JP5263931B2 - 実照射ビーム測定用ビームモニタセンサおよびこれを備えた実照射ビーム測定用ビームモニタ - Google Patents
実照射ビーム測定用ビームモニタセンサおよびこれを備えた実照射ビーム測定用ビームモニタ Download PDFInfo
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Description
ビーム測定時は、前記した薄膜101aと電極101cの間に数千ボルトの電圧が印加される。この状態でビームがビームプロファイルモニタセンサ101を通過すると、筐体101b内に封入されたガスがイオン化する。生じたイオンは、薄膜101aと電極101cの間の電場によって、複数本設けられた電極101cのうちの最も近くの電極101cに集められ、集められたイオンの電荷は、図21に図示する信号増幅器を備えた信号処理回路103によって信号強度の増幅と信号処理が行われる。そして、制御装置120によってデジタル化されることにより、図23に示すような、複数本設けられた電極101cで集められたイオンの電荷に対応した形でビームプロファイルが作成される。なお、図23は、従来のビームプロファイルモニタセンサ101で測定したビームプロファイルを表示した表示例を示す図である。
さらに、本発明においては、前記薄膜体の水等価厚と前記蛍光層の水等価厚の合計を30〜2000μmとしている。したがって、薄膜体の水等価厚と蛍光層の水等価厚の合計が大きくないので、ビームの状態をほとんど破壊することなく当該ビームの位置、分布および/または強度を測定することができる。
このような薄膜体とすれば、薄膜体の材質や薄膜体の厚さが適切であるので、よりビームの状態を破壊することなく当該ビームの位置、分布および/または強度を測定することができる。
このような蛍光層とすれば、加速器において輸送されるビームが入射されることによって、蛍光層に含まれる蛍光体を確実に励起させ、蛍光を発するようにすることができる。
このような構成とすれば、前記した実照射ビーム測定用ビームモニタセンサを備えているので、当該実照射ビーム測定用ビームモニタセンサから入力された撮影データに基づいて、ビームの位置、分布および/または強度を監視することができる。
また、本発明のビームモニタセンサによれば、薄膜体の水等価厚および蛍光層の水等価厚の合計を特定の数値範囲に規制することによって、測定されるビームの状態をさらに破壊することなく当該ビームの位置、分布および/または強度を測定することが可能となる。
そのため、例えば、ビームの調整をする際に複数枚を同時に、ビームの軌道上に配置して位置、分布および/または強度を測定することができる。
また、例えば、ビームを照射する対象となる被照射体にビームを照射している間中、ビームの位置、分布および/または強度を測定することができる。
さらに、薄膜体、蛍光層および撮影カメラという簡易な構成であるので、従来のビームモニタセンサよりも安価なビームモニタセンサを提供することができる。
また、前記したビームモニタセンサを用いているので、従来のビームモニタよりも安価なビームモニタを提供することができる。
本発明に係るビームモニタセンサ1は、加速器(図1には図示せず)から輸送されてくるビームを測定するために、ビームが輸送されるビームダクトD内に配置されている。そして、図1に示すように、ビームダクトD内のビームの軌道O上に配置される薄膜体2と、薄膜体2上に形成された蛍光層3と、薄膜体2から所定距離離間して設けられ、薄膜体2を撮影する、ビームの軌道O外に設けられた撮影カメラ4を備えた構成となっている。
薄膜体2の厚さが10μm未満(1.1mg/cm2未満)であると、厚さが薄すぎるため、薄膜体2の形成や取り扱いが困難となる。また、薄膜体2の厚さが50μmを超える(5.5mg/cm2を超える)と、かかる薄膜体2を備えたビームモニタセンサ1を1〜数台程度設置してもビームの状態を破壊するおそれはほとんどないものの、例えば、加速器において輸送されるビームを常時監視するために本発明に係るビームモニタセンサ1を数台から数十台設置した場合に、ビームのロスが大きくなったり、薄膜体2に入射されたビームの状態を破壊したりするおそれがある。なお、薄膜体2の厚さは、11〜40μm、つまり、1.2〜4.4mg/cm2とするのがより好ましい。具体的には12μm(1.32mg/cm2)などとすることができる。しかしながら、本発明における薄膜体2の厚さは前記した範囲に限定されるものではなく、蛍光層3の形成厚さや耐久性を考慮して、ビームのロスやビームの状態を破壊しない範囲で前記した厚さよりも厚くすることができることはいうまでもない。例えば、後記するように陽子ビームを用いた場合は蛍光層3の厚さを厚くする必要があるので、厚い蛍光層3を保持できる程度に薄膜体2の厚さを厚くすることができる。
ここで、水等価厚とは、水の密度Wρと、対象物の密度Mρと、対象物の厚さMtから、当該対象物の厚さを水の厚さに換算した厚さをいう。水等価厚は下記式(1)で近似的に求めることができる。
水等価厚≒Wρ×Mρ×Mt ・・・式(1)
なお、本発明においては水の密度を1として算出するものとし、対象物が複数の物質からなるものであるときは、各物質の密度や厚さを勘案して算出するものとする。例えば、硫化亜鉛・銀を用いた蛍光層3である場合、かかる蛍光層3の厚さが5μmであれば水等価厚はおよそ20μmとなる。なお、本発明の場合は、薄膜体2および蛍光層3が対象物となるので、これらの密度や厚さを勘案して算出することになる。
薄膜体2の水等価厚と蛍光層3の水等価厚の合計は小さいほど好ましく、例えば、30μm程度とすることができる。
薄膜体2の水等価厚と蛍光層3の水等価厚の合計がこれ以下になるということは、すなわち、薄膜体2の厚さや蛍光層3の厚さが薄くなりすぎるということである。そのため、機械的強度や蛍光強度が十分でなくなるおそれがあり好ましくないが、ビームの状態を破壊しないという観点から、薄膜体2の水等価厚と蛍光層3の水等価厚の合計をなるべく小さくするのがよい。一方、ビームの状態を大きく破壊せず、加速器に数台から数十台設置してもビームのロスが大きくならない範囲で薄膜体2の水等価厚と蛍光層3の水等価厚の合計を厚くすることができることはいうまでもない。
なお、蛍光層3におけるビームのエネルギー損失ΔEは下記式(2)のように近似することができる(加藤貞幸著、新物理学シリーズ26「放射線計測」、培風館、p.43参照)。
ΔE≒Z2/(E/A) ・・・式(2)
ここで、前記式(2)において、Zはビーム(イオン)の電荷、Eはビームエネルギー、Aは質量数を表す。つまり、E/Aはビームの核子あたりのエネルギーを表し、例えば、12Cによる炭素ビームの核子当たりのエネルギーはE/A=400MeV/uとなる。
L≒ΔE ・・・式(3)
なお、400MeV/uの陽子ビームが厚さ2000μmの水を通過する際のエネルギー損失は0.6MeV(通過後のエネルギー399.4MeV、エネルギー損失率0.15%)と計算される。また、前記した400MeV/uの炭素ビームが厚さ30μmの水を通過する際のエネルギー損失は0.3MeV(通過後のエネルギー399.97MeV/u、エネルギー損失率約0.007%)と計算される。
したがって、硫化亜鉛・銀以外の蛍光体を含む蛍光層3を形成する場合において、ビームの状態をほとんど破壊しないようにするためには、エネルギー損失率が0.15%以下、好ましくは0.007%以下となるように、蛍光層3および薄膜体2の厚さを設定するとよい。
そして、蛍光体の発する輝度が低い場合は、前記と同様にゲインを変えたり、明るいレンズを使用したりすることでより低い輝度の蛍光を撮影することが可能である。
さらに、図示はしないが、薄膜体2が十分に透明であれば、ビームの軌道Oに対して略45°や略90°の角度で当該薄膜体2を設置し、ビームが入射される面の裏側に撮影カメラ4を所定距離離間して設置する形態とすることもできる。この場合、蛍光層3をビームが入射される面の裏側に形成してもよい。
またさらに、図示はしないが、ビームが入射される側に薄膜体2を配置し、ビームが出射する側に蛍光層3を形成し、この蛍光層3を直接撮影できるように撮影カメラ4を設置してもよい。
なお、薄膜体2と撮影カメラ4との所定距離は、蛍光を発する蛍光層3を撮影することのできる距離であれば特に限定されない。
このような構成のビームモニタ10とすることによって、算出手段20が、ビームモニタセンサ1から入力された、例えば、蛍光の位置、蛍光の面積、および蛍光の輝度などの撮影データから、ビームのプロファイル(すなわち、ビームの位置や分布)および強度のうちの少なくとも一つを算出することができる。なお、前記した算出手段20は、例えば、汎用のコンピュータなどを用いることで具現可能である。
図3に示すように、本発明に係るビームモニタセンサ1は、例えば、ビームを発生するビーム発生器30と、ビーム発生器30で発生させたビームを加速する1次線形加速器31および2次線形加速器32と、2次線形加速器32で加速させたビームを入射して、さらにビームを加速させる高周波加速空洞を備えた円形加速器34とを接続するビームダクトDに1〜複数設置される。
まず、蛍光体を含んだ蛍光層が形成された薄膜体を用いて、以下の点について、ビームプロファイルが正しく測定することができるか試験した。具体的には、〔試験1〕蛍光層の厚さの異なるビームモニタセンサでのビームの測定と低輝度側および高輝度側における測定限界試験および従来のプロファイルモニタセンサと本発明のビームモニタセンサの比較試験、〔試験2〕低エネルギービームを用いた際の蛍光を確認するための試験を行った。
はじめに、蛍光層の厚さの異なるビームモニタセンサでのビームの測定と低輝度側および高輝度側における測定限界試験および従来のプロファイルモニタセンサと本発明のビームモニタセンサの比較試験を行った。
かかる比較試験は、加速器から輸送されてきたビームを被照射体に照射する照射室の手前に設置されている従来のプロファイルモニタセンサの直前の大気中に、表1に示す条件で蛍光層が形成された薄膜体を備えた本発明に係るビームモニタセンサを設置した。このようにすれば、従来のプロファイルモニタセンサと本発明のビームモニタセンサの比較を適切に行えるからである。
なお、使用したビームのイオン種は炭素である。ビームを照射する際は、本発明のビームモニタセンサとビデオカメラを暗幕で覆い、周辺の照明を落とした状態で行った。
図4(a)に示すように、蛍光層の厚さが12.82μmである場合、9.0×106pppのビーム強度でかろうじて蛍光を確認することができた。なお、図示はしないが、4.8×106pppのビーム強度では蛍光を確認することができなかった。
図5は、ビームの照射方向に対して垂直となる方向におけるビームの分布と輝度の関係を示すグラフである。なお、横軸は、ビームの位置および分布(arb.units)であり、縦軸は、輝度(arb.units)である。
図5に示すように、(f)の8.1×108ppp以上のビーム強度であると輝度が飽和することが分かった。
図6(a)〜(e)は、蛍光層が12.82μmで形成されている薄膜体に種々のビーム強度でビームを照射した場合における蛍光の状態を通常モードで撮影したビデオカメラの画像である。なお、ビーム強度は、図6(a)が2.3×107ppp、(b)が7.1×107ppp、(c)が2.6×108ppp、(d)が8.7×108ppp、(e)が4.0×109pppである。なお、図示はしないが、9.1×106pppのビーム強度では蛍光を確認することができなかった。
図7は、ビームの照射方向に対して垂直となる方向におけるビームの位置および分布の関係を示すグラフである。なお、横軸は、ビームの位置および分布(arb.units)であり、縦軸は、輝度(arb.units)である。
図7に示すように、通常モードで撮影した場合は、高感度モードで撮影した場合よりも高い輝度で測定限界となることが分かった。また、バックグラウンドが暗くなるため、高感度モードにおける薄膜体の輝度が150付近であるのに対して、通常モードにおける薄膜体の輝度が15付近と格段に低くなるため、通常モードでは画像処理をする際のS/N比が小さくなることが分かった。
図8に示すように、高感度モードおよび通常モードのいずれにおいても、108pppの前半(例えば、2.6×108ppp)まではほぼ線形関係があったが、それ以上では飽和することが分かった。
前記したように、かかる比較は、照射室の手前に設置されている従来のプロファイルモニタセンサの直前に本発明のビームモニタセンサを設置し、これらに対してビームのエネルギーが400MeV/uであるビームを、2.3×107ppp、7.1×107ppp、2.6×108ppp、8.7×108pppおよび4.0×109pppの各種のビーム強度で照射したときのビームの位置および分布と輝度を測定して、得られた結果を比較することにより行った。なお、本発明のビームモニタセンサは、通常モードで得られた結果を使用した。従来のプロファイルモニタセンサと本発明のビームモニタセンサを比較した結果を図9(a)〜(e)に示す。
しかしながら、図9(d)(e)に示すように、それ以上のビーム強度、例えば、1×109ppp付近になると、本発明のビームモニタセンサは輝度が飽和してしまい、ビームの位置および分布の中央付近が平らになってしまった。
図11は、ビームの照射方向に対して垂直となる方向におけるビームの分布と輝度の関係を示すグラフである。なお、横軸は、ビームの位置および分布(arb.units)であり、縦軸は、輝度(arb.units)である。
図11に示すように、ビーム強度が109ppp台になると輝度が飽和してしまい、ビームの位置および分布の中央付近が平らになることが分かった。
前記したように、かかる比較は、照射室の手前に設置されている従来のプロファイルモニタセンサの直前に本発明のビームモニタセンサを設置し、これらに対してビームのエネルギーが400MeV/uであるビームを、7.3×107ppp、3.3×108ppp、9.7×108pppおよび2.4×109pppの各種のビーム強度で照射したときのビームの位置および分布と輝度を測定して、得られた結果を比較することにより行った。なお、本発明のビームモニタセンサは、通常モードで得られた結果を使用した。従来のプロファイルモニタセンサと本発明のビームモニタセンサを比較した結果を図12(a)〜(d)に示す。
かかる飽和が、蛍光層に含まれる蛍光体の発光量によるものか、ビデオカメラの性能によるものかを確認するため、ビデオカメラに光量が1/4となるNDフィルターを取り付け、前記と同様にして、7.8×108ppp、1.3×109ppp、3.8×109ppp、5.8×109pppの各種のビーム強度で照射したときのビームの位置および分布と輝度を測定した。その結果を図13に示す。
図14は、ビームの照射方向に対して垂直となる方向におけるビームの位置および分布の関係を示すグラフである。なお、横軸は、ビームの位置および分布(arb.units)であり、縦軸は、輝度(arb.units)である。
図14に示すように、最高強度である(d)の5.8×109pppであっても大きな飽和は見られなかった。したがって、輝度が飽和してしまう場合は、光量を落とすフィルターなどを用いれば飽和を解消することができ、ビームの位置、分布および/または強度が測定可能であることを確認することができた。
前記したように、かかる比較は、照射室の手前に設置されている従来のプロファイルモニタセンサの直前に本発明のビームモニタセンサを設置し、これらに対してビームのエネルギーが400MeV/uであるビームを、7.2×108ppp、1.3×109ppp、3.7×109pppおよび5.8×109pppの各種のビーム強度で照射したときのビームの位置および分布と輝度を測定して、得られた結果を比較することにより行った。なお、本発明のビームモニタセンサは、通常モードで得られた結果を使用した。従来のプロファイルモニタセンサと本発明のビームモニタセンサを比較した結果を図15(a)〜(d)に示す。
図16には、蛍光層の厚さが12.82μmでNDフィルターを取り付けないでビームの強度を測定した測定結果(図16のプロット(a)、図7参照)、蛍光層の厚さが5.13μmでNDフィルターを取り付けないでビームの強度を測定した測定結果(図16のプロット(b)、図11参照)、蛍光層の厚さが5.13μmでNDフィルターを取り付けてビームの強度を測定した測定結果(図16のプロット(c)、図14参照)が示されている。
また、この結果から、高強度側の測定は、ビデオカメラにNDフィルターなどの光量を調整するための手段を用いたり、ゲインを変えたりすることで飽和を解消することが可能であることが分かった。
さらに、図16のプロット(a)およびプロット(b)を比較すると、プロット(a)の輝度がプロット(b)の輝度よりも1〜2割程度高いことが分かる。したがって、蛍光層の厚さを厚くすることによって、より低強度側の測定も行うことが可能であることが分かった。
これらの結果から、蛍光層の厚さやビデオカメラの設定により、所望の強度ダイナミックレンジを得ることが可能であることを確認することができた。
次に、低エネルギービームを用いた際の蛍光を確認するための試験を行った。
前記した〔試験1〕と同様に、照射室の手前に設置されている従来のプロファイルモニタセンサの直前の大気中に、表1に示す条件で蛍光層が形成された薄膜体を備えた本発明に係るビームモニタセンサを設置した。なお、〔試験2〕の測定条件は、ビームのエネルギーを100MeV/uとし、蛍光層の厚さを5.13μm(2mg/cm2)とし、ビデオカメラの設定を通常モードとした上でビーム強度を種々変更することにより行った。その結果を図17(a)〜(d)に示す。
図17(a)に示すように、低エネルギービームの場合は、低強度側の測定限界は8.5×107ppp付近にあることが分かった。これは、ビームのエネルギーが400MeV/uである場合よりも輸送されるビームの径が大きかったためと推測される。
図18は、ビームの照射方向に対して垂直となる方向におけるビームの分布と輝度の関係を示すグラフである。なお、横軸は、ビームの位置および分布(mm)であり、縦軸は、輝度(arb.units)である。
図18に示すように、(d)の1.2×109pppのビーム強度でもビームの輝度は飽和しないことが分かった。
図19からも、図18(d)と同様に1.2×109pppのビーム強度でも大きく飽和していないことを確認することができた。また、ビームの強度が1×109ppp以下であっても、400MeV/uほど高い線形関係を有しないことが示唆された。これは、ビームのエネルギーが低いことが影響している可能性がある。
前記したように、かかる比較は、照射室の手前に設置されている従来のプロファイルモニタセンサの直前に本発明のビームモニタセンサを設置し、これらに対してビームのエネルギーが100MeV/uであるビームを、8.5×107ppp、2.6×108ppp、7.8×108pppおよび1.2×109pppの各種のビーム強度で照射したときのビームの位置および分布と輝度を測定して、得られた結果を比較することにより行った。なお、本発明のビームモニタセンサは、通常モードで得られた結果を使用した。従来のプロファイルモニタセンサと本発明のビームモニタセンサを比較した結果を図20(a)〜(d)に示す。
以上に述べたように、〔試験1〕と〔試験2〕により、蛍光層を形成した薄膜体を用いた本発明のビームモニタセンサについて、蛍光層を異なる厚さとしたり、ビームの強度やエネルギーを変更したりして、ビームプロファイルが正しく測定することができるか試験した。
また、蛍光層の厚さを厚くすることによって高い輝度を得ることができ、蛍光層の厚さと輝度の関係は必ずしも比例しないことも分かった。
2 薄膜体
3 蛍光層
4 撮影カメラ
D ビームダクト
O ビームの軌道
10 ビームモニタ
20 算出手段
30 ビーム発生器
31 1次線形加速器
32 2次線形加速器
33 高周波加速空洞
34 円形加速器
35 電磁石
36 照射部
Claims (10)
- 加速器から輸送され、被照射体に実照射中のビームを測定するために、前記ビームが輸送されるビームダクト内に配置される実照射ビーム測定用ビームモニタセンサであって、
前記ビームダクト内の前記ビームの軌道上に配置される薄膜体と、
前記薄膜体上に形成された蛍光層と、
前記薄膜体から所定距離離間して設けられ、前記薄膜体を撮影して実際に被照射体に照射しているビームの強度、または、ビームのプロファイルおよび強度を測定する、前記ビームの軌道外に設けられた撮影カメラと、を備え、
前記ビームは、50〜500MeV/uのビームエネルギーをもつ、He,Li,Be,B若しくはCを核種とする重粒子ビーム、または陽子ビームであり、
前記薄膜体の水等価厚と前記蛍光層の水等価厚の合計を30〜2000μmとした
ことを特徴とする実照射ビーム測定用ビームモニタセンサ。 - 前記撮影カメラが、前記蛍光層が形成されている面を撮影するように設置されていることを特徴とする請求項1に記載の実照射ビーム測定用ビームモニタセンサ。
- 前記薄膜体が、酢酸セルロースで形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の実照射ビーム測定用ビームモニタセンサ。
- 前記薄膜体の厚さが12μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の実照射ビーム測定用ビームモニタセンサ。
- 前記蛍光層が、付活型蛍光体を含んで形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の実照射ビーム測定用ビームモニタセンサ。
- 前記付活型蛍光体が、硫化物系蛍光体であることを特徴とする請求項5に記載の実照射ビーム測定用ビームモニタセンサ。
- 前記硫化物系蛍光体が、硫化亜鉛・銀であることを特徴とする請求項6に記載の実照射ビーム測定用ビームモニタセンサ。
- 前記蛍光層の厚さが5μm以上であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の実照射ビーム測定用ビームモニタセンサ。
- 前記加速器が、円形加速器、線形加速器、静電加速器のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の実照射ビーム測定用ビームモニタセンサ。
- 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の実照射ビーム測定用ビームモニタセンサを備えた実照射ビーム測定用ビームモニタであって、
前記実照射ビーム測定用ビームモニタセンサと、
当該実照射ビーム測定用ビームモニタセンサと接続され、この実照射ビーム測定用ビームモニタセンサから入力された撮影データから、前記ビームの位置、分布および強度のうちの少なくとも一つを算出する算出手段と、
を備えていることを特徴とする実照射ビーム測定用ビームモニタ。
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