JP7154845B2 - Particle beam inspection device, particle beam inspection container, particle beam inspection method - Google Patents

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本発明の実施形態は、粒子線照射装置から照射される粒子線の検査技術に関する。 An embodiment of the present invention relates to an inspection technique for particle beams emitted from a particle beam irradiation apparatus.

粒子線によるがん治療は、線量を集中して照射できるため、効率的な治療の実現が期待できる。この治療は、荷電粒子を、加速器により所定のエネルギーまで加速して、人体に照射するものである。この荷電粒子が人体に照射されると、クーロン相互作用によって荷電粒子の持つエネルギーが、物質に急激に付与される。 Cancer treatment using particle beams is expected to realize efficient treatment because the dose can be concentrated. In this treatment, charged particles are accelerated to a predetermined energy by an accelerator and irradiated to the human body. When the human body is irradiated with these charged particles, the energy of the charged particles is abruptly imparted to the substance due to the Coulomb interaction.

このエネルギーは、荷電粒子の入射エネルギーに対応する体内の特定深さにおいて、ブラッグピークと呼ばれる急峻な最大値を取る。そして、このブラッグピークが発現した位置において、ピンポイントで大きなエネルギーが付与される。そして、この物質の電離作用により発生するラジカルが、DNAに作用し腫瘍の増殖機能を破壊する。 This energy has a sharp maximum, called the Bragg peak, at a certain depth in the body corresponding to the incident energy of the charged particle. Then, at the position where this Bragg peak appears, a large amount of energy is pinpointed. Radicals generated by the ionization action of this substance act on DNA and destroy the growth function of tumors.

粒子線におけるがん治療では、ブラッグピークの発現原理を応用して、線量の照射を腫瘍に集中させるとともに健常細胞への照射を抑制している。そして、粒子線をペンシルビームと呼ばれる細い照射ビームに絞り、腫瘍の形に合わせて照射を行うスキャニング法が実用化されている。 In cancer treatment with particle beams, the principle of Bragg peak expression is applied to concentrate the radiation dose on the tumor while suppressing radiation on healthy cells. A scanning method has been put to practical use in which a particle beam is narrowed down to a narrow irradiation beam called a pencil beam and irradiation is performed according to the shape of the tumor.

このスキャニング法は、最初に粒子線の出射方向を変化させながら出射軸に垂直に二次元照射し、続いて粒子線のエネルギーを変化させ照射位置の深さ方向を変化させて、同様に二次元照射する。これを繰り返して腫瘍の形に合わせて粒子線を三次元照射し、健常組織への照射ダメージを最小限に抑える。 This scanning method first irradiates two-dimensionally perpendicular to the emission axis while changing the emission direction of the particle beam, and then changes the energy of the particle beam to change the depth direction of the irradiation position. Irradiate. This is repeated to irradiate the particle beam three-dimensionally according to the shape of the tumor, minimizing radiation damage to healthy tissue.

ここで、人体組織の狙った位置に粒子線を正確に照射するために、粒子線照射装置は、その照射精度に関し定期的な確認検査をする必要がある。具体的には、粒子線のエネルギーとその照射深さの関係、すなわちブラッグピークの出現する位置を確認する必要がある。さらに粒子線を二次元的、三次元的、四次元的にスキャニングする場合は、照射野と呼ばれるスキャニング面が、設定範囲に収まっていることを確認する必要がある。 Here, in order to accurately irradiate the target position of the human body tissue with the particle beam, the particle beam irradiation apparatus needs to be periodically checked for its irradiation accuracy. Specifically, it is necessary to confirm the relationship between the energy of the particle beam and its irradiation depth, that is, the position at which the Bragg peak appears. Furthermore, when scanning the particle beam two-dimensionally, three-dimensionally, or four-dimensionally, it is necessary to confirm that the scanning plane called the irradiation field is within the set range.

従来において、これら粒子線照射精度の確認検査は、粒子線照射装置のアイソセンターに水ファントムを設置し、粒子線を照射したときに、粒子線が水中を通過する過程で発生する放射線を計測することにより行われている。 Conventionally, these particle beam irradiation accuracy confirmation tests are performed by installing a water phantom at the isocenter of the particle beam irradiation device and measuring the radiation generated in the process of passing the particle beam through the water when the particle beam is irradiated. It is done by

国際公開第2016/148269号WO2016/148269

従来の粒子線照射精度の確認検査は、粒子線を水ファントムに照射させながら、電離箱を照射方向に動かして放射線の強度を測定していた。そして、水深に対する放射線の強度分布が、予め予想した設定範囲に収まっているか否かを確認していた。 In the conventional confirmation inspection of particle beam irradiation accuracy, the ionization chamber is moved in the irradiation direction while the particle beam is irradiated to the water phantom, and the intensity of the radiation is measured. Then, it was confirmed whether or not the intensity distribution of radiation with respect to the depth of water fell within a predetermined set range.

照射野の確認に関しては、水ファントムの外側で照射方向に直交する平面上に複数の電離箱を設置し、粒子線をスキャン照射して得られる放射線の二次元分布から、照射野の幅や高さを確認していた。 Regarding the confirmation of the irradiation field, multiple ionization chambers were placed outside the water phantom on a plane orthogonal to the irradiation direction, and the width and height of the irradiation field were determined from the two-dimensional distribution of radiation obtained by scanning the particle beam. I was confirming.

しかし従来の確認検査は、水ファントムを粒子線照射装置のアイソセンターに設置した状態で粒子線を照射し続けながら行うために、粒子線照射装置が長時間占有され、患者の治療時間が制限される課題があった。さらに、確認検査の結果が得られるまでに時間がかかることや、照射野の確認においては放射線を計測する電離箱が複数必要になることや、更にスキャニング法において重要視される照射野の曲面の確認が困難となる等の課題があった。 However, conventional confirmatory examinations are performed while the water phantom is placed at the isocenter of the particle beam irradiation device and the particle beam is continuously irradiated. there was a problem. In addition, it takes time to obtain the results of confirmation tests, multiple ionization chambers are required to measure the radiation in confirming the irradiation field, and the curved surface of the irradiation field, which is considered important in the scanning method, There were problems such as difficulty in confirmation.

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、粒子線照射装置から照射される粒子線の照射精度を簡便にかつ高精度で検査する技術を提供することを目的とする。 The embodiments of the present invention have been made in consideration of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a technique for easily and highly accurately inspecting the irradiation accuracy of a particle beam emitted from a particle beam irradiation device. .

粒子線検査装置において、粒子線照射装置から入射した粒子線の電離作用により吸光度特性が変化する物質と、前記物質を充填させ前記粒子線照射装置のアイソセンターに配置され前記粒子線を一方向から入射させる第1容器と、前記粒子線の入射方向に対し交差方向へ光源から光線を出力させる光線出力部と、前記物質を通過した前記光線を入力した受光素子から前記光線の光強度信号を入力する光強度入力部と、前記粒子線の入射領域に交わるようにかつこの入射領域における前記粒子線の入射方向に沿って前記光線が移動するように、前記第1容器に対して前記光源及び前記受光素子を相対的に移動させる移動駆動部と、前記物質に出現したブラッグピークの位置及び形状を前記入射領域とともに表示する表示部と、を備える。 In a particle beam inspection device, a substance whose absorbance characteristics change due to the ionization action of a particle beam incident from a particle beam irradiation device , and a substance filled with the substance and arranged at the isocenter of the particle beam irradiation device to irradiate the particle beam from one direction a light beam output unit for outputting a light beam from a light source in a direction crossing the direction of incidence of the particle beam; and a light receiving element that receives the light beam that has passed through the substance and outputs a light intensity signal of the light beam. a light intensity input unit for inputting, and the light source and the light source and the A movement driving unit that relatively moves the light receiving element, and a display unit that displays the position and shape of the Bragg peak appearing in the substance together with the incident area .

本発明の実施形態により、粒子線照射装置から照射される粒子線の照射精度を簡便にかつ高精度で検査する技術が提供される。 An embodiment of the present invention provides a technique for easily and highly accurately inspecting the irradiation accuracy of a particle beam emitted from a particle beam irradiation apparatus.

粒子線を照射した粒子線検査容器の実施形態を示す透視図。1 is a perspective view showing an embodiment of a particle beam inspection container irradiated with a particle beam; FIG. (A)本発明の実施形態に係る粒子線検査装置の縦断面図、(B)同、水平断面図。(A) Vertical cross-sectional view of a particle beam inspection apparatus according to an embodiment of the present invention, (B) Same, horizontal cross-sectional view. (A)粒子線を入射させブラッグピークを発現させた物質の二次元画像、(B)粒子線の入射領域の中心線に沿う吸光度分布を示すグラフ。(A) A two-dimensional image of a substance in which a particle beam is incident to develop a Bragg peak, and (B) a graph showing the absorbance distribution along the center line of the incident area of the particle beam. (A)エネルギーを変化させた粒子線を入射させ拡大ブラッグピーク(SOBP)を発現させた物質の二次元画像、(B)粒子線の入射領域の中心線に沿う吸光度分布を示すグラフ。(A) A two-dimensional image of a substance in which a particle beam with varying energy is incident to develop an expanded Bragg peak (SOBP), and (B) a graph showing the absorbance distribution along the center line of the incident region of the particle beam. 入射方向を変化させて粒子線を照射した粒子線検査容器を示す透視図。FIG. 10 is a perspective view showing a particle beam inspection container irradiated with particle beams by changing the incident direction; 複数の受光素子を配列させてなる粒子線検査装置の横断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of a particle beam inspection apparatus in which a plurality of light receiving elements are arranged; (A)入射方向を変化させて粒子線を照射した粒子線検査容器にXYZ座標系を設定した図、(B)X-Z座標面で表される粒子線の照射野の断面図、(C)X-Z座標面で表される照射野の吸光度分布を示すグラフ。(A) A diagram in which the XYZ coordinate system is set in the particle beam inspection container irradiated with the particle beam by changing the incident direction, (B) a cross-sectional view of the irradiation field of the particle beam represented by the XZ coordinate plane, (C) ) A graph showing the absorbance distribution of the irradiation field expressed in the XZ coordinate plane.

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図1は、粒子線16を照射した粒子線検査容器(以下、「第1容器11」という)の実施形態を示す透視図である。粒子線検査装置10(図2)の構成要素である第1容器11は、粒子線照射装置15から入射した粒子線16の電離作用により可視領域の吸光度特性が変化する物質17を充填している。この物質17は、水溶液をゲル化するゲル化剤と、粒子線16により水が電離して発生するラジカルにより切断され酸化した分子結合基が特定の波長領域の光を選択的に吸光して発色させる発色剤と、を含んでいる。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a particle beam inspection container (hereinafter referred to as "first container 11") irradiated with a particle beam 16. As shown in FIG. The first container 11, which is a component of the particle beam inspection apparatus 10 (FIG. 2), is filled with a substance 17 whose absorbance characteristics in the visible region change due to the ionization action of the particle beam 16 incident from the particle beam irradiation apparatus 15. . This substance 17 is composed of a gelling agent that gels an aqueous solution and a molecular bonding group cut and oxidized by radicals generated by ionizing water by the particle beam 16 selectively absorbs light in a specific wavelength region and develops color. and a coloring agent that causes

これにより、物質17に粒子線16が入射すると、その入射領域18が発生ラジカルにより酸化し、吸光度特性が変化する。そしてこの入射領域18に光を照射すると、特定の波長領域の光が吸収され、残りの波長の光も散乱等して、透過光の強度が減衰するため入射領域18における吸光度は大きく観測される。なお、ブラッグピーク13が発生した位置等、粒子線16からエネルギーが大量に放出された位置は、ラジカルも大量に発生し酸化度も増すために、吸光度もさらに大きく観測される。 As a result, when the particle beam 16 is incident on the substance 17, the incident region 18 is oxidized by the generated radicals, and the absorbance characteristic is changed. When the incident region 18 is irradiated with light, the light in a specific wavelength region is absorbed, and the light in the remaining wavelengths is also scattered and the intensity of the transmitted light is attenuated. . At a position where a large amount of energy is released from the particle beam 16, such as the position where the Bragg peak 13 is generated, a large amount of radicals are generated and the degree of oxidation increases, so the absorbance is observed to be even higher.

第1容器11に充填される物質17の具体的な組成例として、水と、ゲル化剤物質としてゼラチン又は寒天等と、酸化発色可能な発色剤としてロイコ色素と有機ハロゲン化合物の混合物と、モンモリロナイト粘土鉱物を主成分としケイ酸塩化合物を含む無機物質と、からなるものが挙げられる。 A specific composition example of the substance 17 filled in the first container 11 is water, gelatin or agar as a gelling agent substance, a mixture of a leuco dye and an organic halogen compound as a coloring agent capable of developing color by oxidation, and montmorillonite. and an inorganic substance containing a clay mineral as a main component and a silicate compound.

このような物質17に、粒子線16を入射すると白色光の下で入射領域18が青色を呈する。このため、400nm~700nmの波長領域にスペクトルを有する光を入射領域18に通過させれば、吸光度を高感度で検出することができ、ブラッグピーク13の位置の特定精度を向上させることができる。 When the particle beam 16 is incident on such a substance 17, the incident region 18 exhibits blue under white light. Therefore, by passing light having a spectrum in the wavelength range of 400 nm to 700 nm through the incident region 18, the absorbance can be detected with high sensitivity, and the accuracy of specifying the position of the Bragg peak 13 can be improved.

更に物質17にロイコ色素が含まれていることにより、波長が590nm付近の光が高効率に吸収される。このため、この590nm付近に発光スペクトルを持つ単色光の光源又はレーザ光源を採用することで、さらに入射領域18の吸光度を高感度で検出することができ、ブラッグピーク13の位置の特定精度を向上させることができる。 Furthermore, since the substance 17 contains a leuco dye, light with a wavelength of around 590 nm is absorbed with high efficiency. Therefore, by adopting a monochromatic light source or a laser light source having an emission spectrum near 590 nm, the absorbance of the incident region 18 can be detected with high sensitivity, and the accuracy of specifying the position of the Bragg peak 13 is improved. can be made

なお第1容器11に充填される物質17の組成は、上述したものに限定されることはなく、粒子線16の照射により吸光度特性に変化が生じるものであれば、適宜採用されるが、可視領域の吸光度特性があれば視覚にて判断できることもあるのでより望ましい。採用され得る物質17として、水にゼラチン又は寒天と二価の鉄イオンを含む化合物とを分散させ、放射線の電離作用で二価の鉄を三価に酸化させることで発色を呈するフリッケゲル線量計、重合反応より高分子が析出するポリマーゲル線量計、色素を水に模擬した高分子中に分散させた色素プラスティック線量計、ヨウ素の酸化とPVAとヨウ素の呈色反応を利用したPVA-KIゲルインジケータなども適用できる。 The composition of the substance 17 filled in the first container 11 is not limited to those described above, and any substance that causes a change in absorbance characteristics due to the irradiation of the particle beam 16 can be suitably adopted. If there is an absorbance characteristic of the region, it is more desirable because it can be determined visually. As the substance 17 that can be employed, a Fricke gel dosimeter that develops color by dispersing gelatin or agar and a compound containing divalent iron ions in water and oxidizing the divalent iron to trivalent iron by the ionization action of radiation, A polymer gel dosimeter in which a polymer precipitates due to a polymerization reaction, a dye plastic dosimeter in which a dye is dispersed in a polymer simulating water, and a PVA-KI gel indicator that utilizes the oxidation of iodine and the color reaction between PVA and iodine. etc. can also be applied.

第1容器11に充填されている物質17は、短時間の照射により、粒子線16の入射領域18の吸光度特性を不可逆的に変化させることができる。このため粒子線照射装置15から第1容器11を離して物質17のブラッグピーク13を観測することができ、粒子線照射装置15を長時間占有することがない。 The substance 17 filled in the first container 11 can irreversibly change the absorbance characteristics of the incident region 18 of the particle beam 16 by short-time irradiation. Therefore, the first container 11 can be separated from the particle beam irradiation device 15 to observe the Bragg peak 13 of the substance 17, and the particle beam irradiation device 15 will not be occupied for a long time.

粒子線16としては陽子線や重粒子線が挙げられ、粒子線照射装置15としては人体治療用途の装置が挙げられるが、特に限定はされない。 Examples of the particle beam 16 include proton beams and heavy particle beams, and examples of the particle beam irradiation device 15 include devices for human treatment, but are not particularly limited.

図2(A)は実施形態に係る粒子線検査装置10の縦断面図であり、図2(B)はその水平断面図である。粒子線検査装置10は、第1容器11、光源31及び受光素子35を少なくとも含む機械構成系30と、その制御系20と、から構成されている。 FIG. 2(A) is a vertical cross-sectional view of the particle beam inspection apparatus 10 according to the embodiment, and FIG. 2(B) is a horizontal cross-sectional view thereof. The particle beam inspection apparatus 10 includes a mechanical configuration system 30 including at least the first container 11 , the light source 31 and the light receiving element 35 , and a control system 20 therefor.

なおこの制御系20は、専用のチップ、FPGA(Field Programmable Gate Array)、GPU(Graphics Processing Unit)、又はCPU(Central Processing Unit)などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)などの記憶装置と、HDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信I/Fとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。 The control system 20 includes a control device in which a processor such as a dedicated chip, FPGA (Field Programmable Gate Array), GPU (Graphics Processing Unit), or CPU (Central Processing Unit) is highly integrated, and a ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory), external storage devices such as HDD (Hard Disk Drive) and SSD (Solid State Drive), display devices such as displays, and input devices such as mice and keyboards. , and a communication I/F, and can be realized with a hardware configuration using a normal computer.

粒子線検査装置10の制御系20は、光源31から可視領域の光線32を出力させる光線出力部21と、物質17を通過した光線32を入力した受光素子35から光線32の光強度信号36を入力する光強度入力部22と、粒子線16(図1)の入射領域18に交わるようにかつこの入射領域18の方向に沿って光線32が移動するように第1容器11に対して光源31及び受光素子35を相対的に移動させる移動駆動部25と、を備えている。 The control system 20 of the particle beam inspection apparatus 10 includes a light beam output unit 21 that outputs a light beam 32 in the visible region from a light source 31, and a light receiving element 35 that receives the light beam 32 that has passed through the substance 17 and outputs a light intensity signal 36 of the light beam 32. A light intensity input portion 22 to be inputted and a light source 31 with respect to the first container 11 so as to intersect the incident region 18 of the particle beam 16 (FIG. 1) and to move the light beam 32 along the direction of the incident region 18. and a movement driving unit 25 that relatively moves the light receiving element 35 .

そして粒子線検査装置10の機械構成系30は、第1容器11を浸漬する液体19が内側に収容されるとともに光源31及び受光素子35が外側に配置される第2容器12をさらに備えている。このような第2容器12を設けることにより、曲面で形成される第1容器11の側壁に接する媒体が、空気よりも屈折率がこの側壁に近い液体19となる。これにより、光線32が、第1容器11の側壁を通過するに際し、この側壁の表面で反射されることが抑制される。なお、第2容器12の側壁は平面であるために、光線32が第2容器12の側壁を通過する際は、光線32の反射は少ない。 The mechanical configuration system 30 of the particle beam inspection apparatus 10 further includes a second container 12 in which the liquid 19 in which the first container 11 is immersed is accommodated and in which the light source 31 and the light receiving element 35 are arranged outside. . By providing such a second container 12, the medium in contact with the curved side wall of the first container 11 becomes the liquid 19 whose refractive index is closer to the side wall than air. This suppresses the light ray 32 from being reflected by the surface of the side wall when passing through the side wall of the first container 11 . Since the side wall of the second container 12 is flat, the light ray 32 is less reflected when it passes through the side wall of the second container 12 .

第1容器11及び第2容器12を構成する材質は、特に限定されないが、光源31が出力し受光素子35で検出される光線32の有効波長に対し、強度減衰が少ない透明なものであることが望ましい。また第2容器12に収容される液体19は、水が好適に採用されるが、特に限定はなく、光線32の有効波長に対し強度減衰が少ない透明なものであればよい。 The material constituting the first container 11 and the second container 12 is not particularly limited, but should be transparent with little intensity attenuation with respect to the effective wavelength of the light beam 32 output from the light source 31 and detected by the light receiving element 35. is desirable. The liquid 19 contained in the second container 12 is preferably water, but is not particularly limited as long as it is transparent and has little intensity attenuation with respect to the effective wavelength of the light beam 32 .

光源31が出力する光線32は、400nm~700nmの波長領域に連続スペクトルを持つ連続光、又は400nm~700nmの波長領域に輝線スペクトルを持つ単色光もしくはレーザ光も用いることができる。なお、図2(B)に示される光源31は、単一の点光源で構成されているが、複数の点光源31を配列して構成してもよい。この場合、それぞれの点光源31は、各々から出力される光線32の光軸が互いに平行となるように配列されている。また光源31は、光線出力部21から電力の供給を受けて光線32を出力している。 The light beam 32 output from the light source 31 may be continuous light having a continuous spectrum in the wavelength range of 400 nm to 700 nm, or monochromatic light or laser light having a bright line spectrum in the wavelength range of 400 nm to 700 nm. Although the light source 31 shown in FIG. 2B is composed of a single point light source, it may be configured by arranging a plurality of point light sources 31 . In this case, the respective point light sources 31 are arranged such that the optical axes of the light beams 32 output from each are parallel to each other. Also, the light source 31 outputs the light beam 32 upon receiving power from the light beam output unit 21 .

受光素子35は、第1容器11に充填された物質17を通過した光線32の強度を検出する。そして受光素子35は、検出された光線32の強度に対応する光強度信号36を光強度入力部22に送信する。受光素子35で検出された光線32の強度は、物質17を通過する過程において減衰したものである。そして、この減衰した光強度が吸光度と定義される。 The light receiving element 35 detects the intensity of the light beam 32 that has passed through the substance 17 filled in the first container 11 . The light receiving element 35 then transmits a light intensity signal 36 corresponding to the intensity of the detected light beam 32 to the light intensity input section 22 . The intensity of the light ray 32 detected by the light receiving element 35 is attenuated in the process of passing through the substance 17 . This attenuated light intensity is defined as absorbance.

なお、図2(B)に示される受光素子35は、単一の素子で構成されているが、複数の素子を配列して構成してもよい。この場合、一つ以上の半導体型の受光素子35を有することで、物質17を通過した光線32の強度だけでなく、散乱光の強度とその分布を検出し、ブラッグピーク13の位置を高精度で観測することができる。また、複数の受光素子35の配列は、稠密でかつ配列幅がブラッグピーク13の位置の入射領域18の最大径よりも大きくなるようにする。これにより、入射領域18を画像化した際に広画角でかつ細密な画像を得ることができる。 Although the light receiving element 35 shown in FIG. 2B is composed of a single element, it may be configured by arranging a plurality of elements. In this case, by having one or more semiconductor-type light-receiving elements 35, not only the intensity of the light beam 32 that has passed through the substance 17 but also the intensity and distribution of the scattered light can be detected, and the position of the Bragg peak 13 can be determined with high accuracy. can be observed at Also, the arrangement of the plurality of light receiving elements 35 should be dense and the arrangement width should be larger than the maximum diameter of the incident region 18 at the position of the Bragg peak 13 . As a result, when the incident area 18 is imaged, a wide angle of view and a fine image can be obtained.

光源31及び受光素子35は、互いの距離が一定となるようにかつ光線32の光軸が一致するように支持部材37に固定されている。そして、この支持部材37は、第2容器12の外側壁に設けられている直動機構(図示略)に接続されている。この直動機構(図示略)は、移動駆動部25から出力される移動信号33により図2(A)の下方向に移動し、光線32を、入射領域18に交わらせながらこの入射領域18の長手方向に沿って移動させる。 The light source 31 and the light receiving element 35 are fixed to the support member 37 so that the distance between them is constant and the optical axes of the light beams 32 are aligned. This support member 37 is connected to a linear motion mechanism (not shown) provided on the outer wall of the second container 12 . This linear motion mechanism (not shown) is moved downward in FIG. Move along the longitudinal direction.

なお、光線32と物質17との相対的な直線移動に関し、物質17を静止させて光線32を直線移動させる場合を例示しているが、光線32を静止させて物質17を直線移動させる場合もある。また光源31及び受光素子35の支持手段として、環状に形成された支持部材37を例示しているが、特に限定はなく、光線32の間隔及び傾きを保ったまま昇降させることができるものであれば適宜採用される。 Regarding the relative linear movement of the light ray 32 and the substance 17, the case where the light ray 32 is linearly moved while the substance 17 is stationary is exemplified. be. Also, as the means for supporting the light source 31 and the light receiving element 35, the support member 37 formed in a ring is exemplified, but there is no particular limitation, as long as it can be raised and lowered while maintaining the interval and inclination of the light beams 32. adopted as appropriate.

粒子線検査装置10の機械構成系30は、物質17が充填された第1容器11を上面に載置する載置テーブル38をさらに備えている。そして、この載置テーブル38は、第2容器12の底面に対して回転軸39を中心に回転する。この載置テーブル38は、回転駆動部26から出力される回転信号34により、光線32と方向が交差する回転軸39を中心として回転する。これにより、第1容器11は、光源31及び受光素子35に対して相対的に回転する。 The mechanical configuration system 30 of the particle beam inspection apparatus 10 further includes a mounting table 38 on which the first container 11 filled with the substance 17 is mounted. Then, the mounting table 38 rotates around the rotating shaft 39 with respect to the bottom surface of the second container 12 . The mounting table 38 rotates about a rotation axis 39 that intersects with the light beam 32 in response to a rotation signal 34 output from the rotation drive unit 26 . Thereby, the first container 11 rotates relative to the light source 31 and the light receiving element 35 .

なお、光線32と物質17との相対的な回転に関し、光線32を静止させて物質17を回転させる場合を例示しているが、物質17を静止させて光線32を回転させる場合もある。 Regarding the relative rotation between the light ray 32 and the substance 17, the light ray 32 is made stationary and the substance 17 is rotated.

このように光線32を回転させる場合、図示を省略するが支持部材37は、上面視で円形をとり、この支持部材37の円形軌道上を、光源31及び受光素子35が間隔を一定に保ちながら周回する。なおこの場合、第2容器12は円筒形状とし、その側壁の円形断面と、支持部材37の円形軌道と、第1容器11の円形断面とが同心円となるように相互に配置される。 When the light beam 32 is rotated in this way, the supporting member 37 has a circular shape when viewed from above, although not shown. go around. In this case, the second container 12 has a cylindrical shape, and the circular cross section of the side wall, the circular track of the support member 37, and the circular cross section of the first container 11 are arranged so as to form concentric circles.

画像データ生成部27は、第1容器11に対して光源31及び受光素子35を相対的に動かしながら入力された光強度信号36に基づいて入射領域18の二次元画像データ又は三次元画像データを生成するものである。 The image data generator 27 generates two-dimensional image data or three-dimensional image data of the incident region 18 based on the light intensity signal 36 input while moving the light source 31 and the light receiving element 35 relative to the first container 11. It is generated.

画像データ生成部27は、載置テーブル38を動作させずに支持部材37のみを直動させた場合、光強度信号36と移動信号33に基づいて、入射領域18の投影像をピクセルで表現する二次元画像データを生成する。そして、載置テーブル38と支持部材37の両方で直動・回転させた場合、光強度信号36、移動信号33及び回転信号34に基づいて、入射領域18の立体像をボクセルで表現する三次元画像データを生成する。 When only the support member 37 is linearly moved without operating the mounting table 38, the image data generator 27 expresses the projection image of the incident area 18 in pixels based on the light intensity signal 36 and the movement signal 33. Generate two-dimensional image data. Then, when both the mounting table 38 and the support member 37 are linearly moved and rotated, a three-dimensional image of the incident region 18 is represented by voxels based on the light intensity signal 36, the movement signal 33, and the rotation signal 34. Generate image data.

なお入射領域18の三次元画像データは任意断面の二次元画像や、ボクセルを任意の投影面に投影させた二次元画像に変換することもできる。このように生成された二次元画像データ又は三次元画像データは、表示部28に転送されて視認可能に座標表示される。なお、表示部28において、吸光度の大きい場所は、ピクセル又はボクセルが高輝度または吸光度に応じた色表示されるために、ブラッグピークの出現位置及び形状を正確に観測することができる。 The three-dimensional image data of the incident area 18 can also be converted into a two-dimensional image of an arbitrary cross section or a two-dimensional image obtained by projecting voxels onto an arbitrary projection plane. The two-dimensional image data or three-dimensional image data generated in this manner is transferred to the display unit 28 and visually displayed in coordinates. In the display section 28, pixels or voxels in areas where the absorbance is high are displayed with high brightness or a color corresponding to the absorbance, so that the appearance position and shape of the Bragg peak can be accurately observed.

図3(A)は粒子線16(図1)を入射させブラッグピーク13aを発現させた物質17の二次元画像であり、図3(B)は粒子線16の入射領域18aの中心線に沿う吸光度分布を示すグラフである。ここで粒子線照射装置15が出射する粒子線16の第1の検査方法について説明する。 FIG. 3(A) is a two-dimensional image of the substance 17 in which the particle beam 16 (FIG. 1) is incident and the Bragg peak 13a is developed, and FIG. It is a graph which shows absorbance distribution. A first inspection method for the particle beam 16 emitted by the particle beam irradiation device 15 will now be described.

第1の検査方法は、図1に示す粒子線照射装置15からエネルギーを変化させずに粒子線16を出射し、第1容器11に充填された物質17に入射させる。この場合、粒子線16の電離作用により、同じ位置でブラッグピークが発現し、その部分の物質17の吸光度特性が集中的に変化するため、図3(B)に示すように対応する位置の吸光度がシャープなピークを有している。このような吸光度の曲線及び入射領域18aの画像を観測することで、ブラッグピークの出現位置及び形状の確からしさを判断することができる。 In the first inspection method, the particle beam 16 is emitted from the particle beam irradiation device 15 shown in FIG. In this case, due to the ionization action of the particle beam 16, a Bragg peak appears at the same position, and the absorbance characteristic of the substance 17 at that portion changes intensively. has a sharp peak. By observing such an absorbance curve and an image of the incident region 18a, it is possible to judge the probability of appearance position and shape of the Bragg peak.

図4(A)はエネルギーを変化させた粒子線16(図1)を入射させ拡大ブラッグピーク13b(SOBP)を発現させた物質の二次元画像であり、図4(B)は粒子線16の入射領域18bに沿う吸光度分布を示すグラフである。ここで粒子線照射装置15が出射する粒子線16の第2の検査方法について説明する。 FIG. 4(A) is a two-dimensional image of a substance in which a particle beam 16 (FIG. 1) with varied energy is incident to develop an expanded Bragg peak 13b (SOBP), and FIG. It is a graph which shows the absorbance distribution along the incident region 18b. A second inspection method for the particle beam 16 emitted by the particle beam irradiation device 15 will now be described.

第2の検査方法は、図1に示す粒子線照射装置15からエネルギーを変化させて粒子線16を出射し、第1容器11に充填された物質17に入射させる。この場合、粒子線16の電離作用により、エネルギーに対応する深さ位置でそれぞれのブラッグピークがずれて、拡大ブラッグピーク(SOBP:Spread Out Bragg Peak)が発現する。このSOBPが発現した部分の物質17は、吸光度特性が同じように変化しているため、図4(B)に示すように、対応する位置の吸光度がブロードなピークを有している。このような吸光度の曲線及び入射領域18bの画像を観測することで、SOBPの出現位置及び形状の確からしさを判断することができる。 In the second inspection method, a particle beam 16 is emitted by changing the energy from the particle beam irradiation device 15 shown in FIG. In this case, due to the ionization action of the particle beam 16, each Bragg peak shifts at the depth position corresponding to the energy, and a spread out Bragg peak (SOBP) appears. Since the absorbance characteristics of the substance 17 where the SOBP is expressed change in the same manner, the absorbance at the corresponding position has a broad peak as shown in FIG. 4(B). By observing such an absorbance curve and an image of the incident region 18b, it is possible to determine the likelihood of the appearance position and shape of the SOBP.

図5は入射方向を変化させて粒子線16を照射した粒子線検査容器(第1容器11)を示す透視図である。図6は複数の受光素子35を配列させてなる粒子線検査装置の横断面図である。このように、入射方向を変化させて粒子線16を照射する方法として、ワブラー法や、スキャニング法が挙げられる。 FIG. 5 is a perspective view showing the particle beam inspection container (first container 11) irradiated with the particle beam 16 with the incident direction changed. FIG. 6 is a cross-sectional view of a particle beam inspection system in which a plurality of light receiving elements 35 are arranged. As a method of irradiating the particle beam 16 by changing the incident direction in this way, the wobbler method and the scanning method can be mentioned.

ここでスキャニング法は、エネルギーが一定の粒子線16を、偏向磁石(図示略)により飛程方向を走査する方法である。ワブラー法は、互いに磁場の方向が直交するワブラー電磁石により粒子線16を回転させて広げ、さらにその下流の散乱体で粒子線16を散乱させる方法である。 Here, the scanning method is a method in which the particle beam 16 with constant energy is scanned in the range direction by a bending magnet (not shown). The wobbler method is a method in which the particle beam 16 is rotated and spread by wobbler electromagnets whose magnetic field directions are orthogonal to each other, and the particle beam 16 is further scattered by a scatterer downstream thereof.

このようにワブラー法や、スキャニング法等を用いて粒子線16の入射方向を変化させて照射すると、ブラッグピークの発現位置が面状に広がった照射野13cが形成される。このように面状に広がった照射野13cを細密に画像化するために、図6に示すように、受光素子35は、入力した光線32の強度に応じて光強度信号36(図2)を個別に出力する複数の半導体検出器を稠密に配列させた集合体からなる。 When irradiation is performed by changing the incident direction of the particle beam 16 using the wobbler method, the scanning method, or the like, an irradiation field 13c is formed in which the Bragg peak expression position spreads in a plane. In order to finely image the irradiation field 13c that spreads in a planar shape, as shown in FIG. It consists of a dense array of multiple semiconductor detectors with individual outputs.

複数の受光素子35の配列幅Wは、粒子線の入射軸に対し直交する物質17の断面において粒子線16(図1)の電離作用により吸光度特性が変化した領域の最大長Lよりも大きく設定されている。これにより、ブラッグピークの照射野13cを画像化した際に広画角でかつ細密な画像を得ることができる。 The array width W of the plurality of light receiving elements 35 is set larger than the maximum length L of the region in which the absorbance characteristics are changed by the ionization action of the particle beam 16 (FIG. 1) in the cross section of the substance 17 perpendicular to the incident axis of the particle beam. It is As a result, when the irradiation field 13c of the Bragg peak is imaged, a wide angle of view and a fine image can be obtained.

図7(A)は入射方向を変化させて粒子線を照射した粒子線検査容器にXYZ座標系を設定した図であり、図7(B)はX-Z座標面で表される粒子線の照射野13cの断面図であり、図7(C)はX-Z座標面で表される照射野13cの吸光度分布を示すグラフである。ここで粒子線照射装置15が出射する粒子線16の第3の検査方法について説明する。 FIG. 7A is a diagram in which an XYZ coordinate system is set in a particle beam inspection container irradiated with a particle beam while changing the incident direction, and FIG. FIG. 7C is a cross-sectional view of the irradiation field 13c, and FIG. 7C is a graph showing the absorbance distribution of the irradiation field 13c represented on the XZ coordinate plane. A third inspection method for the particle beam 16 emitted by the particle beam irradiation device 15 will now be described.

第3の検査方法は、ワブラー法又はスキャニング法により、図1に示す粒子線照射装置15からエネルギーを一定とし方向を変化させて粒子線16を出射し、第1容器11に充填された物質17に入射させる。この場合、粒子線16の電離作用により、エネルギーと出射方向に対応する位置でそれぞれのブラッグピークが曲面状に発現する。 A third inspection method uses a wobbler method or a scanning method to emit a particle beam 16 with constant energy and varying directions from the particle beam irradiation device 15 shown in FIG. be incident on the In this case, due to the ionization action of the particle beam 16, each Bragg peak appears in a curved surface at a position corresponding to the energy and the emission direction.

図7(B)に示すように、この曲面状の照射野は、出射方向が変化した点を中心とする曲率半径を有している。そして図7(C)に示すように、この曲率半径を有する照射野の吸光度特性は、一定の値を有している。このような吸光度の曲線及び入射領域18cの画像を観測することで、照射野の出現位置及び曲面形状の確からしさを判断することができる。 As shown in FIG. 7B, this curved irradiation field has a radius of curvature around the point where the emission direction changes. Then, as shown in FIG. 7C, the absorbance characteristic of the irradiation field having this radius of curvature has a constant value. By observing such an absorbance curve and the image of the incident region 18c, it is possible to determine the likelihood of the appearing position of the irradiation field and the shape of the curved surface.

なお図示を省略するが、第4の検査方法として、粒子線照射装置15のアイソセンターに対し、第1容器11をステップ状に移動させ、エネルギーを変化させた粒子線16を出射し、位置をずらして物質17に入射させる方法がある。この場合、第1容器11を移動させたステップの数に対応する数の入射領域18が物質17に形成され、照射したエネルギーに対応する深さ位置に、複数のブラッグピークが発現している。このように複数の入射領域18の画像を観測することで、入射エネルギーを変化させて形成したブラッグピークの出現位置及び形状の確からしさを判断することができる。 Although illustration is omitted, as a fourth inspection method, the first container 11 is moved stepwise with respect to the isocenter of the particle beam irradiation device 15, the particle beam 16 with varied energy is emitted, and the position is determined. There is a method of making the light incident on the substance 17 by shifting it. In this case, incident regions 18 corresponding in number to the number of steps in which the first container 11 is moved are formed in the substance 17, and a plurality of Bragg peaks appear at depth positions corresponding to the irradiated energy. By observing images of a plurality of incident regions 18 in this manner, it is possible to determine the likelihood of appearance positions and shapes of Bragg peaks formed by changing the incident energy.

以上述べた少なくともひとつの実施形態の粒子線検査装置によれば、粒子線の電離作用により吸光度特性が変化する物質を用いることにより、粒子線照射装置から照射される粒子線の照射精度を簡便にかつ高精度で検査することが可能となる。 According to the particle beam inspection apparatus of at least one embodiment described above, the irradiation accuracy of the particle beam emitted from the particle beam irradiation apparatus can be easily improved by using a substance whose absorbance characteristics change due to the ionization action of the particle beam. And it becomes possible to inspect with high accuracy.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 While several embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, as well as the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.

10…粒子線検査装置、11…第1容器、12…第2容器、13…ブラッグピーク、13a…ブラッグピーク、13b…拡大ブラッグピーク(SOBP)、13c…照射野、15…粒子線照射装置、16…粒子線、17…物質、18(18a,18b,18c)…入射領域、19…液体、20…制御系、21…光線出力部、22…光強度入力部、25…移動駆動部、26…回転駆動部、27…画像データ生成部、28…表示部、30…機械構成系、31…点光源、31…光源、32…光線、33…移動信号、34…回転信号、35…受光素子、36…光強度信号、37…支持部材、38…載置テーブル、39…回転軸。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Particle beam inspection apparatus, 11... 1st container, 12... 2nd container, 13... Bragg peak, 13a... Bragg peak, 13b... Extended Bragg peak (SOBP), 13c... Radiation field, 15... Particle beam irradiation apparatus, 16 Particle beam 17 Substance 18 (18a, 18b, 18c) Incidence area 19 Liquid 20 Control system 21 Light beam output unit 22 Light intensity input unit 25 Movement drive unit 26 Rotation drive unit 27 Image data generation unit 28 Display unit 30 Machine configuration system 31 Point light source 31 Light source 32 Light beam 33 Movement signal 34 Rotation signal 35 Light receiving element , 36... Light intensity signal, 37... Supporting member, 38... Mounting table, 39... Rotary shaft.

Claims (13)

粒子線照射装置から入射した粒子線の電離作用により吸光度特性が三次元的に変化する物質と、
前記物質を充填させ前記粒子線照射装置のアイソセンターに配置され前記粒子線を一方向から入射させる第1容器と、
前記粒子線の入射方向に対し交差方向へ光源から光線を出力させる光線出力部と、
前記物質を通過した前記光線を入力した受光素子から前記光線の光強度信号を入力する光強度入力部と、
前記粒子線の入射領域に交わるようにかつこの入射領域における前記粒子線の入射方向に沿って前記光線が移動するように、前記第1容器に対して前記光源及び前記受光素子を相対的に移動させる移動駆動部と、
前記物質に出現したブラッグピークの位置及び形状を前記入射領域とともに表示する表示部と、を備える粒子線検査装置。
a substance whose absorbance characteristics change three-dimensionally due to the ionization action of a particle beam incident from a particle beam irradiation device ;
a first container filled with the substance and arranged at the isocenter of the particle beam irradiation device to allow the particle beam to enter from one direction ;
a light beam output unit for outputting a light beam from a light source in a direction crossing the direction of incidence of the particle beam;
a light intensity input unit for inputting a light intensity signal of the light beam from a light receiving element that inputs the light beam that has passed through the substance;
moving the light source and the light receiving element relative to the first container so as to intersect the incident area of the particle beam and move the light beam along the incident direction of the particle beam in the incident area; a moving drive unit that causes
A particle beam inspection apparatus , comprising: a display unit that displays the position and shape of a Bragg peak appearing in the substance together with the incident area .
請求項1の粒子線検査装置において、
前記光線と方向が交差する軸を中心として、前記光源及び前記受光素子に対して前記第1容器を相対的に回転させる回転駆動部を、さらに備える粒子線検査装置。
In the particle beam inspection device according to claim 1 ,
A particle beam inspection apparatus further comprising a rotation drive unit that rotates the first container relative to the light source and the light receiving element about an axis intersecting the direction of the light beam.
請求項2の粒子線検査装置において、
前記第1容器に対して前記光源及び前記受光素子を相対的に動かしながら入力された前記光強度信号に基づいて前記入射領域の二次元画像データ又は三次元画像データを生成する画像データ生成部を、さらに備える粒子線検査装置。
In the particle beam inspection device according to claim 2 ,
an image data generator for generating two-dimensional image data or three-dimensional image data of the incident area based on the light intensity signal input while moving the light source and the light receiving element relative to the first container; , further comprising a particle beam inspection device.
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の粒子線検査装置において、
前記第1容器を浸漬する液体が内側に収容されるとともに、前記光源及び前記受光素子が外側に配置される第2容器を、さらに備える粒子線検査装置。
In the particle beam inspection apparatus according to any one of claims 1 to 3 ,
A particle beam inspection apparatus further comprising a second container in which a liquid for immersing the first container is accommodated and in which the light source and the light receiving element are arranged outside.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の粒子線検査装置において、
前記第1容器に充填される前記物質は、
水溶液をゲル化するゲル化剤と、
前記粒子線により水が電離して発生するラジカルにより切断され酸化した分子結合基が特定の波長領域の光を選択的に吸光して発色する発色剤と、を含む粒子線検査装置。
In the particle beam inspection apparatus according to any one of claims 1 to 4 ,
The substance filled in the first container is
a gelling agent that gels the aqueous solution;
A particle beam inspection apparatus, comprising: a coloring agent that selectively absorbs light in a specific wavelength region and develops color by molecular bonding groups cut and oxidized by radicals generated when water is ionized by the particle beam.
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の粒子線検査装置において、
前記光源が出力する前記光線は、400nm~700nmの波長領域に連続スペクトルを持つ連続光、又は400nm~700nmの波長領域に輝線スペクトルを持つ単色光もしくはレーザ光である粒子線検査装置。
In the particle beam inspection apparatus according to any one of claims 1 to 5 ,
A particle beam inspection apparatus wherein the light beam output from the light source is continuous light having a continuous spectrum in a wavelength range of 400 nm to 700 nm, or monochromatic light or laser light having a bright line spectrum in a wavelength range of 400 nm to 700 nm.
請求項6に記載の粒子線検査装置において、
前記受光素子は、入力した光線の強度に応じて前記光強度信号を個別に出力する複数の半導体検出器の集合体からなる粒子線検査装置。
In the particle beam inspection apparatus according to claim 6 ,
A particle beam inspection apparatus in which the light receiving element is an assembly of a plurality of semiconductor detectors that individually output the light intensity signal according to the intensity of the input light beam.
請求項7に記載の粒子線検査装置において、
前記複数の受光素子の配列幅は、前記粒子線の入射軸に対し直交する前記物質の断面において前記粒子線の電離作用により吸光度特性が変化した領域の最大長よりも大きく設定されている粒子線検査装置。
In the particle beam inspection apparatus according to claim 7 ,
The array width of the plurality of light-receiving elements is set larger than the maximum length of a region in which absorbance characteristics are changed by the ionization action of the particle beam in a cross section of the substance perpendicular to the incident axis of the particle beam. inspection equipment.
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の粒子線検査装置を構成する前記第1容器である粒子線検査容器。 A particle beam inspection container that is the first container constituting the particle beam inspection apparatus according to any one of claims 1 to 8 . 粒子線照射装置から前記粒子線を出射し、請求項1の粒子線検査装置を構成する前記第
1容器に充填された前記物質に、入射させるステップと、
前記粒子線の電離作用により前記吸光度特性が変化した前記物質の部分から、ブラッグピークの位置を観測するステップと、を含むことを特徴とする粒子線検査方法。
a step of emitting the particle beam from the particle beam irradiation device and making the particle beam incident on the substance filled in the first container constituting the particle beam inspection device according to claim 1;
A particle beam inspection method, comprising: observing a position of a Bragg peak from a portion of the substance in which the absorbance characteristics have changed due to the ionizing action of the particle beam.
粒子線照射装置からエネルギーを変化させて前記粒子線を出射し、請求項1の粒子線検査装置を構成する前記第1容器に充填された前記物質に、入射させるステップと、
前記粒子線の電離作用により前記吸光度特性が変化した前記物質の部分から、拡大ブラッグピーク(SOBP)の形状を観測するステップと、を含むことを特徴とする粒子線検査方法。
a step of emitting the particle beam by changing the energy from the particle beam irradiation device and making the particle beam incident on the substance filled in the first container constituting the particle beam inspection device according to claim 1;
and a step of observing a shape of an extended Bragg peak (SOBP) from a portion of the substance in which the absorbance characteristics have changed due to the ionizing action of the particle beam.
粒子線照射装置から方向を変化させて前記粒子線を出射し、請求項1の粒子線検査装置を構成する前記第1容器に充填された前記物質に、入射させるステップと、
前記粒子線の電離作用により前記吸光度特性が変化した前記物質の部分から、照射野の形状を観測するステップと、を含むことを特徴とする粒子線検査方法。
a step of emitting the particle beam from the particle beam irradiation device while changing the direction of the particle beam, and causing the particle beam to enter the substance filled in the first container constituting the particle beam inspection device according to claim 1;
A particle beam inspection method, comprising: observing a shape of an irradiation field from a portion of the substance in which the absorbance characteristic is changed by an ionization action of the particle beam.
粒子線照射装置から前記粒子線を出射し、請求項1の粒子線検査装置を構成する前記第1容器に充填された前記物質に、入射させるステップと、
前記第1容器の位置を移動させて前記粒子線照射装置から前記粒子線を出射し、位置をずらせて前記物質に入射させるステップと、
前記粒子線の電離作用により前記吸光度特性が変化した前記物質の部分から、複数のブラッグピークの位置を観測するステップと、を含むことを特徴とする粒子線検査方法。
a step of emitting the particle beam from the particle beam irradiation device and making the particle beam incident on the substance filled in the first container constituting the particle beam inspection device according to claim 1;
a step of moving the position of the first container to emit the particle beam from the particle beam irradiation device, shifting the position and causing the particle beam to enter the substance;
A particle beam inspection method, comprising: observing positions of a plurality of Bragg peaks from a portion of the substance in which the absorbance characteristics have changed due to the ionization action of the particle beam.
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