特許 7406832 イオンビーム照射システム、イオンビーム純度測定方法、イオンビーム純度測定装置、およびイオンビーム純度測定プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-20

(45)【発行日】2023-12-28

(54)【発明の名称】イオンビーム照射システム、イオンビーム純度測定方法、イオンビーム純度測定装置、およびイオンビーム純度測定プログラム

(51)【国際特許分類】

   G21K 5/04 20060101AFI20231221BHJP

   G01T 1/29 20060101ALI20231221BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20231221BHJP

【ＦＩ】

G21K5/04 A

G21K5/04 C

G01T1/29 B

A61N5/10 H

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021542848

(86)(22)【出願日】2020-08-21

(86)【国際出願番号】 JP2020031680

(87)【国際公開番号】W WO2021039647

(87)【国際公開日】2021-03-04

【審査請求日】2023-02-20

(31)【優先権主張番号】P 2019156922

(32)【優先日】2019-08-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】301032942

【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100135781

【弁理士】

【氏名又は名称】西原 広徳

(72)【発明者】

【氏名】水島 康太

(72)【発明者】

【氏名】岩田 佳之

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１７６８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１８７０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７９６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－００４４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平５－１４４４０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ２１Ｋ ５／０４

Ｇ０１Ｔ １／２９

Ａ６１Ｎ ５／１０

Ｈ０５Ｈ ３／００－１５／００

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子を加速してイオンビームとする加速器と、
前記加速器で加速された前記イオンビームを照射する照射装置と、
前記加速器および前記照射装置を制御する制御装置とを備えたイオンビーム照射システムであって、
前記加速器で加速された前記イオンビームの線量を検出する線量検出装置と、
前記線量検出装置を通過した前記イオンビームの電流を検出する電流検出装置と、
前記線量検出装置の線量検出値と前記電流検出装置の電流検出値に基づいて前記イオンビームの純度を測定する測定処理部とを備えた
イオンビーム照射システム。

【請求項2】

前記電流検出装置は、前記線量検出装置を通過した前記イオンビームのうち８０％以上を検出できる位置に配置された
請求項１記載のイオンビーム照射システム。

【請求項3】

前記電流検出装置は、ファラデーカップにより構成されている
請求項２記載のイオンビーム照射システム。

【請求項4】

前記測定処理部は、前記線量検出装置により所定時間継続して検出した線量検出値を積分して線量積分値を算出し、前記電流検出装置により所定時間継続して検出した電流検出値を積分して電流積分値を算出して、前記線量積分値と前記電流積分値に基づいて前記イオンビームの純度を判定する構成である
請求項１、２、または３記載のイオンビーム照射システム。

【請求項5】

前記測定処理部は、前記線量積分値を電流積分値で除算して前記純度を判定する構成である
請求項４記載のイオンビーム照射システム。

【請求項6】

前記加速器はイオン種の異なるイオンビームを切り替えて加速するものであり、
前記制御装置は前記イオンビームのイオン種を切り替えるものであるイオンビーム照射システムであって、
前記制御装置は、前記測定処理部の測定結果が予め決められた許容値以下の場合に前記照射装置を動作させるように制御する構成である
請求項１から５のいずれか１つに記載のイオンビーム照射システム。

【請求項7】

荷電粒子を加速してイオンビームとする加速器と、前記加速器で加速された前記イオンビームを照射する照射装置と、前記加速器および前記照射装置を制御する制御装置とを備えたイオンビーム照射システムを用い、
前記加速器で加速された前記イオンビームの線量を線量検出装置により検出し、
前記線量検出装置を通過した前記イオンビームの電流を電流検出装置により検出し、
前記線量検出装置の線量検出値と前記電流検出装置の電流検出値に基づいて前記イオンビームの純度を測定処理部により測定する
イオンビーム純度測定方法。

【請求項8】

加速器で加速されたイオンビームの線量を検出する線量検出装置と、
前記線量検出装置を通過した前記イオンビームの電流を検出する電流検出装置と、
前記線量検出装置の線量検出値と前記電流検出装置の電流検出値に基づいて前記イオンビームの純度を測定する測定処理部とを備えた
イオンビーム純度測定装置。

【請求項9】

コンピュータを、
加速器で加速されたイオンビームの線量を検出するイオンビーム線量検出手段と、
前記イオンビーム線量検出手段を通過した前記イオンビームの電流を検出するイオンビーム電流検出手段と、
前記イオンビーム線量検出手段の線量検出値と前記イオンビーム電流検出手段の電流検出値に基づいて前記イオンビームの純度を測定する測定処理部として機能させる
イオンビーム純度測定プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、加速されたイオンビームの純度を測定できるようなイオンビーム照射システム、イオンビーム純度測定方法、イオンビーム純度測定装置、およびイオンビーム純度測定プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、荷電粒子（イオン）を加速したイオンビームが様々な用途で用いられている。
その用途の一つである粒子線治療では、目的のイオン種以外の不純物イオンは照射するビームから取り除かれている必要がある。イオン源から取り出された直後のビームは、多種類のイオンを含んでいる。このため、必要なイオン種だけを選別して通過させる必要がある。

【0003】

このように必要なイオン種を選別する方法として、分析マグネットを有する質量分析装置を用いて不純物イオンを取り除くイオン種確認方法が提案されている（特許文献１参照）。

【0004】

しかしながら、例えば、ＣＯ_２ガスをイオン化して取り出した^１２Ｃ^３＋ビームに^１６Ｏ^４＋イオンが混ざった状態などのように、目的のイオン種と質量電荷比の等しい不純物イオンがビームに混ざった場合には、通常の質量分析装置では目的イオンと不純物イオンを分離することができない。このため、例えば、^１２Ｃ^２＋ビームを用いたり、導入ガスをＣＨ_４にするなど、目的イオンと質量電荷比が等しい不純物イオンが残留ガスから生じにくい条件を選択する必要があった。

【0005】

基本的には、目的のイオンビームに不純物イオンが混ざらないようなイオン源の運転条件を選ぶことが重要で理想的である。しかし、例えば、粒子線治療のマルチイオン照射など１台のイオン源から複数イオン種のビームを短時間に切り替えて供給するような利用に対しては、上述の理想的な運転条件を満たすことは難しくなる。具体的には、複数の導入ガスが用いられるために残留ガスから生じるイオン種が増え、供給ビームが軽い核種（例えば、Ｈｅなど）の場合には、選択できる電荷状態の条件が少ないため、目的イオンと質量電荷比が等しい不純物イオンの混入が避けられなくなる。

【0006】

イオンビームに混ざった質量電荷比の等しい不純物イオンは、質量分析装置で取り除かれることなく目的イオンとともに加速器によって加速され、粒子線治療の場合は患者に照射されてしまう。必要なイオン種にあわせてイオン源の台数を増やせばそのような問題を防ぐことも可能だが、コストアップにつながってしまう。

【0007】

イオンビームに混ざった不純物イオンは、粒子線治療での線量誤差を生む原因となる。このため、そのような可能性のある運転を行う場合には、目的イオンに対する不純物イオンの比率が許容値以下であることを監視する必要がある。

【0008】

しかし、従来技術では、目的イオンと質量電荷比の等しい不純物イオンを分離することが難しく、不純物イオンの比率を測定することは容易ではなかった。

【0009】

一方で、質量電荷比の等しい不純物イオンを分離する方法として、イオンビームを加速した後に膜を通してイオン種ごとに異なるエネルギー損失を生じさせ、偏向磁石を用いて分離する技術が提案されている（特許文献２参照）。

【0010】

しかし、この方法は、イオンビームに含まれる目的イオンに対しても大きなエネルギー損失を与えることとなる。この方法は、加速したエネルギーを無駄に減らして、なおかつ散乱によるビーム広がりも起こすため、ビームロスの増加やビーム品質の低下が避けられない。また、不純物イオンを確実に分離するためにはイオンビームを偏向磁石で曲げてから長い距離を飛ばさなければいけないため、長いビーム輸送空間が必要となるというデメリットもあった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開平４－１４９９４８号公報

【文献】特開２０１８－４４５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

この発明は、上述した問題に鑑み、目的のイオン種と質量電荷比の等しい不純物イオンを検出できるイオンビーム照射システム、イオンビーム純度測定方法、イオンビーム純度測定装置、およびイオンビーム純度測定プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

この発明の一態様は、荷電粒子を加速してイオンビームとする加速器と、前記加速器で加速された前記イオンビームを照射する照射装置と、前記加速器および前記照射装置を制御する制御装置とを備えたイオンビーム照射システムであって、前記加速器で加速された前記イオンビームの線量を検出する線量検出装置と、前記線量検出装置を通過した前記イオンビームの電流を検出する電流検出装置と、前記線量検出装置の線量検出値と前記電流検出装置の電流検出値に基づいて前記イオンビームの純度を測定する測定処理部とを備えたイオンビーム照射システムである。

【発明の効果】

【0014】

この発明により、目的のイオン種と質量電荷比の等しい不純物イオンを検出できるイオンビーム照射システム、イオンビーム純度測定方法、イオンビーム純度測定装置、およびイオンビーム純度測定プログラムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】イオンビーム照射システムの構成を示すブロック図。

【図2】測定装置および制御装置の構成を示す機能ブロック図。

【図3】測定処理部の動作を示すフローチャート。

【図4】イオンビームの電流平均線量比を示すグラフ。

【図5】実施例２のイオンビーム照射システムの構成を示すブロック図。

【図6】実施例３のイオンビーム照射システムの構成を示すブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。

【実施例1】

【0017】

図１は、イオンビーム照射システム１の構成を示すブロック図である。
イオンビーム照射システム１は、イオン源２と、質量分析装置３と、線形加速器４（加速器）と、円形加速器５（加速器）と、偏向磁石６と、測定装置７と、照射装置８と、これらを接続してイオンビームを搬送する真空搬送路９と、これらを制御する制御装置１０を有している。

【0018】

イオン源２は、原子から電子を取り除いてイオンを生成する装置である。詳述すると、イオン源２は、真空中に導入したガスに対して、プラズマ放電をさせる、あるいは電子ビームを照射することにより、導入したガスの原子から電子を取り除いてイオン化し、所定の方向に射出するイオンビームを生成する装置である。このイオン源２は、導入するガスを複数種類の中から切り替えて使用することができ、酸素イオン、炭素イオン、ヘリウムイオンを生成するなど、異なる複数種類のイオンを生成できるように構成されている。これにより、任意のイオン種に切り替えて生成することができる。

【0019】

質量分析装置３は、イオン分離電磁石（図示せず）と、イオン分離電磁石によって形成される磁場印加領域の出口に設けられたイオンビームを分離するスリット（図示せず）とを有しており、イオン分離電磁石に流す電流値を調節することで磁場を調節し、目的のイオンと質量電荷比の等しいイオンだけを分離して取り出す。これにより、イオンビームの純度を高めている。

【0020】

線形加速器４は、加速器の一種であり、イオン源２から供給されるイオンを電磁場によって所定エネルギーまで加速し、円形加速器５に供給する。

【0021】

円形加速器５は、線形加速器４から入射したイオンを電磁場によって周回軌道上でさらに加速して高エネルギーにする。この実施例では、円形加速器５は、数ＭｅＶ／ｎ以上のエネルギーへと加速する構成であり、例えばシンクロトロンにより構成されている。この円形加速器５には、射出部（図示省略）が設けられており、この射出部からイオンビーム（荷電粒子ビーム）を取り出して真空搬送路９へイオンビームを送り出す。

【0022】

偏向磁石６は、イオンビームの搬送方向を変更することができ、例えば、照射装置８へイオンビームを搬送させる、あるいは測定装置７へイオンビームを搬送させることができる。

【0023】

測定装置７は、イオンビームの純度を監視する装置であり、線量検出装置１３（第１モニタ）と電流検出装置１４（第２モニタ）がこの順でビーム進行方向に直列に接続されて構成されている。この測定装置７は、偏向磁石６と照射装置８の間の真空搬送路９が拡張された真空容器１１内に設けられている。このように、測定装置７の線量検出装置１３と電流検出装置１４を、真空搬送路９が含まれる真空容器１１内に設けることで、偏向磁石６によってイオンビームの搬送先を照射装置８と測定装置７（線量検出装置１３、電流検出装置１４）に切り替えるための偏向角度を小さくできることから、偏向磁石６の小型化ができるとともに、偏向磁石６から測定装置７（線量検出装置１３、電流検出装置１４）および照射装置８までの距離を短くすることができる。

【0024】

線量検出装置１３は、電圧が印加されている２つの電極間を通過するイオンビームによる電離電流を検出する電離箱、または、イオンビームに励起されることにより発光するシンチレータなど、イオンビームの線量を測定する装置で構成されている。すなわち、この線量検出装置１３は、イオンビームのエネルギーロス（ｄＥ／ｄｘ）に依存する線量を、イオンビームを停止させずに通過させて測定することができる。この線量検出装置１３の出力は、イオン電荷の２乗に略比例した信号となる。

【0025】

電流検出装置１４は、荷電粒子（イオン）を捕捉するファラデーカップ、または、ビーム電流が周りに作る磁場を利用して高い透磁率を持つコアの飽和特性により直流電流を検出するＤＣＣＴ（ＤＣ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）など、線量検出装置１３を通過したイオンビームの電流を測定する装置で構成されている。この電流検出装置１４と前段の線量検出装置１３によるイオンビームの検出は、ほぼ同時に行われる。なお、この実施例のように、偏向磁石６によってイオンビームを照射装置８とは異なる方向へ偏向させて測定する場合、ファラデーカップのようにイオンビームを停止させて電流を測定する装置とすることが好ましい。この場合、電流検出装置１４の後段にビームダンプを設置することが不要となり、かつ、低いビーム電流も高精度で測定することができる。この電流検出装置１４の出力は、イオンビームのイオン電荷に略比例した信号となる。

【0026】

照射装置８は、イオンビームのＸＹ方向（イオンビームの進行方向に対する垂直平面方向）の位置をＸ方向スキャニング磁石とＹ方向スキャニング磁石で制御し、イオンビームのＺ方向（イオンビームの進行方向）の停止位置をエネルギー変更部（例えばレンジシフタ）により制御し、スキャニングモニタにより照射スポット別のイオンビームの照射線量を計測する。すなわち、照射装置８は、イオンビームの照射スポットの３次元位置の制御と照射線量を計測するスキャニング照射装置として機能する。このスキャニング照射装置は、イオンビームが細く絞られたペンシルビームを３次元的に走査し、腫瘍を塗りつぶすようにして治療を行う。なお、照射装置８は、このようにイオンビームとして細いペンシルビームを利用するスポットスキャニング方式に限らず、幅の広いイオンビームを用いてコリメータで照射範囲（照射面積）を成形し、補償フィルタでイオンビームの深さ方向の到達範囲を調整する方式など、適宜の方式によりイオンビームの照射を調整する装置で構成することができる。

【0027】

この照射装置８の後段には、イオンビーム照射システム１が粒子線治療システムとして用いられる場合であれば治療対象の患者がおり、イオンビーム照射システム１が適宜の物質を生成するシステムや検査システムとして利用される場合にはイオンビーム照射対象のターゲットが存在している。

【0028】

真空搬送路９は、イオン源２から質量分析装置３へ、質量分析装置３から線形加速器４へ、線形加速器４から円形加速器５へ、円形加速器５から偏向磁石６へ、偏向磁石６から照射装置８へと、イオンおよびイオンビームを電磁石により搬送する。

【0029】

制御装置１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）と記憶部とを有している。この制御装置１０は、複数種イオンビーム照射制御処理等を実行する。

【0030】

複数種イオンビーム照射制御処理は、イオン源２から取り出すイオン種を切り替え、適切な電流値での加速を行い、照射装置８により照射スポットを変更していく制御を行う処理である。

【0031】

この複数種イオンビーム照射制御処理には、イオン源２から供給されるイオン種に応じ電流値変更パターンデータから適切な電流値変更パターンを読み出し、この電流値変更パターンに従って線形加速器４および円形加速器５の電磁石に流す電流値を制御する加速電流値制御処理が含まれている。

【0032】

図２は、測定装置７および制御装置１０の構成を示す機能ブロック図である。
測定装置７内では、まず線量検出装置１３をイオンビームが通過し、通過したイオンビームが電流検出装置１４に入射する。このとき、電流検出装置１４に入射するイオンビームは、線量検出装置１３を通過したイオンビームの８０％以上とすることができ、９０％以上とすることが好ましく、９５％以上とすることがより好ましい。

【0033】

線量検出装置１３の後段には、信号増幅器２１、ローパスフィルタ２２、および測定処理部３１がこの順で設けられている。
電流検出装置１４の後段には、信号増幅器２６、ローパスフィルタ２７、および測定処理部３１がこの順で設けられている。

【0034】

信号増幅器２１，２６は、ＩＶアンプまたは光電子増倍管などで構成され、信号を増幅する。
ローパスフィルタ２２，２７は、アナログ回路またはデジタル回路で構成され、信号のうち所定の周波数よりも高周波の成分を遮断（若しくは減衰）する。

【0035】

信号増幅器２１，２６のアンプゲインは、前段の線量検出装置１３または電流検出装置１４の特性、ノイズ条件、および測定するイオンビームの強度範囲によって適宜定められている。

【0036】

ローパスフィルタ２２，２７の周波数応答は、前段の線量検出装置１３または電流検出装置１４の特性、ノイズ条件、および測定するイオンビームの強度範囲によって適宜定められている。

【0037】

測定処理部３１は、ＣＰＵ（中央演算装置）や一時記憶部等を備えた適宜の測定用制御装置により構成され、記憶部３２に記憶されたイオンビーム純度測定プログラム３２ａ等のプログラムに従って動作する。

【0038】

測定処理部３１は、イオンビーム純度測定プログラム３２ａに従って、線量検出装置１３の信号が信号増幅器２１により増幅されローパスフィルタ２２で高周波カットされた調整後線量信号と、電流検出装置１４の信号が信号増幅器２６により増幅されローパスフィルタ２７で高周波カットされた調整後電流信号を用いて演算し、イオンビームの純度を求めるイオンビーム純度測定処理を実行する。このイオンビーム純度測定処理は、偏向磁石６によりイオンビームを所定のタイミングで測定装置７へ誘導し、イオンビームの純度を測定する処理である。

【0039】

また、測定処理部３１は、イオンビーム純度測定処理で測定した純度が要求純度より低い場合にイオンビームが照射装置８へ到達しないように偏向磁石６によって経路変更し、イオンビームの照射を中断するイオンビーム照射中断処理も実行する。この中断とは、イオンビームそのものは円形加速器５から取り出されて搬送されてきているものの、偏向磁石６によって照射装置８へ到達しないように経路変更することで適宜のストッパー等に照射停止させ、イオンビームが照射装置８からイオンビームが照射されない状態をいう。

【0040】

これらの処理の詳細についてはフローチャートとともに後述する。測定処理部３１に接続されている記憶部３２（記憶媒体）には、イオンビームの純度を測定するイオンビーム純度測定プログラム３２ａが記憶されている。

【0041】

図３は、測定装置７の測定処理部３１（制御部）がイオンビーム純度測定プログラム３２ａに従って実行する動作のフローチャートである。
測定処理部３１は、計測リトライ回数Ｎに「０」を代入してリセットし（ステップＳ１）、イオンビーム条件を設定する（ステップＳ２）。このイオンビーム条件は、測定処理部３１が加速器制御部３３および照射制御部３５から測定するイオンビームの核種、およびエネルギーなどに関する情報を受信し、この受信した情報によって定められる。

【0042】

測定処理部３１は、線量検出装置１３で検出して増幅等した調整後線量信号Ｖ_１と、電流検出装置１４で検出して増幅等した調整後電流信号Ｖ_２を取得する（ステップＳ３）。

【0043】

測定処理部３１は、調整後線量信号Ｖ_１と調整後電流信号Ｖ_２をそれぞれ時間積分してΣＶ_１とΣＶ_２を求める（ステップＳ４）。この時間積分は、所定時間で取得した調整後線量信号Ｖ_１と調整後電流信号Ｖ_２をその時間で積分することによって、イベント毎の検出ではなく所定時間のイオンビーム全体を検出できるようにしている。この時間積分により、信号ノイズの影響を十分に減らして測定精度を高めることができる。

【0044】

測定処理部３１は、規格化係数Ｋ_１に（ΣＶ_１）を乗算した値を、規格化係数Ｋ_２に（ΣＶ_２）を乗算した値で除算して、イオンビームの電流平均線量Ｄを算出する。さらに、あらかじめ算出または測定した理想的条件での電流平均線量Ｄ_ｒｅｆを平均線量Ｄから減算し、その絶対値ΔＤを算出する（ステップＳ５）。

【0045】

ここで、規格化係数Ｋ_１、Ｋ_２は、イオンビーム条件、モニタ特性（測定装置７の特性）、および回路のアンプゲインから決定される。具体的には、予め理想的な条件で実測した結果によりＫ_１／Ｋ_２として適切な値を算出し、これによって決定したＫ_１およびＫ_２を規格化係数として採用する。

【0046】

また、この規格化係数Ｋ_１、Ｋ_２は、演算処理がデジタル回路の内部で行われることからデータ値のオバーフローを起こさないように考慮しつつ、イオンビームの電流平均線量Ｄが必要な分解能を得られるように定める。測定条件によっては規格化係数Ｋ_１、Ｋ_２のうち、どちらか一方、または双方を１としてもよい。また、Ｋ_１／Ｋ_２を１つの規格化係数として扱ってもよい。このステップＳ３～Ｓ５が、イオンビームの純度を測定するイオンビーム純度測定処理となる。

【0047】

測定処理部３１は、差の絶対値ΔＤが許容値Ｙ以下であれば（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、患者への照射を可能とし、以降の照射装置８からのイオンビームの照射（患者の腫瘍への照射等）を許容する。

【0048】

測定処理部３１は、差の絶対値ΔＤが許容値Ｙを超えていれば（ステップＳ６：Ｎｏ）、イオンビームの照射を中断または停止させる処理に移行し、計測リトライ回数Ｎをカウントアップする（ステップＳ７）。

【0049】

測定処理部３１は、計測リトライ回数Ｎが上限値Ｍ以内であれば（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、イオンビームの照射を一旦中断し（ステップＳ１０）、ある決められた時間Ｔをタイマーで計測して待機状態とする（ステップＳ１１）。

【0050】

その後、測定処理部３１は、イオン源２から再度イオンビームを出力し、線形加速器４や円形加速器５などの粒子加速器で加速した後に照射してイオンビームの純度を再計測し（ステップＳ１２）、ステップＳ３に処理を戻して繰り返す。

【0051】

計測リトライ回数Ｎの上限値Ｍ以内にイオンビームの純度が許容範囲内に入れば（ステップＳ８：Ｙｅｓ → ステップＳ６：Ｙｅｓ）、患者への照射は可能となる。このとき、偏向磁石６に信号を送り、イオンビームの搬送方向を測定装置７から照射装置８へ切り替え、イオンビーム照射システム１の制御装置１０が照射装置８からのイオンビームの照射を実行する。

【0052】

計測リトライ回数Ｎが上限値Ｍを超えれば（ステップＳ８：Ｎｏ）、その時点でイオンビームの照射を停止し（ステップＳ９）、処理を終了する。この場合は、円形加速器５からのイオンビームの取り出しを停止するなど、適宜の形でイオンビームの照射を停止する。

【0053】

このようにして、許容範囲外のイオンビームの純度を測定処理部３１が検出した場合に、すぐさまイオンビームの照射を停止せず、イオンビームの不純物が減るまでイオンビームが照射装置８へ到達しないよう偏向磁石６で搬送方向を切り替えた状態を維持しつつ、イオンビームの純度の計測を自動的にリトライすることができる。

【0054】

図４は、イオンビームの電流平均線量比Ｄ／Ｄ_ｒｅｆを示すグラフである。このグラフの例では、^４Ｈｅ^２＋ビームに^１２Ｃ^６＋、^１４Ｎ^７＋、^１６Ｏ^８＋がそれぞれ不純物イオンとして混ざった条件で得られるイオンビームの電流平均線量比Ｄ／Ｄ_ｒｅｆを計算から予想した結果を示している。

【0055】

^４Ｈｅ^２＋のみを含む理想的なイオンビームは、電流平均線量比Ｄ／Ｄ_ｒｅｆが１００％になる。これに対して、^１２Ｃ^６＋が不純物イオンとして１％混ざった状態ではＤ／Ｄ_ｒｅｆが＋５．９％に上昇するため、容易に検出できる。

【0056】

以上の構成および動作により、目的のイオン種と質量電荷比の等しい不純物イオンが混ざっていてもこれを検出することができる。したがって、例えば、^１２Ｃ^２＋ビームを用いる、導入ガスをＣＨ_４にするなど、目的イオンと質量電荷比が等しい不純物イオンが残留ガスから生じにくい条件を選択する必要がなく、導入ガス等の自由度が高まる。

【0057】

特に、イオン源２が複数種類のイオン種を取り出せるものであり、イオン種を切り替えて利用するような場合に、イオン源２に残留していた以前のイオン種がイオンビームに混入していればこれを検出し、イオンビームが所望の純度になるまでイオンビームを照射しないといったことができる。

【0058】

また、イオンビームの純度が低く許容範囲外の場合（ステップＳ６：Ｎｏ）に、所定時間の待機をして再度イオンビームの純度を測定する処理を繰り返すため、イオン種の切り替え直後には多かった不純物イオンが時間の経過とともに減っていくような状況のもとで、イオンビームの純度が許容範囲内に入るまで自動的に待機して、イオンビームの純度が許容範囲内に入れば照射を開始するといったことができる。これにより、イオンビーム照射の停止回数を最小限にでき、効率的な粒子線治療装置の運転が可能となる。

【0059】

また、１台のイオン源２から複数イオン種のビームを供給する運用をする際にも不純物を取り除ける（検知して照射しないことができる）から、使用可能な複数種類のイオン種のうち所望のイオン種を高い純度で有するイオンビームを照射できるイオンビーム照射システム１を低コストで実現することができる。

【0060】

また、粒子線治療のマルチイオン照射など１台のイオン源２から複数イオン種のビームを短時間に切り替えて供給するような利用に対して、イオンビームの純度を保てることにより、１台のイオン源２から複数イオン種のビームを供給する運用が可能となるため、従来は複数台のイオン源２が必要であったマルチイオン照射においてコストの低減を実現できる。

【0061】

また、イオンビームの純度を確認してから治療やターゲットへの照射を実行するといったことが可能になり、様々なイオン種のイオンビームを高い純度で様々な用途に使用できるイオンビーム照射システム１を提供できる。

【0062】

また、線量検出装置１３の出力はイオン電荷の２乗に略比例した信号となり、また、電流検出装置１４の出力はイオン電荷に略比例した信号となる。このため、２つの検出装置１３，１４（モニタ）の出力信号値の除算により、イオンビームの電流平均線量を算出することができ、目的イオンの理想的ビーム条件での電流平均線量と比較することによって、測定したイオンビームの「純度」を予測することが可能となる。

【0063】

また、線量検出装置１３で線量を検出したイオンビームについて、そのまま次段の電流検出装置１４で電流を検出する構成であるため、イオンビームの純度を精度よく測定することができる。特に、線量検出装置１３を通過したイオンビームの８０％以上、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上を電流検出装置１４で検出するため、非常に精度の高い純度の測定を行うことができる。
このようにして、簡易な測定装置７と簡便な測定方法により、粒子線治療等に用いるイオンビームの純度を監視することが可能となる。

【0064】

なお、線量検出装置１３および電流検出装置１４の出力信号に対して、積分時間を十分に取り、温度気圧依存係数のような適切な補正を行う構成としてもよい。この場合、Ｄ／Ｄ_ｒｅｆを±１％程度の精度でも安定に検出することが可能となる。

【実施例2】

【0065】

図５は、実施例２のイオンビーム照射システム１０１の構成を示すブロック図である。

【0066】

イオンビーム照射システム１０１は、測定装置１０７が実施例１と異なる構成となっている。
すなわち、測定装置１０７は、真空搬送路９の外である大気中に設置されている。偏向磁石６は、イオンビームを十分に偏向して分岐路１１１から大気中に取り出し、この大気中に取り出されたイオンビームを測定装置１０７が測定する。

【0067】

測定装置１０７は、線量検出装置１１３と電流検出装置１１４がこの順でビーム進行方向に直列に接続されている。線量検出装置１１３と電流検出装置１１４は、実施例１と同様に、電離箱とファラデーカップとする、あるいはシンチレータとＤＣＣＴとするなど、適宜の構成とすることができる。

【0068】

その他の構成および動作については、実施例１と同一であるため、同一要素に同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0069】

この実施例２においても、実施例１と同一の作用効果を奏することができる。
また、偏向磁石６で大きくイオンビームを偏向する必要があるものの、線量検出装置１１３および電流検出装置１１４の点検や交換を簡易に行えるというメリットがある。

【実施例3】

【0070】

図６は、実施例３のイオンビーム照射システム２０１の構成を示すブロック図である。

【0071】

イオンビーム照射システム２０１は、実施例１と比較して、測定装置２０７の構成と、偏向磁石６が設けられていない点が異なっている。

【0072】

測定装置２０７は、円形加速器５と照射装置８の間の真空搬送路９の途中に設けられた真空容器２１１内に設けられている。
測定装置２０７は、線量検出装置２１３と電流検出装置２１４がこの順でビーム進行方向に直列に配置されている。

【0073】

線量検出装置２１３は、実施例１の線量検出装置１３と同じく電離箱やシンチレータ等の非破壊で線量を検出する装置で構成されている。
電流検出装置２１４は、ＤＣＣＴのようにイオンビーム電流を非破壊で測定できる検出装置により構成されている。

【0074】

この実施例３の場合、測定装置２０７と照射装置８の間の真空搬送路９内に図示省略するビームダンプを開閉可能に設置しておくことが好ましい。そして、実施例１にて図３とともに説明した動作において、ステップＳ１０のビーム照射を中断する際に、ビームダンプを閉状態にしてイオンビームを遮断し、イオンビームの照射を行う際にはビームダンプを開状態にする動作を実施する。

【0075】

その他の構成および動作については、実施例１と同一であるため、同一要素に同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0076】

この実施例３においても、実施例１と同一の作用効果を奏することができる。
電離箱やシンチレータのような線量検出器である線量検出装置２１３を透過してもイオンビームが受ける影響は小さいため、患者やターゲットへのイオンビームの照射中でも常にイオンビームの純度を監視することができる。

【0077】

なお、イオンビームの照射中にイオンビームの純度が許容値を下回っていることを検出した場合は、即座に測定処理部３１（図２参照）から加速器制御部３３（図２参照）を介して加速器電磁石電源（図示せず）に指令を送り、イオンビームの照射を停止する構成としてもよい。

【0078】

この実施例３の構成では、イオンビームの純度に異常があった場合でも、測定処理部３１が検知するまではイオンビームの照射が継続されるものの、測定処理部３１が異常を検知するためにかかる時間は短いため、それによる影響は少ないと考えられる。

【0079】

なお、本発明は、上述した実施例に限らず、様々な形態をとることができる。
例えば、実施例１，２では、イオンビームを偏向磁石６によって全部偏向させて測定し、測定中に照射装置８へイオンビームを到達させない構成としたが、これに限らず、偏向磁石６によって一部のイオンビームは測定装置７，１０７へ向かって偏向させ、残りのイオンビームはそのまま照射装置８へ到達する構成としてもよい。この場合、偏向磁石６から照射装置８の間に開閉可能なビームダンプを備え、照射装置８からイオンビームを照射するときはビームダンプを開状態として照射し、照射装置８からイオンビームを照射させないときはビームダンプを閉状態にしてイオンビームを遮断すればよい。この場合も実施例１，２と同一の作用効果を奏することができる。
更に、イオン源と加速器が一体となったレーザ加速の場合は、本発明におけるイオン源と加速器とを含むと定義されるため、当然本発明の技術範囲に含まれる。

【0080】

また、実施例１の測定装置７または実施例２の測定装置１０７と、実施例３の測定装置２０７を両方備える構成とすることもできる。この場合、イオンビーム照射前と照射中の純度をどちらも検出することが可能となるため、より確実性の高い監視機構を構成できる。

【0081】

また、測定装置７，１０７，２０７は、円形加速器５としてシンクロトロンを備えたイオンビーム照射システム１，１０１，２０１に用いることが好適であるが、それ以外にもイオンビームを加速する種々の加速器（粒子加速器）に利用することができる。

【0082】

また、図３に示したフローチャートにおいて、ステップＳ１を省略し、ステップＳ６にてＮｏへ進んだ後のステップＳ７～Ｓ１２の処理をイオンビームの照射を停止する処理に変更し、イオンビームの照射停止後は処理を終了する構成としてもよい。

【0083】

この場合、イオンビームの純度が高くなってから自動的に照射を開始するといった処理はできないものの、イオンビームの純度を測定してビームを停止することができるため、十分な作用効果を奏することができる。

【0084】

また、この発明は、イオン種を切り替えて取り出せるイオン源を用いるものに限らず、荷電粒子を加速したイオンビームを照射できるイオンビーム照射システムで、かつ、不純物が混じり得る適宜のイオンビーム照射システムに利用することができる。特に、目的のイオン種と質量電荷比の等しい不純物イオンが混ざり得るイオンビーム照射システムにおいて、不純物イオンを精度よく検出でき、イオンビームの純度を高めることができる。

【産業上の利用可能性】

【0085】

この発明は、加速器によって加速したイオンビームを照射する産業に利用することができる。

【符号の説明】

【0086】

１…イオンビーム照射システム
２…イオン源
４…線形加速器
５…円形加速器
８…照射装置
１０…制御装置
１３…線量検出装置
１４…電流検出装置
３１…測定処理部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】