JPH04506566A - 帯電粒子ビーム放出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 帯電粒子ビーム用うスク走査制御装置 発明の背景 本発明は磁界制御装置に関する。より詳細には、選定ターゲット位置における所 望のラスク走査パターンを追従するように帯電粒子ビームを導く目的で、帯電粒 子ビーム放出装置のノズル内にある電磁石により生成される磁界を制御する制御 装置に関する。

ビーム放出装置は代表的に、プロトンビーム等の一帯電粒子ビームがその中を通 ってターゲット領域へ到るノズルを含んでいる。通常、ノズルはターゲット上で ビームを所望の領域すなわち形状に限定するコリメータ装置を含んでいる。駆動 電流により制御されて帯電粒子ビームと相互作用する磁界を発生し所望の方向に ビームを弯曲すなわち偏向させる電磁石をノズル内に含めることが従来技術で知 られている。公知の大きさの電流をノズル内の電磁石に与えることにより、ビー ムを予測可能な量だけ弯曲すなわち偏向させる予測可能な強度の磁界が発生する 。磁界が強い程、帯電粒子ビームを余計に弯曲させることができる。従って、制 御された大きさの電流を電磁石に選択的に与えることにより、ターゲット領域上 の所望の点にビームを導くことができる。

帯電粒子ビームを弯曲させるのに必要な磁界の強さを得るにはアンペアターン数 の大きい電磁石を使用する必要かある。ターン数が小さいと抵抗及びインダクタ ンス値が低くなるが、高電流を使用する必要がある。残念ながら、このような高 電流は発生及び制御することか困難であり、さらに熱消散の問題が生じる。ター ン数が大きいと電流を管理可能なレベルに維持することができるか、残念ながら インダクタンス及び抵抗値が高くなる。不都合なことに、インダクタンスか高い と電流、従って磁界、が変化できる速度が制限される。従って、従来技術におい て電磁石を使用して帯電粒子ビームを導くことは代表的に静止用途、すなわちビ ームの誘導が変化しないかもしくは極めて低速で変化する用途に限定される。し かしなから、ターゲットがビーム径よりも大きいビーム放出装置に必要なのはビ ームが所望の方法でターゲットを走査することができるように帯電粒子ビームを ダイナミックに導く方式である。

従来、直交磁界を生成するように配置されたビーム放出装置のノズル内の２個の 磁石を使用して、一方の磁石のコイルに対して一つの方向に所定期間だけ一定の 大きさの電圧を加え、次にこの一定の大きさの電圧を同じコイルに対して反対方 向に所定期間だけ加え、電流の変化率をコイルのインダクタンスで制限すること が知られている。このようにして、鋸電流波形が磁石コイルを通過し、一つのピ ーク値から反対のピーク値へ線型に変化する磁界が生じる。変化する磁界により ビームは弯曲するかもしくはターゲット上を一方の縁から他方の縁へ直線状に移 動する。同様に一定の大きさの電圧を他方のコイルに加えると、最初の磁界とは 実質的に独立した、もう一つの磁界によりビームは最初の磁界による運動と直公 する方向に弯曲されるかもしくはターゲット上を移動する。両磁界の組合せ効果 により、ビームはターゲット領域を対角掃引パターンで移動する。代表的に、一 方の磁石は他方の磁石が直交方向、例えば垂直方向、にビームを掃引するよりも 遥かに高速でビームを一方向、例えば水平方向、に掃引する。従って、一方の磁 石は“高速磁石”と呼ばれ他方は“低速磁石”と呼ばれる。

残念ながら、たとえ高速及び低速磁石の掃引速度に大きな差がある場合でも、こ のような対角掃引パターンは必ずしも効率的且つ均一にターゲット領域をカバー せず、対角掃引パターンでカバーされないターゲット領域部分が相当ある。さら に、このような構成では大電流を伴うため、特に高い掃引速度の場合には、コイ ルに加わる電圧を急激に反転させてコイルを通る電流の方向を変えること以外、 容易に電流を制御する方法はない。この種の急激な切替え、すなわち“バングバ ング型制御により、ビームで掃引されるターゲット領域部の正確な制御か困難と なる。ビーム掃引がオンとされて対角掃引パターンがターゲット領域の一方の縁 から他方の縁までずっと行くか、もしくはビーム掃引がオフとされてビームはタ ーゲット領域内を移動しないかである。従って、必要なのは、ターゲット領域の 全てもしくは選定部を正確に制御されたビームにより効率的且つ均一に掃引でき るようにターゲット領域内の掃引パターンを選択的に制御する手段である。

本発明は前記及び他の要求に対処するプロトン（もしくは他の帯電粒子）ビーム 放出装置に費用するラスク走査制御装置に関する。一般的に、本発明はビーム放 出装置の高速及び低速電磁石等の、誘導負荷を駆動する大電流の制御を含む、磁 界の精密な制御を行うことができる制御装置を提供する。より詳細には、本発明 によりビーム放出ノズルの高速及び低速磁石により生成される磁界を精密に制御 するプロトン（もしくは他の帯電粒子）ビーム放出装置に使用するように設計さ れたラスク走査制御装置が提供される。

本発明のラスク走査制御装置は、所望パターンで帯電粒子ビームを掃引する所望 の磁界を発生するために、それぞれ、高速及び低速電磁石が必要とする大電流を 発生して送出する高速及び低速電力駆動回路を含んでいる。

これらの電力駆動回路はそこに加えられる低レベルラスク走査制御信号により制 御されて必要な大出力電流を発）　生ずるように構成されている。次に、適切な 制御回路により低レベルラスク走査制御信号が発生され、この制御回路はターゲ ット領域全体にわたって帯電粒子ビームを効率的且つ均一に導くのに必要な種類 のラスク信号を発生するようにプログラムすることかできる。低レベルラスク信 号をこのように使用することの利点は、タープ・ｙト領域が“バングバング型う スク制御回路を有する従来技術において一般的である、短型等の、均一な形状を 有する必要がないことである。ターゲットは任意の形状とすることができ、非常 に不規則な形状とすることさえできる。

さらに、本発明のラスク走査方式は、公知のいかなる走査方式とも異なり、電流 及び電極に加わる電流により生成される磁界の両方を監視する手段を含んでいる 。一実施例において、監視される電流値は所望値と比較され、両者の差はエラー 信号として電力駆動回路の入力へ戻され、エラーを最少限とする方向で電流、従 って磁界、を適切に調整する。もう一つの実施例において、被監視電流値及び／ もしくは磁界値は所望値と選択的に比較され、その差はエラーを最少限とする方 向で磁界を調整するためのエラーを信号として使用される。いずれの実施例にお σ）でも、磁界は精密に制御され、はとんどもしくは全くエラーなしに所望のラ スク走査パターンに追従するように磁界に導かれるビームか生じる。

さらに、安全策として、本発明のラスク走査方式は、磁界エラー信号が過剰とな る時、他の問題に遭遇する時もしくは装置が非掃引状態で励起されている間、タ ーゲット領域から、ノズル内に含まれるコリメータの縁等のシールドもしくは吸 収装置へ帯電粒子ビームを安全に自動的に導く手段を含んでいる。この特徴によ り、代表的には患者の腫脹である、ターゲット領域が帯電粒子ビームに不適切に さらされることから安全に保護される。

従って、本発明はビーム放出装置用ラスク走査制御装置を具備し、ビーム放出装 置は帯電粒子ビームを発生しノズルを通って所望のターゲットに向けて指向する 手段を含んでいる。ラスク走査制御装置はノズル内に配置された少くとも１個の 電磁石を含み、電磁石は電気コイルを有し、コイルに電流を加えるとビームに直 角な磁界を生成するような方位とされている。公知の原理に従って、磁界はコイ ルに加わる電流の極性及び大きさに比例する極性及び大きさを有している。ビー ムがノズル中を通過すると磁界はビームと相互作用して、磁界の大きさにより決 定される量だけビームを弯曲すなわち偏向する。従って、コイルに加わる電流の 振幅と極性を選択的に制御することにより、ノズルを通過するビームを誘導すな わち案内することができる。ラスク走査制御装置はさらに、（ａ）１時間の関数 として大きさと極性を定義する特性波形を有する電流を発生して！磁石のフィル へ加える手段と、（ｂ）、！磁石のコイルに加えられる電流の大きさ及び／もし くは電磁石のコイルに電流を加える時に生じる磁界の大きさを監視する手段と、 （Ｃ）、監視手段及び電流発生手段に接続され監視された電流もしくは磁界値を 所望値と自動的に比較して、監視値と所望値との差を最少限とする方向に電流の 大きさを調整する帰還手段を含んでいる。このようなラスク走査制御装置により 、磁界の所望値を自動的に維持することができる。

本発明はさらに、帯電粒子ビームによりターゲット領域を走査する装置を含んで いる。この装置は、（１）。

所望のエネルギを有する帯電粒子ビーム発生手段と、（２）、直交方位とされた 磁界を有する一対の磁石中にビームを指向する手段と、（３）、一対の磁石の一 方により掃引磁界を発生してターゲット上で一方向にビームを前後に掃引させる 手段と、（４）、一対の磁石の他方により階段状磁界を発生する手段であって、 階段状磁界は第１の所定期間だけ第１の磁界強度をとり、第２の所定期間だけ第 ２の磁界強度をとり、第３の所定期間だけ第３の磁界強度をとり、こうして第ｎ の所定期間だけ第ｎの磁界強度をとり、ここにｎは階段状磁界の段数を表わす整 数であり、階段状磁界によりビームは掃引磁界による方向と直交する方向にター ゲット領域上をステップされる前記手段と、（５）、掃引磁界発生手段を階段状 磁界発生手段と同期させて、階段状磁界がｎ個の磁界強度の一つをとる一つの所 定期間の開始と一致して掃引磁界が掃引を開始するようにする手段を含んでいる 。本装置はターゲット領域上で所望のラスク走査パターンでビームを指向させる ように掃引及び階段状磁界を結合させる。階段状磁界発生手段に付随する所定期 間は全て等しくすることかでき、この場合には、一般的に矩形状ターゲット領域 が掃引され、また異なったものとすることもでき、その場合には不規則なターゲ ット領域を掃引することができる。さらに、ビーム源から１本のビームが洩れる 間ｎ個の階段状磁界強度レベルを繰り返すように第２の磁界をプログラムして、 ターゲット領域の多重走査を行うことかできる。このような多重走査によりター ゲットに放出されるビームの放射開園機構が提供される。

ダウン走査掃引に続いてアップ走査掃引を行いアップ走査レベルをダウン走査レ ベルの中間に設定することにより、階段状レベルの連続繰返しに対してターゲッ ト領域上の放射量をさらに制御し放射の均一性を強化することができる。

本発明はさらに、（１）、各々がコイルを付随する直交方位の磁界を有する一対 の磁石と、（２）、帯電粒子ビームを一方の磁界法に他方の磁界に通し、第１の 磁界により一方向に偏向し第２の磁界により直交方向に偏向する手段と、（３） 、磁界の大きさをダイナミックに制御して、帯電粒子ビームの偏向を直交方向に ダイナミックに誘導することかできる手段と、（４）、ある状態が発生すると、 帯電粒子ビームが前記両磁石を通る所定のコースに追従するのを自動的に防止す る遮断手段を含んでいる。ダイナミック制御手段は各コイルに駆動電流を加えて 駆動電流の大きさに比例する大きさを有する磁界を発生する手段と、各駆動電流 及び／もしくは磁界の大きさを監視する手段と、監視手段及び駆動手段に接続さ れて特定の大きさの磁界を発生するために各駆動電流の大きさを自動的に調整す る帰還手段を含んでいる。このダイナミック制御手段は所望の磁界が常にダイナ ミックに維持されることを保証し、従って磁界を通る際の帯電粒子ビームの正確 なダイナミック制御を保証する。

さらに、本発明は帯電粒子ビームによるターゲット領域の走査法を含んでいる。

本方法は、（ａ）、所望のエネルギを存する帯電粒子ビームを発生し、（ｂ）、 各々がコイルを付随し直交方位の磁界を有する一対の磁石中へビームを指向し、 （Ｃ）、最初に増大する振幅を有する第１の電流によりそのコイルを励起するこ とにより一対の磁石の中の第１の磁石により掃引磁界を発生し、磁界を一方向に 掃引し、後に減少して磁界の他方の方向へ掃引し、（ｄ）０階段状波形を有する 第２の電流によりそのコイルを励起することにより一対の磁石の第２の磁石によ り階段状磁界を発生し、階段状波形により第２の電流は第１の所定期間だけ第１ の固定値をとり、第２の固定値へ所定量だけ進み、第２の所定期間だけ第２の固 定値をとり、このようにして階段状波形によりビームはターゲット領域状を掃引 方向と直交する方向へ進み、（ｅ）、第１及び第２の磁石のコイルへの第１及び 第２の電流の送出を同期化させて、第２の電流がその階段状波形内の固定値の一 つをとる期間中に第１の電流の振幅か増大もしくは低減するようにする、ステッ プを含んでいる。

一実施例に従ってここに記載する帯電粒子ラスク走査制御装置の特徴は、任意所 与の時点において１個の磁石のみがその各磁界を変化させることである。最大電 力要求は磁石かその電流及び磁界値を変える時のみ存在する誘導負荷により生じ るため、これにより小型電源の使用か可能となる。

ターゲツト面上で帯電粒子ビームにより追従されるラスク走査パターンをプログ ラム可能に制御して、不規則な形状のターゲットを含む所与のターゲットの全領 域を効率的且つ均一にカバーするようにする、帯電粒子ラスク走査制御装置を提 供することか本発明のもうひとつ一つの特徴である。

適切な帰還信号を使用して、帯電粒子ビームを誘導するのに使用する磁界をダイ ナミックに制御し、ビームか所定の径路を追従するように偏向すなわち誘導され ることを保証するような制御装置を提供することが、本発明のもう一つの特徴で ある。

ある許容性状態を感知した時にビームがターゲットに衝突するのを迅速且つ自動 的に防止する安全策か講じられているような制御装置を提供することも本発明の 特徴である。

本発明のさらにもう一つの特徴により、ホストコンピュータからのラスク制御装 置の制御及び遠隔地からの装置の遮断を含めた、ラスク制御装置と帯電粒子ビー ムを発生して所望のターゲットへ送出するのに使用される他の装置との連結かな される。一実施例に従って、この特徴は監視制御装置内に埋設された制御装置と してラスク制御装置を利用することにより達成される。

図面の簡単な説明 本発明の前記及び他の特徴及び利点は次の図面と関連したより詳細な説明から明 白となり、ここに、第１図は、患者の所望のターゲット領域を照射するのにどの ように使用されるかを示す、帯電粒子ビーム放出装置の簡単な略図、 第２図はターゲット位置においてそこから生じる対角掃引パターンを示す、従来 のラスク走査装置の高速及び低速磁石の略図、 第３Ａ図は第２図のラスク走査装置の高速走査磁石を制御するのに使用する従来 の電力駆動回路の略電気回路図、 第３Ｂ図は第２図の装置の低速走査磁石を制御するのに使用する従来の電力駆動 回路の略電気回路図、第４図は本発明のラスク走査制御装置の基本構成を示すブ ロック図、 第５図は本発明のラスク走査制御装置の詳細ブロック図、 第６Ａ図及び第６Ｂ図は第５図の、それぞれ、高速及び低速磁石に対する電流、 磁気及び電圧波形図、第７Ａ図及び第７Ｂ図は本発明のラスク走査装置を使用し て達成することかできる代表的なラスタ走査ノくターン、 第８図は第７Ａ図の点線で囲んだラスタ走査ノくターン部の拡大図、 第９図は本発明の装置により使用されるラスク走査信号発生器のブロック図、 第１θ図は本発明のラスク走査装置のさまざまな動作状態及び装置を一つの状態 からもう一つの状態へ変えるイベントの種類を示す状態論理図、 第１１図は組み合わせてラスク走査ノ１−ドウエアの制御を行うさまざまなプロ セスの相互接続を示すソフトウェアモジュール図、 第１２図はコイル電流及び磁界値を共に帰還信号として使用して、各電磁石が発 生する磁界を制御することかできる本発明のラスク走査制御回路の別の実施例の ブロック図、である。

発明の詳細説明 以下の説明は現在最善と考えられる本発明の実施モードである。本説明は制約的 な意味合いを有するものではなく、単に本発明の一般的原理を説明するのが目的 である。発明の範囲は添付された特許請求の範囲を参照として決定しなければな らない。

最初に第１図を参照として、帯電粒子放出装置２０の簡単な略図を示す。本装置 は所望のエネルギを有する帯電粒子ビーム２４を発生する加速帯電粒子ビーム源 ２２を含んでいる。ビーム２４は回転可能なガントリ２６中へ指向されそこで、 従来の手段を使用して、高速走査磁石２８及び低速走査磁石３０中へ指向される 。代表的に、高速走査磁石２８及び低速走査磁石３０はビーム２４を所望のター ゲット領域３２へ局限するのに使用する適切なコリメータ装置を含む適切なノズ ル構造内に載置されている。医療応用に対しては、ターゲット領域３２は、一般 的に患者台３６上に位置する患者３４上もしくは内の選定領域である。ビーム２ ４が任意所望の角度及び方向からターゲット領域３２に衝突することができるよ うに、ガントリ２６及び患者台３６はそれぞれ互いに選択的に回転することがで きる。ビームがターゲット領域全体を掃引してターゲット領域が、通常均一な、 特定のビーム放射パターンを受信するように、ターゲット領域３２に帯電粒子ビ ーム２４を与えるのはビーム放出装置２０の機能である。このために、第１図に 示すような座標系が定義され、ここにＺ軸は患者の頭からつま先への方向、Ｙ軸 はビームに沿った患者内への方向、Ｙ軸はビームに直角な患者の幅方向である。

この座標系は単なる参照用であり、他の基準系及び座標系も容易に使用できるこ とをお判り願いたい。

次に第２図を参照として、従来技術で使用される構成の、高速走査磁石２８及び 低速走査磁石３０の略図を示す。このような装置では、ビーム２４は低速走査磁 石３０の上流で高速走査磁石２８に入る。符号４０に示す座標系を使用して、ビ ームをＸ方向に偏向させる磁界を生成するのは高速走査磁石２８の機能である。

第２図に示すように、この座標系は、一般的に、Ｘ方向を水平方向としている。

同様に、第２図に示す方位に対しては、Ｚ軸は垂直方向である。ビームを垂直す なわち２方向に移動すなわち走査させる磁界を生成するのは低速走査磁石３０の 機能である。高速磁石２８と低速磁石３０の組合せによりターゲット領域３２上 に対角掃引パターン４２を生じることができる。すなわち、高速走査磁石２８か ビームをＸ方向に移動させると、低速走査磁石３０はビームをＺ方向に移動させ ており、第２図に示すような対角走査パターン４２か生じる。

本発明と従来技術との違いを良く理解するために、第２図の従来の高速及び低速 走査装置に使用される制御回路について次に簡単に説明する。第３Ａ図を参照と して、高速磁石２８用電力駆動回路の略図を示す。この回路はゲートターンオン サイリスタ（ＧＴＯ）スイッチＧＴＯ１，ＧＴＯ２，ＧＴ○３．ＧＴＯ４の適切 にタイミングのとられたブリッジネットワークを介して高速磁石のフィル４６に 接続された一つの電源４４を含んでいる。これらのスイッチの点弧シーケンスは 次のよってある。水平走査偏向を開始するために、ＧＴＯｌ、４及び５を同時に オンとして電源４４から誘導負荷Ｌｍへ一定の強制電圧を加える。電流１１鍾ト ランジスタＱｌがこの電流を線型化するのを助ける。回路内を流れる電流の量が 分路抵抗器４８両端間電圧を測定して感知される。磁石負荷４６を流れる電流を 表わす帰還信号と比較される基準電圧５２に制御されて、増幅器５０がトランジ スタＱ１のベースを駆動する。図示するように、この帰還信号は分路抵抗器４８ 両端間の電圧を測定して得られ、この電圧はオームの法則に従ってそこを流れる 電流に比例する。点弧シーケンスに戻って、ＧＴＯｌ、４及び５は同時にオンと されて電源４４から負荷４６の両端間に一定の強制電圧を加える。また反対方向 の走査を開始するためにＧＴＯ２，３及び５を同時にオンとすることもでき、そ れは負荷４６に反対方向に電流を流して行われる。

インダクタＬｍのインダクタンスが高いため、そこを流れる電流は迅速に変化す ることはできない。所望のピーク電流に達すると、ＧＴＯ５がオフとされ電源４ ４を負荷から有効に分離する。これにより磁石電圧の極性が反転し、アクチュエ ータＱｌ及びダイオードＤ１と抵抗器Ｒ１からなるダイオード抵抗器回路網で指 令されてその電流が０に向って線型に減衰する。このダイオード抵抗器回路網は ＧＴＯ５と電源４４の直列組合せの両端間に分路されている。抵抗器Ｒ１は放電 サイクル中に相当な量の電力を消散し、従ってより高価なトランジスタアクチュ エータの電力要求が簡単化される。磁石電流が０に達すると、ＧＴＯｌ及び４は オフとされＧＴＯ２，３及び５はオンとされ、反対極性の強制電圧が磁石負荷４ ６に加えられ、それは反対の走査方向に対して前記サイクルを繰り返す。

前記した方法で、本質的に三角電流波形が磁石負荷４６を通る。この三角波形は 一極性の電流値においてピークとなり、反対極性のピーク電流値へ線型に傾斜す る。

理想的には、この三角波形の最大周波数はＧＴＯへ加えられる制御信号のスイッ チング周波数により制御される。

しかしながら、実際上電源の電圧及び電力定格だけでなく、インダクタンス値Ｌ ｍも電流が一つの値からもう一つの値へどれだけ早く傾斜できるかに対する上限 を与える。

次に第３Ｂ図を参照として、低速走査回路を示す。垂直走査磁石３０のインダク タンスは一般的に水平磁石よりも６倍大きいが、傾斜率は３０倍ゆるく、遥かに 低い強制電圧及び著しく低減された無効電力要求となる。これらの電力レベルで は、プッシュプル構成とされたより簡単なバイポーラ設計を使用するのがよりコ スト効果的である。この構成は各々がトランジスタスイッチＱ２もしくはＱ３に 接続された２つの電源５４．５６を含んでいる。さらに、その中を電流が常に流 れる回路の共通脚に分路抵抗器６０が接続されている。図示するように、トラン ジスタＱ２はＮＰＮ）ランジスタであり、トランジスタＱ３はＰＮＰトランジス タである。これら２個のトランジスタのエミッタは相互接続されており且つ低速 磁石３０の磁石コイル負荷５８に接続されている。磁石負荷５８の他端は分路抵 抗器６０に接続されており、次にそれは電源５４及び５６のタンデム接続に接続 されている。分路抵抗器６０両端間の電圧が監視されて基準電圧６２と比較され 、その差は制御増幅器６４に加えられ、その出力はトランジスタＱ２及びＱ３の ベースに接続されている。動作上、スイッチＱ２を励起することにより一方向の 電流が負荷５８に通され、負荷５８、トランジスタＱ２、分路抵抗器６０及び電 源５４からなるループに電流が時計方向に流れる。電流方向を変えるために、ト ランジスタＱ２がオフとされ、トランジスタＱ３がオンとされ、電源５６、分路 抵抗器６０、磁石負荷５８及びトランジスタＱ３からなるループに電流が反時計 方向に流れる。

第３Ａ図及び第３Ｂ図に関して説明した従来の２つの回路により、ビーム２４は ターゲット４２に進む途中で比較的簡単な方法で制御することができる。また、 高速及び低速走査回路は共に（最も誘導性の負荷の両端間の大電圧をスイッチす ることにより生じる）三角電流波形によりそれぞれの磁石負荷を駆動するため、 制御は三角走査パターンに限定される。第２図に示すこのような走査パターンか ら判るように、ターゲット領域の大部分はこのような三角走査パターンにより見 落され（大量の“白スペース２すなわち掃引ビームにより掃引されない領域があ る）、ビームによるターゲットの不均一な曝射が生じる。ターゲットを帯電粒子 ビームに不均一にさら　。

しても良いような応用もあり、その方が好ましい応用さえあるが、医療応用では 一般的にできるだけ均一な曝射を必要とする。これは医療応用では、代表的にビ ームを使用して癌や悪性細胞を死滅させる腫脹もしくは他の悪性領域に帯電粒子 ビームが指向されるためである。従って、曝射領域を不均一に曝射したときには 細胞の全ては死滅されず、処置の有効性が低下する。

第３Ａ図及び第３Ｂ図の回路を使用してターゲット領域のカバレッジを向上させ る技術もあるか、これらの技術であってもターゲット領域を走査ビームで均一に 放射することはできない。例えば、低速走査速度を調整してＸ方向の完全なサイ クルに対してＺ方向の距離はあまりカバーされないようにし、圧縮された走査パ ターンを生成することもできる。しかしなから、このような圧縮された走査パタ ーンであっても水平掃引端における（有限ビーム幅による）オーバラップにより 制約され、このオーバラップによりターゲットの不均一な曝射か生じる。

（後の走査パターンが前の走査パターンの頂部に直接来ることがないように）各 走査か異なる開始点で開始される、ターゲットの付加走査を行うこともできる。

しかしながら、この多重走査法であっても一方の走査パターンか他方と交差する 重畳領域により不均一な曝射が生じる。

従って、ターゲット領域全体を均一な曝射により効率的にカバーすることができ る装置に対するニーズがある。

、　本発明はこのニーズに対処するものである。

本発明に従ったラスタ走査装置６８のブロック図を第４図に示す。装置６８はソ ース２２（第１図）からの帯電粒子ビーム２４がそこを通って選定ターゲット３ ２に通される少なくとも１個の磁石７０を含んでいる。磁石７０は電力駆動回路 ７２により制御される。駆動回路７２は電源７４から生の電力を得、ラスク走査 発生器回路８０から得られるアナログ信号７６及びデジタル信号７８により制御 される。ラスク走査発生器はアナログ入出力（Ｉｌｏ）回路８４及びデジタル１ １０回路８６だけでなく状態論理及び制御回路８２も含んでいる。有意タイミン グ信号８８が中央処理装置９２、もしくは他のタイミング回路から得られ、この 処理装置９２は全体ビーム放出装置の動作を調整するのに使用され、ラスタ走査 装置から遠隔配置することができる。ラスク走査発生器８０もしくは全体ビーム 放出装置内のどこかで発生されるインターロック信号９０も、電力駆動回路７２ だけてなく、主処理装置９２へ送出される。ラスタ走査装置のローカル制御は治 療室ホスト処理装置もしくはコンピュータから得られ、この処理装置９４は適切 な通信ネットワーク９６を介してラスク走査発生器８０及び中央ビーム放出装置 １９２と通信する。

任意公知の装置と較べた場合のラスタ走査装置６８の一つの主要な利点は、磁界 プローブ９８により磁石７゜から発生する磁界の強さを監視する装置の能力であ る。

このプローブ９８はビーム２４か通過する磁界内に現れる。それはラスク走査発 生器８０のアナログＩ１０回路８４へ送出することができる磁界強度信号１００ を発生する。（第１２図に関して後記する一実施例において、この磁界強度信号 は電力駆動回路７２へ直接送って閉ループ帰還信号として使用することもできる 。）磁界強度が許容範囲外であることをプローブ信号１００が示す場合には、遮 断機構が即座に起動されてターゲット３２へのビーム２４の放出を停止する。こ の遮断はいくつかの方法で行われる。短期間内（すなわち、２．３ｍＳ以内）に 行う場合は、電力駆動回路７２はビームをターゲット３２から適切なシールド１ ０２へ転向させる磁界を生成し、そこでビームは安全に吸収される。長期間（す なわち、２，３秒以内）に行う場合は、ビーム２４源はソース２２において処理 装置９２によりオフとすることができる。しかしながら、ビーム源２２は（有意 始動期間を有することができる）サイクロトロン等の、複雑な大型装置とするこ とができるため、ソースにおけるビーム遮断は一般的に非常事態や装置の非使用 時のために保留される。池の時には、ビーム２４は（図示せぬ）適切なテストタ ーゲットやシールド装置１０２（もしくは同等装置）へ単に転向される。

次に第５図を参照として、第４図のラスタ走査装置６８の電力駆動回路７２の実 施例の詳細ブロック図を示す。第５図に示すように、好ましい装置は従来技術（ 第２図）と同様に、高速走査磁石（すなわち“高速磁石”）２０４及び低速走査 磁石（すなわち“低速磁石”）２０８を含んでいる。従来技術の装置と同様に、 各磁石は磁石コイルを含んでいる。各磁石の磁石コイルが電流で励起されると、 高速磁界２０５（高速磁石）及び低速磁界２０９（低速磁石）が発生する。（こ れらの磁界は第５図において各磁石内の一連の放射状波面線で示されている。） しかしながら、従来技術とは異なり、高速磁界プローブ２０６及び低速磁界プロ ーブ２１０は各磁界２０５．２０９の瞬時強度を感知する。後記するように、こ の感知により、駆動回路は磁界を生成する電流を調整してこのような磁界の大き さと強度をエラー状態感知時に修正できるようにすることができる。

さらに、従来技術とは異なり、各磁石２０４．２０８はそれぞれ電力増幅器２１ ２．２１４により駆動される。

これらの電力増幅器はラスク発生器８０のデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）部１２ ０から得られる各ラスク制御信号２１６，２１８に制御されて高速磁石２０４及 び低速磁石２０８を駆動するのに使用する大電流２１３゜２１５（“圧力電流“ ）を発生する。（本説明において、図面上で信号が現れる信号線に接続された参 照番号により信号が参照されることをお判り願いたい。このような参照番号は信 号自体、もしくは信号が現れる信号線のいずれかに関連することをお判り願いた い。）これらのうスタ制御信号２１６，２１８は電力増幅器回路２１２゜２１４ への生の“入力”信号と考えることがてきる。そしてこの信号が電力増幅器２１ ２及び２１４か発生する大電流の所望の電流波形、従って磁界２０５及び２０９ の振幅が追従する波形を画定する。

磁界２０５及び２０９に存在する任意の欠陥を修正するために、必要により、生 の入力信号２１６及び２１８を修正することができる。実際上、この修正は別々 の電流及び磁気帰還ループを使用して行われる。高速磁石帰還ループは磁気プロ ーブ２０６を含み、このプルーブ２０６は磁界２０５の瞬時強度を示す信号２０ ７を発生し、さらに電流モニタ２２２を含み、このモニタは電流２１３の瞬時値 を示す信号２２３を発生する。電流信号２２３はパルス幅変調器２２４に接続さ れる。所望の出力電流２１３を発生するように内部駆動回路２２５及び２２７を 制御するのはパルス幅変調器２２４の機能である。パルス幅変調器がこの機能を 実施する方法は良く知られている。本質的に、パルス幅変調器２２４は所定の速 度及びデユーティサイクル（パルス幅）で内部駆動回路２２５，２２７の先端を オンオフ脈動させる。脈動された出力はＬ−Ｃフィルタ２２８で濾波されて平均 電流２１３を発生する。電流２１３の値が電流モニタ２２２（電流２１３が流れ るセンス抵抗器Ｒ両端間の差電圧を測定する演算増幅器）により測定され、この 値はパルス、輻（デユーティサイクル）を適切な方向で調整して出力電流２１３ に所望値をとらせるためにパルス幅変調器２２４へ帰還される。さらに、駆動回 路２２５が負荷（磁石）２０４へ電流を“ブッシングしているのと同じ時に、駆 動回路２２７は負荷から電流を“ブリングしている。電流方向か変化すると、駆 動回路２２７が“ブツシュ”して駆動回路２２５が”プル“する。差動増幅器２ ３０は負荷（磁石）２０４両端間の電圧を監視し、出力電圧を所望の限界内とす るために所望により変調器２２４のパルス幅（デユーティサイクル）を調整する 機構をさらに提供する。

入力信号２１６も電力増幅器２１２内部の一連の増幅器を介してパルス幅変調器 ２２４に接続される。入力信号は任意所与の時点において電流２１３か取るべき 値を定義することにより出力電流２１３を制御する。すなわち、入力信号２１６ は帰還信号２１３と比較する基準信号として機能して、基準電流値と測定出力電 流値との間に差があればその差を最小限とする調整を行うことができる。

高速走査磁石２０４用電力増幅器２１２はマサセラ州ニュートンのコブリーコン トロール社製の市販のデバイス、モデル２９０電力増幅器、を使用して実現する ことができる。低速走査磁石２０８用電力増幅器は、マスタースレーブ構成で接 続された、２個のこのようなモデル２９０電力増幅器を使用して実現することが できる。増幅器２１４の出力容量を増大するために２台のこのような増幅器が低 速走査回路に使用され、（構成のマスター部に接続された）一つの帰還信号を使 用しながら、低速走査磁石が必要な高電流値を提供することができる。しかしな がら、他の全ての点については、低速走査マスタースレーブ電力増幅器２１４は 、後記するように、入力信号２１８が低速走査磁石２０８に対して異なる出力電 流２１５を指定する点を除けば、高速走査増幅器２１２と同様に作動する。

高速磁石１０４もしくは低速磁石１０８等の電磁石内に発生する磁界がそのコイ ルに加わる電流の大きさに直接比例するのは電磁気宇の基本原理である。従って 、いずれかが他方に比例するために一方もしくは他方を監視すれば充分なのに、 本発明の装置のように電流と磁界の両方を監視する必要が何故あるのか疑問に思 われるかも知れない。その答は、実際上、磁石の不完全性や環境その他の要因に よる磁石性能の変動や（磁気もしくは電流）感知装置が必ずしも常に設計どおり には作動できないために電流と磁界との間に食違いがあることがあるためである 。例えば、電流感知及び制御だけでは短絡した磁石コイルを検出できない。第３ Ａ図及び第３Ｂ図に関して記載したような公知のラスク走査装置は電流を監視し ようと試みるだけであり（しかも限定されたベースで）、使用する帰還機構は検 出される任意の食違いの修正に非常に対し迅速に反応することはできない。これ とは対照的に、本発明はビームを実際に偏向させるのは磁界であるため、磁界を 直接監視する利点を認識するものである。電流帰還機構により、感知される任意 の食違いの修正に本質的に瞬時に反応する帰還機構が提供されるが、磁気帰還機 構は電流帰還によって感知されない付加欠陥に対して保護を行う。さらに、本発 明は、後記するように、ラスク入力信号１１６及び１１８を任意所望の方法でプ ログラム可能に制御てきるため、その使用法に多大な柔軟性が提供される。

実施例において、高速磁石２０４のコイルのインダクタンスはおよそ４．９ｍＨ でありその抵抗値はおよそ３０ｍΩである。また、低速磁石２０８のコイルのイ ンダクタンスはおよそ１８．３ｍＨであり、高速磁石コイルのインダクタンスの およそ３倍であり、その抵抗値はおよそ１３０ｍΩである。好ましくは、走査磁 石のコイルは中空鋼管で出来ている。抵抗及び渦電流加熱による熱負荷を除去す るのに水冷か使用される。高速走査磁石２０４は２１〜２２ガウス／Ａを生じる ように設計されており、低速走査磁石は１１．５〜１２．５ガウス／Ａを生じる ように設計されている。

再び、実施例において、高速磁石２０４に送出される電流２１３は３０５Ａ程度 のピーク値を存し、およそ２０Ｈｚ　（５０ｍＳ周期）の速度で一つのピークか ら次のピークへ変動する。これとは対照的に、低速磁石２０８へ送出される電流 ２１５はおよそ４３２Ａのピーク値を有し、２５ｍＳごとに、１７Ａ等の、特定 増分でステップダウンする。高速及び低速磁石の代表的電圧、電流及び磁界波形 を、それぞれ、第６Ａ図及び第６Ｂ図に示す。第６Ａ図及び第６Ｂ図に示す値は 単なる例にすぎず、特定ターゲット領域を最善に走査するため必要に応じてこれ らの値をプログラム可能に変えることてきる。

例えば、±２５ｃｍのフィールド幅に対して３ｍＳのステップ時間と１７Ａの低 速電流ステップサイズで、代表的に２５ｍＳの走査時間か使用される。

第６Ａ図及び第６Ｂ図に示す電流、電圧及び磁気波形により第７Ａ図に示すよう な走査パターン１５０が生じる。各磁石コイルに適切な電流波形を加えることに よりほぼ任意所望の走査パターンが得られるため、これらの電圧及び電流波形、 及び走査パターン１５０はやはり単なる例にすぎないことをお判り願いたい。し かしなから、第７Ａ図に示すように、最初のパスに対する、好ましい走査パター ン＋５０はＸ座標方向を前後に走査しなからＺ　ｍ　ａ　ｘ座標位置からＺｍｉ ｎ座標位置へ進む。ターゲット領域を走査ビームで均一に曝射する、特に正及び 負のＸ方向に隣接する走査線間に残っている非曝射ターゲット領域を均一に走査 する、のに必要な第２のパスを開始するために、この第２のパスに対しては低速 磁石コイル電流か例えは８．５Ａの所定量だけオフセットされる点を除けば、走 査パターンはＺｍａｘ座標位置へ戻る（すなわち、第８図に示す走査パターン拡 大図に示すように、第２のパスの開始点を第１のパスの直下に位置決めするため にＺｍａｘ−ｏｄｄ座標はＺｍａｘ−ｅｖｅｎ座標へ低減される。）同様に、第 ３のパスへ戻る際に、第３のパスの開始点を第１のパスと同しＺｍａｘ−ｏｄｄ 座標に位置決めするためのもう一つのオフセット調整か行われる。このプロセス は各ステラフサイズ間のターゲット領域を均一に曝射するのに必要なパスに対し て継続される。第８図に示すように、低速走査磁石電流のステップ電流変化とし て測定した、代表的なステップサイズは１７Ａである。ステップサイズは（通常 １ｃｍの）距離単位で入力される。ラスク制御ソフトウェアがビーム粒子及びエ ネルギ及び磁石の磁界−電流関係に基いて所望の距離ステップを得るのに必要な 電流ステップを計算する。

ターゲット領域を均一に曝射するのに必要な走査パターン内のパス数はステップ サイズ及びビームスポットサイズにより支配される。ある応用に対して、プロト ン（もしくは他の帯電粒子）ビームから所要レベルの放射量を供給するために、 同じターゲット領域を一度以上走査することが望ましい。放射量の均一性は主と して、走査速度だけてなく、ビームスポットサイズにより決定される。ビームス ポットサイズはビームエネルギ及びビーム放出装置のノズル構造内に含めること ができるコリメータ装置内のりッジフィルタの存否の関数である。（リッジフィ ルタを有するもしくは有しないコリメータ装置の構造と用途は公知である。）（ ホストプロセッサ９４により選定されるかもしくはシステムプロセッサ９２から 供給ささる）所与のビームエネルギに対して、同業者であれば治療室ホストプロ セッサ９４（第４図）を容易にプログラミングして、各走査に対する適切な開始 及び終止点を設定するだけてなく、存在する場合の、必要な過走査量を計算する ことかできる。低速磁石ステップを行う場合、ビームはターゲット領域を外して ターゲットコリメータ上に指向しなければならない。低速ステップか行われるタ ーゲット領域縁からの距離は第８図に示す過走査距離である。この距離により低 速ステップ中にターゲットに衝突するビーム量は無視できることか保証され、放 射量の均一性か向上する。

走査長は、大部分高速及び低速磁石がターゲット領域上でビームを掃引させる速 度に依存する。第５図に示す構成は２５０ＭｅＶの最強（最高エネルギ）ビーム に対して、高速磁石に対しては２４００ｃｍ／秒まで低速磁石に対しては３３３ 　ｃｍ／秒までの速度でターゲット領域上をビームで掃引するのに充分な電力を 供給するように設計されている。このような最高速度では、磁石電流を変えるの に高電力を要するため任意所与の時間に１個の磁石しか掃引てきないようにする ことが望ましい。しかしながら、例えば５０ＭｅＶの低エネルギ（弱）ビームを 使用する場合には、両磁石か同時に掃引を行うのに充分な電力が存在する適度の 掃引速度を使用することができる。

第７Ｂ図を参照として、不規則な形状のターゲット１５４に対する好ましい走査 パターンを示す。一般的に、不規則な形状のターゲットに使用されるパターンは 矩形ターゲット（第７Ａ図）に対するものとほとんど同じである。すなわち、ビ ームはＺｍａｘ位置へ移動され、Ｘ方向に走査され、僅かに低いＺ位置へステッ プダウンされ、反対Ｘ方向へ走査され、さらに低いＺ位置へステップダウンされ 、Ｘ方向へ走査され、以下同様とされる。

不規則形状ターゲット１５４と規則形状ターゲット３２の走査の主な違いは、不 規則形状ターゲットに対する各走査線の開始及び終止点は異なることがあるか、 規則形状ターゲットに対しては同じであることである。すなわち第７Ｂ図を参照 として、（図示するＸ−Ｚ座標系に関して）第１の走査線１５６に対する開始点 は（Ｘ　＋。。

Ｚｌ。）として識別することかでき、第１の走査線に対する終止点は（Ｘ１１． Ｚｌ。）として識別することができる。

この第１ｊｊｉ１５６の走査中に、低速磁界が一定のＺ座標（Ｚ、、）に保持さ れるように低速走査磁石の電流が一定に保持されるのと同時に、高速走査磁石の 電流は高速磁界がＸ方向を右から左、すなわちＸ座標（Ｘ　＋。）からＸ座標（ Ｘ、、）へ掃引を行うように適切な方向へ傾斜される。第１の走査線１５６の終 り、すなわち所望の終止点（Ｘ＋＋、Ｚ＋。）に達すると、高速走査磁石及び低 速走査磁石の電流はビームを第２の走査線１５８の開始点（Ｘ２．、　Ｚ２゜） へ移動させるのに必要なように調整される。第７Ｂ図で示唆したように、第１走 査線終止点は第２走査線開始点と同じとすることかでき、任意所与の時点におい て１個のみの磁石を変えればよい（こうして、電力消費が低減される。）しかし ながら、本発明は必要により各走査線の開始及び停止点を画定する能力を考えて いることを強調したい。高速及び低速磁石の作動に充分な電力を利用できるもの とすると、非常に複雑な走査パターンを含む、任意所望の走査パターンをターゲ ット領域上に得ることができる。

第７Ｂ図に戻って、第２線１５８の走査中に、高速磁界を左から右、すなわち第 ２の走査線１５８の開始点（Ｘ、。、Ｚ、。）からその所望の終止点（Ｘ２＋、 Ｚ２゜）、へ掃引するために高速走査磁石の電流は第１の走査線１５６の走査に 使用したのと反対方向に傾斜される。このプロセスは不規則形状ターゲットの各 走査線に対して継続され、各走査線は開始点（Ｘ、。、Ｚ。。）及び終止点（Ｘ ａ、、Ｚ、、）を有し、ここにｎは第ｎ走査線を表わす整数である。第７Ａ図及 び第８図の規則形状ターゲットに使用したのと同じ方法で、第７Ｂ図の不規則形 状ターゲットにより第２、第３、もしくはそれ以上の走査パターンか得られる。

各走査線の開始及び終止点は治療室ホストコンピュータ９４により容易にラスク 制御装置内へプログラムすることかでき、任意所望の不規則形状ターゲット領域 を帯電粒子ビームで均一に走査することができる。適切な磁石コイルに送出され る電流をいつスイッチ、ステップもしくは変化させる必要があるかを決定するた めに、例えば、使用している各磁石の掃引速度が与えられている場合に、これら のプログラムされた開始及び終止点を等価時間間隔に変換するようにホストコン ピュータを従来の方法でプログラムすることができる。このような変化は各電力 増幅器に“入力”信号として与えられる適切な形状のラスク走査電流波形信号２ １６もしくは２１８（第５図）を発生することにより行われる。所望の入力信号 を受信すると、電流及び磁気帰還ループが前記したように作動してビームが特定 走査パターンを追従するのに必要な電流波形及び磁界が発生されることを保証す る。

前記ラスク装置を制御するソフトウェアには許容範囲監視プロセスか含まれてい る。ある許容範囲外状態が感知されるとビーム２４をターケラト領域３２から適 切なシールド１０２へ迅速に導くのは許容範囲監視プロセスの機能である。この ような状態には所定の閾値を越える電流もしくは磁界振幅エラー信号が含まれる 。このようにして、自動組人安全機構がラスク走査装置内に設けられ装置がビー ムを不安全に放出するのを防止する。もちろん、例えばホストコンピュータ９４ 及び／もしくはシステムプロセッサ９２等の、他の装置は故障時に安全なことを 行うようにプログラムされているものとする。代表的に、許容範囲外位置を感知 した時にラスク走査装置が行う応答は一方もしくは他方の方向に電力増幅器を飽 和させて両磁石コイルへ最大電流を送り、この最大電流によりビーム２４をシー ルド１０２中へ導く磁界を生成することである。装置のフェイルセイフ状態と考 えることができるこのようなアクションかとられると、装置の正常動作を再開さ せるためにリセット指令を受信しなければならない。

前記したように、シールド１０２（第４図）はビーム放出装置のノズル構造と共 に使用する適切なコリメータ装置の縁とすることがてきる。許容範囲外状態を感 知した時に電力増幅器２１２及び２１４を単にオフとしたり遮断することは、一 般的にターゲットへのビーム放出の防止、すなわち不安全状態の防止には充分で はない。これは磁界２０５及び／もしくは２０９か存在したりしなかったりする 状態で、通常ビーム２４はターゲットに衝突するように指向されるためである。

従って、好ましい即時応答はビームをターゲットから離れるように導いて、シー ルド１０２等の良性要素に衝突させることである。

代表的に長期応答にはビーム２４遮断が含まれ、それはノズル上流の適切な位置 においてビームをブロックするか、もしくは単にビームをターンオフして行うこ とができる（代表的に、両方とも終了までに例えば数秒の時間を要する。） 次に第９図を参照として、ラスク走査発生器回路８０のブロック図を示す。この 発生器はその主要素として中央処理装置（ＣＰＵ）１７０を含んでいる。メモリ デバイス１７２かＶＭＥバス１７１を介してＣＰＵ１７０＋：接続されており、 ラスク走査装置に付随するオペレーティングプログラム及びコントロールパラメ ータをプログラマブリに記憶できる記憶位置を与える。Ｒ５−２３２インターフ エイス１７４が適切なローカル端末（キーボード及びモニタ）１７８間の適切な 接続を与える。端末１７８はビーム装置の動作に必要てはなく、診断及びテスト の目的でオプションとして使用することかてきる。

通信ネットワークインターフェイスは従来のイーサネラットボード１７６からな っている。ソフトウェアはホストコンピュータと通信するＴＣＰ／ＩＰコンパチ ブルメツセージ及びバークレイＢＳＤ４．３ソケットを使用している。掃引準備 コマンド及び掃引開始コマンド等のさまざまな外部コマンドをオペレータもしく は他の外部装置によりＣＰＵ１７０の外部で発生することかできる。

同様に、システムインターロックコマンドもＣＰＵ１７０の外部で、（例えば） システムプロセッサ９２により発生することができる。

駆動回路７２（及びラスク制御装置の他のハードウェア要素）及びＣＰＵ１７０ に対して信号を授受するインターフェイス回路はアナログＩ１０ボード１８０も しくはデジタルＩ１０ボード１８１上に含まれている。これらのインターフェイ ス信号はジャンクションボックス１８２に通される。駆動回路７２のアナログ信 号とＣＰＵ１７０のデジタル動作との間のアナログーデジタル（Ａ／Ｄ）インタ ーフェイスはＡ／Ｄ変換器８４及びＡ　／　Ｄ　Ｉ＜ソファ１８７により提供さ れる。これらのアナログ信号は高速及び低速走査磁石の各々に対する磁界帰還信 号１８４及び高速及び低速走査電力駆動増幅器の各各に対するビルトインテスト （ＢＩＴ）信号１８６を含んでいる。

デジタルＣＰＵ１７０と駆動回路７２との闇のデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）イ ンターフェイスはバッファメモリ＋８８及びバッファメモリ１８８に接続された Ｄ／Ａ変換器１９０を介して提供される。これらの出力信号には高速及び低速駆 動増幅器２１２及び２１４へのラスタ走査入力信号２１６及び２１８が含まれる 。駆動回路７２に対して授受される任意のアナログ信号は、所望により、オシロ スコープ等の適切なモニタ装置を使用してジャンクションボックス１８２におけ る適切なコネクタにおいて監視することができる。これらの被監視信号には発生 される所望の磁界波形を画定するラスク走査信号２１６もしくは２１８が含まれ る。

本発明のラスク走査制御装置の制御と動作は有限状態マシン（ＦＳＭ）モデルを 参照として良く説明することができる。このようなモデルは複雑なハードウェア を高信頼度で制御するのに特に有用である。システムを実際に実施する際に多大 な柔軟性を詳細設計者に与えながら、問題とするシステムの制御及び動作を完全 に定義すると１　いう点においてこのようなモデルはさらに有用である。

すなわち、ハードウェア、ソフトウェアもしくはハードウェアとソフトウェアの 組合せにおいて、実施できる非常に多くの同等なデザインチョイスか存在するた め、ＦＳＭモデルによりシステムを記述すればこのような同等なデザインの任意 のデザインを選定することができる。

すなわち、このようなモデルに関連する状態の定義及びシステムを一つの状態か らもう一つの状態へ切り替えるイベントを含むＦＳＭモデルはシステムの動作を 明確に定義し、同業者であれば自分が選定した任意のソフトウェア、ハードウェ アもしくはハードウェアとソフトウェアの組合せを使用して容易に特定システム を実施することができる。ＦＳＭモデルを使用する利点により、ラスク発生器８ ０は状態論理及び制御回路８２を含むものとして第４図に示されている。

このようなＦＳＭモデルでは、イベントは特定時点で生じ状態は延長時間にわた って持続されることをお判り願いたい。イベントはシステム外部もしくは内部で 発生することができる。イベントは状態遷移を生じる、すなわちシステムを一つ の状態からもう一つの状態へ切り替える必要がある。各状態に入ると、適切なコ マンドが発生されて所定のアクションを起させる、すなわちハードウェアをある 方法で応答させる。イベントはリアルタイムと非リアルタイムに分類される。リ アルタイムイベントは高速応答を必要とし、通常タイミングもしくは他のハード ウェア信号として実施される。非リアルタイムイベントはコンピュータネットワ ークを介してメツセージとして通すことかできる。これらのメツセージイベント はイベント発生を越える付加情報を含むことができる。

ハードウェアイベントはハードウェア信号線の状態量遷移もしくは適切なデコー ディング論理でデコードされるタイミングイベントである。オンからオフへの線 遷移は同じ信号のオフからオンへの線遷移とは異なるイベントとすることができ る。システム状態の一部として遷移か生じる場合にはハードウェア信号線レベル をテストして、次の状態の決定を助ける。

本発明の帯電粒子ラスク走査制御装置のＦＳＭモデルはちょうど６つの状態（０ ）アイドル：　（１）ドウイングビルトインテスト（ＢＩＴ）；　（２）レディ ：　（３）走査；　（４）走査ダン：及び（５）フェイルセーフを含んでいる。

さらに、システム内で生じ得るちょうと９つのイベントがある：　（０）リクエ スト状態：　（１）リクエストＢＩＴ；（２）ビットダン：　（３）ビーム準備 ：（４）走査開始；　（５）走査ダン：　（６）ビームオフ；（７）許容範囲外 フィールド；及び（８）リクエスト。

このＦＳＭモデルのグラフ表示を第１０図に示す。

９つのイベントの中の６つ、すなわちリクエスト状態、リクエストＢＩＴ、　ビ ーム準備、走査開始、ビームオフ、及びリクエストは外部イベントである。タイ ミング信号である走査開始及びビームオフを除けば、これらのイベントは全てメ ツセージイベントである。残りの３つのイベントーービットダン、走査ダン、及 び許容範囲外フィールド情報はラスク走査制御装置により内部発生される。

当然、制御装置が内部発生して“外部“世界、主としてシステムプロセッサ９２ や治療室ホスト９４、へ通されるいくつかの信号がある。一般的に、これらはネ ットワーク９６を介して送られるエラーメツセージや適切な交互信号線を介して 送られる（ビームレディもしくはアポートビーム等の）ハードウェアインターロ ック信号である。

システムの６つの状態の各々の説明は次のようである。

アイドル状態は走査磁石への電力がオフで、システムはコマンドを受信する準備 ができている。

ドウイングＢＩＴ状態はシステムがビルトインテストを実施している状態である 。ＢＩＴは適切なラスク走査信号（１１６もしくは１１８）を発生しＣＰＵ１７ ０へ帰還して分析し正しく発生されていることを検証することを含む。ＢＩＴが 完了するとシステムはアイドル状態へ戻る。

レディ状態はシステムが治療（ターゲット）フィールド情報を受信して検証を済 ましている時に存在する。この状態において、磁界は任意のポテンシャルビーム を治療領域からコリメータ縁（シールド１０２）上へ掃引している。この状態に 入ると、ビームインヒビットインターロック信号９０（第５図）が除去される。

走査状態は治療走査パターンの進行中に存在する。これはビームがターゲットす なわち治療領域に指向される唯一の状態である。

走査ダン状態は走査パターンが完了してシステムがビームオフイベントを待って いる時に存在する。この状態において、磁界は任意のポテンシャルビームをター ゲット位置からシールドや同等装置上へ掃引している。

フェイルセーフ状態は、走査磁石が励起されている時に磁界に対する範囲外状態 か感知される場合に存在する。

この状態において、高速及び低速磁石の両方か励起されビームをシールドや同等 装置（コリメータ）内へ指向させる。　− 次に、システムを一つの状態からもう一つの状態へ切り替える９つのイベントに ついて説明する。この説明は第１Ｏ図を参照とすれば理解できる。

リクエスト状態は本発明のラスク走査制御装置へ送信されて装置のステータス（ 状態等）をリクエストする外部イベントもしくはメツセージである。このイベン トは任意の時間に発生することかできる。このイベント（リクエスト）のいくつ かのバージョンか存在する。最小リクエストは装置の状態だけを戻す。第２のタ イプのリクエストは治療フィールド設定情報のプレイバックを提供する。第３の タイプのリクエストは最終走査に対する走査位置帰還値をダンプする。好ましく は、このダンプはこの最終走査か異常終止する場合を示すフラグを含んでいる。

これは、イーサネット通信網９６を介してリクエストかなされ応答が与えられた ことを意味するネットワークメツセージイベントである。

リクエストＢＩＴイベントはビルトインテストがランされるリクエストである。

このリクエストはシステムかアイドル状態にある時のみ行われる。受信され、シ ステムかアイドル状態にあれば、システムはＢＩＴ状態へ切り替る。これもネッ トワークメツセージイベントである。

ビットダンは、リクエストＢＩＴイベントによりリクエストされる、ビルトイン テストか完了していることを知らせるイベントである。このイベントはシステム により内部発生される。それによりシステムはＢＩＴ状態からアイドル状態へ切 り替る。

ビーム準備（“ブリペア”）は治療域（ターゲット領域）情報を含むイーサネッ ト通信網を介して受信されるネットワークメツセージイベントである。この情報 か受信されて検証されると、システムはアイドル状態からレディ状態へ変る。レ ディ状態において、磁石はビームを治療域から移動させるスタンバイ位置へ励起 される。通常、ビームはターゲット領域にはないが、磁界はまだポテンシャルビ ームをシールド（例えば、コリメータ縁）上で前後に掃引しておりシールドか全 ての未使用放射を一つの位置やスポットに受容するのを防止する。レディ状態に おいて、低速磁石は固定され高速磁石は掃引している。

走査開始はビームのラスク走査か開始されるおよそ２５ｍ５前の定時間に生じる １１−ドウエア信号もしく（よイベントである。これによりシステムは磁界を治 療位置の始め（開始座標）へ持って行くのに充分な時間力）与えられる。第１Ｏ 図に示すように、このイベントによりシステムはレディ状態から走査状態へ変る 。タープ・ソト領域の走査はこれ以上のイベントを発生することなく開始される 。磁石がその磁界をスタンｌくイ位置へ移動させるのに充分な時間を与える、す なわちシステムが完全（こ準備完了してレディ状態へ入れるようにするために、 走査開始イベントはブリペアイベントのおよそ７５ｍ５以内に生じてはならない 。

走査ダンは、走査準備メツセージに指定された、ターゲット領域の走査が完了し ている時に生じる内部イベントである。このイベントによりシステムは走査状態 力）ら走査ダン状態へ切り替る。走査ダン状態中、電力はまだ走査磁石へ加えら れるが、ビームはタープ・ソト領域力）らシールド領域上へ移動される。

ビームオフはリセット信号として作用するイベントである。それはビームダンプ の終りもしくはその後、すなわちビームがそのプログラムされた走査、＜ターン を完了して指定ビーム放射量が放出されていなければならなＩ、ｓ割当時間の終 りに生じるノ＼−ドウエアタイミング信号である。それによりシステムは走査ダ ン状態からアイドル状態へ変り磁石を消勢する。

・　許容範囲外磁界は走査磁石に電力が加わり磁界（二対する許容範囲外状態が 感知される時に生じることができる内部イベントである。それによりシステムは （レディ、走査、もしくは走査ダンの）いずれかの状態からフェイルセーフ状態 へ自動的に切り替り、ビームをタープ・ソト領域からコリメータ上の安全位置へ 移動させる。

リセットは走査状態を除く任意の状態からアイドル状態へシステムを戻すイベン トである。これはネ・ノドワークメツセージイベントである。このイベントはシ ステムかフェイルセーフを去ることができる唯一の方法である。

前記したように、本発明のシステムはいつ外部イベントが生じるかをコントロー ルすることはできなしＸ０従って、システムは任意の状態において任意の外部イ ベントに応答するように設計されている。任意のイベントが生じる時のシステム のアクションを、状態遷移テーブルである、第１表に示す。表の“注記”は使用 する符号の説明である。

第１Ｉ淵■移 外部イベント　アイドル　ドウイングＢＩＴ　レディ　走査　走査ダン　フェイ ルセーフリクエスト状態　ａ　ａ　ａ　ａａ　ａリクエストＢＩＴｂ／ｌ　ｅ　 ｅ　ｅ　ｅ　ｅブリペア　ｃｄ？／２　ｆｃｄｔ／２　↓ｃｔ　ｅ　↓ａｔ／２ 　ｅ走査開始　ｅ　ｅ　ｌｋ／３　ｅ　ｅ　ｅビームオフ　１　ｉ　ｅＪｍｌｏ 　１ｍ１０　Ｊｍｌｏ　ｉリセット　ｌＯ１０１ｍ１０　ｉ　１ｍ１０　ｍ１０ 内部イベント ＢＩＴ　ダン　ｌＯ ＊ＯＴ＝許容範囲外（掃引磁界測定値は許容範囲内でリクエストされた値と一致 しない） 注記　アクション ａ　状態メツセージ発生（内容はリクエストの状態及びタイプに依存する） ｂ　ビルトインテスト開始 Ｃ受信／チェック情報、ＯＫならばチェックデータを有するレディ状態を送出し 、そうでなければエラーを送出する。

ｄ　磁石をスタンバイ位置へ励起する。システムが走査イベント開始準備完了す るまでに７５ｍ５経過しなければならない（スタンバイ位置へ行くのに要する時 間） ｅ　エラー！エラーを生じる状態及びイベントを有するエラーメツセージを送出 する。

ｆ　ドウイングＢＩＴ停止 ｈ　磁石をフェイルセーフ位置へ送る。

ｉ　イベントを無視する。

ｋ　ターゲット領域走査開始 １　ビーム良好信号後２５分経過するまで待つｍ　磁石を消勢する。

ｔ　＊ｍ限れエラーメツセージ設定を送る；レディ状態メツセージを送る。

↑　レディフォアビームハードウェアインターロック線をターンオンする（イネ ーブルビーム）↓　レディフォアビームハードウェアインターロック線をターン オフする（インヒビットビーム）第４図に示すように、本発明のシステムはイー サネット通信ｊｌＩＩ９６を介して治療室ホスト９４と通信する。このような通 信網は従来技術で実証されており、広く使用されている。任意適切なフォーマッ ト及び通信プロトコルを使用して治療室ホストコンピュータに対しメツセージを 授受することかできる。所望により、このような通信はタイミングシステム、イ ンターロックシステム、もしくは他の外部システムにより行うことができる。こ のようなシステムはシステムプロセッサ９２もしくは治療室ホストコンピュータ ９４の一部として含めることかできる。

実施例において、４つの外部ネットワークメツセージ（リクエスト状態、リクエ ストＢＩＴ、プリペア、及びリセット）は、従来技術で実証されている、ＴＣＰ ／ＩＦプロトコルを使用してイーサネット通信網を介して通信される。一般的に 、好ましいフォーマットはメツセージ識別子とそれに続くメツセージ依存データ を含んでいる。各メツセージは成功（ＡＣＫ）もしくは失敗（ＮＡＫ）を知らせ メツセージ依存データか続く返答を発生する。

例えば、“ビーム準備”メツセージのフォーマットは次のような形式とすること ができる。

ビーム準備（メツセージ識別子） ビームエネルギ（メツセージ依存データ、すなわちＭＤＤ） 高速磁石速度確認（ＭＤＤ） 低速磁石速度確認（ＭＤＤ） 走査数（ＭＤＤ） 走査線数（ＭＤＤ） 開始／停止座標（ＭＤＤ） チャック値（ＭＤＤ） ヒーム返答準備（メツセージ識別子） ＡＣＫもしくはＮＡＫ　（ＭＤＤ） チャック値（ＭＤＤ） 本発明のラスク走査システム内で使用される要素の大部分は市販品である。例え ば、前記したように、高速走査電力増幅器１１２はマサチューセラ州、ニュート ンのコブリーコントロールズ社製モデル２９０電力増幅器を使用して実現できる 。低速電力増幅器２！４は並列マスタースレーブ構成とされた２個のモデル２９ ０電力増輻器を使用して実現できる。電流センサ２２２及び２３０は、やはりコ ブリーコントロールズ社製の、モデル３１０センサとすることができ、磁界プロ ーブ２０４．２０８は、ウォーカサイエンティフィク社製モデルＭＧ−２ＡＢガ ウスメータ等の、適切なホール効果デバイスとするこができ、付随するホール効 果プローブ及びケーブルモデルＨＰ−３２Ｒ−１０もウォーカサイエンティフィ ク社製である。ラスク走査発生器８０に含まれるＣＰＵ１７０は、アリシナ州、 テンペのモトローラ社製モデルＭＶ−１３３シングルボードコンピユータとする ことができる。メモリ１７２は市販のメモリチップを使用して入手、もしくは容 易に組み立て、できるいくつかのメモリカードやシステムの任意のものとするこ とかできる。好ましいメモリ容量は持久型ＲＡＭの１Ｍｂｉｔである。イーサネ ットネットワークはモトローラその他のベンダーから市販されているローカルエ リアネットワーク（ＬＡＮ）である。Ａ／Ｄ及びＤ／Ａ変換器はマサチューセラ 州、マールボロのデータトランスレーション社から市販されているデバイス、モ デルＤＴ１４９２−ａＤＩである。電源７４はダイナパワー社等の任意適切な電 源装置ベンダーから入手することができる。市販されている要素は、同業社なら ばこの説明及び明細書を読めば、一般的に入手可能な論理ゲート、レジスタ、演 算増幅器等の市販されている要素を使用して容易に作り上げることができると思 う。

次に第１１図を参照として、ラスタ走査装置のコントロールに使用するソフトウ ェアを示す。ソフトウェアは（短形ボックスで示す）いくつかの同時ランプロセ ス及びハードウェアとソフトウェアのコントロール条件を処理する割込サービス ルーチン（ｒＳＲ）に依存する。ソフトウエアデザインフイロソフイは安定でし かも容易に修正可能、保守可能且つデバッグ可能なコードを生じるように示され ているオブジェクトオリエンチット法に基いている。オブジェクトは第１１図に 楕円で示す。各オブジェクトはプライベートデータ構造とこられのデータ構造に 作用する公げに呼出し可能な方法（すなわち、サブルーチン）の集合である。ソ フトウェアは一つのプロセスからもう一つのプロセスへ信号を通すイベントフラ グ、及び異なるコンピュータに常駐するプロセス間で通信されるメツセージを使 用する。コンピュータ間通信はサーバークライアントモデルに基いており、クラ イアントプロセスがサーバへの通信径路を開き次にサーバがクライアントのリク エストに応答する。

本実施例において、組込ラスタ走査コンピュータはホストコンピュータからのリ クエストに応答するサーバを存している。また埋設システムにより非同期的に発 生するエラーメツセージに応答するホスト上のエラーメツセージサーバもある。

（特定リクエストの結果）非同期的に発生するエラーメツセージはＮＡＫ失敗コ ードで返答して処理される。

次に第１２図に進んで、第４図のラスタ走査装置６８の電力駆動回路７２の別の 実施例を示す。第１２図に示すように、この実施例は従来技術（第２図）と同様 な、高速走査磁石（すなわち“高速磁石”）１０４及び低速走査磁石（すなわち “低速磁石”）１０８を含んでいる。

従来技術の装置と同様に、各磁石は磁石コイルを含んでいる。各磁石は磁石コイ ルが電流により励起されると、高速磁界１０５（高速磁石）及び低速磁界１０’ ９（低速磁石）が発生する。（第１２図において、これらの磁界は各磁石から発 生する一連の放射波面線で示されている。

）しかしなから、従来技術とは異なり、高速磁界プローブ１０６及び低速磁界プ ローブ１１０は各磁界１０５．１０９の瞬時強度を感知する。この感知により、 後記するように、駆動回路は磁界を生成する電流を調整してこのような磁界の大 きさと極性か所望の波形に追従するようにダイナミックに強制することができる 。

さらに、従来技術とは異なり、各磁石１０４．１０８はそれぞれ電力増幅器１１ ２．１１４により駆動される。

これらの電力増幅器は、ラスク発生器８０のデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）部１ ２０から得られる各ラスク制御信号１１６．１１８により制御されて高速磁石１ ０４及び低速磁石１０８を駆動するのに使用される。第５図と同様に、これらの ラスク制御信号１１６．１１８は電力増幅器回路１１２．１１４への生の“入力 ”信号と考えることができ、それは電力増幅器１１２．１１４が発生する大電流 かとるべき所望の電流波形、従って磁界１０５．１０９の大きさが従うべき波形 を画定するのはこれらの信号であるためである。

所望により、出力電流１１３もしくは１１５あるいは磁界１０５及び１０９に存 在する任意の欠陥を修正するために、生の入力信号１１６及び１１８は修正され る。

実際上、この修正は別々の電流及び磁気帰還ループを使用して行われる。しかし ながら、実際上、これら“別々の”帰還ループは結合して一つの帰還ループとし て作動することができる。高速磁石帰還ループは磁界１０５の瞬時強度を示す信 号１０７を発生する磁気プローブ１０６及び電流１１３の瞬時値を示す信号１２ ３を発生するモニタ１２２を含んでいる。プローブ信号１０７及び電流信号１２ ３は共にプリアンプルスケーラ回路１２４へ接続される。信号１０７及び１２３ を受信しＤ／Ａ　Ｉ　２０もしくはラスク発生器８０から受信されるプログラマ ブル信号１２６の制御の元でそれらを校正（調整）するのはスケーラ回路１２４ の機能である。

（このスケーリングは重み付はプロセスと考へることができる、すなわち、信号 １２６は電流モニタ信号１２３及び磁界プローブモニタ信号１０７をどれだけ重 み付けすべきかをスケーラ回路１２４に指令する。）スケーラ回路１２４は適切 に校正された帰還信号１２５を発生し、それは適切な加算点１２６へ送られる。

加算点１２６において、実際上、校正された帰還信号１２５は生の入力信号１１ ６と比較される。代表的に、この比較は入力信号１１６から帰還信号１２５を減 じる形式をとり、従って、第５図において帰還信号は“−２符号を付されて加算 点１２６に加えられており、入力信号は“＋”符号を付して加算点に加えられて いる。これらの２つの信号間の差は実際に測定された出力パラメータ（電流１１ ３及び／もしくは磁界１０５）間にどれだけエラーがあるかを表わす“エラー信 号”１２７であり、このエラー信号はエラーを最少限とする方向に出力電流１１ ３を調整する直接入力信号として増幅器１１２に加えられる。

スケーラ回路１２４及び使用する２つの帰還ループ（一つは電流１１３用もう一 つは磁界１０５用）間の関係をさらに説明するために、任意所与の時点において 、スケーラ回路１２４は電流信号１２３に０の重み付けを指令し磁界信号１０７ に１００％の重み付けを指令できるものとする。このような状況において、磁界 信号１０７は本質的に唯一の帰還信号を与えている。また、スケーラ回路１２４ は磁界信号１０７にＯの重み付けを指令し電流信号１２３に１００％の重み付け を指令することもでき、この場合には電流信号１２３が唯一の帰還信号を与える 。しかしながら、代表的には、スケーラ回路１２４は電流信号１２３及び磁界信 号１０７をそれぞれ幾分重み付けするように指令され、２つの信号１２３．１０ ７を組み合せた帰還信号１２５が生じる。例えば、帰還信号１２５は２０％の電 流信号１２３と８０％の磁界信号１０７からなるように重み付けすることができ 、この場合には磁界信号が帰還信号を支配するが、それを完全に制御するこはな い。

低速走査帰還ループは前記高速走査帰還ループと同じ素子を含み、同様に作動す る。すなわち、低速磁石スケーラ回路１２８は電流１１５の振幅を示す信号１２ ９を電流センサ１３０から受信する。また、プローブ１１０により感知され磁界 １０９の瞬時値を示す信号１３１も受信する。ラスク発生器８０から受信された 制御信号１３２は加算点１３６において所望の主入力信号１１８と比較される低 速磁石帰還信号１３４内のこれらの各信号をとれだけ重み付けすべきかについて スケーラ回路１２８を指令する。この比較に基いて、低速磁石エラー信号１３８ が発生して電力増幅器１１４へ送られ、エラーを最少限とする方向で出力電流１ １５が自動調整される。

特定実施例及びその応用について本発明を開示してきたが、同様者ならば発明の 精神及び範囲内でさまざまな修正や変更を行うことができると思われる。従って 、特許請求の範囲内で、本発明をここに説明した以外の方法で実施できることを お判り願いたい。

（従来技術） 〜 Ｂ　、Ｉ ＦＩＧ、６Ａ Ｂ　、１ 国際調査報告

Claims (34)

【特許請求の範囲】
1. １．帯電粒子ビームを発生し前記ビームをノズルを介して所望のターゲットに向 けて指向する手段を含むビーム放出装置用ラスタ走査制御装置において、該ラス タ走査制御装置は、 ノズル内に配置された少くとも１個の電磁石であって、前記電磁石は電気コイル を有し、前記電磁石はそのコイルに電流を加える時に磁界を生成するような方位 とされており、前記磁界はコイルに加えられる電流の橿性及び大きさに比例する 方位と大きさを有し、前記磁界はビームがノズルを通過する時に前記ビームと相 互作用して磁界の大きさ及び極性により定まる量だけ前記ビームを変曲させ、従 ってコイルに加えられる電流の大きさと極性を選択的に制御することにより前記 ビームは前記ノズルを通過する時に方向誘導されるような前記電磁石と、電流を 発生して前記電流を前記電磁石のコイルに加える手段であって、前記電流は前記 電流の大きさ及び極性を時間の関数として定義する第１の波形を有するような前 記電流発生手段と、 前記電磁石のコイルに加わる電流の大きさと極性を監視する手段と、 前記監視手段及び前記電流発生手段に接続され前記電流の監視された値を第１の 基準信号により定義される値と自動的に比較し、監視された値と前記第１の基準 信号により定義される値との差を最少限とする方向に電流の大きさを調整して磁 界の所望値を自動的に維持する帰還手段、 を具備するラスタ走査制御装置。
2. ２．請求項１．記載のラスタ走査制御装置において、前記電流発生手段は、 前記電流の前記第１の波形を画定するラスタ信号を発生するラスタ走査発生器回 路と、 前記ラスタ信号の関数として前記電流を発生する前記ラスタ走査発生器回路に接 続された電力駆動回路、を具備するラスタ走査制御装置。
3. ３．請求項２．記載のラスタ走査制御装置において、前記ノズルは各々がノズル 内に配置されて実質的に互に直交する磁界を生成する２個の電磁石を含み、前記 電力駆動回路は前記各電磁石に対して電流を発生する手段を含み、各電流は特定 波形を有し、さらに前記ラスタ走査発生器は各電流の特定波形を画定する各ラス タ信号を発生する、ラスタ走査制御装置。
4. ４．請求項３．記載のラスタ走査制御装置において、前記ラスタ走査発生器は、 前記ラスタ走査制御装置の動作に関連する複数の動作状態を定義するプロセッサ 手段であって、前記各動作状態により所定のアクションが生じ、前記動作状態の 少くとも一つにより前記ラスタ信号が発生して前記電力駆動回路へ送られる、前 記プロセッサ手段と、前記プロセッサ手段に接続され前記プロセッサ手段が前記 ラスタ信号に発生するのに使用するデータを記憶するメモリ手段と、 通信チャネルを提供する通信ネットワーク手段であって、前記通信チャネルを介 して装置の現在の動作状態を含む状態情報を前記プロセッサ手段から前記ネット ワーク手段に接続された外部装置へ通信することができ、且つ前記外部装置から のデータを受信して前記メモリ手段内に記憶することができる、前記通信ネット ワーク手段、を含む、ラスタ走査制御装置。
5. ５．請求項４．記載のラスタ走査制御装置において、前記ラスタ走査発生器のプ ロセッサ手段はデジタルプロセッサを具備し、且つ前記ラスタ走査発生器はさら に前記プロセッサ手段が発生するデジタル信号を前記電力駆動回路が使用できる アナログ信号へ変換し、前記電力駆動回路及び前記監視手段が発生するアナログ 信号を前記プロセッサ手段が使用できるデジタル信号へ変換する変換手段を含む 、ラスタ走査制御装置。
6. ６．請求項１．記載のラスタ走査制御装置において、さらに、 前記電磁石のコイルに前記電流を加える時に生成される磁界の大きさと極性を監 視する磁界監視手段と、磁界の大きさが第１の閾値を越える場合に、許容範囲外 信号を発生する前記磁界監視手段に付随する閾値手段と、 前記許容範囲外信号に応答して、磁界が所望のターゲットからシールド装置ヘビ ームを誘導するように電流を制御する遮断手段、 を含む、ラスタ走査制御装置。
7. ７．請求項１．記載のラスタ走査制御装置において、前記監視手段はさらに前記 磁石のコイルに前記電流が加わる時に生成される磁界の大きさと極性を監視する 手段を含み、前記帰還手段は前記磁界の監視された値を前記電流の第２の基準信 号により定められる値と自動的に比較して、監視された値と定められる値との差 を最少限にする方向に電流の大きさを調整する手段を含む、ラスタ走査制御装置 。
8. ８．請求項８．記載のラスタ走査制御装置において、さらに、 磁界もしくは電流のいずれか一方がそれぞれ第１もしくは第２の閾値を越える場 合に、許容範囲外信号を発生する前記監視手段に付随した閾値手段と、前記許容 範囲外信号に応答して、磁界が所望ターゲットからシールド装置ヘビームを誘導 するように電流を制御する遮断手段、 を含む、ラスタ走査制御装置。
9. ９．帯電粒子ビームによりターゲット領域を走査する装置において、該装置は、 所望のエネルギを有する帯電粒子ビームを発生する手段と、 各々がコイルを付随し直交方位の磁界を有する一対の磁石の中へ前記ビームを指 向する手段と、前記ビームに前記ターゲット領域上を一方向に前後に掃引させる 掃引磁界を前記磁石の第１の磁石により発生させる手段と、 前記磁石の第２の磁石により階段状磁界を発生する手段であって、前記階段伏磁 界は第１の所定期間だけ第１の磁界強度をとり、第２の所定期間だけ第２の磁界 強度をとり、第３の所定期間だけ第３の磁界強度をとり、以下第ｎの所定期間だ け第ｎの磁界強度をとり、ここにｎは前記階段伏磁界の段数を表わす整数であり 、前記階段状磁界により前記ビームは前記掃引磁界による方向と直交する方向に ターゲット領域上を進むような階段状磁界発生手段と、 掃引磁界発生手段を階段状磁界発生手段と同期化させて階段状磁界がそのｎ個の 磁界強度の中の１つの強度をとる前記一つの所定期間の開始と一致して掃引磁界 が掃引開始するようにする手段、を具備し、前記掃引及び階段伏磁界を組合せて 所望のラスタ走査パターンでビームをターゲット領域上で誘導する、帯電粒子ビ ーム走査装置。
10. １０．請求項９．記載の装置において、前記直交磁石対の各々がコイルを含み、 前記掃引磁界発生手段は振幅の増大する第１の電流により前記第１の磁石のコイ ルを励起して磁界を一方向に掃引し、且つ振幅の減少する電流により励起して磁 界を他方の方向へ掃引する手段を具備する、帯電粒子ビーム走査装置。
11. １１．請求項１０．記載の装置において、振幅が増大する前記第１の電流は振幅 が線型に増大する電流からなり、振幅が減少する前記電流は振幅が線型に減少す る電流からなる、帯電粒子ビーム走査装置。
12. １２．請求項１０．記載の装置において、前記第１の磁石のコイルを前記第１の 電流で励起する前記手段は、そこに加わる第１の入力信号に応答して前記第１の 電流を発生する第１のサーボ増幅器と、 前記第１の入力信号を発生するラスタ信号発生器と、前記ラスタ信号をプログラ マブリに制御して前記第１の入力信号が前記第１の磁石により発生される掃引磁 界をプログラマブリに制御するような第１の波型をとるようにする手段、 を具備する、帯電粒子ビーム走査装置。
13. １３．請求項１２．記載の装置において、前記第１のサーボ増幅器はさらに掃引 磁界の強さを監視してそれを第１の基準信号と比較し且つ第１の入力信号を自動 的に調整して磁界が前記第１の基準により定まる磁界強度をとるように強制する 帰還手段を含む、帯電粒子ビーム走査装置。
14. １４．請求項１３．記載の装置において、前記第１のサーボ増幅器はさらに第１ の電流の振幅を正視してそれを第２の基準伝号と比較し、且つ第１の入力信号を 自動的に調整して第１の電流が前記第２の基準信号により定まる電流振幅をとる ように強制する帰還手段を含む、帯電粒子ビーム走査装置。
15. １５．請求項９．記載の装置において、前記各磁石はコイルを含み、前記階段状 磁界発生手段は階段伏波形を有する第２の電流により前記第２の磁石のコイルを 励起する手段を具備し、前記階段状波形により前記第２の電流は前記第ｎ所定朝 岡の各々に対して第ｎの固定値とるようにされる、帯電粒子ビーム走査装置。
16. １６．請求項１５．記載の装置において、前記第２の電流により前記第２の磁石 のコイルを励起する前記手段は、 そこに加わる第２の入力信号に応答して前記第２の電流を発生する第２のサーボ 増幅器と、 前記第２の入力信号を発生するラスタ信号発生器と、前記ラスタ信号をプログラ マブリに制御して前記第２の入力信号が前記第２の磁石により発生される階段状 磁界をプログラマプリに制御する階段状波形をとるようにする手段、 を具備する、帯電粒子ビーム走査装置。
17. １７．請求項１６．記載の装置において、前記第２のサーボ増幅器はさらに階段 状磁界の強さを監視してそれを第１の基準信号と比較し、且つ第２の入力信号を 自動的に調整して磁界が前記第１の基準信号により定まる所望の階段状磁界強度 をとるように強制する帰還手段を含む、帯電粒子ビーム走査装置。
18. １８．請求項１７．記載の装置において、前記第２の増幅器はさらに第２の電流 の振幅を監視してそれを第２の基準信号と比較し、且つ第２の入力信号を自動的 に調整して第２の電流が前記第２の基準信号により定まる電流振幅をとるように 強制する帰還手段を含む、帯電粒子ビー装置。
19. １９．ビーム放出装置のノズル内に配置された複数個の磁石コイルと共に使用す るラスタ走査制御装置において、該ラスタ走査御御装置は、 複数個の高電流サーボ増幅器であって、その各々がそこに加わる入力ラスタ走査 信号により制御されて出力電流を発生する手段を含み、前記複数個のサーボ増幅 器の少くとも１個は前記複数個の磁石コイルの各々にその出力電流を送出するよ うに接続されている、前記複数個の高電流サーボ増幅器と、 前記各サーボ増幅器がそれに接続されている磁石コイルへ送出する出力電流の大 きさを監視してこの大きさを前記入力ラスタ走査信号の大きさに比例する大きさ に維持する帰還手段と、 前記各サーボ増幅器に加えられるラスタ走査入力信号を発生するラスタ発生器手 段と、 前記複数個のサーボ増幅器の各々に接続され前記ラスタ走査接続装置の動作に付 随する複数の所定の遮断状態の一つを感知手段が感知する時に前記増幅器の動作 を自動的に制限する、感知手段を含む、遮断回路手段と、前記サーボ増幅器、帰 還手段、ラスタ発生器手段、及び遮断回路手段に接続されて各々に作動電力を供 給する給電手段、 を具備する、ラスタ走査制御装置。
20. ２０．請求項１９．記載のラスタ走査制御装置において、前記帰還手段はさらに 前記磁気コイル付近の磁界強度を監視する手段を含み、前記磁界強度監視手段は 前記帰還手段に接続されており、前記各磁石コイルに送出される前記出力電流の 大きさは自動的に調整されて前記入力ラスタ走査信号により定まる強さの磁界を 生成する、ラスタ走査制御装置。
21. ２１．請求項２０．記載のラスタ走査制御装置において、前記ラスタ発生器手段 はさらにラスタ走査信号をプログラマブリに調整するプログラマブル手段を含み 、前記プログラマブルラスタ走査信号は磁界がとる強度を定める、ラスタ走査制 御装置。
22. ２２．請求項２０．記載のラスタ走査制御装置において、前記帰還手段は前記ラ スタ発生器手段に接続されて比例係数をプログラマプリに調整するプログラマブ ル校正手段を含み、前記比例係数は各サーボ増幅器の出力電流の大きさをその各 入力ラスタ走査信号に関連ずけるために前記帰還手段内で使用される、ラスタ走 査制御装置。
23. ２３．ビーム放出装置のノズル内に発生する磁界の強さをダイナミックに制御す る磁界制御装置において、該磁界制御装置は、 前記ノズルの縦軸に設定アライメントを有する磁界を前記ノズル内に生成して前 記ノズル中を縦方向に通過する帯電粒子ビームを前記磁界により制御可能に偏向 できるように前記ノズル内に配置され、各々が磁石コイルを付随する複数個の電 磁石と、 各々がそこに加わる入力制御信号により制御されて出力電流を発生する手段を含 み、少くとも１個はその出力電流を前記複数個の磁石コイルの各々に送出するよ うに接続されている複数個の高電流サーボ増幅器と、前記磁石コイルを送出され る出力電流の大きさを監視し、且つ各サーボ増幅器の出力電流の大きさと極性を 調整して出力電流を前記入力制御信号により定まる値に維持するようにする帰還 手段と、 前記各サーボ増幅器に加わる入力制御信号を発生する制御発生器手段と、 前記複数個のサーボ増幅器の各々に接続され前記磁界制御装置の動作に付随する 複数の許容範囲外状態の一つを感知手段が感知する時に前記サーボ増幅器の動作 を自動的に制限する、感知手段を含む、遮断回路手段と、前記サーボ増幅器、帰 還手段、ラスタ発生器手段、及び遮断回路手段に接続されて各々に動作電力を供 給する給電手段、 を具備する、磁界制御装置。
24. ２４．請求項２３．記載の磁界制御装置において、前記帰還手段はさらに、（ａ ）．前記各磁石コイルに前記出力電流が供給される時に前記電磁石が生成する磁 界の大きさを監視し、（ｂ）．監視された値を第１の基準値と比較し、（ｃ）． 監視された磁界の値と第１の基準値との差を最少限とするように各サーボ増幅器 の出力電流を調整する手段を含む、磁界制御装置。
25. ２５．ラスタ磁石制御装置において、該装置は、各々がコイルを付随する直交方 位磁界を有する一対の磁石と、 帯電粒子ビームを前記磁石の一方次に他方を介してターゲット領域へ通し、前記 帯電粒子ビームが前記一方の磁界により一方向に偏向され且つ前記他方の磁界に より直交方向に偏向されるようにする手段と、前記磁界の大きさをダイナミック に制御して、前記帯電粒子ビームの偏向を直交方向にダイナミックに誘導できる ようにする手段、 を具備し、 前記ダイナミック制御手段は、 前記各磁界の大きさを監視する手段と、駆動電流の大きさに比例する大きさを有 する磁界を発生する駆動電流を前記各コイルに加える手段と、前記監視手段及び 前記駆動手段に接続されて各駆動電流の大きさを自動的に調整し第１の磁界の大 きさを発生する帰還手段と、 所定の状態が発生した場合にターゲット領域への前記帯電粒子ビームの通過を自 動的に防止する遮断手段を含む、ラスタ磁石制御装置。
26. ２６．請求項２５．記載のラスタ磁石制御装置において、前記各磁界の大きさを 監視する前記手段は前記磁界内に配置された磁界モニタを具備し、前記各磁界モ ニタはモニタが配置されている磁界の大きさに比例する出力信号を発生する、ラ スタ磁石制御装置。
27. ２７．請求項２５．記載のラスタ磁石制御装置において、前記各磁界の大きさを 監視する前記手段はさらに前記各コイルに加わる駆動電流の大きさを監視する手 段を含む、ラスタ磁石制御装置。
28. ２８．請求項２５．記載のラスタ磁石制御装置において、前記帰還手段は、（ａ ）．前記各磁石に対する第１磁界の大きさを指定し、（ｂ）．前記所望の磁界の 大きさを監視された磁界の大きさと比較し、（ｃ）．磁界の所望値と監視値との 差を示し、前記駆動電流の変化量の表示として前記駆動電流手段へ加えられる前 記エラー信号を発生する、プログラマブルプロセッサ手段を含む、ラスタ磁石制 御装置。
29. ２９．請求項２８．記載のラスタ磁石制御装置において、前記プロセッサ手段は 前記制御装置の動作に関する複数の動作状態を定義する状態論理手段を含み、前 記複数の動作状態の各々により特定セットイベントが発生し、前記動作状態には 、 前記コイルに駆動電流が加えられず、装置はコマンドを受け入れる準備を完了す るアイドル状態と、前記各コイルに駆動電流が加えられるが、駆動電流の大きさ と極性はビームを所望のターゲット領域から離れるように誘導するようなもので あるレディ状態と、前記コイルに加わる駆動電流は、前記プロセッサ手段により 設定される、所定セットの値をとり所望のターゲット領域上を所望の掃引パタソ ーンでビームを誘導する走査状態と、 前記コイルに加わる駆動電流が走査状態完了後にビームを所望のターゲット領域 から離れるように誘導する走査ダン状態と、 前記コイルに駆動電流が加わる期間中に感知される許容範囲外イベントにより、 駆動電流はビームをターゲット領域から吸収素子中へ誘導するように制御される フェイルセーフ状態、 を含む、ラスタ磁石制御装置。
30. ３０．帯電粒子ビームによりターゲット領域を走査する方法において、該方法は 、 （ａ）．第１のエネルギを有する帯電粒子ビームを発生し、 （ｂ）．各々がコイルを付随し、直交方位磁界を有する一対の磁石中へ前記ビー ムを指向し、（ｃ）．振幅が増大する第１の電流によりそのコイルを励起するこ とにより前記磁石の中の第１の磁石により掃引磁界を発生して磁界を一方向へ掃 引し且つ減少する振幅により磁界を他方向へ掃引し、前記掃引磁界により前記ビ ームをターゲット領域上で一方向前後に掃引し、（ｄ）．階段状波形を有する第 ２の電流によりそのコイルを励起することにより前記磁石の中の第２の磁石によ り階段伏磁界を発生し、前記階段状波形により前記第２の電流は第１の所定期間 だけ第１の固定値をとり、第２の固定値へ所定量だけ進み、第２の所定期間だけ 前記第２の固定値をとり、以下同様にして、前記階段状磁界により前記ビームは ターゲット領域上を掃引方向と直交する方向に進められ、 （ｅ）．前記第１及び第２の磁石のコイルヘの前記第１及び第２の電流の送出を 同期化させて第２の電流がその階段状波形内の一つの固定値をとる所定の期間中 に第１の電流の振幅が増大するようにし、且つ第２の電流がその階段状波形の内 の次の固定値をとる次の所定期間中に第１の電流の振幅が減少するようにする、 ステップからなり、 前記掃引及び階段状磁界を組み合せてターゲット領域上で制御されたラスタ走査 パターンに従ってビームを誘導する、帯電粒子ビーム走査法。
31. ３１．請求項３０．記載の方法において、前記階段状電流波形の固定値は一定の 増分値により分離されている、帯電粒子ビーム走査法。
32. ３２．請求項３０．記載の方法において、掃引磁界発生ステップは前記第１の電 流を第１の値から第２の値へ線型に傾斜させることにより線型に増大もしくは減 少する磁界を発生することからなる、帯電粒子ビーム走査法。
33. ３３．ビーム放出装置の帯電粒子ビームをＸ−Ｚ面内にあるターゲット位置にお いて所定のラスタ走査をパターンに沿って誘導する方法において、前記ビーム放 出装置はビームがターゲット位置に到達する前に通過するノズルを含む、前記ノ ズルはその内にＸ−Ｚ直交磁界を生成するように前記ノズル内に配置された高速 及び低速走査電磁石を含み、前記各磁界は前記ビームが磁界の強さに比例する量 だけＸもしくはＺ方向に偏向されるように前記ビームと相互作用し、前記方法は 、（ａ）．第１の低速走査電流を低速走査電流磁石に加え且つ第１の高速走査電 流を高速走査電流磁石に加え、前記第１の低速走査電流はターゲット位置上でＺ 方向に所望のＺ１０座標ヘビームを誘導する低速走査磁界を生成し、前記第１の 高速走査電流はＸ方向に所望のＸ１０座標ヘビームを誘導する高速走査磁界を生 成し、前記Ｘ１０及びＺ１０座標は第１の掃引開始点（Ｘ１０、Ｚ１０）を有し 、（ｂ）．第１の期間だけ低速走査磁石の第１の低速走査電流を維持し、 （ｃ）．前記第１の期間にわたって高速走査電磁石の電流を前記第１の高速走査 電流から第２の高速電流へ傾斜させ、前記電流の傾斜によりビームを前記第１の 掃引開始点（Ｘ１０、Ｚ１０）から第１の掃引終止点（Ｘ１１、Ｚ１０）へＸ方 向に誘導する掃引高速走査磁界が生成され、前記第１の掃引終止点は前記第１の 掃引開始点（Ｘ１１−Ｘ１０）から所定の距離にあり、前記所定の距離は前記第 １の期間長と前記傾斜電流の勾配により決定され、 （ｄ）．所望により、高速及び低速走査電流を前記第１の期間の終りに存在する 値からビームを第１の掃引終止点（Ｘ１１、Ｚ１０）から第２の掃引開始点（Ｘ ２０、Ｚ２０）へ誘導するのに必要な値へ変え、（ｅ）．前のステップを実施し た後に存在する低速走査磁石の電流値を第２の期間だけ維持し、（ｆ）．高速走 査電磁石の電流を最近の掃引開始点に到達した後に存在する値から新しい値へ前 記第２の期間にわたって傾斜させ、前記傾斜は前の掃引で実施されるのと反対の 勾配を有し、前記新しい値はビームを第２の掃引開始点（Ｘ２０、Ｚ２０）から 第２の掃引終止点（Ｘ２１、Ｚ２０）へ誘導するのに必要な値であり、（ｇ）． 所望により、ステップ（ｄ）〜（ｆ）を繰り返し、修飾子を“第１”から“第２ ”、“第２”から“第３”、“第３”から“第４”、以下同様に増分してビーム を第ｎ掃引終止点（Ｘｎ１、Ｚｎ１０）から次の掃引開始点（Ｘ（ｎ＋１）０、 Ｚ（ｎ＋１）０）へ、且第（ｎ＋１）掃引開始点（Ｘ（ｎ＋１）０、Ｚ（ｎ＋１ ）０）から第（ｎ＋１）掃引終止点（Ｘ（ｎ＋１）１、Ｚ（ｎ＋１）１）へ、タ ーゲット位置が前記ビームの各掃引によりカバーされるまで移動させ、ここにｎ は整数である、ステップからなる、帯電粒子ビーム誘導法。
34. ３４．請求項３３記載の方法において、ステップ（ｄ）で低速走査電流を変える ことは、各掃引ごとに一定の増分で低速走査電流をその前の値から新しい値へ進 めることからなる、帯電粒子ビーム誘導法。