過するとき電離するガスイオンまたは電子が上記ビームの通過方向に垂直な面の一軸方向に並列して配列される複数の短冊状のストリップ電極に流れる電流の大きさと上記ストリップ電極の位置情報とから上記ビームの上記一軸方向の中心位置を計測するビーム位置モニタにおいて、上記複数のストリップ電極には、上記一軸方向の両端部に配置され、上記一軸方向の中央部に配置されている上記ストリップ電極の幅の2倍の幅の少なくとも4本のストリップ電極が含まれる。
The beam position monitor according to the present invention comprises a plurality of strips in which gas ions or electrons that are ionized when a charged particle or X-ray beam passes are arranged in parallel in one axial direction of a plane perpendicular to the beam passing direction. In the beam position monitor for measuring the central position of the beam in the uniaxial direction from the magnitude of the current flowing through the strip electrode and the position information of the strip electrode, the strip electrodes are arranged at both ends in the uniaxial direction. In addition, at least four strip electrodes having a width twice as large as the width of the strip electrode disposed in the central portion in the uniaxial direction are included.

この発明に係わるビーム位置モニタの効果は、荷電粒子またはX線のビームが通過することにより電離するガスイオンまたは電子をビームが通過した位置に対応した位置に配置された短冊状の複数のストリップ電極に集電されて電流が流れ、ストリップ電極の位置情報とストリップ電極に流れる電流の大きさとからビームの中心位置を算出するが、ストリップ電極の幅が中央部領域で狭く、両方の端部領域で広くなっているので、ガスイオンまたは電子の分布の少ない両方の端部領域のストリップ電極から幅の広くなった分だけ大きな電流が流れ、S/N比が改善される。   The effect of the beam position monitor according to the present invention is that a plurality of strip-shaped strip electrodes arranged at positions corresponding to positions where gas ions or electrons ionized by passage of charged particles or X-ray beams have passed. The center position of the beam is calculated from the position information of the strip electrode and the magnitude of the current flowing through the strip electrode. However, the width of the strip electrode is narrow in the central area, and in both end areas. Since it is wide, a large current flows from the strip electrodes in both end regions where the distribution of gas ions or electrons is small, and the S / N ratio is improved.

実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係わる平行平板型のビーム位置モニタの概略断面図である。
この発明の実施の形態1に係わる平行平板型のビーム位置モニタ1は、1枚の高圧電極2と、この高圧電極2を挟む2枚の信号電極3a、3bと、を有している。
また、このビーム位置モニタ1は、高圧電極2および信号電極3a、3bの外周縁部を支持する絶縁支持部材5と、この絶縁支持部材5を所定の間隔で離間し、信号電極3a、3bを高圧電極2から所定の間隔だけ離間させるスペーサ6と、絶縁支持部材5とスペーサ6とを積み重ねて固定するフレーム7と、を有している。
フレーム7の荷電粒子ビームまたはX線(以下、ビームと略称する。)が通過する中央部には、ビームが物質に衝突して散乱される現象を低減するために、薄いフィルムが貼られた窓8が設けられている。高圧電極2と信号電極3a、3bとの間には、空気が封入されている。なお、空気の替わりにビーム位置モニタ用に調整されたガスを封入してもよい。
Embodiment 1 FIG.
1 is a schematic sectional view of a parallel plate type beam position monitor according to Embodiment 1 of the present invention.
A parallel plate type beam position monitor 1 according to the first embodiment of the present invention has one high-voltage electrode 2 and two signal electrodes 3a and 3b sandwiching the high-voltage electrode 2.
Further, the beam position monitor 1 separates the insulating support member 5 that supports the outer peripheral edge portions of the high-voltage electrode 2 and the signal electrodes 3a and 3b from the insulating support member 5 at a predetermined interval, and connects the signal electrodes 3a and 3b. It has a spacer 6 that is separated from the high-voltage electrode 2 by a predetermined distance, and a frame 7 that stacks and fixes the insulating support member 5 and the spacer 6.
In the central part of the frame 7 through which the charged particle beam or X-ray (hereinafter abbreviated as a beam) passes, a window with a thin film is applied to reduce the phenomenon that the beam collides with the substance and is scattered. 8 is provided. Air is sealed between the high-voltage electrode 2 and the signal electrodes 3a and 3b. In addition, you may enclose the gas adjusted for beam position monitoring instead of air.

図2は、実施の形態1に係わる高圧電極2および信号電極3a、3bの配置の様子を示す図である。なお、以下の説明において、ビームの通過する方向をZ軸、このZ軸に直交する面の直交する2軸をX軸、Y軸と称する。
高圧電極2と信号電極3a、3bは、Z軸に直交する。
また、高圧電極2は、金属箔、またはポリイミド等の絶縁フィルムの表面に数μm〜数10μmの厚さの金属層を形成したものであり、1kV〜10kV程度の電位に維持される。
信号電極3a、3bは、高圧電極2に対向し、所定の間隔だけ離間する位置に配置される。
一方の信号電極3aは、図2に示すように、絶縁フィルムの片方の面上に短冊状の複数のストリップ電極10a、10bが形成されたものであり、高圧電極2とストリップ電極10a、10bが対面するように配置される。また、ストリップ電極10a、10bは、ほぼゼロ電位に維持される。
なお、実施の形態1に係わるビーム位置モニタ1は、1枚の高圧電極2を2枚の信号電極3a、3bで挟んで構成されているがこれに限るものではない。例えば、中央に1枚の信号電極3を配置し、その両側を2枚の高圧電極2で挟み込む構造としても良い。この場合は、信号電極3の両面にストリップ電極10a、10bを形成する。
FIG. 2 is a diagram illustrating the arrangement of the high-voltage electrode 2 and the signal electrodes 3a and 3b according to the first embodiment. In the following description, the direction in which the beam passes is referred to as the Z axis, and the two orthogonal axes of the plane orthogonal to the Z axis are referred to as the X axis and the Y axis.
The high voltage electrode 2 and the signal electrodes 3a and 3b are orthogonal to the Z axis.
The high voltage electrode 2 is formed by forming a metal layer having a thickness of several μm to several tens of μm on the surface of an insulating film such as a metal foil or polyimide, and is maintained at a potential of about 1 kV to 10 kV.
The signal electrodes 3a and 3b are arranged at positions facing the high voltage electrode 2 and spaced apart by a predetermined interval.
As shown in FIG. 2, one signal electrode 3a is formed by forming a plurality of strip-like strip electrodes 10a and 10b on one surface of an insulating film. The high-voltage electrode 2 and the strip electrodes 10a and 10b Arranged to face each other. The strip electrodes 10a and 10b are maintained at substantially zero potential.
The beam position monitor 1 according to the first embodiment is configured by sandwiching one high-voltage electrode 2 between two signal electrodes 3a and 3b, but is not limited thereto. For example, a structure in which one signal electrode 3 is arranged at the center and both sides thereof are sandwiched between two high-voltage electrodes 2 may be adopted. In this case, strip electrodes 10 a and 10 b are formed on both surfaces of the signal electrode 3.

図3は、信号電極3aのストリップ電極10a、10bが形成されている面の平面図である。
信号電極3aは、図3に示すように、絶縁フィルム12の表面にY軸方向の長辺およびX軸方向の短辺を有する短冊状のストリップ電極10a、10bが形成されている。X軸方向の端部領域Bに形成されたストリップ電極10bの短辺の長さ(以下、ストリップ電極の幅と称す。)は、X軸方向の中央部領域Aに形成されたストリップ電極10aの幅の2倍である。但し、このストリップ電極10a、10bの幅とは、ストリップ電極10a、10b間の絶縁スペースを含めた値である。
FIG. 3 is a plan view of the surface of the signal electrode 3a on which the strip electrodes 10a and 10b are formed.
As shown in FIG. 3, the signal electrode 3 a has strip-like strip electrodes 10 a and 10 b each having a long side in the Y-axis direction and a short side in the X-axis direction on the surface of the insulating film 12. The length of the short side of the strip electrode 10b formed in the end region B in the X-axis direction (hereinafter referred to as the width of the strip electrode) is the length of the strip electrode 10a formed in the center region A in the X-axis direction. It is twice the width. However, the width of the strip electrodes 10a and 10b is a value including the insulating space between the strip electrodes 10a and 10b.

各ストリップ電極10a、10bは、互いに絶縁されており、信号線13を経由して、コネクタ14に接続される。ストリップ電極10a、10bは、ほぼゼロ電位に維持されているので、高圧電極2と信号電極3aの間には、高圧電極2および信号電極3aに垂直なZ軸方向に電界が発生される。
図1において左手方向からビームが入射すると、ビームが通過した位置において、空気が電離され、プラス電荷を持つガスイオンとマイナス電荷を持つ電子が生成される。このガスイオンおよび電子は、高圧電極2に印加された電圧の極性に応じて、高圧電極2と信号電極3aに向かって移動する。例えば、高圧電極2にプラスの電圧を印加した場合には、電子が高圧電極2に向かって移動し、ガスイオンが信号電極3aに向かって移動する。そして、ガスイオンが信号電極3aに到達すると、対応した位置にあるストリップ電極10a、10bに電流が流れる。この時、高圧電極2と信号電極3a間の電界はこれらの電極に対してほぼ垂直で、ビーム軸(Z軸)に対して平行であるので、各ストリップ電極10a、10bに流れる電流の大きさの分布は、ビームの広がりのX軸方向の分布を反映している。すなわち、図3のようにストリップ電極10a、10bを形成した場合、ストリップ電極10a、10bからの電流信号の大きさから、ビームの広がりのX軸方向の分布を知ることができる。
The strip electrodes 10 a and 10 b are insulated from each other and connected to the connector 14 via the signal line 13. Since the strip electrodes 10a and 10b are maintained at substantially zero potential, an electric field is generated between the high voltage electrode 2 and the signal electrode 3a in the Z-axis direction perpendicular to the high voltage electrode 2 and the signal electrode 3a.
In FIG. 1, when a beam is incident from the left-hand direction, air is ionized at the position where the beam has passed, and positively charged gas ions and negatively charged electrons are generated. The gas ions and electrons move toward the high voltage electrode 2 and the signal electrode 3a according to the polarity of the voltage applied to the high voltage electrode 2. For example, when a positive voltage is applied to the high voltage electrode 2, electrons move toward the high voltage electrode 2 and gas ions move toward the signal electrode 3a. When the gas ions reach the signal electrode 3a, a current flows through the strip electrodes 10a and 10b at the corresponding positions. At this time, since the electric field between the high-voltage electrode 2 and the signal electrode 3a is substantially perpendicular to these electrodes and parallel to the beam axis (Z-axis), the magnitude of the current flowing through each strip electrode 10a, 10b. This distribution reflects the distribution of the beam spread in the X-axis direction. That is, when the strip electrodes 10a and 10b are formed as shown in FIG. 3, the distribution of the beam spread in the X-axis direction can be known from the magnitude of the current signal from the strip electrodes 10a and 10b.

他方の信号電極3bは、一方の信号電極3aに形成されたストリップ電極10a、10bを90度回転させて形成されており、ビームの広がりのY軸方向の分布を知ることができ、この2つの信号電極3a、3bの信号から、ビームの進行方向に垂直な方向に対する2次元の分布を知ることができる。   The other signal electrode 3b is formed by rotating the strip electrodes 10a and 10b formed on one signal electrode 3a by 90 degrees, and the distribution of the beam spread in the Y-axis direction can be known. From the signals of the signal electrodes 3a and 3b, the two-dimensional distribution in the direction perpendicular to the beam traveling direction can be known.

図4は、実施の形態1に係わるストリップ電極10a、10bに接続される信号処理系の様子を示す図である。
各ストリップ電極10a、10bには、プリアンプ16が接続され、電流信号を電圧信号に変換して増幅する。そして、プリアンプ16にA/Dコンバータ17が接続され、電圧信号がデジタル電圧信号に変換されて、演算回路18に送られる。演算回路18では、予め入力された各ストリップ電極10a、10bの位置情報と、A/Dコンバータ17から入力されたストリップ電極10a、10bでの電流信号の大きさとからビームの中心位置を算出する。
FIG. 4 is a diagram illustrating a state of the signal processing system connected to the strip electrodes 10a and 10b according to the first embodiment.
A preamplifier 16 is connected to each strip electrode 10a, 10b, and a current signal is converted into a voltage signal and amplified. An A / D converter 17 is connected to the preamplifier 16, and the voltage signal is converted into a digital voltage signal and sent to the arithmetic circuit 18. The arithmetic circuit 18 calculates the center position of the beam from the position information of the strip electrodes 10a and 10b input in advance and the magnitude of the current signal at the strip electrodes 10a and 10b input from the A / D converter 17.

ビームの中心位置の算出方式としては、例えば、電流信号の大きさとストリップ電極10a、10bの位置情報とを用いて重心計算を行う方法や、ビームの広がりの分布がガウス分布に従うと仮定して関数近似を行う方式がある。そして、高速に演算処理を行うときには、重心計算を行う方法が用いられる。特に、医療用加速器に用いるときには、常にビームがビーム位置モニタの中心位置を通過していることを確認しておく必要がある。例えば、ビーム位置モニタを粒子線のスポットスキャニングによるがん治療装置に用いる場合、数10μsecから数100μsecの間で、ビームの中心位置の異常を感知する必要があるため、高速な処理が必要となる。また、ビーム位置変動を検知して、ビーム輸送系上流にある位置補正電磁石に対して、出力補正信号を出す高速補正回路を構成するためにも高速な処理が必要である。   As a calculation method of the center position of the beam, for example, a method of calculating the center of gravity using the magnitude of the current signal and the position information of the strip electrodes 10a and 10b, or a function assuming that the distribution of the beam spread follows a Gaussian distribution. There is a method of approximation. When performing arithmetic processing at high speed, a method of calculating the center of gravity is used. In particular, when used in a medical accelerator, it is necessary to confirm that the beam always passes through the center position of the beam position monitor. For example, when the beam position monitor is used in a cancer treatment apparatus using particle beam spot scanning, it is necessary to detect an abnormality in the center position of the beam between several tens of microseconds to several hundreds of microseconds, and thus high-speed processing is required. . Also, high-speed processing is required to configure a high-speed correction circuit that detects the beam position variation and outputs an output correction signal to the position correction electromagnet upstream of the beam transport system.

図5は、従来の信号電極でのすべての幅が等しいストリップ電極からの電流信号の大きさをシミュレーションした結果である。横軸は、X軸上における信号電極の中心から各ストリップ電極までの距離である。ストリップ電極の位置は、ストリップ電極の幅の中央で代表している。また、電流信号の大きさのシミュレーションにおいては、信号電極の中心にビームの中心が位置するようにビームを入射している。
ストリップ電極からの電流信号の大きさが最も大きくなるのは、ビームの中心、すなわち信号電極の中心の最も近い位置にストリップ電極が位置するときである。この時、プリアンプ16、A/Dコンバータ17に入力が許容される電流信号の範囲は、最も大きい電流信号に対して、余裕を持って設定する必要があるが、一方で、ビームの中心から離れた位置のストリップ電極に対しては、入力信号の範囲に対して、相対的に電流信号の大きさが小さくなるため、電流信号に対する感度が低下する。
FIG. 5 shows the result of simulating the magnitude of a current signal from a strip electrode having the same width in the conventional signal electrode. The horizontal axis is the distance from the center of the signal electrode to each strip electrode on the X axis. The position of the strip electrode is represented by the center of the width of the strip electrode. In the simulation of the magnitude of the current signal, the beam is incident so that the center of the beam is positioned at the center of the signal electrode.
The magnitude of the current signal from the strip electrode becomes the largest when the strip electrode is located at the center of the beam, that is, the position closest to the center of the signal electrode. At this time, the range of the current signal that is allowed to be input to the preamplifier 16 and the A / D converter 17 needs to be set with a margin with respect to the largest current signal. For the strip electrode at a certain position, the magnitude of the current signal is relatively small with respect to the range of the input signal, so that the sensitivity to the current signal is lowered.

図6は、実施の形態1に係わる信号電極3aの中心にビームの中心が位置するようにビームが入射されたときの電流信号の大きさのシミュレーション結果である。
中央部領域Aの10本のストリップ電極10aでは、幅が1mmであるので、図5と同様な電流信号の大きさであるが、その外側の端部領域Bのストリップ電極10bでは、幅がストリップ電極10aの2倍の2mmであるので、電流信号の大きさも図5の対応する位置のストリップ電極からの電流信号の大きさの2倍になる。
FIG. 6 is a simulation result of the magnitude of the current signal when the beam is incident so that the center of the beam is positioned at the center of the signal electrode 3a according to the first embodiment.
The ten strip electrodes 10a in the central region A have a width of 1 mm, so that the current signal has the same magnitude as in FIG. 5, but the strip electrode 10b in the outer end region B has a width of strip. Since it is 2 mm, which is twice that of the electrode 10a, the magnitude of the current signal is also twice the magnitude of the current signal from the strip electrode at the corresponding position in FIG.

また、2種類のストリップ電極10a、10bの幅が変わる境界位置は、中央部領域Aに最も近い端部領域Bのストリップ電極10bの電流信号の大きさが、ビーム中心位置に位置するストリップ電極10aの電流信号の大きさにほぼ一致する位置とした。すなわち、境界位置は、ビームの広がり分布の半値幅の近傍となる。
そして、A/Dコンバータ17に入力が許容される電流信号の大きさの範囲は、すべてのストリップ電極の幅が等しい場合と同じで良く、かつ、端部領域Bのストリップ電極10bでは、電流信号の大きさが2倍となるために、信号感度が高くなる。
The boundary position where the widths of the two types of strip electrodes 10a and 10b change is the strip electrode 10a in which the magnitude of the current signal of the strip electrode 10b in the end region B closest to the center region A is located at the beam center position. The position was almost the same as the magnitude of the current signal. That is, the boundary position is in the vicinity of the half width of the beam spread distribution.
The range of the magnitude of the current signal allowed to be input to the A / D converter 17 may be the same as when all the strip electrodes have the same width, and the current signal is applied to the strip electrode 10b in the end region B. Since the size of is doubled, the signal sensitivity is increased.

図7は、実施の形態1に係わる信号電極3aの中心に対してビームの中心がストリップ電極10aの幅1mmの半分0.5mmだけX軸方向に移動したときの電流信号の大きさに関するシミュレーション結果である。
この場合、端部領域Bのストリップ電極10bの中の中央部領域Aに近いストリップ電極10bからの電流信号の大きさの変化が大きく、ビーム位置変動に対して信号感度が高い。
FIG. 7 shows a simulation result regarding the magnitude of the current signal when the center of the beam is moved in the X-axis direction by half 0.5 mm of the width 1 mm of the strip electrode 10a with respect to the center of the signal electrode 3a according to the first embodiment. It is.
In this case, the change in the magnitude of the current signal from the strip electrode 10b close to the central region A in the strip electrode 10b in the end region B is large, and the signal sensitivity is high with respect to the beam position variation.

次に、ストリップ電極10a、10bから得られた電流信号の大きさから、ビーム中心位置の算出を重心計算によって行う。n個のストリップ電極10a、10bの電流信号の大きさを用いた重心計算によりビームの中心位置を求める場合、i番目のストリップ電極10a、10bの位置(ストリップ電極の並び方向の位置)をxi、そのストリップ電極10a、10bから得られた電流信号の大きさをSiとすると、ビーム中心位置xcは、式(1)により求められる。但し、iは1〜nの整数、Aは較正係数である。   Next, the beam center position is calculated by calculating the center of gravity from the magnitude of the current signal obtained from the strip electrodes 10a and 10b. When obtaining the center position of the beam by calculating the center of gravity using the current signal magnitudes of the n strip electrodes 10a and 10b, the position of the i-th strip electrode 10a and 10b (the position in the arrangement direction of the strip electrodes) is denoted by xi, Assuming that the magnitude of the current signal obtained from the strip electrodes 10a and 10b is Si, the beam center position xc is obtained by the equation (1). However, i is an integer of 1 to n, and A is a calibration coefficient.

Figure 0004563928
Figure 0004563928

図8は、実施の形態1に係わる信号電極3aの中心からビームの中心が機械的に移動したときに求められた重心計算位置である。なお、すべてのストリップ電極の幅が等しい信号電極において、ストリップ電極の本数が10本、14本、24本として重心計算を行った結果を比較例1乃至3として合わせて図8に示す。
実施の形態1に係わる信号電極3aに関しては、幅1mmの10本のストリップ電極10aと幅2mmの両側2本づつ計4本のストリップ電極10bからの電流信号を用いて重心計算を行った。また、比較例1として幅1mmの10本のストリップ電極、比較例2として幅1mmの14本のストリップ電極、比較例3として幅1mmの24本のストリップ電極からの電流信号の大きさを用いて重心計算を行っている。なお、補正係数Aをすべて1として重心計算を行っている。
FIG. 8 shows the center of gravity calculation position obtained when the center of the beam is mechanically moved from the center of the signal electrode 3a according to the first embodiment. FIG. 8 shows the results of calculating the center of gravity when the number of strip electrodes is 10, 14, and 24 for all signal electrodes having the same width of the strip electrodes as Comparative Examples 1 to 3.
For the signal electrode 3a according to the first embodiment, the center of gravity was calculated using current signals from ten strip electrodes 10a having a width of 1 mm and two strip electrodes 10b having two widths on both sides. Further, the magnitudes of current signals from 10 strip electrodes having a width of 1 mm as Comparative Example 1, 14 strip electrodes having a width of 1 mm as Comparative Example 2, and 24 strip electrodes having a width of 1 mm as Comparative Example 3 are used. The center of gravity is calculated. The center of gravity is calculated with all correction coefficients A being 1.

図8から分かるように、比較例3では、重心計算位置は機械的に移動したほぼ正しいビーム中心位置を示しているが、他では、それぞれの比率で、機械的に移動したビーム中心位置と重心計算位置との間にずれが生じている。このずれは、較正係数Aを適切に選択する事によって、補正することができる。補正係数Aは、ストリップ電極数が少ない比較例1の場合が最も大きいが、同じ14本のストリップ電極数でも、実施の形態1の場合の方が、比較例2の場合よりも、小さい補正係数、即ち、1に近い補正係数でよいことが分かる。補正係数が1に近い場合の方が、補正係数の誤差による重心計算誤差を低減することができ、より正確な位置計測ができる。   As can be seen from FIG. 8, in the comparative example 3, the center-of-gravity calculation position indicates a substantially correct beam center position moved mechanically, but in other cases, the center position of the beam center and the center of gravity moved mechanically at the respective ratios. There is a deviation from the calculation position. This deviation can be corrected by appropriately selecting the calibration coefficient A. The correction coefficient A is the largest in Comparative Example 1 with a small number of strip electrodes, but the correction coefficient A is smaller in the case of Embodiment 1 than in the case of Comparative Example 2 even with the same 14 strip electrodes. That is, it can be seen that a correction coefficient close to 1 is sufficient. When the correction coefficient is close to 1, the gravity center calculation error due to the correction coefficient error can be reduced, and more accurate position measurement can be performed.

次に、重心計算で求められたビームの中心位置xcの重心計算誤差について考える。ビームの中心位置xcの重心計算誤差は、主に、プリアンプ16や伝送系におけるノイズが寄因する。このノイズは、各ストリップ電極10a、10bに対して、ストリップ電極10a、10bの大きさに関係なく一定である。各ストリップ電極10a、10bで得られる電流信号の大きさSiに対して、ノイズの大きさをεとすると、ビームの中心位置xcの重心計算誤差Δxcは、式(2)により求められる。   Next, a centroid calculation error of the beam center position xc obtained by the centroid calculation will be considered. The center-of-gravity calculation error of the beam center position xc is mainly caused by noise in the preamplifier 16 and the transmission system. This noise is constant for each strip electrode 10a, 10b regardless of the size of the strip electrode 10a, 10b. If the magnitude of the noise is ε with respect to the magnitude Si of the current signal obtained from each strip electrode 10a, 10b, the barycentric calculation error Δxc of the center position xc of the beam can be obtained by equation (2).

Figure 0004563928
Figure 0004563928

そして、ストリップ電極の配置に係わる重心位置の測定の誤差は、式(3)により評価することができる。   An error in measurement of the center of gravity position related to the arrangement of the strip electrodes can be evaluated by Expression (3).

Figure 0004563928
Figure 0004563928

図9は、ストリップ電極の配置の違いによる重心計算誤差とノイズの比の変化を示す図である。
ビームサイズσが3mmから9mmの範囲で変化した場合について、この式(3)に基づいて重心計算誤差を評価した。
図9から分かるように、比較例3の場合、ビームサイズσが小さくなるほど重心計算誤差が大きくなっており、ビームサイズσが3mmから9mmに亘って全般的に重心位置計算誤差が大きい。これは、ストリップ電極からの信号が小さいビーム端部のデータをより多く計算に使用しているためである。
比較例1では、ビームサイズσが大きくなるにつれて重心計算誤差が増大する。また、比較例2では、比較例1と比較例3に比べて、重心計算誤差が全般的に小さい。
一方、実施の形態1では、比較例2に比べても重心計算誤差が小さく、全般的にも安定して重心計算誤差が小さい。この理由は、端部領域Bのストリップ電極の幅が広くなって電流信号が大きくなったためである。
そして、ビームサイズσが3mm〜9mmの範囲であれば、実施の形態1のようなストリップ電極構成にすることにより、高いS/N比を得ることができる。
FIG. 9 is a diagram showing a change in the ratio between the gravity center calculation error and the noise due to the difference in the arrangement of the strip electrodes.
For the case where the beam size σ was changed in the range of 3 mm to 9 mm, the gravity center calculation error was evaluated based on this equation (3).
As can be seen from FIG. 9, in the case of Comparative Example 3, the centroid calculation error increases as the beam size σ decreases, and the centroid position calculation error generally increases as the beam size σ ranges from 3 mm to 9 mm. This is because more data at the beam end where the signal from the strip electrode is small is used in the calculation.
In Comparative Example 1, the centroid calculation error increases as the beam size σ increases. Further, in Comparative Example 2, the center of gravity calculation error is generally smaller than in Comparative Example 1 and Comparative Example 3.
On the other hand, in the first embodiment, the centroid calculation error is smaller than that in the comparative example 2, and the centroid calculation error is generally stable and small. The reason for this is that the width of the strip electrode in the end region B is increased and the current signal is increased.
When the beam size σ is in the range of 3 mm to 9 mm, a high S / N ratio can be obtained by adopting the strip electrode configuration as in the first embodiment.

ストリップ電極10a、10bの幅が変わる境界位置を5mmと設定した場合に、ビームサイズσが3mm〜9mmの範囲でS/N比の高い計測ができることが分かったので、逆に、ビームサイズσがYmmのときにストリップ電極10a、10bの幅が変わる境界位置を求めることができる。すなわち、式(4)を満足するWを求めて、信号電極3aの中心から±Wmmをストリップ電極10a、10bの幅を変化する境界位置とする。そして、ストリップ電極10a、10bの幅を信号電極3aの中心から±Wmmの境界位置の内側と外側とで変化させる。端部領域Bのストリップ電極10bの幅を中央部領域Aのストリップ電極10aの幅の2倍にすることにより、S/N比の高いビーム位置モニタ1を提供することができる。   When the boundary position where the widths of the strip electrodes 10a and 10b change is set to 5 mm, it has been found that measurement with a high S / N ratio can be performed when the beam size σ is in the range of 3 mm to 9 mm. The boundary position where the width of the strip electrodes 10a and 10b changes when Ymm can be obtained. That is, W satisfying Expression (4) is obtained, and ± Wmm from the center of the signal electrode 3a is set as a boundary position where the width of the strip electrodes 10a and 10b is changed. Then, the width of the strip electrodes 10a and 10b is changed between the inside and outside of the boundary position ± W mm from the center of the signal electrode 3a. By setting the width of the strip electrode 10b in the end region B to twice the width of the strip electrode 10a in the central region A, the beam position monitor 1 having a high S / N ratio can be provided.

Figure 0004563928
Figure 0004563928

また、端部領域Bのストリップ電極10bの本数は4本あれば十分であるが、ビーム調整の際の利便性を考えて、ビームが移動可能な範囲をカバーするように設定すれば良い。
なお、中央部領域Aのストリップ電極10aの幅は、式(2)に基づいて、ビームサイズσ、必要な位置感度Δxc、電気系統におけるノイズの大きさεから概略の値を求めることができる。
Further, the number of strip electrodes 10b in the end region B is sufficient if it is four, but it may be set so as to cover the range in which the beam can be moved in consideration of convenience in beam adjustment.
The approximate width of the strip electrode 10a in the central region A can be determined from the beam size σ, the required position sensitivity Δxc, and the noise level ε in the electrical system based on the equation (2).

また、実施の形態1に係わる信号電極3aは、平板型であるとして説明してきたが、ワイヤー型としても同様な効果が得られる。ワイヤー型のビーム位置モニタは、ストリップ電極を直径10μm〜数100μmの金属ワイヤーで構成するものであり、ストリップ電極の中心位置に金属ワイヤーを配置することで、ほぼ平板型と同じ構成にすることができる。すなわち、ストリップ電極の幅は、金属ワイヤーの間隔に置き換えることができる。このときは、絶縁フィルム12が不要となり、ビームが通過する物質量を低減させることができる。   In addition, the signal electrode 3a according to the first embodiment has been described as being a flat plate type, but the same effect can be obtained when a wire type is used. In the wire type beam position monitor, the strip electrode is composed of a metal wire having a diameter of 10 μm to several hundreds of μm, and by arranging the metal wire at the center position of the strip electrode, it is possible to make the configuration almost the same as the flat plate type. it can. That is, the width of the strip electrode can be replaced with the interval between the metal wires. In this case, the insulating film 12 is not necessary, and the amount of material through which the beam passes can be reduced.

このようなビーム位置モニタ1は、荷電粒子またはX線のビームが通過することにより電離するガスイオンまたは電子をビームが通過した位置に対応した位置に配置された短冊状の複数のストリップ電極10a、10bに集電されて電流が流れ、ストリップ電極10a、10bの位置情報とストリップ電極10a、10bに流れる電流の大きさとからビームの中心位置を算出するが、ストリップ電極10a、10bの幅が中央部領域で狭く、両方の端部領域で広くなっているので、ガスイオンまたは電子の分布の少ない両方の端部領域ではストリップ電極10bの幅が広いから幅の広くなった分だけ大きな電流が流れ、S/N比が改善される。また、重心計算においてビーム位置推定精度が向上する。   Such a beam position monitor 1 includes a plurality of strip-shaped strip electrodes 10a arranged at positions corresponding to positions where gas ions or electrons ionized by passing charged particles or X-ray beams pass, and positions where the beams have passed. The current flows through the current collected by 10b, and the center position of the beam is calculated from the position information of the strip electrodes 10a and 10b and the magnitude of the current flowing through the strip electrodes 10a and 10b. The width of the strip electrodes 10a and 10b is the central portion. Since the width of the strip electrode 10b is wide in both end regions where the distribution of gas ions or electrons is small, a larger current flows in the both end regions. The S / N ratio is improved. Further, the accuracy of beam position estimation is improved in the centroid calculation.

また、信号電極の中心からビームの広がり分布の半値幅または分散だけ離れた位置を境界として、境界の外側の境界に最も近いストリップ電極の幅が信号電極の中心に最も近いストリップ電極の2倍であるので、プリアンプのゲインを信号電極の中心に最も近いストリップ電極からの電流信号の大きさに合わせることにより境界の外側の境界に最も近いストリップ電極からの電流信号を飽和することなくビームの中心位置の算出に用いることができる。   The width of the strip electrode closest to the boundary outside the boundary is twice the width of the strip electrode closest to the center of the signal electrode, with the position separated from the center of the signal electrode by the half width or dispersion of the beam spread distribution as the boundary. Therefore, by adjusting the gain of the preamplifier to the magnitude of the current signal from the strip electrode closest to the center of the signal electrode, the center position of the beam is not saturated without saturating the current signal from the strip electrode closest to the outer boundary. It can be used for calculation.

実施の形態2.
図10は、この発明の実施の形態2に係わる信号電極3Bと電流信号処理系との接続の様子を示す図である。
この発明の実施の形態2に係わるビーム位置モニタは、実施の形態1に係わるビーム位置モニタ1と信号電極3Bおよび電流信号処理系が異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態2に係わる信号電極3Bは、すべてのストリップ電極10の幅が等しい。そして、信号電極3Bの中央部領域Aに形成されたストリップ電極10は別々のプリアンプ16に接続されている。一方、端部領域Bに形成されたストリップ電極10は、隣り合うストリップ電極10と対をなすようにまとめられ、対のストリップ電極10は同じプリアンプ16に接続される。
なお、接続の切り替えを図示しないディップ・スイッチなどで行えるようにすれば、利用形態や、ビームの状況に応じて実効的なストリップ電極の幅を変更する境界位置を変更することができる。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 10 is a diagram showing a state of connection between the signal electrode 3B and the current signal processing system according to Embodiment 2 of the present invention.
The beam position monitor according to the second embodiment of the present invention is different from the beam position monitor 1 according to the first embodiment in the signal electrode 3B and the current signal processing system. The same reference numerals are added and description thereof is omitted.
In the signal electrode 3B according to the second embodiment, all the strip electrodes 10 have the same width. The strip electrode 10 formed in the central region A of the signal electrode 3B is connected to separate preamplifiers 16. On the other hand, the strip electrodes 10 formed in the end region B are grouped so as to form a pair with adjacent strip electrodes 10, and the pair of strip electrodes 10 are connected to the same preamplifier 16.
If the connection can be switched by a dip switch (not shown) or the like, the boundary position for changing the effective strip electrode width can be changed in accordance with the use form and the beam condition.

このようなビーム位置モニタは、信号電極3Bの複数のストリップ電極10の幅がすべて等しい場合でも端部領域のストリップ電極10が対にしてまとめられて同一のプリアンプ16に接続されているので、ガスイオンまたは電子の分布の少ない両方の端部領域では2本のストリップ電極10からの電流信号が合わさり、S/N比が改善される。   In such a beam position monitor, even when the widths of the plurality of strip electrodes 10 of the signal electrode 3B are all equal, the strip electrodes 10 in the end region are combined together and connected to the same preamplifier 16, so that In both end regions where the distribution of ions or electrons is small, current signals from the two strip electrodes 10 are combined to improve the S / N ratio.

実施の形態3.
図11は、この発明の実施の形態3に係わるストリップ電極10a〜10fが形成された信号電極3Cの平面図である。図12は、実施の形態3に係わる信号電極3Cの中心にビームの中心が位置するようにビームが入射されたときの電流信号の大きさのシミュレーション結果である。
この発明の実施の形態3に係わるビーム位置モニタは、実施の形態1に係わるビーム位置モニタ1と信号電極3Cが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態3に係わる信号電極3Cは、図11に示すように、実施の形態1に係わる信号電極3aと中央部領域Aのストリップ電極10c〜10fが異なっており、それ以外同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 11 is a plan view of a signal electrode 3C on which strip electrodes 10a to 10f according to Embodiment 3 of the present invention are formed. FIG. 12 is a simulation result of the magnitude of the current signal when the beam is incident so that the center of the beam is positioned at the center of the signal electrode 3C according to the third embodiment.
The beam position monitor according to the third embodiment of the present invention is different from the beam position monitor 1 according to the first embodiment in that the signal electrode 3C is the same as that of the first embodiment. Description is omitted.
Since the signal electrode 3C according to the third embodiment is different from the signal electrode 3a according to the first embodiment and the strip electrodes 10c to 10f in the central region A as shown in FIG. Similar parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

実施の形態3に係わる信号電極3Cの中央部領域Aのストリップ電極10a、10c〜10fのうち、ストリップ電極10aは、実施の形態1に係わる信号電極3aのストリップ電極10aと同様の幅であるが、ストリップ電極10c〜10fは実施の形態1に係わるストリップ電極10aと異なっている。
ストリップ電極10fの幅は、隣接するストリップ電極1bからの電流信号の大きさよりもストリップ電極10fからの電流信号の大きさが大きくなるように、決められる。同様に、ストリップ電極10eの幅は、隣接するストリップ電極10fからの電流信号の大きさよりもストリップ電極10eからの電流信号の大きさが大きくなるように、決められる。さらに、ストリップ電極10dの幅は、隣接するストリップ電極10eからの電流信号の大きさよりもストリップ電極10dからの電流信号の大きさが大きくなるように、決められる。さらに、ストリップ電極10cの幅は、ストリップ電極10cからの電流信号の大きさが、隣接するストリップ電極10dからの電流信号の大きさよりも大きく、ストリップ電極10aからの電流信号の大きさよりも小さくなるように、決められる。
このようにして決められたストリップ電極10a〜10fが形成された信号電極3Cの中心にビームの中心が位置するようにしてビームを入射すると、図12に示すように、ストリップ電極10a〜10fからの電流信号の大きさが、ビーム中心から外側に向かって、単調に減少する。
Of the strip electrodes 10a, 10c to 10f in the central region A of the signal electrode 3C according to the third embodiment, the strip electrode 10a has the same width as the strip electrode 10a of the signal electrode 3a according to the first embodiment. The strip electrodes 10c to 10f are different from the strip electrode 10a according to the first embodiment.
The width of the strip electrode 10f is determined so that the magnitude of the current signal from the strip electrode 10f is larger than the magnitude of the current signal from the adjacent strip electrode 1b. Similarly, the width of the strip electrode 10e is determined so that the magnitude of the current signal from the strip electrode 10e is larger than the magnitude of the current signal from the adjacent strip electrode 10f. Furthermore, the width of the strip electrode 10d is determined so that the magnitude of the current signal from the strip electrode 10d is larger than the magnitude of the current signal from the adjacent strip electrode 10e. Further, the width of the strip electrode 10c is such that the magnitude of the current signal from the strip electrode 10c is larger than the magnitude of the current signal from the adjacent strip electrode 10d and smaller than the magnitude of the current signal from the strip electrode 10a. Can be decided.
When the beam is incident so that the center of the beam is positioned at the center of the signal electrode 3C on which the strip electrodes 10a to 10f are determined in this way, as shown in FIG. The magnitude of the current signal decreases monotonously from the beam center toward the outside.

図13は、実施の形態3に係わる信号電極3Cの中心からビームの中心が機械的に移動したときに求められた重心位置計算結果である。なお、実施の形態3において重心位置計算では中央部領域の10本のストリップ電極10a、10c〜10fと端部領域の2本のストリップ電極10bが用いられた。
実施の形態3の信号電極3Cを用いた重心位置計算では、実施の形態1の信号電極3aを用いたときに比べて、ビーム位置に対する重心計算値の感度は下がっているが、すべてのストリップ電極の幅を等しくした比較例1に比較すると、感度は上がっている。
また、図6と図11を比較すると分かるように、中央部領域のストリップ電極を含む12本のストリップ電極からの電流信号の大きさの平均値は、実施の形態3の方が実施の形態1より10%程度大きくなっており、重心位置計算のS/N比は改善される。
FIG. 13 shows the result of calculation of the center of gravity obtained when the center of the beam is mechanically moved from the center of the signal electrode 3C according to the third embodiment. In the third embodiment, ten strip electrodes 10a, 10c to 10f in the central region and two strip electrodes 10b in the end region are used in the gravity center calculation.
In the centroid position calculation using the signal electrode 3C of the third embodiment, the sensitivity of the centroid calculation value with respect to the beam position is lower than when the signal electrode 3a of the first embodiment is used. As compared with Comparative Example 1 in which the widths of the two are equal, the sensitivity is increased.
Further, as can be seen by comparing FIG. 6 and FIG. 11, the average value of the magnitude of the current signal from the 12 strip electrodes including the strip electrode in the central region is the same as that of the third embodiment. The S / N ratio in the calculation of the center of gravity is improved by about 10%.

この発明の実施の形態1に係わる平行平板型のビーム位置モニタの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the parallel plate type beam position monitor concerning Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1に係わる高圧電極および信号電極の配置の様子を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a state of arrangement of high-voltage electrodes and signal electrodes according to the first embodiment. 信号電極のストリップ電極が形成されている面の平面図である。It is a top view of the surface in which the strip electrode of a signal electrode is formed. 実施の形態1に係わるストリップ電極に接続される信号処理系の様子を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a state of a signal processing system connected to a strip electrode according to the first embodiment. 従来の信号電極のすべての幅が等しいストリップ電極からの電流信号の大きさをシミュレーションした結果である。It is the result of having simulated the magnitude | size of the current signal from the strip electrode where all the width | variety of the conventional signal electrode is equal. 実施の形態1に係わる信号電極の中心にビームの中心が位置するようにビームが入射されたときの電流信号の大きさのシミュレーション結果である。It is a simulation result of the magnitude | size of an electric current signal when a beam injects so that the center of a beam may be located in the center of the signal electrode concerning Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係わる信号電極の中心に対してビームの中心がストリップ電極の幅1mmの半分0.5mmだけX軸方向に移動したときの電流信号の大きさに関するシミュレーション結果である。It is a simulation result regarding the magnitude | size of an electric current signal when the center of a beam moves to the X-axis direction only 0.5 mm of the width | variety 1mm of a strip electrode with respect to the center of the signal electrode concerning Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係わる信号電極の中心からビームの中心が機械的に移動したときに求められた重心計算結果である。It is a gravity center calculation result calculated | required when the center of the beam moved mechanically from the center of the signal electrode concerning Embodiment 1. FIG. ストリップ電極の配置の違いによる重心位置の測定の誤差の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the measurement error of the gravity center position by the difference in arrangement | positioning of a strip electrode. この発明の実施の形態2に係わる信号電極と電流信号処理系との接続の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the connection of the signal electrode concerning Embodiment 2 of this invention, and a current signal processing system. この発明の実施の形態3に係わるストリップ電極が形成された信号電極の平面図である。It is a top view of the signal electrode in which the strip electrode concerning Embodiment 3 of this invention was formed. 実施の形態3に係わる信号電極の中心にビームの中心が位置するようにビームが入射されたときの電流信号の大きさのシミュレーション結果である。It is a simulation result of the magnitude | size of an electric current signal when a beam injects so that the center of a beam may be located in the center of the signal electrode concerning Embodiment 3. FIG. 実施の形態3に係わる信号電極の中心からビームの中心が機械的に移動したときに求められた重心位置計算結果である。It is a gravity center position calculation result calculated | required when the center of the beam moved from the center of the signal electrode concerning Embodiment 3 mechanically.

符号の説明Explanation of symbols

1 ビーム位置モニタ、2 高圧電極、3 信号電極、5 絶縁支持部材、6 スペーサ、7 フレーム、8 窓、10 ストリップ電極、12 絶縁フィルム、13 信号線、14 コネクタ、16 プリアンプ、17 A/Dコンバータ、18 演算回路。   1 Beam position monitor, 2 High voltage electrode, 3 Signal electrode, 5 Insulating support member, 6 Spacer, 7 Frame, 8 Window, 10 Strip electrode, 12 Insulating film, 13 Signal line, 14 Connector, 16 Preamplifier, 17 A / D converter , 18 Arithmetic circuit.

Claims (3)

電荷粒子またはX線のビームが通過するとき電離するガスイオンまたは電子が上記ビームの通過方向に垂直な面の一軸方向に並列して配列される複数の短冊状のストリップ電極に流れる電流の大きさと上記ストリップ電極の位置情報とから上記ビームの上記一軸方向の中心位置を計測するビーム位置モニタにおいて、
上記複数のストリップ電極には、上記一軸方向の両端部に配置され、上記一軸方向の中央部に配置されている上記ストリップ電極の幅の2倍の幅の少なくとも4本のストリップ電極が含まれることを特徴とするビーム位置モニタ。
The magnitude of current flowing through a plurality of strip-shaped strip electrodes in which gas ions or electrons ionized when a charged particle or X-ray beam passes and arranged in parallel in a uniaxial direction in a plane perpendicular to the beam passing direction In a beam position monitor that measures the center position of the beam in the uniaxial direction from the position information of the strip electrode,
The plurality of strip electrodes include at least four strip electrodes disposed at both ends in the uniaxial direction and having a width twice as large as the width of the strip electrode disposed in the central portion in the uniaxial direction. A beam position monitor characterized by
上記一軸方向の中心から上記ビームの広がり分布の半値幅または分散だけ離れる境界よりも外側に配置される上記ストリップ電極の幅が、上記境界より内側に配置される上記ストリップ電極の幅の2倍であることを特徴とする請求項1に記載するビーム位置モニタ。   The width of the strip electrode arranged outside the boundary that is separated from the center in the uniaxial direction by the half width or dispersion of the beam spread distribution is twice the width of the strip electrode arranged inside the boundary. The beam position monitor according to claim 1, wherein there is a beam position monitor. 上記一軸方向の中心から上記ビームの広がり分布の半値幅または分散だけ離れる境界よりも外側に配置される上記ストリップ電極の幅が、上記中心に最も近い位置に配置される上記ストリップ電極の幅の2倍であり、
上記境界より内側に配置される上記ストリップ電極の幅が、上記中心に近いほど流れる電流の大きさが大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載するビーム位置モニタ。
The width of the strip electrode arranged outside the boundary that is separated from the center in the uniaxial direction by the half width or dispersion of the spread distribution of the beam is 2 of the width of the strip electrode arranged at the position closest to the center. Is double
2. The beam position monitor according to claim 1, wherein the width of the strip electrode arranged on the inner side of the boundary is set so that the magnitude of the flowing current increases as the distance from the center is closer.
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