JP5756462B2 - エネルギー粒子ビームを測定するためのデバイス及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー粒子ビームの線量測定の分野に関する。特に、本発明は、複数の電離箱を備えたデバイスと、電離箱の電荷収集効率係数を測定することを可能にする方法とに関する。

電離箱は、放射線治療において一般的に用いられる標準的な線量測定検出器である。電離箱は、何らかの性質の流体（空気を含む）を備えたギャップ又は空間によって収集電極から離隔された分極電極を備える。

複数のタイプの電離箱が競合していて、例えば、所謂シリンダー状電離箱や、平行プレートを備えた電離箱等がある。シリンダー状電離箱は、一般的に非常に細いシリンダー状の中心電極又は軸電極を備え、その電極は、中空シリンダー状の第二の電極、又はその中心電極又は軸電極を取り囲むフードから絶縁されている。平行プレートを備えた電離箱は、分極電極から離隔された収集電極を有し、その収集電極及び分極電極は、平面状で互いに平行である。

線量測定に用いられる電離箱の収集電極及び分極電極を離隔するギャップ又は空間に備わる流体は大抵の場合気体であり、中性であるか又は中性ではない。電離ビームが電離箱を通過すると、電極間に備わった気体の電離が生じて、イオン‐電子対が生成される。電離箱の二つの電極間に電位差を印加することによって、電場を発生させる。電場の存在は、イオン‐電子対の分離を可能にして、それらを電極上にドリフトさせて、電極において、検出される電流を生成する。

図１の曲線は、収集電極と分極電極との間の電位差の関数としての、収集電極によって受信される電気パルスの振幅の発展の一例である。この曲線は、異なる気体検出器状態をカバーする六つの領域に分割可能である：
‐ Ｚ１：不飽和状態；
‐ Ｚ２：飽和状態；
‐ Ｚ３：比例状態；
‐ Ｚ４：限定比例状態；
‐ Ｚ５：ガイガー・ミュラー状態；
‐ Ｚ６：連続放電状態。

不飽和状態領域と称される領域Ｚ１では、二つのプレート間の電場が存在しないと、イオン‐電子対の再結合が生じる。二つの電極間に増大する電位差を印加することによって、結果としての電場が益々効率的にイオン‐電子対を分離して、再結合現象を減退させる。正及び不の電荷は、電場強度の関数として、より高速で各電極に向けられて、気体中のイオン濃度平衡を低下させ、結果として再結合の数を低下させる。電離箱内で測定される電流は、電離箱内で発生する電場と共に増大し、失われる電荷量を低下させる。二つの電極間に発生する電場が十分強力になると、再結合効果は無視できて、電離プロセスによって生成された全ての電荷が、電流を測定することに寄与する。このレベルにおいて、電荷収集効率は最大であり、二つの電極間の電位差の増大は、もはや測定される電流を増大させることを可能にはしない。何故ならば、生成される全ての電荷が既に収集されていて、その形成速度が一定だからである。そして、飽和状態領域と称される領域Ｚ２において、電離箱内の線量測定が放射線治療においては一般的に行われる。こうした条件下において、測定された電流は、電離箱のボリューム内にビームによって付与された放射線量の優れた指標となる。

複数の要因が、電離箱の飽和を損ない得る。これらのうち最も重要なのは、再結合現象である。この現象は、電離箱の多様なパラメータ（例えば、二つの電極間のギャップの厚さ、ギャップ内に備わる気体の性質及び／又は圧力等）を調整することによって最小化可能である。また、再結合効果は、ビームのサイズ及び／又は形状にも依存し得る。また、再結合現象は、ビームの電流強度の関数として比例的に増大する。
再結合に起因する電流損失のパーセンテージ、従って、実際の飽和領域以下において測定される電流の誤差のパーセンテージは、電流強度と共に比例的に増大する。低い強度のビームに対しては、再結合効果はあまり決定的ではない。高強度ビームを測定するためには、電極間の十分に高い電位差が飽和条件下において動作するために必要となる。

先進的な放射線治療法におけるもののような非常に高い強度のビームの電流に対しては、従来の電離箱の技術的な使用限界に達する。再結合現象が非常に顕著になり、信頼できる測定補正方法が極めて重要になる。

顕著なものである再結合に起因する誤差を考慮することによって、飽和状態近くでの所謂不飽和状態領域Ｚ１で動作することは可能である。この場合、ビーム電流の関数として電離箱の飽和レベルを知る必要がある。収集された電流の強度の関数としてビーム電流の強度を用いた較正曲線を、ビーム電流を知るために、ビーム電流の関数として電離電流を測定することによって、得ることができる。しかしながら、この較正を有効なままにするためには、他のパラメータ（二つの電極間に印加される電位差、ギャップ、電離箱内部の圧力、エネルギー、ビームのサイズ及び形状、）を一定のままにする必要がある。この方法における他の欠点は、ビーム電流に起因する信号の変化と、電離箱のパラメータの一つの自由化に起因する信号の変化とを区別することができないことである。これらの測定問題を相殺するため、広範な強度範囲においてビーム電流を測定することができる新規線量測定デバイスが必要である。

Ｔｈｅ ｄｏｓｉｍｅｔｒｙ ｏｆ ｉｏｎｉｚｉｎｇ ｒａｄｉａｔｉｏｎ、第２巻、第３章、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．

本発明は、従来技術のデバイス及び方法の欠点を有さないデバイス及び方法を提供することを目的とする。

特に、本発明は、エネルギー粒子ビームに晒される電離箱の電荷収集効率係数を測定することを可能にすることを目的とする。

本発明の他の目的は、電離箱の電荷収集効率が最大ではない状況下において、つまり電離箱が顕著な再結合現象を有する状況下において、可変エネルギー及び／又は強度粒子ビームによって付与された放射線量又は線量率を測定することを可能にすることである。

本発明の追加的な目的の一つは、広範な粒子ビーム電流強度範囲をカバーする線量測定デバイスを提供することである。

本発明の第一の側面は、ソースからのエネルギー粒子ビーム用の線量測定デバイスに関し、本デバイスは少なくとも二つの電離箱を備え、各電離箱は収集電極及び分極電極を備え、各電離箱の電極は、所定の圧力及び温度の流体を備えたギャップ又は空間によって離隔されていて、電離箱は、同じソースからのエネルギー粒子ビームが通過するように構成されていて、本デバイスは、電離箱が異なる電荷収集効率係数を有することを特徴とする。

本発明によると、本デバイスは獲得デバイスを備え、その獲得デバイスは、
‐ 各検討されている電離箱の出力信号を測定すること；及び
‐ Ｇ＝（１−（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍ）／（１−ｆ_１）によって与えられる第一の電離箱に対する“利得”係数
に基づいて粒子ビームによって付与された線量率を計算するためのアルゴリズムを実行するコンピュータに接続される：
ここで、
‐ Ｇは、第一の電離箱（ＩＣ１）に対する“利得”係数であり、
‐ （ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍは、増幅係数の比（Ｒ_１／Ｒ_２）によって正規化された二つの検討されている電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）の出力信号（ｉ_１及びｉ_２）の理論値の比であり、各増幅係数は、検討されている電離箱に対する流体、ギャップの幅、流体中の粒子ビームの侵入度に依存し、
‐ ｆ_１は、第一の電離箱（ＩＣ１）の電荷収集効率係数の理論値であり、
その理論的出力信号値（ｉ_１、ｉ_２）及びｆ_１は、検討されている電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）の内部パラメータ及び／又は外部パラメータの関数として、且つ、粒子ビームの電流強度の値の関数として計算され、利得係数は、その粒子ビームの値に依存しない。

本発明の特定の一実施形態によると、計算アルゴリズムは、以下のステップを行うことができる：
‐ 二つの検討されている電離箱の出力信号（ｉ_１及びｉ_２）を測定して、出力信号値（ｉ_１及びｉ_２）の正規化された比（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍを求めるステップ；
‐ アルゴリズムの第一のステップの結果に基づいて、且つ、検討されている電離箱の“利得”係数の情報に基づいて、検討されている電離箱の電荷再結合率（１−ｆ）を計算して、電荷収集効率係数（ｆ）を導出するステップ；
‐ 検討されている電離箱の電荷収集効率係数に基づいて、ビームによって付与された線量率を計算するステップ。

電荷収集効率係数は、電離箱の感度に関係していて、入力信号の変化の関数としての測定デバイスの出力信号の変化を表すパラメータとして定義可能である。特に、出力信号は、電離箱の出口において測定される電流である。

電離箱に対して、感度は以下のものに依存し得る：
‐ 収集電極及び分極電極を離隔するギャップの厚さ、
‐ 二つの電極間の電位差、
‐ 二つの電極間に備わった流体の性質、
‐ 二つの電極間に備わった流体において測定される圧力及び／又は温度、
‐ 電離箱の幾何学的形状、
‐ エネルギービームのソースの位置に対する相対的な電離箱の位置、
‐ 電離箱とソースとの間のエネルギー吸収体の存在、
最後の二つの因子は外部パラメータを定義して、最初の方の因子は電離箱の内部（固有）パラメータを定義する。

“違い（異なる，差）”は、憂くなくとも０．０５％、好ましくは少なくとも０．１％、更に好ましくは少なくとも１％の非常に小さな変化を指称する。実際、１から１００ｎＡのビーム電流に対して０．０５％以上の効率係数の違いは、顕著な電流変化（１％以上）をもたらすのに既に十分なものである。

本発明の第一の実施形態では、電離箱は、各電離箱に対する収集電極と分極電極との間に備わったギャップの厚さに関する違いを有する。

本発明の第一の実施形態と組み合わせ得る又は組み合わせないものであり得る第二の実施形態では、電離箱は、各電離箱に対する収集電極と分極電極との間に発生する電場の違いを有する。

上記実施形態の一以上と組み合わせられる本発明の第三の実施形態では、電離箱は、各電離箱に対する収集電極と分極電極との間に備わったギャップ内に存在する流体の性質に関する違いを有する。

上記実施形態の一以上と組み合わせられる本発明の第四の実施形態では、電離箱は、各電離箱に対する収集電極と分極電極との間に備わったギャップ内に存在する流体の圧力及び／又は温度に関する違いを有する。

上記実施形態の一以上と組み合わせられる本発明の第五の実施形態では、電離箱は、各電離箱に入射するビーム場が電離箱毎に異なるように、ソースの位置に対する相対的な電離箱の空間状態（幾何学的形状及び／又は位置）に関する違いを有する。

上記実施形態の一以上と組み合わせられる本発明の第六の実施形態では、電離箱は、各電離箱に入射するエネルギービームが電離箱毎に異なるように、一以上のエネルギー吸収体によって離隔される。

本発明の第二の側面は、上記線量測定デバイスの使用に基づいて、粒子ビームによって付与された線量率を測定する方法に関する。

本発明の方法によると、以下のステップが実行される：
（ｉ） 上記デバイスを使用するステップ（各検討されている電離箱に対して内部パラメータ及び／又は外部パラメータを選択する）；
（ｉｉ） Ｇ＝（１−（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍ）／（１−ｆ_１）によって与えられる“利得”係数を求めるステップ
ここで、
‐ Ｇは第一の電離箱（ＩＣ１）に対する“利得”係数であり、
‐ （ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍは、増幅係数の比（Ｒ_１／Ｒ_２）によって正規化された二つの検討されている電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）の理論的出力信号値（ｉ_１及びｉ_２）の比であり、各増幅係数は、検討されている電離箱に対する流体、ギャップの幅、流体中の粒子ビームの侵入度に依存し、
‐ ｆ_１は、第一の電離箱（ＩＣ１）の電荷収集効率係数の理論値であり、
その理論的出力信号値（ｉ_１、ｉ_２）及びｆ_１は、第一のステップにおいて選択された検討されている電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）の内部パラメータ及び／又は外部パラメータの関数として、且つ、粒子ビームの電流強度の値の関数として計算され、利得係数は、その粒子ビームの電流の値に依存しない；
（ｉｉｉ） 二つの検討されている電離箱に対して出力信号を測定するステップ；
（ｉｖ） 利得係数に基づいて、第一の電離箱の電荷収集効率係数を求めるためのアルゴリズムを実行するコンピュータを用いてその信号を処理して、ビームによって付与された線量率を計算するステップ。

好ましくは、粒子ビームによって付与された線量率の計算は、以下のステップを用いて行われる：
（ｉ） 二つの検討されている電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）で測定された出力信号（ｉ_１及びｉ_２）の正規化された比（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍを計算するステップ；
（ｉｉ） 第一の電離箱に対する利得係数に基づいて、且つ、二つの検討されている電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）において測定された出力信号（ｉ_１及びｉ_２）の正規化された比ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍの値に基づいて、第一の電離箱の電荷収集効率係数ｆ_１を計算するステップ；
（ｉｉｉ） 第一の電離箱の電流の測定、及び第一の電離箱（ＩＣ１）に対する電荷収集効率係数に基づいて、ビームによって付与された線量率を計算するステップ。

本発明の第三の側面は、電流密度が１ｎＡ以上であるエネルギー粒子ビームの線量率測定を実施するための本発明に係る測定方法の使用に関する。

気体検出器の収集電極と分極電極との間の電位差の関数として、収集電極によって受信された電気パルスの振幅の発展の曲線の一例を示す。 少なくとも二つの電離箱を備えたデバイスを備えた本発明の第一の実施形態を示す。 共有電極を有する少なくとも二つの電離箱を備えたデバイスを備えた本発明の第二の実施形態を示す。 ５ｍｍに等しいガウス半径σ及び２００ＭｅＶのエネルギーを有する同じプロトンビームが通過する本発明に係るデバイスの二つの電離箱の電荷収集効率の発展、並びに、異なるギャップを備えた二つの電離箱において測定された電流比の発展を、ビーム電流の関数として示すグラフを示す。 本発明に係るデバイスの二つの電離箱の電荷収集効率の発展を、ビーム電流の関数として示すグラフを示し、その電離箱は、同一のギャップを備え、生成される電場が電離箱毎に異なり、電離箱を、５ｍｍに等しいガウス半径σ及び２００ＭｅＶのエネルギーを有する同じプロトンビームが通過する。図５のグラフは、二つの電離箱で測定された電流の比の発展を、ビーム電流の比としても示す。 ギャップの比ｄ_ＩＣ２／ｄ_ＩＣ１の関数として、また、各電離箱の電極間の電位差の比Ｖ_１／Ｖ_２の比の関数として、電離箱ＩＣ１に対する利得係数の変化を示す複数の曲線を示すグラフを示す。

本発明は、電離箱の電荷収集効率を測定することを可能にする粒子ビーム用の線量測定方法及びデバイスを提案することを目的とする。本デバイスは、少なくとも二つの電離箱を備え、その各々は、ギャップによって離隔された収集電極及び分極電極を備える。

電離箱の電荷収集効率の定量化は、電離箱の電荷収集効率が最大でない場合であっても、ビームの放射線量を計算することを可能にする。ビームによって付与された放射線量は、Ｇｙ単位において、以下の式（１）によって与えられる：
Ｄ＝Ｋ・Ｑ／（Ｒ・ｆ） （１）
Ｑ＝∫ｉ_ｃｏｌｌ（ｔ）
そして、ビームによって付与された線量率は、Ｇｙ／ｓ単位において、以下の等価な式（２）又は（３）によって与えられる：
‐ Ｋは、比例定数であり；
‐ Ｑは、単位時間当たりで積分された電荷であり；
‐ ｆは、％単位での、電離箱の電荷収集効率係数であり；
‐ ｉ_ｃｏｌｌは、ｎＡ単位での、電離箱内に収集された電流であり、以下の式（４）によって与えられる；
ｉ_ｃｏｌｌ＝ｆ・Ｉ_{ｆａｉｓｃ}・Ｒ （４）
‐ ｉ_{ｆａｉｓｃ}は、ビーム電流の強度であり；
‐ Ｒは、電離箱の増幅係数であって、以下の式（５）によって与えられる：
Ｒ＝１０^６・Ｓ・ρ・ｄ／Ｗ （５）
ここで、
‐ ρは、ｇ／ｃｍ^３単位での、電離箱内に備わった流体（一般的には気体）の密度であり、
‐ Ｗは、ｅＶ単位での、形成されるイオン対によって消散されるエネルギーであり、
‐ ｄは、収集電極及び分極電極を離隔するギャップの厚さであり、
‐ Ｓは、ＭｅＶ・ｃｍ^２／ｇ単位での、電離箱内に備わった流体の阻止能であって、ビームのエネルギー及び流体の性質に依存する。

Ｂｏａｇの理論（非特許文献１）によると、粒子ビームが通過する電離箱の電荷収集効率係数ｆは、以下の式（６）によって与えられる：
ｆ＝１／（１＋ξ^２） （６）
ここで、ξ^２は以下の式（７）によって与えられる：
ξ^２＝（α／（６ｅｋ_１ｋ_２））・（ｄ^４／Ｖ^２）・Ｑ_ｍａｘ （７）
ここで、
αは、電離箱内に備わった気体を特徴付ける再結合係数であり、
ｅは、電子の電荷であり（１．６×１０^−１９Ｃ）、
ｋ_１及びｋ_２は、ｍ^２ｓ^−１Ｖ^−１単位での、電離箱内に生成される正及び負のイオンの移動度であり（以下の例では、ｋ_１＝ｋ_２＝ｋと近似する）、
Ｖは、Ｖ単位での、収集電極と分極電極との間に印加される電位差であり、
Ｑ_ｍａｘは、体積電離密度であり、以下の式（８）によって与えられる：
Ｑ_ｍａｘ＝（Ｄ_ｍａｘ・ρ）／（Ｗ・１０^６） （８）
ここで、
Ｄ_ｍａｘは、電離箱内のビームによって受け取られる最大放射線量であり、以下の式（９）によって与えられる：
Ｄ_ｍａｘ＝Ｊ_ｍａｘ・Ｓ （９）
ここで、
Ｊ_ｍａｘは、ｎＡ／ｃｍ^２単位での、電離箱を通過するガウス半径σの粒子ビームの電流密度であり、以下の式（１０）によって与えられる：
Ｊ_ｍａｘ＝ｉ_{ｆａｉｓｃ}／（２πσ^２） （１０）

本発明は、同じソースからのビームが通過する少なくとも二つの電離箱の使用に基づいたものであり、その電離箱は異なる感度を有する。感度の違いは、電離箱間の内部パラメータ又は外部パラメータの一以上の違いによるものであり、その違いとして以下のもの等が挙げられる：
‐ 電離箱内に備わったギャップの厚さの違い；
‐ 電離箱内に印加される電場の違い；
‐ 電離箱のギャップ内に備わった流体の性質の違い；
‐ 電離箱毎のギャップ内に備わった流体の圧力差；
‐ 電離箱に入射するビームのエネルギーの違い；
‐ 電離箱毎の入射ビームのサイズ又は形状の違い。
各電離箱間のこれらの違いは、ビームが各電離箱を通過する際にイオン‐電子対の再結合の違いをもたらして、電荷の再結合が無視できない所謂不飽和状態領域Ｚ１において電離箱の一つが動作する際に異なる挙動をもたらす。電荷の再結合が、本発明に従って、電離箱の一つにおいて発生し始めると、電離箱内で測定された電流値を、この段落において上述したパラメータに関して第一の電離箱に対して少なくとも一つの違いを有する他の電離箱内で測定された値と比較することによって、その電離箱内の電荷収集効率係数を知ることができる。

図２は、少なくとも二つの平坦で平行な電離箱ＩＣ１及びＩＣ２を備えた本発明の考えられる一つの実施形態を示し、それらの電離箱のプレートは、絶縁又は非絶縁媒体１０１によって離隔されていて、好ましくはビーム軸に直交して順次配置されている。この同じ発明は、二つのシリンダー状電離箱を備えたデバイスにも適用可能である。媒体１０１がガルバニック絶縁体の場合、各電離箱の収集電極及び分極電極の位置は重要ではない。媒体１０１が導電性媒体の場合、第一の電離箱の分極電極は、第二の電離箱の分極電極と対向して配置されることが好ましい。

本発明の第二の実施形態が図３に示されている。これは、平行プレート（２０１、２０２、２０３）を備えた二つの電離箱ＩＣ１及びＩＣ２を備えたデバイスを含み、電離箱ＩＣ２の電極間のギャップの厚さは、電離箱ＩＣ１の電極間のギャップの厚さの８０％に等しい。例えば、電離箱ＩＣ１は、５ｍｍに等しい厚さｄ_ＩＣ１のギャップを備え得て、電離箱ＩＣ２は、４ｍｍに等しい厚さｄ_ＩＣ２のギャップを備え得る。二つの電離箱ＩＣ１及びＩＣ２は、共有分極電極（２０３）を有し、２００ＭｅＶのエネルギーで１０ｍｍのガウス直径（σ＝５ｍｍ）のプロトンビームがそこを通過する。電離箱ＩＣ１及びＩＣ２の多様なパラメータがそれぞれ表１及び表２に示されている。

表３は、電離箱ＩＣ１について、ｉ_{ｆａｉｓｃ}及び式（４）から（１０）に基づいて計算したＪ_ｍａｘ、Ｄ_ｍａｘ、Ｑ_ｍａｘ、ξ^２、ｆ、及びｉ_ｃｏｌｌの異なる値を示す。以下において、電離箱ＩＣ１について、パラメータｆ及びｉ_ｃｏｌｌをそれぞれｆ_１、ｉ_１と称す。

表４は、電離箱ＩＣ２について、ｉ_{ｆａｉｓｃ}及び式（４）から（１０）に基づいて計算したＪ_ｍａｘ、Ｄ_ｍａｘ、Ｑ_ｍａｘ、ξ^２、ｆ、及びｉ_ｃｏｌｌの異なる値を示す。以下において、電離箱ＩＣ２について、パラメータｆ及びｉ_ｃｏｌｌをそれぞれｆ_２、ｉ_２と称す。

本発明の第一の実施形態の場合、ｉ_{ｆａｉｓｃ}の関数として、電離箱ＩＣ１は、電離箱ＩＣ２よりも高い電荷再結合率を有する。この効果は、Ｂｏａｇの理論を用いて理解可能であり、これによると、厚さｄのギャップを有する電離箱内において、電離箱の二つの電極間に電位差Ｖが印加される場合の電荷再結合の確率は、比ｄ^４／Ｖ^２に主に比例する。

ｆ_１、ｆ_２，ｉ_１、ｉ_２の理論値がわかり、ギャップの厚さｄ_ＩＣ１及びｄ_ＩＣ２を設定すると、“利得”係数Ｇと称される係数が導入されて、例えば、電離箱ＩＣ１に対して以下の二つの式（１１）及び（１２）によって与えられる：
Ｇ＝（１−（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍ）／（１−ｆ_１） （１１）
ここで、
（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍ＝（ｉ_１／ｉ_２）／（Ｒ_ＩＣ１／Ｒ_ＩＣ２） （１２）
Ｒ_ＩＣ１及びＲ_ＩＣ２はそれぞれ、電離箱ＩＣ１、ＩＣ２の増幅係数であり、式（５）によって与えられる；
（１−ｆ_１）は、電離箱ＩＣ１の電荷再結合率である。

表５は、比ｉ_１／ｉ_２の異なる値について、ギャップの厚さの比ｄ_ＩＣ１／ｄ_ＩＣ２が１．２５である二つの電離箱ＩＣ１及びＩＣ２を備えたデバイスの“利得”係数Ｇの理論値を示す。測定された電流比ｉ_１／ｉ_２の値に関係なく、係数は一定である。

電離箱の電荷収集効率係数ｆ、例えば電離箱ＩＣ１の係数ｆ_１は、電離箱ＩＣ１に対する“利得”係数の値が分かると、電離箱ＩＣ１の収集電極（２０１）及び電離箱ＩＣ２の収集電極（２０２）から測定された電流強度ｉ_１及びｉ_２の比の測定によって、式（１１）及び（１２）から得られる。例えば、分極電極（２０３）が１０００Ｖの電圧に設定されたこの実施形態のデバイスに対して、比ｉ_１／ｉ_２の測定値が１．２０であると、式（１１）及び（１２）を用いて電離箱ＩＣ１に対する電荷収集効率係数ｆ_１を計算することができて：
１−ｆ_１＝（１−（１．２０）／（７５／６０））／０．５９０４＝０．０７３
従って、ｆ_１＝０．９２７となる。

測定された電流ｉ_１、電離箱ＩＣ１の増幅係数Ｒ_１、及び電離箱ＩＣ１の電荷収集効率係数が分かると、式（４）に基づいて、ビーム電流の値ｉ_{ｆａｉｓｃ}を計算することができ、従って、式（３）に基づいてビームによって付与された線量率を知ることができる：
ｉ_{ｆａｉｓｃ}＝１３８２ｎＡ／（７５・０．９２７）≒２０ｎＡ （４）
この場合、電離箱ＩＣ１に対する電荷収集効率係数を考慮すると、ビーム電流の真の値は２０ｎＡである。
この状況は、以下の異なる曲線を示す図４のグラフに示されている：
‐ 曲線ｆ_１によって示される、電離箱ＩＣ１の電荷収集効率係数、
‐ 曲線ｆ_２によって示される、電離箱ＩＣ２の電荷収集効率係数、
‐ 測定された電流の比ｉ_１／ｉ_２、
‐ 電離箱ＩＣ１の電荷再結合率（１−ｆ_１）
‐ 曲線 １−（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍ
‐ 式（１１）によって与えられる“利得”係数Ｇ。

各電離箱内に備わったギャップの厚さに関してのみ違いを有する二つの電離箱を備え、それら二つの電離箱によって分極電極が共有されているデバイスを用いることの利点は、“利得”係数が電離箱の幾何学的形状のみに依存することである。例えば、二つの電離箱によって共有されている分極電極の電位を変化させると、測定された電流及び測定された電流の比ｉ_１／ｉ_２の値は変化するが、利得係数は一定のままであり、比ｉ_１／ｉ_２の変化が、各電離箱の電荷収集効率係数の変化と相殺される。例えば、分極電極を、２０ｎＡのビーム電流に対して、２０００Ｖの電位に設定すると、比ｉ_１／ｉ_２の測定比の値は１．２３６であり、電荷収集係数ｆ_１は０．９８１に等しい。分極電極の電圧が１０００Ｖである第一の例の場合のように、ｉ_１の測定値は１４６２ｎＡに等しく、ｉ_{ｆａｉｓｃ}は１４６２（７５・０．９８１）≒２０ｎＡであり、ビームによって付与された線量率は、略Ｋ・２０である。同じ推論は、両方の電離箱の以下の同一の変数にも当てはまる：
‐ 各電離箱内に備わった流体の圧力；
‐ 各電離箱内に備わった流体の性質；
‐ ビームのサイズ；
‐ ビームのエネルギー。
言い換えると、ビームによって付与された線量率を計算する際、各電離箱において、電場、圧力、流体の性質、又はビームのサイズの変化が同様に存在すれば、電離箱の収集電極からの測定電流の比の変化は、電荷収集効率係数の変化によって相殺される。本発明に係るデバイスは、これらの変化が当業者によって電離箱の適正な動作に適用可能であると分かっているとして、ビームの放射線量の正確な測定を提供する。

異なる“利得”係数を、選択されたギャップの厚さに応じて得ることができる。上述の例では、２００ＭｅＶで５ｍｍ（１σ）のガウス分布のビーム、及び８０％に等しいギャップの厚さの比ｄ_ＩＣ２／ｄ_ＩＣ１で、５９％の“利得”係数が得られる。二つの電離箱間に顕著な電流差を得て、電離箱の一方の電荷収集効率係数を正確に評価して、ビームによって付与された線量率を得ることができるように利得係数が高いことが好ましい。上述のように、本発明のこの実施形態において、“利得”係数は、ギャップの厚さの比のみに依存する。

図６は、二つの電離箱の電位差が等しい（Ｖ_１＝Ｖ_２）二つの電離箱を備えたデバイスに対して、ギャップの厚さの比ｄ_ＩＣ２／ｄ_ＩＣ１の関数として、電離箱ＩＣ１に対する“利得”係数の発展を示す曲線を示す。この比が減少すればするほど、利得が高くなり、１００％に向かう傾向にある。従って、異なるギャップ厚さを有する少なくとも二つの電離箱を備えたデバイスでの動作が有利である。当業者は、電気アークが発生する危険性が、小さ過ぎるギャップを有する電離箱には存在し、本発明に係るデバイスに備わったこのような電離箱は不適当であることを認識されたい。同様に、高過ぎるギャップは、電荷再結合の危険性を増大させる。

表６に示されるように、０に向かう傾向にあるビーム電流値に対応する値に対して比（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍを変化させることは、１ｎＡ以上のビーム電流が通過する二つの電離箱について、０．０５％以上の電荷収集効率係数の違いに対して１から１００ｎＡの間で備わったビーム電流地ブラケットにおいて、顕著なもの（１％以上）となる。

本発明の他の実施形態は、二つの収集電極と分極電極との間のギャップの厚さ以外のパラメータが互いに異なる二つの電離箱を備えたデバイスである。例えば、各電離箱の電極間に異なる電位差を印加して、その電離箱の電流を測定及び比較して、一つの電離箱に対する電荷収集効率及びビームによって付与された線量率にアクセスすることができる。

この実施形態に係るデバイスの一例は、同一のギャップを有する二つの電離箱を備え、第一の電離箱ＩＣ１の電極は、１６００ボルトの電位差Ｖ_１に晒される一方、第二の電離箱ＩＣ２の電極は、２０００ボルトの電位差Ｖ_２に晒される。二つの電離箱は、例えば厚さ５ｍｍのギャップを有し、共有電極を有し得て又は有していないものであり得て、２００ＭｅＶで１０ｍｍのガウス直径（σ＝５ｍｍ）のプロトンビームが通過する。電流強度ｉ_１は電離箱ＩＣ１内で測定されて、電流強度ｉ_２は電離箱ＩＣ２内で測定される。この例では、ビーム電流の強度の増加の関数として、電荷再結合現象を有し始める第一の電離箱が電離箱ＩＣ１である。実際、Ｂｏａｇの理論によると、厚さｄのギャップを有し電位Ｖに晒される電離箱の電荷再結合の確率は、比ｄ^４／Ｖ^２に比例する。この例の場合、電離箱ＩＣ１に対する“利得”係数は３６％と計算されて、ギャップ、圧力、及びギャップ内の流体の性質等の他のパラメータが電離箱同士で一定なので、“利得”係数は各電離箱の電極間の電位差のみに依存する。この状況は図５のグラフに示されている。

本発明の前述の実施形態と同様に、電離箱に対する利得係数が設定されると、測定された電流の比ｉ_１／ｉ_２によって、その電離箱の電荷収集効率係数を導出することができて、そこから、その電離箱に付与された放射線量を導出することができる。

本発明のこの実施形態では、“利得”係数は前述の実施形態の場合に得られるものよりも低く、測定された電流の比ｉ_１／ｉ_２の変化はより小さく、結果として、ビームによって付与された線量率の測定の感度が低下する。更に、この場合、“利得”係数は、各電離箱に印加される電位差のみに依存するので、各電離箱に印加される電場をモニタリングする手段が必要である。

本発明の他の実施形態は、二つの電離箱を備えたデバイスであって、各電離箱が、電極間の電位差が異なる固有のギャップの厚さを有して、最適な“利得”係数が得られるようにする。図６のグラフは、電離箱ＩＣ１に対する利得係数の変化を、ギャップの比ｄ_ＩＣ２／ｄ_ＩＣ１の関数として、また、各電離箱ＩＣ１及びＩＣ２の電極間の電位差の比Ｖ_１／Ｖ_２の関数として示す複数の曲線を示す。比ｄ_ＩＣ１／ｄ_ＩＣ２が１以上であると共に各電離箱の電極間の電位差の比Ｖ_１／Ｖ_２が１未満の場合に、利得係数が有利に高いことが見て取れる。しかしながら、当業者は、その値を超えるとアーク現象や、ビーム電流の測定における正確性の問題が生じてしまうような各電離箱ＩＣ１及びＩＣ２の電極間の極端なギャップ値ｄ_ＩＣ１及びｄ_ＩＣ２並びに極端な電位差値Ｖ_１及びＶ_２を認識されたい。また、比ｄ_ＩＣ１／ｄ_ＩＣ２が１以下であり、値Ｖ_１／Ｖ_２が１以上である逆の条件下でも動作可能であり、この場合、比ｉ_１／ｉ_２は比Ｒ_１／Ｒ_２よりも大きく、“利得”係数は、０から−∞に向かう値であるとされ、極限では、電荷収集効率及びビームによって付与された線量率の決定精度を何ら変化させない。

本発明の他の実施形態は、二つの電離箱を備えたデバイスであって、各電離箱が、同一または同一ではないギャップを備え、電極間の電位差が同一又は同一でなく、各電離箱が以下のような互いに異なる性質の流体を備える：
‐ 一方の電離箱内に気体、他方の電離箱内に液体；
‐ 一方の電離箱内に第一の気体、他方の電離箱内に異なる性質の第二の気体；
‐ 異なる圧力に晒される流体。

式（９）のパラメータＳ（流体の阻止能）、ρ（流体の密度）、及びＷ（形成されるイオン対によって消散されるエネルギー）は、流体の性質及び流体において測定される圧力の両方に依存する。前述の状況と同様に、各電離箱に対してパラメータＳ、ρ及びＷに基づいて利得係数を計算することができる。従って、パラメータＳ_１、ρ_１及びＷ_１を有する圧力Ｐ_１の流体Ｍ_１と、パラメータＳ_２、ρ_２及びＷ_２を有する圧力Ｐ_２の流体Ｍ_２を選択することができて、Ｍ_１はＭ_２と異なるか同じであり得て、Ｐ_１はＰ_２と異なるか同じであり得て、式（３）から（１１）を用いて利得係数を計算する。流体Ｍ_１及びＭ_２は、高い“利得”係数が得られるように、電離箱の一方に備わる。前述の実施形態と同様に、“利得”係数、比Ｒ_１／Ｒ_２が分かり、各電離箱の電流比を測定すると、一つの電離箱に対する電荷収集効率係数が求められて、そこから、式（２）を用いて、ビームによって付与された線量率が導出される。ギャップ内に存在する流体が電離箱毎に異なる圧力にある場合、圧力をモニタリングする手段が必要である。

本発明の他の実施形態は、二つの電離箱及び素子能Ｓが分かっているエネルギー吸収体を備えたデバイスであり、そのエネルギー吸収体は、二つの電離箱の間に配置されて、電離箱毎に異なるビームエネルギー、従って異なる測定電流が得られるようにする。

本発明の他の考えられる実施形態は、各電離箱に入射する異なるビームサイズ又は形状を有するように、従って、電離箱毎に測定電流密度及び電荷収集効率レベルの違いを有するように互いに間隔の空けられた少なくとも二つの電離箱を備えたデバイスである。これは、ビームの広がりを知ることができるのと同時に利得係数を計算することができるようにすることを含み、例えば、画素で構成された電離箱を用いることによって行うことができる。しかしながら、この実施形態では、二つの電離箱間で測定される電流差は、前述の実施形態のものよりも顕著ではない。

前述の実施形態において説明したような各電離箱間の一以上の違い、又は当業者によって既知の他の違いを組み合わせたデバイスを、最適な利得係数（好ましくは可能な限り高い）、及び、各電離箱間の測定電流の顕著な差が得られるように設けることができて、一つの電離箱の電荷収集効率係数を知ることができて、ビームによって付与された線量率を決定することができる（好ましくは可能な限り正確に）。

プロトンビーム放射線量をモニタリングする用の本発明の実施形態について、説明してきた。しかしながら、本発明は、他のタイプの電離ビームにも適用可能である。

最後に、本発明に係るデバイスは、アルゴリズムを実行するシステムに情報を送信する獲得デバイスに接続され、そのアルゴリズムのステップは以下の通りである：
‐ デバイスの二つの電離箱ないの電流又は積分電流の違い、特に測定電流の比ｉ_１／ｉ_２を比較するステップ；
‐ そのアルゴリズムの第一のステップの結果に基づき、また検討されている電離箱の“利得”係数に基づき、その検討されている電離箱の電荷再結合率（１−ｆ）を計算し、そこから、電荷収集効率係数ｆを計算するステップ（“利得係数”は、デバイスの電離箱の内部パラメータ（ギャップの厚さ、各電離箱の電極間の電位差、電離箱内に備わった流体の性質及び圧力）及び外部パラメータ（電離箱に入射するビームのサイズ）に基づいて設定される）；
‐ 検討されている電離箱の電荷収集効率係数に基づいて、ビームによって付与された線量率を計算するステップ。

本発明に係るデバイスは、一つの電離箱の電荷再結合率及び電荷収集効率係数を評価することを可能にすることによって、そのビーム強度が従来の電離箱では再結合現象を有するような状況下においてビームによって付与された線量率を知ることを可能にするという利点を有する。電荷収集効率係数に直接アクセスできることは、強力なエネルギービームによって付与された線量率を正確にモニタリングすることを可能にし、つまり、従来の電離箱では測定不能な条件下におけるモニタリングを可能にする。従って、本発明に係るデバイスは、従来技術の既知の方法に対して非常に広範なビーム電流範囲にわたって電離箱を使用することができる。

１０１ 媒体
２０１ 収集電極
２０２ 収集電極
２０３ 共有分極電極
ＩＣ 電離箱

Claims (11)

1. ソースからのエネルギー粒子ビームの線量測定用のデバイスであって、該デバイスが少なくとも第一及び第二の電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）を備え、各電離箱が収集電極及び分極電極を備え、各電離箱の電極が、流体を備えたギャップ又は空間によって離隔されていて、前記電離箱が、同じソースからのエネルギー粒子ビームが通過するように構成されていて、前記電離箱が異なる電荷収集効率係数を有し、該デバイスが、コンピュータに接続された獲得デバイスを備え、該コンピュータが、
   各電離箱の出力信号を測定すること、及び、
   Ｇ＝（１−（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍ）／（１−ｆ_１）によって与えられる第一の電離箱に対する利得係数
   に基づいて前記粒子ビームによって付与された線量率を計算するためのアルゴリズムを実行し、
   Ｇが、前記第一の電離箱（ＩＣ１）に対する利得係数であり、
   （ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍが、増幅係数の比（Ｒ_１／Ｒ_２）によって正規化された二つの電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）の出力信号（ｉ_１及びｉ_２）の理論値の比であり、各増幅係数が、電離箱に対する前記流体、前記ギャップの幅、及び前記流体中の粒子ビームの侵入度に依存していて、
   ｆ_１が、前記第一の電離箱（ＩＣ１）の電荷収集効率係数の理論値であり、
   前記出力信号の理論値（ｉ_１、ｉ_２）及びｆ_１が、前記電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）の内部パラメータ及び／又は外部パラメータの関数、及び、前記粒子ビームの電流強度の値の関数として計算され、前記利得係数が前記粒子ビームの値に依存しないことを特徴とするデバイス。
2. 前記アルゴリズムが、
   前記二つの電離箱の出力信号（ｉ_１及びｉ_２）を測定し、前記出力信号の値（ｉ_１及びｉ_２）の正規化された比（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍを求めるステップと、
   前記アルゴリズムの第一のステップの結果、及び、電離箱の利得係数に基づいて、電離箱の電荷再結合率（１−ｆ）を計算し、電荷収集効率係数（ｆ）を導出するステップと、
   前記電離箱の電荷収集効率係数に基づいて、ビームによって付与された線量率を計算するステップとを実行することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記電離箱が、電荷収集効率係数の違いを与えるように、前記収集電極と前記分極電極との間に備わったギャップの厚さの違いを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記電離箱が、電荷収集効率係数の違いを与えるように、前記収集電極と前記分極電極との間に生じる電場の違いを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記電離箱が、電荷収集効率係数の違いを与えるように、各電離箱に対して前記収集電極と前記分極電極との間に備わったギャップ内に存在する前記流体の性質の違いを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記電離箱が、電荷収集効率係数の違いを与えるように、各電離箱に対して前記収集電極と前記分極電極との間に備わったギャップ内に存在する前記流体の圧力及び／又は温度の違いを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 前記電離箱が、電荷収集効率係数の違いを与えるように、各電離箱に入射するビーム場が互いに異なるように前記ソースの位置に対する相対的な電離箱の幾何学的形状及び／又は配置の違いを有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
8. 前記電離箱が、電荷収集効率係数の違いを与えるように、各電離箱に入射するエネルギービームが互いに異なるように一つ以上のエネルギー吸収体によって離隔されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
9. ソースからの粒子ビームによって付与された線量率を測定するための方法であって、
   （ｉ） 各電離箱の内部パラメータ及び／又は外部パラメータが選択された請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイスを使用するステップと、
   （ｉｉ） Ｇ＝（１−（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍ）／（１−ｆ_１）によって与えられる利得係数を求めるステップであって、
   Ｇが、前記第一の電離箱（ＩＣ１）に対する利得係数であり、
   （ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍが、増幅係数の比（Ｒ_１／Ｒ_２）によって正規化された二つの電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）の出力信号（ｉ_１及びｉ_２）の理論値の比であり、各増幅係数が、電離箱に対する前記流体、前記ギャップの幅、及び前記流体中の粒子ビームの侵入度に依存していて、
   ｆ_１が、前記第一の電離箱（ＩＣ１）の電荷収集効率係数の理論値であり、
   前記出力信号の理論値（ｉ_１、ｉ_２）及びｆ_１が、第一のステップにおいて選択された前記電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）の内部パラメータ及び／又は外部パラメータの関数、及び、前記粒子ビームの電流強度の値の関数として計算され、前記利得係数が前記粒子ビームの電流の値に依存しない、ステップと、
   （ｉｉｉ） 前記二つの電離箱に対して出力信号を測定するステップと、
   （ｉｖ） 前記利得係数に基づいて、前記第一の電離箱の電荷収集効率係数を求めるためのアルゴリズムを実行するコンピュータを用いて前記出力信号を処理して、前記粒子ビームによって付与された線量率を計算するステップとを実行することを特徴とする方法。
10. 前記粒子ビームによって付与された線量率を計算するステップが、
    （ｉ） 前記二つの電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）で測定された出力信号（ｉ_１及びｉ_２）の正規化された比（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍを計算するステップと、
    （ｉｉ） 第一の電離箱に対する利得係数、及び、前記二つの電離箱（ＩＣ１及びＩＣ２）で測定された出力信号（ｉ_１及びｉ_２）の正規化された比（ｉ_１／ｉ_２）_ｎｏｒｍに基づいて、第一の電離箱の電荷収集効率係数ｆ_１を計算するステップと、
    （ｉｉｉ） 前記第一の電離箱の電流の測定、及び、前記第一の電離箱（ＩＣ１）に対する電荷収集効率係数に基づいて、前記粒子ビームによって付与された線量率を計算するステップとを用いて行われることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 電流密度が１ｎＡ以上であるエネルギー粒子ビームの線量率測定を実施するための請求項９又は１０に記載の方法の使用。