WO2019038966A1 - 荷電粒子ビーム発生装置とそれを備えた粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム発生装置の運転方法 - Google Patents

荷電粒子ビーム発生装置とそれを備えた粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム発生装置の運転方法 Download PDF

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particle beam
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beam generator
voltage
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孝義 関
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株式会社日立製作所
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    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H7/08—Arrangements for injecting particles into orbits
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H9/00—Linear accelerators

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam generator, a particle beam therapy system including the same, and a method of operating the charged particle beam generator.
  • Patent Document 1 As a background art of this technical field, there is a technology described in Patent Document 1.
  • the extraction electrode is negative as a beam transport apparatus capable of transporting a large current beam with high beam utilization efficiency even in a long transport section while using an electrostatic lens with an inexpensive and simple configuration.
  • the electrostatic lens has a decelerating electrode to which a voltage is applied, and the electrostatic lens is negative between the beam incident side electrode and the central electrode to which a positive voltage is applied and between the central electrode to which a positive voltage is applied and the beam emitting side electrode
  • the electron suppression electrode has two electron suppression electrodes to which a voltage is applied, and the deceleration electrode and the electron suppression electrode play a role of retaining electrons in the transport section etc., and the beam space charge is suppressed by effectively neutralizing the beam space charge It is described as "to do.”
  • a charged particle beam generator for accelerating / injecting charged particles is used as a front stage.
  • a charged particle beam generator for particle beam therapy accelerates charged particles generated by an ion source and accelerates them to a predetermined energy and then emits it to a circular accelerator. Particles accelerated to higher energy by a circular accelerator are used, for example, in particle beam therapy for irradiating a charged particle beam to an affected area of a patient such as cancer.
  • a charged particle beam generator connected to a circular accelerator for particle beam therapy is provided with an electrostatic lens for extracting and focusing from a positively charged charged particle beam plasma.
  • the structure of the electrostatic lens is complicated, and the distance from the ion source to the direct current accelerator is long, which causes the beam line to be long. Furthermore, there has been a problem that the addition of a high voltage power supply leads to an increase in cost.
  • An object of the present invention is to provide a charged particle beam generator capable of keeping the emitted beam current constant as compared with the conventional one and suppressing unnecessary device stop as compared with the conventional even with a simple configuration. It is an object of the present invention to provide a particle beam therapy apparatus provided with the same and a method of operating a charged particle beam generator.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above problems, and an example thereof includes an ion source generating ions, and an extraction electrode for extracting the ions from the ion source to form a charged particle beam.
  • System electrostatic lens for focusing the charged particle beam extracted by the extraction electrode system, linear accelerator for accelerating the charged particle beam, beam current of the charged particle beam after passing through the electrostatic lens And a control unit for controlling a voltage applied to the electrostatic lens in accordance with the beam current detected by the current detector.
  • the present invention even with a simple configuration, it is possible to keep the beam current emitted from the linear accelerator constant as compared with the conventional one and to suppress unnecessary device stoppage as compared with the conventional one.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the operation timing of the charged particle beam generator of the first embodiment at the time of emitting a charged particle beam.
  • FIG. 6 is a control flow diagram of the charged particle beam generator of Embodiment 1. It is a figure which shows the outline of the charged particle beam generator of the modification of Example 1 of this invention.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating voltage drop of an electrostatic lens in a charged particle beam generator of a modification of the first embodiment. It is a figure which shows the outline of the charged particle beam generator of Example 2 of this invention.
  • FIG. 7 is a control flow diagram of a charged particle beam generator of Embodiment 2. It is a figure which shows the outline of the particle radiotherapy apparatus of Example 3 of this invention.
  • Example 1 Embodiment 1 of a charged particle beam generator and an operation method thereof according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of the charged particle beam generator of this embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the operation timing of the apparatus when emitting a charged particle beam and schematically showing the voltage drop of the electrostatic lens due to the plasma ignition delay.
  • FIG. 3 is a control flow diagram of the charged particle beam generator.
  • the charged particle beam generator 1 comprises an ion source 2, a vacuum vessel 4, an extraction electrode system 5, an electrostatic lens 7, a linear accelerator 9, a beam current detector 10, It comprises an electrostatic lens power supply 8, a control unit 13, a decelerating power supply 16, and a drawer power supply 15.
  • the ion source 2 generates a plasma 3 which is a source of a beam to be extracted.
  • the ion source include a microwave ion source, an ECR (Electron Cyclotron Resonance) ion source, a duoplasmatron, and the like, and any ion source can be used.
  • a microwave ion source is adopted in this embodiment.
  • the plasma 3 is generated by a magnetic field in the direction of the extraction beam 14 and a sample gas such as hydrogen, helium, carbon, oxygen and the like, and microwaves.
  • a sample gas such as hydrogen, helium, carbon, oxygen and the like
  • the frequency of the microwave in this case is, for example, 2.45 GHz.
  • the extraction electrode system 5 is an electrode system for obtaining an extraction beam 14 by extracting ions from the plasma 3 generated by the ion source 2, and three or more electrodes having one or more holes are arranged side by side. .
  • the lead-out electrode system 5 of this embodiment includes a lead-out electrode 5a in contact with the ion source 2 and a deceleration electrode 5b and a ground electrode 5c disposed at a certain distance from the lead-out electrode 5a. It consists of a sheet of electrodes.
  • a positive potential is applied to the ion source 2 and the extraction electrode 5a by the extraction power supply 15, and a negative potential is applied to the deceleration electrode 5b by the deceleration power supply 16.
  • the ground electrode 5c is at the ground potential (0 V).
  • the extraction power supply 15 is, for example, 30 kV although it depends on the specification of the linear accelerator 9, and the reduction power supply 16 is, for example, -2 kV.
  • the electrostatic lens 7 is a lens for focusing the extraction beam 14 extracted by the extraction electrode system 5, and includes three electrodes of an incident side electrode 7a, a center electrode 7b, and an emission side electrode 7c. A hole through which the extraction beam 14 passes is provided at the center of each of the three electrodes.
  • the incident side electrodes 7a and the emission side electrodes 7c at both ends are at the ground potential, and the central electrode 7b is at the positive potential.
  • the central electrode 7b When the central electrode 7b is at a positive potential, it is called a deceleration-acceleration mode. In focusing in the deceleration-acceleration mode, the beam spreads due to the diverging force due to the electric field distribution shape between the incident side electrode 7a and the central electrode 7b.
  • a focusing force is received between the central electrode 7b and the emission side electrode 7c.
  • the extraction beam 14 is a positive charge
  • the speed is high at the incident side electrode 7a, decelerated near the center electrode 7b, and the passing speed becomes slow.
  • the beam is accelerated again by the emission side electrode 7c and the speed of the beam is increased.
  • the time for passing near the central electrode 7b is longer than near the incident side electrode 7a and the outgoing side electrode 7c, and the beam of positive charge receives repulsion, that is, a strong focusing force by being influenced by the positive potential.
  • the electrostatic lens 7 functions as a focusing lens as a whole.
  • the potential of the central electrode 7 b of the electrostatic lens 7 is adjusted by the control unit 13 by detecting the current value of the outgoing beam 11 by the beam current detector 10.
  • the extraction electrode system 5 and the electrostatic lens 7 are disposed in the vacuum vessel 4 and kept in vacuum.
  • the linear accelerator 9 is an accelerator that accelerates the extraction beam 14, and is, for example, a high-frequency accelerator, such as a radio frequency quadrupole (RFQ) or a Drift Tube Linac (DTL), which can be used alone or in combination.
  • a high-frequency accelerator such as a radio frequency quadrupole (RFQ) or a Drift Tube Linac (DTL)
  • RFQ radio frequency quadrupole
  • DTL Drift Tube Linac
  • an electrostatic accelerator such as a Cockcroft-Walton type or a Van de Graaf type can be used.
  • the beam current detector 10 is disposed downstream of the linear accelerator 9 and is a detector such as a noncontact CT (Current Transformer) that detects the beam current of the outgoing beam 11 accelerated by the linear accelerator 9. .
  • a noncontact CT Current Transformer
  • the control unit 13 calculates the fluctuation of the outgoing beam current detected by the beam current detector 10, determines the voltage to be applied to the electrostatic lens 7, and sets the value to the electrostatic lens power supply 8.
  • the control unit 13 is configured by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like in the PC, and can be present as the control unit 13 alone. It should be noted that the control apparatus for the entire charged particle beam generator 1 (not shown) or the control apparatus for the apparatus (for example, particle beam therapy apparatus) in which the charged particle beam generator 1 is incorporated as shown in FIG. Can.
  • the control unit 13 includes a display unit 23 that displays various control parameters such as the beam current value detected by the beam current detector 10, the waveform of the voltage applied to the electrostatic lens 7, and the voltage value.
  • the circular accelerator 12 to which the outgoing beam 11 is incident is, for example, various types of accelerators such as a cyclotron, a synchro cyclotron, and a synchrotron.
  • FIG. 2 shows an example of using a microwave ion source as the ion source 2 and extracting a pulsed beam, for example.
  • the vertical axis sequentially flows from the top to the beam extraction trigger and the beam request trigger, the microwave power applied to the ion source 2, the current value of the extraction beam 14, the voltage of the electrostatic lens 7, and the electrostatic lens 7.
  • the current value, the emission current value of the linear accelerator 9, and the output value of the electrostatic lens power supply 8 are all taken on the horizontal axis.
  • the extraction beam 14 is extracted from the ion source 2 by the extraction electrode system 5.
  • the extracted extraction beam 14 is generally a diverging beam, and in order to be incident on the linear accelerator 9, it is necessary to shape this beam into a focused beam so that it does not strike an electrode or the like in the linear accelerator 9.
  • the linear accelerator 9 needs to be shaped into a passable beam shape. For this reason, a focusing mechanism such as an electrostatic lens 7 composed of three electrodes is required.
  • Beam extraction from the ion source 2 is performed as follows. A sample gas is introduced into the ion source 2 in a vacuum state, and a magnetic field is applied. Further, a predetermined voltage is applied to the extraction electrode system 5 and the electrostatic lens 7.
  • the beam extraction trigger is received, and when microwave power is applied to the ion source 2, electrons floating in the ion source 2 circularly move by the microwave and the magnetic field and collide with the introduced sample gas. Plasma 3 is generated. Thereafter, the electron generation due to the collision increases and the generation of the plasma 3 accelerates, so the current value of the extraction beam 14 from the ion source 2 gradually increases.
  • the increase time depends on the microwave power, and is, for example, several tens to several hundreds microseconds.
  • the beam changes its divergence angle from large to small in accordance with the extraction beam current.
  • the beam temporarily collides with the incident side electrode 7 a of the electrostatic lens 7 and the like to generate secondary electrons.
  • the flow of these secondary electrons into the central electrode 7 b of the electrostatic lens 7 causes a current to flow through the decelerating power supply 16, and the voltage of the electrostatic lens 7 temporarily decreases.
  • the voltage drop of the electrostatic lens 7 depends on the internal circuit constant of the power supply.
  • the beam request trigger is received after a predetermined time, and a high frequency or the like is applied to the linear accelerator 9 to generate an electric field for acceleration to obtain an emission beam 11. If the current of the extraction beam 14 is constant, the voltage waveform of the electrostatic lens 7 changes less between the pulse beams.
  • the ignition delay does not change with the pulse, but depends on the operation time, and occurs irregularly and unstablely until the cleanliness of the surface inside the ion source 2 becomes high.
  • the ignition delay time is, for example, about several tens of nanoseconds.
  • the divergence angle of the extraction beam 14 determined by the plasma density which changes according to the size of the extraction electrode 5a and the deceleration electrode 5b and the size of the holes provided in these electrodes and the ion source 2 Because it changes, particle collision to the electrostatic lens 7 due to the divergence of the extraction beam 14 increases, and the voltage drop of the electrostatic lens 7 due to the increase of secondary electrons and damage to the electrostatic lens 7 more often occur. And the life of the electrostatic lens 7 may be shortened.
  • the current of the extraction beam 14 does not change at the extraction beam extraction timing. From this, adjusting the voltage applied to the electrostatic lens 7 does not change the beam collision amount to the electrostatic lens 7 due to the change of the extraction beam current, and the inflow of secondary electrons to the electrostatic lens 7 also does not change. Therefore, it has been clarified by the present inventors that the control beam can be taken out and the stable outgoing beam can be taken out. Furthermore, it has become clear that the damage to the electrode of the electrostatic lens 7 due to the collision of the extraction beam 14 can be reduced.
  • the control of the voltage applied to the electrostatic lens 7 is effective because the voltage drop of the electrostatic lens 7 due to the influence of the secondary electrons can be coped with as described above even when the extraction beam current changes. Act on.
  • the extraction beam 14 is obtained from the plasma 3 generated by the ion source 2 by the extraction electrode system 5 constituted by the extraction electrode 5a, the reduction electrode 5b, and the ground electrode 5c. Thereafter, the extraction beam 14 is shaped by the electrostatic lens 7 constituted by three electrodes of the incident side electrode 7a, the center electrode 7b, and the emission side electrode 7c, and further accelerated by the linear accelerator 9 The light is incident on the circular accelerator 12.
  • the setting value of the electrostatic lens power supply 8 is changed to The voltage applied to the electrostatic lens 7 is adjusted.
  • control unit 13 continues to execute the flow control as shown in FIG.
  • control unit 13 receives an input of the beam current measurement result by the beam current detector 10 (step S11).
  • control unit 13 calculates whether the output beam current value detected by the beam current detector 10 changes with respect to the beam current value required by the circular accelerator 12 and the change amount is set in advance. It is determined whether or not it is within the allowable range (step S12).
  • step S12 If it is determined in step S12 that the value is within the allowable range, the process ends. On the other hand, if it is determined that the value is not within the allowable range, the process proceeds to step S13.
  • control unit 13 adds the voltage dV for the set amount of increase to the current electrostatic lens voltage and sets it to the electrostatic lens power supply 8, or reduces the voltage dV for the amount of decrease to the electrostatic lens
  • the power source 8 is set (step S13).
  • the voltage when the emitted beam current is higher than the set value, the voltage is increased, and when the output beam current is lower than the set value, the voltage is decreased. Further, as the amount of increase or decrease, for example, when the voltage is about 30 kV, the voltage to be increased is 0.2 to 0.4 kV or the like.
  • the charged particle beam generator 1 of the first embodiment described above includes an ion source 2, an extraction electrode system 5, an electrostatic lens 7 for focusing an extraction beam 14 extracted by the extraction electrode system 5, and an extraction beam 14.
  • an ion source 2 an extraction electrode system 5
  • an electrostatic lens 7 for focusing an extraction beam 14 extracted by the extraction electrode system 5, and an extraction beam 14.
  • the beam current detector 10 that detects the beam current of the extraction beam 14 or the outgoing beam 11 after passing through the electrostatic lens 7, and the beam current detected by the beam current detector 10
  • a control unit 13 for controlling a voltage applied to the electrostatic lens 7.
  • the beam current emitted from the linear accelerator 9 can be kept constant with a configuration that can be made simple and low in cost. Therefore, it is possible to provide the stably operating charged particle beam generator 1 and the operation method thereof in which unnecessary device stoppage is suppressed as compared with the conventional device. Furthermore, the effect of being able to cope with the change of the emitted beam current with respect to the voltage change of the electrostatic lens 7 due to the ignition delay of the plasma 3 can be obtained.
  • control unit 13 keeps the emitted beam current from the linear accelerator 9 constant with higher accuracy by increasing or decreasing the voltage by a preset amount of change in accordance with the detected amount of change in beam current. It is possible to realize more stable operation.
  • the beam current detector 10 downstream of the linear accelerator 9, the beam current immediately before entering the system utilizing the generated charged particle beam, ie, the beam current at the point closest to the beam required for the generator Accordingly, the voltage applied to the electrostatic lens 7 can be controlled accordingly, and more accurate and stable operation can be realized.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the charged particle beam generator of this embodiment.
  • FIG. 5 is a view showing a state of voltage drop of the electrostatic lens and a control method at the time of voltage drop of the electrostatic lens at the time of ignition delay in the ion source.
  • the charged particle beam generator 1A shown in FIG. 4 further includes a voltmeter 8a for detecting the voltage of the electrostatic lens 7 in the charged particle beam generator 1 shown in FIG. Further, instead of the control unit 13, the electrostatic lens voltage detected by the voltmeter 8a is compared with the electrostatic lens voltage in the case where the required beam current is obtained, and The control unit 13A that controls to add the undervoltage when it is out of the fluctuation allowable range, the display unit 23 that displays the electrostatic lens voltage detected by the voltmeter 8a, and the electrostatics at the beam emission time at the normal time And a storage unit 24 for storing the lens voltage.
  • the rising of the extraction beam current is the same as in the case where there is no ignition delay, and the drop of the electrostatic lens power supply 8 is also delayed. It decreases with the amount of change. Further, since the beam emission time does not change, the electrostatic lens voltage at the beam emission time is increased by dV.
  • the electrostatic lens voltage is measured by the voltmeter 8a, and the control unit 13A controls the voltage applied to the electrostatic lens 7 according to the beam current measured by the beam current detector 10. Do. Furthermore, in comparison with the electrostatic lens voltage at the normal time stored in the storage unit 24, when the difference of this voltage exceeds the fluctuation allowable range set in advance, the lens voltage only by the fluctuation voltage dV from the stored lens voltage Control is performed to output a signal to the electrostatic lens power supply 8 so as to raise or lower.
  • the beam current emitted from the linear accelerator 9 can be kept constant with higher accuracy, and more stable operation can be realized.
  • the beam current detector 10 is not limited to the configuration in which the current of the outgoing beam 11 is viewed by disposing the beam current detector 10 downstream of the linear accelerator 9, and the beam current detector 10 can be disposed immediately after the electrostatic lens 7. In this case, it is possible to stop the beam emission by stopping the high-frequency accelerator used for acceleration or the like, for example, and waiting for the current value to reach a normal current value. In addition, it is also possible to control to stop beam emission if the set beam current can not be achieved with a few pulses.
  • the beam current detector 10 may be disposed downstream of the linear accelerator 9 or immediately after the electrostatic lens 7.
  • Example 2 A charged particle beam generator and a method of operating the same according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
  • the same reference numerals are given to the same components as in the first embodiment, and the description will be omitted. The same applies to the following embodiments.
  • the charged particle beam generator 1B of this embodiment shown in FIG. 6 controls the voltage applied to the electrostatic lens 7 according to the degree of vacuum before and after the electrostatic lens 7 and is an apparatus using the machine learning device 19 is there.
  • the charged particle beam generator 1B shown in FIG. 6 includes an ion source 2, a vacuum vessel 4, an extraction electrode system 5, an electrostatic lens 7, a linear accelerator 9, a beam current detector 10, and an electrostatic lens power supply.
  • a voltmeter 8a, a control unit 13B, a reduction power supply 16, a withdrawal power supply 15, a machine learning device 19, a first vacuum gauge 17, and a second vacuum gauge 18 are provided.
  • the first vacuum gauge 17 measures the degree of vacuum of the vacuum vessel 4 after the extraction electrode system 5 and in front of the electrostatic lens 7.
  • the second vacuum gauge 18 measures the degree of vacuum in the linear accelerator 9.
  • the extraction beam 14 is a particle having a positive charge and spreads due to the repulsive force between the particles.
  • the emission is suppressed by the electrons generated by the collision with the residual gas, the residual gas decreases and the emission increases as the degree of vacuum improves. Therefore, the focusing power of the electrostatic lens 7 changes, and the outgoing beam current changes.
  • the degree of vacuum of the vacuum vessel 4 is measured by the first vacuum gauge 17, and the degree of vacuum of the linear accelerator 9 is measured by the second vacuum gauge 18, 13B adjusts the voltage applied to the electrostatic lens 7 in accordance with the detected degree of vacuum and the value of the outgoing beam current.
  • the machine learning device 19 continuously performs machine learning on the electrostatic lens voltage detected by the voltmeter 8a, and the control unit 13B applies a voltage to the electrostatic lens 7 according to the value of the voltage learned by the machine learning device 19. Control.
  • the machine learning method in the machine learning device 19 is not particularly limited, and various known methods (for example, neural network, decision tree learning, correlation rule learning, genetic programming, support vector machine, Bayesian network, etc.) can be used. .
  • Control part 13B continues performing control of a flow as shown in Drawing 7 during operation of charged particle beam generator 1B.
  • control unit 13B receives an input of the beam current measurement result by the beam current detector 10 (step S21).
  • control unit 13B receives the measurement results of the degree of vacuum by the first vacuum gauge 17 and the second vacuum gauge 18 and the measurement results of the electrostatic lens voltage by the voltmeter 8a (step S22).
  • control unit 13B determines whether the current value input in step S21 and the degree of vacuum and electrostatic lens voltage input in step S22 are within the allowable range (step S23). If it is determined that it is within the allowable range, the process proceeds to step S24. On the other hand, if it is determined that the value is not within the allowable range, the process proceeds to step S25.
  • control unit 13B When it is determined in step S23 that it is within the allowable range, the control unit 13B performs machine learning with the measurement value of each part when the outgoing beam current is within the set range in the machine learning device 19 as the normal range Machine learning is performed in association with the degree of vacuum in the linear accelerator 9 and reflected in the subsequent change of the set value (step S24). Thereafter, the process ends.
  • step S23 when it is determined in step S23 that the tolerance is not within the allowable range, the control unit 13B adjusts the voltage applied to the electrostatic lens 7 (step S25).
  • the voltage to be applied is adjusted in consideration of the result of machine learning and the degree of vacuum. For example, when the degree of vacuum becomes high, adjustment such as raising the lens voltage is performed. Thereafter, the process ends.
  • the control unit further includes a first vacuum gauge 17 for detecting the vacuum degree after the extraction electrode system 5 and in front of the electrostatic lens 7 and a second vacuum gauge 18 for detecting the vacuum degree in the linear accelerator 9.
  • 13B further controls the voltage applied to the electrostatic lens 7 in accordance with the degree of vacuum detected by the first vacuum gauge 17 and the second vacuum gauge 18 so that the beam to the linear accelerator 9 is changed by the change in vacuum degree. Since the damage to the electrodes and the like due to the irradiation can be prevented, the device life can be further extended, and the effect of further improving the operation rate can be obtained.
  • the first vacuum gauge 17 by providing the first vacuum gauge 17 and performing control using it, it is possible to control according to the state of the extraction beam 14 which is greatly affected by space charge because of low energy, and more stable emission beam Control is possible. Further, by providing the second vacuum gauge 18 and performing control using it, emission beam control can be performed according to the change of the degree of vacuum in the linear accelerator 9, and more stable control of emission beam current becomes possible. .
  • control unit 13B further includes a machine learning unit 19 that continuously performs machine learning on the electrostatic lens voltage, and the control unit 13B further applies the electrostatic lens 7 to the electrostatic lens 7 according to the value of the electrostatic lens voltage learned by the machine learning unit 19.
  • first vacuum gauge 17, the second vacuum gauge 18, and the machine learning device 19 are all provided, only the first vacuum gauge 17 can be provided. Similarly, it is possible to provide only the second vacuum gauge 18 and to provide only the machine learning device 19. Furthermore, the first vacuum gauge 17 and the second vacuum gauge 18 can be provided, the first vacuum gauge 17 and the machine learning device 19 can be provided, and the machine learning device 19 and the second vacuum gauge 18 can be provided. .
  • the machine learning device 19 can learn not only the form in which the electrostatic lens voltage detected by the voltmeter 8a is machine-learned, but also the relationship between the electrostatic lens voltage and the outgoing beam current. With this configuration, the machine learning device 19 can be applied to the charged particle beam generator 1 or 1A of the first embodiment.
  • Example 3 A particle beam therapy system according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the particle beam therapy system 100 of this embodiment includes a charged particle beam generator 1, a synchrotron accelerator 50, a beam transport system 51, an irradiation device 52, a treatment table 53, and a control device 56.
  • the charged particle beam generator 1 described in the first embodiment is a device that generates a charged particle beam used for treatment and accelerates it to a speed suitable for incidence on the synchrotron accelerator 50.
  • the charged particle beam generator is not limited to the charged particle beam generator 1 shown in the first embodiment, but the charged particle beam generator 1A described in the modification of the first embodiment and the charged particle beam generator described in the second embodiment It can be 1B.
  • the synchrotron type accelerator 50 is an accelerator which further accelerates the charged particle beam accelerated to a predetermined speed by the charged particle beam generator 1 to an energy suitable for irradiation.
  • the synchrotron-type accelerator 50 is composed of a deflection electromagnet, a high frequency acceleration cavity, an extraction device, and the like.
  • the accelerator may be provided with a high frequency power supply device, and may be another accelerator such as a cyclotron type accelerator or a synchro cyclotron type accelerator.
  • the beam transport system 51 is connected to the synchrotron-type accelerator 50 and guides the charged particle beam, which has been accelerated and emitted by the synchrotron-type accelerator 50, to the irradiation device 52.
  • the irradiation device 52 is provided in the treatment room and is a device for irradiating the charged particle beam, and is orthogonal to two directions in a plane perpendicular to the beam trajectory (hereinafter collectively referred to as a lateral direction) And two scanning electromagnets, a beam monitor, etc., which allow the beam to scan independently.
  • the treatment table 53 is a bed on which the patient 54 to be irradiated with the charged particle beam is placed.
  • the controller 56 controls the operation of each device and device in the particle beam therapy system 100 including the synchrotron accelerator 50 described above.
  • the control unit 13 shown in FIG. 1 is disposed in the control device 56 of the present embodiment.
  • the charged particle beam generated by the charged particle beam generator 1 is further accelerated by the synchrotron accelerator 50 and accelerated, and the beam transport system 51 is used to irradiate the irradiation system.
  • Transported up to 52 The transported charged particle beam is shaped by the irradiation device 52 to conform to the shape of the affected area, and is irradiated to a target of the patient 54 lying on the treatment table 53 by a predetermined amount.
  • control method and operation operation of the charged particle beam generator 1 are substantially the same as in the first embodiment, and thus the details will be omitted.
  • the particle beam therapy system according to the third embodiment of the present invention includes the charged particle beam generator according to the first embodiment described above, the beam current emitted from the linear accelerator 9 is kept constant, which is unnecessary. Device shutdown is suppressed. For this reason, irradiation of a stable charged particle beam is possible, and shortening of treatment time can be aimed at. In addition, low cost operation is possible.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, but includes various modifications.
  • the embodiments described above are described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • Drawer power supply 16 deceleration power supply 17: first vacuum gauge 18: second vacuum gauge 19: machine learning device 23: display unit 24: storage unit 50: synchrotron type accelerator 51: beam transport system 52: irradiation device 53: treatment table 54: Patient 56: Control device 100: Particle beam treatment device

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Abstract

イオン源２と、引き出し電極系５と、引き出しビーム１４を集束させる静電レンズ７と、引き出しビーム１４を加速する直線加速器９と、出射ビーム１１または静電レンズ７を通過した以降の引き出しビーム１４のビーム電流を検出するビーム電流検出器１０と、ビーム電流検出器１０によって検出されたビーム電流に応じて静電レンズ７に印加する電圧を制御する制御部１３と、を備えた。これにより、単純な構成であっても、直線加速器から出射されるビーム電流を従来に比べて一定に保ち、不要な装置停止を抑制することができる。

Description

荷電粒子ビーム発生装置とそれを備えた粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム発生装置の運転方法
　本発明は、荷電粒子ビーム発生装置とそれを備えた粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム発生装置の運転方法に関する。
　本技術分野の背景技術として、特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、「安価で単純な構成の静電レンズを用いながらも、長い輸送区間であっても高いビーム利用効率で大電流ビームの輸送が可能なビーム輸送装置として、引き出し電極は負電圧が印加される減速電極を有し、静電レンズはビーム入射側電極と正電圧が印加される中央電極の間、及び正電圧が印加される中央電極とビーム出射側電極との間に負電圧が印加される電子抑制電極を２つ有し、減速電極と電子抑制電極は、輸送区間などに電子を留める役割を果たし、ビーム空間電荷が効果的に中和されることによりビーム発散を抑制する」と記載されている。
特開２００５－２３５６９７号公報
　シンクロトロンなどのリング状の円形加速器には、その前段として荷電粒子の加速・入射用の荷電粒子ビーム発生装置が用いられる。
　粒子線治療用の荷電粒子ビーム発生装置は、イオン源で発生した荷電粒子を加速し、所定のエネルギーまで加速した後に円形加速器に対して出射するものである。円形加速器でさらに高いエネルギーまで加速された粒子は例えばがんなどの患者の患部に荷電粒子ビームを照射する粒子線治療に用いられる。
　粒子線治療用の円形加速器に接続される荷電粒子ビーム発生装置では、正電荷を持つ荷電粒子ビームプラズマから引き出して集束するための静電レンズが備わっている。
　このような静電レンズの一例として、上述した特許文献１に記載の技術がある。
　しかし、この特許文献１に記載の静電レンズでは、一般に用いられる３枚電極で構成される静電レンズに対して、２枚の負電位の電極及び高圧電源を追加する必要がある。
　このため、静電レンズの構造が複雑になるとともに、イオン源から直流加速器までの距離が長くなることでビームラインが長くなる、との問題があった。さらに高圧電源の追加により、コスト増加につながる、との問題があった。
　また、静電レンズ内で残留ガスに衝突して発生した電子の抑制には効果が小さく、完全に出射ビーム電流の低下を抑制することは難しいとの問題があった。
　本発明の目的は、単純な構成であっても、出射されるビーム電流を従来に比べて一定に保ち、不要な装置停止を従来に比べて抑制することが可能な、荷電粒子ビーム発生装置とそれを備えた粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム発生装置の運転方法を提供することである。
　本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、イオンを生成するイオン源と、前記イオン源から前記イオンを引き出し、荷電粒子ビームとするための引き出し電極系と、前記引き出し電極系によって引き出された前記荷電粒子ビームを集束させる静電レンズと、前記荷電粒子ビームを加速する直線加速器と、前記静電レンズを通過した以降の前記荷電粒子ビームのビーム電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器によって検出されたビーム電流に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
　本発明によれば、単純な構成であっても、直線加速器から出射されるビーム電流を従来に比べて一定に保ち、不要な装置停止を従来に比べて抑制することが可能となる。
本発明の実施例１の荷電粒子ビーム発生装置の概略を示す図である。 実施例１の荷電粒子ビーム発生装置の荷電粒子ビーム出射時の機器動作タイミングの概略を示す図である。 実施例１の荷電粒子ビーム発生装置の制御フロー図である。 本発明の実施例１の変形例の荷電粒子ビーム発生装置の概略を示す図である。 実施例１の変形例の荷電粒子ビーム発生装置における静電レンズの電圧低下の概略を示す図である。 本発明の実施例２の荷電粒子ビーム発生装置の概略を示す図である。 実施例２の荷電粒子ビーム発生装置の制御フロー図である。 本発明の実施例３の粒子線治療装置の概略を示す図である。
　以下に本発明の荷電粒子ビーム発生装置とそれを備えた粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム発生装置の運転方法の実施例について図面を用いて説明する。
　＜実施例１＞　
　本発明の荷電粒子ビーム発生装置およびその運転方法の実施例１を、図１乃至図３を用いて説明する。
　図１は、本実施例の荷電粒子ビーム発生装置の装置構成を示す概略図である。図２は荷電粒子ビームを出射するときの機器動作タイミングの概略と、プラズマ点火遅れによる静電レンズの電圧低下の概略を示した図である。図３は、荷電粒子ビーム発生装置の制御フロー図である。
　図１に示すように、荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源２と、真空容器４と、引き出し電極系５と、静電レンズ７と、直線加速器９と、ビーム電流検出器１０と、静電レンズ電源８と、制御部１３と、減速電源１６と、引き出し電源１５とで構成される。
　イオン源２は、引き出すビームの元となるプラズマ３を生成するものである。その種類は、例えば、マイクロ波イオン源、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）イオン源、デュオプラズマトロン等があり、いずれのイオン源とすることができる。本実施例ではマイクロ波イオン源を採用した場合の例で説明する。
　プラズマ３は、引き出しビーム１４方向の磁場と、例えば水素、ヘリウム、炭素、酸素などの試料ガスと、マイクロ波により生成される。この場合のマイクロ波の周波数は、例えば２．４５ＧＨｚなどである。
　引き出し電極系５はイオン源２で生成したプラズマ３からイオンを引き出すことで引き出しビーム１４を得るための電極系であり、１個以上の穴を有した電極が３枚以上並んで配置されている。
　図１に示すように、本実施例の引き出し電極系５は、イオン源２に接する引き出し電極５ａと、順に引き出し電極５ａからある距離を置いて設置される減速電極５ｂおよび接地電極５ｃとの３枚の電極により構成される。
　イオン源２及び引き出し電極５ａには正の電位が引き出し電源１５によって与えられ、減速電極５ｂには負の電位が減速電源１６によって与えられる。接地電極５ｃは接地電位（０Ｖ）とする。引き出し電源１５は直線加速器９の仕様にもよるが例えば３０ｋＶ、減速電源１６は例えば－２ｋＶなどである。
　静電レンズ７は引き出し電極系５によって引き出された引き出しビーム１４を集束させるレンズであり、入射側電極７ａ、中央電極７ｂ、出射側電極７ｃの３枚の電極で構成されている。３枚の電極のいずれにも中央に引き出しビーム１４が通過する穴が設けられている。
　静電レンズ７のうち、両端の入射側電極７ａと出射側電極７ｃとは接地電位で、中央電極７ｂは正電位である。
　中央電極７ｂが正電位の場合、減速－加速モードと呼ばれる。減速－加速モードの集束では、ビームは入射側電極７ａと中央電極７ｂ間で、電界分布形状により発散力を受けて広がる。
　これに対し、中央電極７ｂと出射側電極７ｃ間では集束力を受ける。ここで、引き出しビーム１４は正電荷であるため、入射側電極７ａで速度が速く、中央電極７ｂ付近で減速され、通過する速度が遅くなる。しかし出射側電極７ｃで再び加速され、ビームの速度が速くなる。このため、中央電極７ｂ付近を通過する時間は入射側電極７ａ及び出射側電極７ｃ付近に比べて長くなり、正電荷のビームは正電位の影響を受けることで反発、すなわち強い集束力を受ける。
　このような仕組みにより、静電レンズ７は全体として集束レンズとして機能する。
　本実施例では、静電レンズ７の中央電極７ｂの電位は、出射ビーム１１の電流値をビーム電流検出器１０によって検出し、制御部１３によって調整する。
　引き出し電極系５、および静電レンズ７は真空容器４の中に配置されており、真空に保たれている。
　直線加速器９は引き出しビーム１４を加速する加速器であり、例えば高周波加速器などで、ＲＦＱ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ）やＤＴＬ（Ｄｒｉｆｔ　Ｔｕｂｅ　Ｌｉｎａｃ）などがあり、単体あるいは両方を用いることができる。あるいは、コッククロフトウォルトン型やバンデグラーフ型などの静電加速器とすることができる。
　ビーム電流検出器１０は、直線加速器９より下流側に設置されており、直線加速器９で加速された出射ビーム１１のビーム電流を検出する非接触型のＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）などの検出器である。
　制御部１３は、ビーム電流検出器１０によって検出された出射ビーム電流の変動を計算し、静電レンズ７に印加する電圧を決定し、静電レンズ電源８にその値を設定する。制御部１３は、例えばＰＣ内のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成され、制御部１３単体で存在することができる。なお、荷電粒子ビーム発生装置１の全体の制御装置（図示省略）や後述する図８に示すように荷電粒子ビーム発生装置１が組み込まれた装置（例えば粒子線治療装置）の制御装置に組み込むことができる。
　制御部１３は、ビーム電流検出器１０で検出したビーム電流値や、静電レンズ７に印加する電圧の波形、その電圧値等の各種制御パラメータを表示する表示部２３を備えている。
　出射ビーム１１が入射する円形加速器１２は、例えばサイクロトロンや、シンクロサイクロトロン、シンクロトロンなどの様々な種類の加速器である。
　次に、出射ビーム１１を得るための動作と課題を、図２を参照して説明する。図２は、例えばイオン源２にマイクロ波イオン源を使用し、パルスビームを引き出す場合の例である。図２では、縦軸は上から順にビーム引き出しトリガーおよびビームリクエストトリガー、イオン源２に印加されるマイクロ波電力、引き出しビーム１４の電流値、静電レンズ７の電圧、静電レンズ７に流入する電流値、直線加速器９の出射電流値、静電レンズ電源８の出力値とし、横軸は全て時間とする。
　上述のように、引き出しビーム１４はイオン源２から引き出し電極系５によって引き出される。引き出された引き出しビーム１４は一般に発散ビームであり、直線加速器９に入射させるためにはこのビームを集束ビームに整形し、直線加速器９中の電極等にあたらないようにする必要がある。更に、直線加速器９で通過可能なビーム形状に整形する必要がある。このため、３枚の電極で構成された静電レンズ７等の集束機構が必要となる。
　イオン源２からのビーム引き出しは次のようにして行われる。真空状態としたイオン源２内に試料ガスを導入し、磁場を印加する。また、引き出し電極系５、静電レンズ７に所定の電圧を印加する。
　その後、ビーム引き出しトリガーを受け、マイクロ波電力がイオン源２に印加されると、イオン源２内に浮遊する電子がマイクロ波と磁場により円運動を起こし、導入された試料ガスに衝突することによってプラズマ３が生成される。その後、衝突による電子生成が増加し、プラズマ３の生成が加速するために、イオン源２からの引き出しビーム１４の電流値は徐々に増加する。増加時間はマイクロ波電力に依存するが、例えば数十～数百マイクロ秒である。
　このとき引き出しビーム電流にあわせて、ビームは発散角が大から小へ変化する。また、静電レンズ７の入射側電極７ａ等に一時的にビームが衝突し、二次電子が発生する。これらの二次電子が静電レンズ７の中央電極７ｂに流入することで減速電源１６に電流が流れ、一時的に静電レンズ７の電圧が低下する。静電レンズ７の電圧低下は電源の内部回路定数に依存する。
　ビーム引き出しトリガーの後、一定時間後にビームリクエストトリガーを受けて、直線加速器９に高周波等を印加して加速用の電界を発生させて出射ビーム１１を得る。引き出しビーム１４の電流が一定であれば、静電レンズ７の電圧波形はパルスビーム間で変化が小さくなる。
　ここで、プラズマ３が接するイオン源２内の表面の状態の変化によって点火に必要な電子の発生が一定にならず、プラズマ３の点火遅れを生じることが本発明者の実験で明らかとなった。これは、イオン源２に寿命が長く、メンテナンス周期や、稼働率を向上できるマイクロ波イオン源やＥＣＲイオン源を用いる場合に特に顕著であることも明らかとなった。そのときの波形の概略を図２に破線で示す。
　この点火遅れは、パルスごと変化するものではなく、運転時間に依存し、イオン源２内部の表面の清浄度が高くなるまでの間に不規則かつ不安定に発生するものである。点火遅れ時間は例えば数十ナノ秒程度である。
　このような点火遅れが発生した場合、ビームリクエストトリガーのタイミングで引き出される引き出しビーム電流の変化は小さいものの、図２の破線で示すように静電レンズ７の電圧変動が発生する。これにより静電レンズ７での集束性が悪化し、直線加速器９でのビーム透過率が減少して出射ビーム１１の電流が変化する。電圧変動は、過渡現象であり、例えば数十～数百マイクロ秒内と短時間である。これを解消するような回路を持つ電源を採用することも可能であるが、非常にコストがかかることから、現実的ではない。
　一方、出射ビーム１１の電流を一定にするためには、引き出しビーム量を決定するプラズマ３の生成量を増やすことが考えられる。プラズマ３の生成量を増やすためには、マイクロ波電力、ガス流量などのイオン源２の条件を調整することが考えられる。
　しかし、プラズマ３の生成量を増やすと、引き出し電極５ａと減速電極５ｂ、及びこれらの電極に設けられた穴の大きさとイオン源２の条件によって変化するプラズマ密度から決まる引き出しビーム１４の発散角が変化するため、引き出しビーム１４の発散による静電レンズ７への粒子衝突が増加し、二次電子の増加による静電レンズ７の電圧の低下や、静電レンズ７の損傷がより多く発生することになり、静電レンズ７の寿命が短くなる可能性がある。
　ここで、点火遅れが生じたとしても、図２に示すように、出射ビーム取り出しタイミング時の引き出しビーム１４の電流は変化しない。このことから、静電レンズ７に印加する電圧を調整するほうが、引き出しビーム電流の変化による静電レンズ７へのビーム衝突量が変化せず、静電レンズ７への二次電子流入も変化しないため、制御性がよく、安定した出射ビームを取出せることが本発明者によって明らかとなった。さらに、引き出しビーム１４の衝突による静電レンズ７の電極の損傷も低減できる効果があることが明らかとなった。なお、静電レンズ７に印加する電圧の制御は、引き出しビーム電流が変化した場合であっても、上述のように二次電子の影響による静電レンズ７の電圧の低下に対応できるので、有効に作用する。
　次に、図１における荷電粒子ビーム発生装置１の動作について説明する。
　まず、イオン源２で生成されたプラズマ３から引き出し電極５ａ、減速電極５ｂ、接地電極５ｃで構成された引き出し電極系５で引き出しビーム１４を得る。その後、入射側電極７ａ、中央電極７ｂ、出射側電極７ｃの３枚電極で構成される静電レンズ７で引き出しビーム１４を整形して直線加速器９でさらに加速を行った後、出射ビーム１１として円形加速器１２に入射させる。
　ビーム電流検出器１０で出射ビーム１１の電流を計測し、制御部１３で必要な出射ビーム１１との差を計算した後、変化していれば静電レンズ電源８の設定値を変更して静電レンズ７に印加する電圧を調整する。
　次に動作中の制御部１３による制御の流れについて図３を用いて説明する。制御部１３は、荷電粒子ビーム発生装置１の運転中は、図３に示すようなフローの制御を実行し続ける。
　最初に、制御部１３は、ビーム電流検出器１０によるビーム電流計測結果の入力を受ける（ステップＳ１１）。
　次いで、制御部１３は、ビーム電流検出器１０で検出された出射ビーム電流値が、円形加速器１２で必要とするビーム電流値に対して変化しているかを計算し、またその変化量が予め設定された許容範囲内に収まっているか否かを判定する（ステップＳ１２）。
　ステップＳ１２において許容範囲内であると判定されたときは処理を終了する。これに対し、許容範囲内ではないと判定されたときは処理をステップＳ１３に進める。
　次いで、制御部１３は、現在の静電レンズ電圧に、ある設定された増加量分の電圧ｄＶを加えて静電レンズ電源８に設定する、あるいは減少量分の電圧ｄＶを減じて静電レンズ電源８に設定する（ステップＳ１３）。
　試験によれば、出射ビーム電流が設定値より高い場合は電圧を上げる方向で、逆に設定値より低い場合は電圧を下げる方向とする。また、増加量あるいは減少量としては例えば電圧が３０ｋＶ程度の場合、増加させる電圧は０．２～０．４ｋＶなどである。
　その後、処理を終了する。
　次に、本実施例の効果について説明する。
　上述した本実施例１の荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源２と、引き出し電極系５と、引き出し電極系５によって引き出された引き出しビーム１４を集束させる静電レンズ７と、引き出しビーム１４を加速する直線加速器９と、静電レンズ７を通過した以降の引き出しビーム１４または出射ビーム１１のビーム電流を検出するビーム電流検出器１０と、ビーム電流検出器１０によって検出されたビーム電流に応じて静電レンズ７に印加する電圧を制御する制御部１３と、を備えている。
　上記のように構成することで、静電レンズ７に正電極をはさむように設けた負電極を設けずに直線加速器９からの出射ビーム電流を一定に保つことができる。すなわち、静電レンズ７の形状を変更することなく、簡単でかつ低コストとすることが可能な構成で直線加速器９からの出射ビーム電流を一定に保つことができる。従って、不要な装置停止が従来の装置に比べて抑制された、安定動作する荷電粒子ビーム発生装置１やその運転方法を提供することができる。さらに、プラズマ３の点火遅れによる静電レンズ７の電圧変化に対する出射ビーム電流の変化にも対応できる、との効果が得られる。
　また、制御部１３は、検出されたビーム電流の変化量に応じて、電圧を予め設定した変化量だけ増加あるいは減少させることにより、より高い精度で直線加速器９からの出射ビーム電流を一定に保つことができ、より安定した動作を実現することができる。
　更に、ビーム電流検出器１０を直線加速器９より下流側に設置することにより、発生させた荷電粒子ビームを利用する系に入射する直前、すなわち発生装置に要求されるビームに最も近い箇所のビーム電流に応じて静電レンズ７に印加する電圧を制御することができ、より正確で、かつ安定した動作を実現することができる。
　以下、実施例１における荷電粒子ビーム発生装置の変形例について図４および図５を用いて説明する。図４は、本実施例の荷電粒子ビーム発生装置の装置構成を示す概略図である。図５は静電レンズの電圧低下状況と、イオン源での点火遅れ時の静電レンズ電圧の電圧低下時の制御方法を示した図である。
　図４に示す荷電粒子ビーム発生装置１Ａは、図１に示す荷電粒子ビーム発生装置１が更に静電レンズ７の電圧を検出する電圧計８ａを備えているものである。また、制御部１３の替わりに、電圧計８ａで検出された静電レンズ電圧と必要とするビーム電流が得られている場合の静電レンズ電圧とを比較し、予め設定した静電レンズ電圧の変動許容範囲外になった場合に不足電圧分を加えるよう制御する制御部１３Ａと、電圧計８ａで検出された静電レンズ電圧を表示する表示部２３と、正常時のビーム出射時刻における静電レンズ電圧を記憶する記憶部２４とを備えている。
　上述した図２や図５に示すように、点火遅れが生じても引き出しビーム電流の立ち上がりは点火遅れがない場合と同じであり、静電レンズ電源８の低下も時間がずれるだけで、同様の変化量で低下する。また、ビーム出射時刻は変化しないため、ビーム出射時刻での静電レンズ電圧がｄＶだけ上昇することになる。
　そこで、出射ビーム１１を得るごとに静電レンズ電圧を電圧計８ａで計測して、制御部１３Ａでは、ビーム電流検出器１０で計測したビーム電流に応じて静電レンズ７に印加する電圧を制御する。更に、記憶部２４で記憶している正常時の静電レンズ電圧と比較し、この電圧の差分が予め設定した変動許容範囲を超えた場合は、記憶したレンズ電圧からの変動電圧ｄＶだけレンズ電圧を上げる、もしくは下げるように静電レンズ電源８に信号を出力する制御を行う。
　なお、ビーム出射時刻の電圧だけでなく、電圧計８ａによって電圧波形を計測して、正常時の電圧波形と比較して静電レンズ７に印加する電圧を制御することも可能である。
　このような制御によれば、より高い精度で直線加速器９からの出射ビーム電流を一定に保つことができ、より安定した動作を実現することができる。
　また、ビーム電流検出器１０を直線加速器９より下流側に設置して出射ビーム１１の電流を見る形態に限られず、ビーム電流検出器１０を静電レンズ７の直後に配置することができる。この場合、直線加速器９を、例えば加速で用いる高周波等を停止するなどしてビーム出射を停止して、正常な電流値になるまで待機することが可能である。また、数パルスで設定のビーム電流にならなかった場合は、ビーム出射を停止するように制御することも可能である。
　このように静電レンズ７に印加する電圧を変化させる際に、直線加速器９の動作を停止させることで、より安定した出射ビームが得られることから、安定した動作を実現することができる。
　なお、ビーム電流検出器１０を直線加速器９より下流側と静電レンズ７の直後のいずれにも配置することも可能である。
　＜実施例２＞　
　本発明の実施例２の荷電粒子ビーム発生装置およびその運転方法について図６および図７を用いて説明する。実施例１と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施例においても同様とする。
　図６に示す本実施例の荷電粒子ビーム発生装置１Ｂは、静電レンズ７の前後の真空度にも応じて静電レンズ７に印加する電圧を制御するとともに、機械学習器１９を用いる装置である。
　図６に示す荷電粒子ビーム発生装置１Ｂは、イオン源２と、真空容器４と、引き出し電極系５と、静電レンズ７と、直線加速器９と、ビーム電流検出器１０と、静電レンズ電源８と、電圧計８ａと、制御部１３Ｂと、減速電源１６と、引き出し電源１５と、機械学習器１９と、第１真空計１７と、第２真空計１８で構成される。
　第１真空計１７は、引き出し電極系５の後、かつ静電レンズ７の前である真空容器４の真空度を計測する。第２真空計１８は直線加速器９内の真空度を計測する。
　引き出しビーム１４は正電荷を持つ粒子であり、粒子同士の反発力によって広がってしまう。しかし、残留ガスとの衝突によって発生した電子によって発散は抑えられるが、真空度がよくなるにつれて、残留ガスが減り、発散が大きくなる。このため静電レンズ７の集束力が変化して、出射ビーム電流が変化する。
　真空容器４内の真空度の変化に対しては実施例１の制御によっても対応することは可能であるが、より確実に真空容器４内の真空度の変化に対応できることが望まれる。
　また、直線加速器９内の真空度が変化した場合に、レンズ電圧を戻しても直線加速器９内の真空度の変化によってビームが発散し、最終的に出射ビーム電流値が変化することをより確実に抑制するための制御を行うことが望まれる。
　そこで、本実施例の荷電粒子ビーム発生装置１Ｂでは、真空容器４の真空度を第１真空計１７で計測するとともに、直線加速器９の真空度を第２真空計１８で計測して、制御部１３Ｂはこれら検出された真空度と出射ビーム電流の値に応じて静電レンズ７に印加する電圧を調整する。
　機械学習器１９は、電圧計８ａで検出された静電レンズ電圧を継続的に機械学習し、制御部１３Ｂは機械学習器１９で学習した電圧の値に応じて静電レンズ７に印加する電圧を制御する。機械学習器１９における機械学習法は特に限定されず、様々な公知の方法（例えば、ニューラルネットワークや決定木学習、相関ルール学習、遺伝的プログラミング、サポートベクターマシン、ベイジアンネットワークなど）を用いることができる。
　次に制御部１３Ｂによる制御の流れについて図７を用いて説明する。制御部１３Ｂは、荷電粒子ビーム発生装置１Ｂの運転中は、図７に示すようなフローの制御を実行し続ける。
　最初に、制御部１３Ｂは、ビーム電流検出器１０によるビーム電流計測結果の入力を受ける（ステップＳ２１）。
　次いで、制御部１３Ｂは、第１真空計１７および第２真空計１８による真空度の計測結果、および電圧計８ａによる静電レンズ電圧の計測結果の入力を受ける（ステップＳ２２）。
　次いで、制御部１３Ｂは、ステップＳ２１において入力された電流値およびステップＳ２２において入力された真空度および静電レンズ電圧が許容範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。許容範囲内であると判定されたときは処理をステップＳ２４に進める。これに対し、許容範囲内ではないと判定されたときは処理をステップＳ２５に進める。
　ステップＳ２３において許容範囲内であると判定されたときは、制御部１３Ｂは、機械学習器１９において出射ビーム電流が設定範囲内にある場合の各部位の計測値を正常範囲として機械学習するとともに、直線加速器９内の真空度と関連付けして機械学習し、その後の設定値変更に反映させる（ステップＳ２４）。その後、処理を終了する。
　これに対し、ステップＳ２３において許容範囲内ではないと判定されたときは、制御部１３Ｂは、静電レンズ７に印加する電圧の調整を行う（ステップＳ２５）。この際、ビーム電流値に加え、機械学習の結果および真空度を考慮して印加する電圧を調整する。例えば、真空度が高くなった場合は、レンズ電圧を上げるなどの調整を行う。その後、処理を終了する。
　その他の構成・動作は前述した実施例１の荷電粒子ビーム発生装置およびその運転方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。
　本発明の実施例２の荷電粒子ビーム発生装置１Ｂおよびその運転方法においても、前述した実施例１の荷電粒子ビーム発生装置１，１Ａおよびその運転方法とほぼ同様な効果が得られる。
　また、引き出し電極系５の後、かつ静電レンズ７の前の真空度を検出する第１真空計１７や、直線加速器９内の真空度を検出する第２真空計１８を更に備え、制御部１３Ｂは、更に、第１真空計１７や第２真空計１８で検出された真空度に応じて静電レンズ７に印加する電圧を制御することで、真空度の変化による直線加速器９へのビーム照射による電極等の損傷を防止できるため、より装置寿命を延ばすことができ、また稼働率の更なる向上にもつながるという効果が得られる。
　特に、第１真空計１７を備え、それを利用した制御を行うことにより、エネルギーが低いために空間電荷の影響を大きく受ける引き出しビーム１４の状態に応じた制御が可能となり、より安定した出射ビーム制御が可能となる。また、第２真空計１８を備え、それを利用した制御を行うことにより、直線加速器９内の真空度の変化に応じた出射ビーム制御ができ、より安定した出射ビーム電流の制御が可能となる。
　また、静電レンズ電圧を継続的に機械学習する機械学習器１９を更に備え、制御部１３Ｂは、更に、機械学習器１９で学習した静電レンズ電圧の値に応じて静電レンズ７に印加する電圧を制御することにより、出射ビーム電流の変動をより確実に抑えることができる。
　なお、上述した実施例２では、第１真空計１７、第２真空計１８、機械学習器１９のいずれも備えている場合について説明したが、第１真空計１７のみを設けることができる。また、同様に、第２真空計１８のみを設けること、機械学習器１９のみを設けることが可能である。更には、第１真空計１７と第２真空計１８を設ける、第１真空計１７と機械学習器１９を設ける、機械学習器１９と第２真空計１８を設ける、のいずれかとすることができる。
　また、機械学習器１９は、電圧計８ａで検出した静電レンズ電圧を機械学習する形態のみならず、静電レンズ電圧と出射ビーム電流との関係について学習することができる。このような形態とすることで、機械学習器１９を実施例１の荷電粒子ビーム発生装置１，１Ａに適用することが可能となる。
　＜実施例３＞　
　本発明の実施例３の粒子線治療装置について図８を用いて説明する。
　図８において、本実施例の粒子線治療装置１００は、荷電粒子ビーム発生装置１、シンクロトロン型加速器５０、ビーム輸送系５１、照射装置５２、治療台５３、制御装置５６で構成される。
　荷電粒子ビーム発生装置１は、実施例１で説明したものであり、治療に用いられる荷電粒子ビームを発生させ、シンクロトロン型加速器５０に入射するのに適した速度まで加速する機器である。
　なお、荷電粒子ビーム発生装置は実施例１に示す荷電粒子ビーム発生装置１に限られず、実施例１の変形例で説明した荷電粒子ビーム発生装置１Ａや実施例２で説明した荷電粒子ビーム発生装置１Ｂとすることができる。
　シンクロトロン型加速器５０は、荷電粒子ビーム発生装置１で所定の速度まで加速された荷電粒子ビームを照射に適したエネルギーまで更に加速する加速器である。シンクロトロン型加速器５０は、偏向電磁石や、高周波加速空胴、出射装置などから構成される。なお、シンクロトロン型加速器５０を用いる場合について説明したが、加速器は高周波電源装置を備えていればよく、例えばサイクロトロン型加速器やシンクロサイクロトロン型加速器など、他の加速器でもかまわない。
　ビーム輸送系５１はシンクロトロン型加速器５０に接続されており、シンクロトロン型加速器５０で加速され、出射された荷電粒子ビームを照射装置５２に導く。
　照射装置５２は治療室に設けられており、荷電粒子ビームを照射するための機器であり、ビームの軌道に対して垂直な平面内の直交する二方向（以下、まとめて横方向と定義する）に独立にビームが走査させる二台の走査電磁石、ビームモニタ等を備えている。
　治療台５３は、荷電粒子ビームの照射対象である患者５４をのせるベッドである。
　制御装置５６は、上述のシンクロトロン型加速器５０をはじめとした粒子線治療装置１００内の各装置，機器の動作を制御する。本実施例の制御装置５６内には、図１に示す制御部１３が配置されている。
　図８に示すような粒子線治療装置１００では、荷電粒子ビーム発生装置１で発生させた荷電粒子ビームをシンクロトロン型加速器５０でさらにエネルギーを上げて加速し、ビーム輸送系５１を用いて照射装置５２まで輸送される。輸送された荷電粒子ビームは照射装置５２で患部形状に合致するように整形され、治療台５３上に横になった患者５４の標的に対して所定量照射される。
　荷電粒子ビーム発生装置１の制御方法や運転動作は、実施例１と略同じであるため、詳細は省略する。
　本発明の実施例３の粒子線治療装置は、前述した実施例１の荷電粒子ビーム発生装置を備えていることから、直線加速器９から出射されるビーム電流が一定に保たれており、不要な装置停止が抑制されている。このため、安定した荷電粒子ビームの照射が可能であり、治療時間の短縮を図ることができる。また、低コストでの運用が可能である。
　＜その他＞　
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えことが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１，１Ａ，１Ｂ…荷電粒子ビーム発生装置
２…イオン源
３…プラズマ
４…真空容器
５…引き出し電極系
５ａ…引き出し電極
５ｂ…減速電極
５ｃ…接地電極
７…静電レンズ
７ａ…入射側電極
７ｂ…中央電極
７ｃ…出射側電極
８…静電レンズ電源
８ａ…電圧計
９…直線加速器
１０…ビーム電流検出器
１１…出射ビーム
１２…円形加速器
１３，１３Ａ，１３Ｂ…制御部
１４…引き出しビーム
１５…引き出し電源
１６…減速電源
１７…第１真空計
１８…第２真空計
１９…機械学習器
２３…表示部
２４…記憶部
５０…シンクロトロン型加速器
５１…ビーム輸送系
５２…照射装置
５３…治療台
５４…患者
５６…制御装置
１００…粒子線治療装置

Claims (15)

  1. 　イオンを生成するイオン源と、
    　前記イオン源から前記イオンを引き出し、荷電粒子ビームとするための引き出し電極系と、
    　前記引き出し電極系によって引き出された前記荷電粒子ビームを集束させる静電レンズと、
    　前記荷電粒子ビームを加速する直線加速器と、
    　前記静電レンズを通過した以降の前記荷電粒子ビームのビーム電流を検出する電流検出器と、
    　前記電流検出器によって検出されたビーム電流に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する制御部と、を備えた
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
  2. 　請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
    　前記制御部は、検出されたビーム電流の変化量に応じて、前記電圧を予め設定した変化量だけ増加あるいは減少させる
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
  3. 　請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
    　前記静電レンズの電圧を検出する電圧計を更に備え、
    　前記制御部は、更に、前記電圧計で検出された静電レンズ電圧を必要とするビーム電流が得られている場合の静電レンズ電圧と比較し、予め設定したレンズ電圧の変動範囲外になった場合に不足電圧分を加える
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
  4. 　請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
    　前記引き出し電極系の後、かつ前記静電レンズの前の真空度を検出する第１真空計を更に備え、
    　前記制御部は、更に、前記第１真空計で検出された真空度に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
  5. 　請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
    　前記直線加速器内の真空度を検出する第２真空計を更に備え、
    　前記制御部は、更に、前記第２真空計で検出された真空度に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
  6. 　請求項３に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
    　前記静電レンズ電圧を継続的に機械学習する機械学習器を更に備え、
    　前記制御部は、更に、前記機械学習器で学習した前記静電レンズ電圧の値に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
  7. 　請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
    　前記電流検出器を前記直線加速器より下流側に設置する
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
  8. 　請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
    　前記制御部は、前記静電レンズに印加する電圧を変化させる際は、前記直線加速器の動作を停止させる
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
  9. 　請求項３に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
    　前記電流検出器で検出したビーム電流、前記電圧計で検出された前記静電レンズ電圧を表示する表示部を更に備えた
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
  10. 　請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
    　前記イオン源は、マイクロ波イオン源、ＥＣＲイオン源のいずれかである
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
  11. 　請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置と、
    　前記荷電粒子ビーム発生装置で発生させた荷電粒子ビームを加速する円形加速器と、
    　前記円形加速器で加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、
    　前記ビーム輸送系で輸送された荷電粒子ビームを照射する照射装置と、
    　前記荷電粒子ビームの照射対象をのせる治療台と、を有する
    　ことを特徴とする粒子線治療装置。
  12. 　イオンを生成するイオン源と、前記イオン源から前記イオンを引き出し、荷電粒子ビームとするための引き出し電極系と、前記引き出し電極系によって引き出された前記荷電粒子ビームを集束させる静電レンズと、前記荷電粒子ビームを加速する直線加速器と、前記静電レンズを通過した以降の前記荷電粒子ビームのビーム電流を検出する電流検出器と、前記静電レンズに印加する電圧を制御する制御部と、を備えた荷電粒子ビーム発生装置の運転方法であって、
    　前記電流検出器によって検出されたビーム電流に応じて前記静電レンズに印加する電圧を制御する
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
  13. 　請求項１２に記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
    　検出されたビーム電流の変化量に応じて、前記電圧を予め設定した変化量だけ増加あるいは減少させる
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
  14. 　請求項１２に記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
    　前記ビーム電流の検出を前記直線加速器より下流側で行う
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
  15. 　請求項１２に記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
    　前記静電レンズに印加する電圧を変化させる際は、前記直線加速器の動作を停止させる
    　ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
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