(57)【要約】【課題】簡素な構成で粒子の衝突位置を正確に検出することができる粒子衝突位置検出装置を提供すること。【解決手段】粒子衝突位置検出装置１０は、四角平板状に形成された圧電基板４と、その圧電基板４の４辺に対応する位置に設けられた複数の位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４と、各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４と信号処理回路５を介して接続される制御装置６とを備える。圧電基板４に粒子ビームが衝突すると、その衝突により発生したひずみ波が各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４に伝わり、ひずみ波が電気信号Ｓ１〜Ｓ４に変換されて出力される。制御装置６は、各電気信号Ｓ１〜Ｓ４の時間差に基づいて粒子ビームの衝突位置を求める。【選択図】図２
2010198942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料を用いて形成され、粒子が衝突しうる伝達体と、
前記伝達体の複数の異なる位置に設けられ、前記粒子の衝突により発生し前記伝達体を伝達してくるひずみ波を電気信号に変換して出力する複数の位置検出用電極と、
前記複数の位置検出用電極から出力される電気信号の強度の時間的変化または電気信号の位相変化に基づいて、前記伝達体における粒子の衝突位置を求める処理手段と
を備えたことを特徴とする粒子衝突位置検出装置。
【請求項２】
粒子が衝突しうる伝達体と、
前記伝達体の複数の異なる位置に設けられ、前記粒子の衝突により発生し前記伝達体を伝達してくるひずみ波を電気信号に変換して出力する複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子から出力される電気信号の強度の時間的変化または電気信号の位相変化に基づいて、前記伝達体における粒子の衝突位置を求める処理手段と
を備えたことを特徴とする粒子衝突位置検出装置。
【請求項３】
圧電材料を用いて形成され、粒子が衝突しうる衝突検出体と、
前記衝突検出体にマトリクス状に設けられ、前記粒子の衝突により発生するひずみ波を電気信号に変換して出力する複数の位置検出用電極と、
前記複数の位置検出用電極から出力される電気信号の強度の時間的変化または電気信号の位相変化に基づいて、前記衝突検出体における粒子の衝突位置を求める処理手段と
を備えたことを特徴とする粒子衝突位置検出装置。
【請求項４】
前記伝達体は第１主面及び第２主面を有する四角平板状に形成され、前記第１主面上にはグランド電極が設けられ、前記第２主面における４辺に対応する位置には前記複数の位置検出用電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の粒子衝突位置検出装置。
【請求項５】
制振部材を介して前記伝達体を支持するフレームをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の粒子衝突位置検出装置。
【請求項６】
粒子を加速させる粒子加速器と、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の粒子衝突位置検出装置とを備え、
前記粒子加速器には、前記粒子のビーム軌道を調整可能な調整手段が設けられ、
前記処理手段は、前記粒子の衝突位置に応じて、前記粒子加速器の調整手段を制御して前記粒子のビーム軌道を調整することを特徴とする粒子加速器のビーム軌道調整システム。
【請求項７】
伝達体に粒子を衝突させてひずみ波を発生させるステップと、
前記伝達体を伝達するひずみ波を前記伝達体の複数の異なる位置にて電気的に検出するステップと、
前記複数の異なる位置での検出により得た電気信号の強度の時間的変化または電気信号の位相変化に基づいて、前記伝達体における粒子の衝突位置を求めるステップと
を含むことを特徴とする粒子衝突位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子の衝突位置を検出する粒子衝突位置検出装置及び方法、粒子加速器のビーム軌道調整システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粒子加速器は、電荷を有する粒子（荷電粒子）に運動エネルギーを与えて加速する装置であり、粒子の加速実験装置や放射線治療装置などに応用されている。
【０００３】
例えば、本願発明者らは、宇宙船の外壁に衝突する宇宙ダストを検出する衝突検出装置（特許文献１参照）を提案しており、その衝突検出装置の実験装置として粒子加速器（例えば、バンデグラフ型加速器）が用いられる。すなわち、衝突検出装置の動作実験は、実際の宇宙で行うことはコストがかかり困難である。そのため、その動作実験は、地上において粒子加速器で加速した荷電粒子を衝突検出装置（圧電振動子）に衝突させることで行われている。具体的には、真空装置内に加速器や衝突検出装置を配置してその真空装置内を真空状態とする。そして、加速器で加速した荷電粒子を衝突検出装置における検出部（圧電材料からなる圧電体振動子）に衝突させて、実験データを得るようにしている。
【０００４】
また、放射線治療装置は、例えば、癌治療を行う装置として利用されており、粒子加速器で重イオンなどのイオンビームを加速して癌組織を含む領域のみにイオンビームを集中しその癌組織を破壊させる。この放射線治療装置では、癌組織の周囲の正常組織を保護するために、粒子加速器によるイオンビームの照射位置を正確に制御する必要がある。このような放射線治療装置において、ビームの照射位置を正確に制御するための技術が、例えば、特許文献２などに開示されている。
【０００５】
特許文献２に記載のモニタ装置においては、ビームの設計軌道を基準にその上下となる位置に４つの信号引出電極を配置している。各信号引出電極は三角形形状に形成されており、ビームの通過に伴って各信号引出電極には電荷が誘起される。そして、各信号引出電極に誘起された電位を演算処理することで、ビームの垂直方向位置と水平方向位置とが求められ、その測定結果に基づいてビームが設計軌道を通過するように制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１２８０００号公報
【特許文献２】特開２００２−２１７０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に記載の衝突検出装置の実験を行う場合、粒子加速器で加速させる粒子は目で見ることができないため、加速器におけるビーム位置の調整は困難であり、経験積んだ作業者が行う必要がある。この実験において、衝突検出装置の検出部への粒子の衝突位置が基準位置から外れた場合、期待したデータを得ることができず、そのデータが無駄になってしまう。この場合、真空装置内の真空引きの作業から再度やり直す必要があり、実験データを得るために長い時間が必要になってしまう。
【０００８】
また、前記衝突検出装置の実験を行う場合には、粒子が検出部に衝突する際に微弱光が発生する。このため、微弱光を集光してＣＣＤカメラなどで観察すれば、衝突位置を同定することができるが、リアルタイムでの観察は困難である。またこの場合、高感度のＣＣＤカメラでも捕らえられないほど微弱な光で、光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）を使用しているのが現状であり、位置検出は、装置コストが高くなるといった問題も生じてしまう。
【０００９】
特許文献２に記載のモニタ装置を利用すれば、ビーム位置を特定することは可能であるが、そのモニタ装置は、信号引出電極に誘起された電位に基づいて非接触で測定するものであるため、測定精度が劣る。さらに、信号引出電極に電位を確実に誘起させるためには、信号引出電極の面積を十分に確保する必要があり、装置の大型化も懸念される。
【００１０】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な構成で粒子の衝突位置を正確に検出することができる粒子衝突位置検出装置及び方法、粒子加速器のビーム軌道調整システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、圧電材料を用いて形成され、粒子が衝突しうる伝達体と、前記伝達体の複数の異なる位置に設けられ、前記粒子の衝突により発生し前記伝達体を伝達してくるひずみ波を電気信号に変換して出力する複数の位置検出用電極と、前記複数の位置検出用電極から出力される電気信号の強度の時間的変化または電気信号の位相変化に基づいて、前記伝達体における粒子の衝突位置を求める処理手段とを備えたことを特徴とする粒子衝突位置検出装置をその要旨とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、粒子が伝達体に衝突すると、その衝突により発生したひずみ波が伝達体を伝達して複数の位置検出用電極に伝わる。本発明の伝達体は、圧電材料を用いて形成されており圧電素子として機能するため、そのひずみ波による機械的な変化が電気信号に変換されてその電気信号が各位置検出用電極から出力される。そして、処理手段により、複数の位置検出用電極から出力される電気信号の強度の時間的変化（時間差）または電気信号の位相変化（位相差）に基づいて、伝達体における粒子の衝突位置が求められる。このようにすれば、従来技術と比較して、粒子の衝突位置を簡単な構成で精度よく検出することができる。
【００１３】
本発明において伝達体を形成する圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などのように圧電特性の優れた材料を用いることが好ましい。この場合、粒子のひずみ波を電気信号に確実に変換して各位置検出用電極から出力することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、粒子が衝突しうる伝達体と、前記伝達体の複数の異なる位置に設けられ、前記粒子の衝突により発生し前記伝達体を伝達してくるひずみ波を電気信号に変換して出力する複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子から出力される電気信号の強度の時間的変化または電気信号の位相変化に基づいて、前記伝達体における粒子の衝突位置を求める処理手段とを備えたことを特徴とする粒子衝突位置検出装置をその要旨とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、粒子が伝達体に衝突すると、その衝突により発生したひずみ波が伝達体を伝達して複数の圧電素子に伝わる。それら圧電素子において、ひずみ波による機械的な変化が電気信号に変換されてその電気信号が出力される。そして、処理手段により、複数の圧電素子から出力される電気信号の強度の時間的変化（時間差）または電気信号の位相変化（位相差）に基づいて、伝達体における粒子の衝突位置が求められる。このようにすれば、従来技術と比較して、粒子の衝突位置を簡単な構成で精度よく検出することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、圧電材料を用いて形成され、粒子が衝突しうる衝突検出体と、前記衝突検出体にマトリクス状に設けられ、前記粒子の衝突により発生するひずみ波を電気信号に変換して出力する複数の位置検出用電極と、前記複数の位置検出用電極から出力される電気信号の強度の時間的変化または電気信号の位相変化に基づいて、前記衝突検出体における粒子の衝突位置を求める処理手段とを備えたことを特徴とする粒子衝突位置検出装置をその要旨とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、衝突検出体においてマトリクス状に設けられた複数の位置検出用電極のうちのいずれかに粒子が衝突すると、その位置検出用電極において、衝突により発生したひずみ波が電気信号に変換されてその電気信号が出力される。衝突検出体にはひずみ波が伝わるため他の複数の位置検出用電極からも電気信号が出力されるが、粒子が直接当たった位置検出用電極では、もっとも早いタイミングで、信号強度が大きな電気信号が出力される。従って、処理手段により、電気信号の強度の時間差または電気信号の位相差に基づいて、粒子が衝突した位置検出用電極を特定することができ、それに基づいて粒子の衝突位置が求められる。このようにしても、従来技術と比較して、粒子の衝突位置を簡単な構成で精度よく検出することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記伝達体は第１主面及び第２主面を有する四角平板状に形成され、前記第１主面上にはグランド電極が設けられ、前記第２主面における４辺に対応する位置には前記複数の位置検出用電極が設けられていることをその要旨とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、伝達体の４辺に対応する位置に位置検出用電極がそれぞれ設けられるので、各位置検出用電極から出力される各電気信号の時間差を十分に確保することができ、それら時間差に基づいて、衝突位置をより正確に求めることができる。またこの場合、伝達体を薄くコンパクトに形成することができ、装置の小型化を図ることができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１または２において、制振部材を介して前記伝達体を支持するフレームをさらに備えたことをその要旨とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、制振部材を設けることによりフレームと伝達体とが音響的に絶縁されるので、伝達体においてひずみ波の振動が減衰することなく伝わり、粒子の衝突位置を確実に検出することができる。また、装置外部からの振動が伝達体に伝わることがなく、衝突位置の誤検出を防止することができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、粒子を加速させる粒子加速器と、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の粒子衝突位置検出装置とを備え、前記粒子加速器には、前記粒子のビーム軌道を調整可能な調整手段が設けられ、前記処理手段は、前記粒子の衝突位置に応じて、前記粒子加速器の調整手段を制御して前記粒子のビーム軌道を調整することを特徴とする粒子加速器のビーム軌道調整システムをその要旨とする。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、処理手段により、粒子の衝突位置に応じて粒子加速器の調整手段が制御されることで、粒子のビーム軌道が精度よく調整される。従って、このビーム軌道調整システムを粒子の加速実験装置に用いることにより、より正確な実験データを得ることができる。また、伝達体や衝突検出体を平板状に形成することにより粒子衝突位置検出装置を小型化できることから、この調整システムを放射線治療装置に用いることにより、治療装置を大型化することなく、ビーム軌道を正確に調整することが可能となる。
【００２４】
請求項７に記載の発明は、伝達体に粒子を衝突させてひずみ波を発生させるステップと、前記伝達体を伝達するひずみ波を前記伝達体の複数の異なる位置にて電気的に検出するステップと、前記複数の異なる位置での検出により得た電気信号の強度の時間的変化または電気信号の位相変化に基づいて、前記伝達体における粒子の衝突位置を求めるステップとを含むことを特徴とする粒子衝突位置検出方法をその要旨とする。そして、請求項７に記載の発明によれば、伝達体における粒子の衝突位置を簡単な構成で精度よく検出することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上詳述したように、請求項１〜５、７に記載の発明によると、簡単な構成で粒子の衝突位置を正確に検出することができる粒子衝突位置検出装置及び方法を提供することができる。また、請求項６に記載の発明によると、装置を大型化することなく、粒子加速器が加速した粒子のビーム軌道を精度よく調整することができる粒子加速器のビーム軌道調整システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明を具体化した第１の実施の形態の粒子加速器のビーム軌道調整システムを示す概略構成図。
【図２】粒子衝突位置検出装置を示す概略構成図。
【図３】圧電基板を示す斜視図。
【図４】圧電基板における粒子ビームの衝突位置を示す平面図。
【図５】各電極から出力される電気信号の波形を示すタイムチャート。
【図６】制御装置が実行する処理を示すフローチャート
【図７】第２の実施の形態における振動伝達板を示す斜視図。
【図８】圧電素子の構造を示す拡大断面図。
【図９】第３の実施の形態における圧電基板を示す斜視図。
【図１０】別の実施の形態の圧電基板を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
［第１の実施の形態］
【００２８】
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態における粒子加速器のビーム軌道調整システムを示す概略構成図である。
【００２９】
図１に示されるように、ビーム軌道調整システム１は、粒子源２と、粒子加速器３と、圧電基板４と、信号処理回路５と、制御装置６とを備える。この調整システム１は、粒子の衝突実験を行うために使用されるものであり、制御装置６以外の構成、すなわち粒子源２、粒子加速器３、圧電基板４、及び信号処理回路５は真空装置７内に配置されている。
【００３０】
粒子源２は、例えば、直径が１μｍ程度の銀粒子に電荷を付与した荷電粒子（１０６個程度の銀イオンが集まったイオンクラスタ）を生成して出力する。
【００３１】
粒子加速器３は、バンデグラフ型加速器であり、粒子源２から出力された荷電粒子のビーム（粒子ビーム）Ｂ１を加速するための加速電極８や、その粒子ビームＢ１の軌道を調整するための調整手段としての静電場９などを備える。この粒子加速器３において、加速電極８に印加する電圧を制御することで荷電粒子の速度が調整されるとともに、静電場９の電界を制御することで粒子加速器３から出力される粒子ビームＢ１の軌道が調整される。
【００３２】
本実施の形態では、伝達体としての圧電基板４、信号処理回路５、及び処理手段としての制御装置６によって粒子衝突位置検出装置１０が構成される。図２には、その粒子衝突位置検出装置１０の具体的な構成を示している。
【００３３】
図２に示されるように、圧電基板４は、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ（１−ｘ））Ｏ３を用いて正方形の平板状に形成されている。なお、圧電基板４は、縦方向及び横方向に１０ｃｍの長さを有する。
【００３４】
本実施の形態における圧電基板４は、例えば、エポキシ樹脂からなる制振部材１１を介してフレーム１２に固定されており、フレーム１２に対して音響的に絶縁されている。なお、制振部材１１としては、バネやゴムなどの弾性部材を用いることもできる。
【００３５】
図３に示されるように、圧電基板４の第１主面（図３では下面）１４上には、グランド電極Ｇ１が設けられている。圧電基板４の第２主面（図３では上面）１６上における４辺に対応する位置には、それぞれ細長い形状をした位置検出用電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が設けられている。また、第２主面１６上においてそれら４つの位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４の内側には、大きな面積（好ましくは圧電基板４の第２主面１６の７０％〜９５％の面積）を有するとともに正方形状を呈する粒子の衝突検出用電極Ｅ０が設けられている。圧電基板４の第１主面１４上のグランド電極Ｇ１は、スパッタ法、ＣＶＤ法、めっき法、金属ペースト印刷法などによってその第１主面１４全体に形成されている。また、圧電基板４の第２主面１６上の各電極Ｅ０〜Ｅ４は、スパッタ法、ＣＶＤ法、めっき法、金属ペースト印刷法などによりその第２主面１６全体に薄膜状の電極層を形成後、放電加工や切削加工などによってその電極層を分割することで形成される。
【００３６】
図２に示されるように、圧電基板４に形成された各電極Ｅ０〜Ｅ４は、信号処理回路５に接続されている。信号処理回路５には、各電極Ｅ０〜Ｅ４から出力される信号を増幅するためのアンプ（増幅器）１８と、アンプ１８から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１９とが電極Ｅ０〜Ｅ４ごとに設けられている。この信号処理回路５のＡ／Ｄ変換器１９は制御装置６に接続されており、Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号が制御装置６に取り込まれる。
【００３７】
制御装置６は、ＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）２４などからなる周知のマイクロコンピュータにより構成されており、Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号を入出力ポート２４を介して取り込む。制御装置６を構成するＲＯＭ２２は制御プログラムを記憶しており、ＣＰＵ２１はＲＡＭ２３を利用してその制御プログラムを実行する。これにより、粒子ビームＢ１の衝突位置を演算するための処理やその演算結果に基づいて粒子ビームＢ１の軌道を調整するための処理などが実施される。
【００３８】
次に、粒子ビームＢ１の衝突位置の検出方法について説明する。
【００３９】
図４に示されるように、粒子加速器３で加速された粒子ビームＢ１が圧電基板４（衝突検出用電極Ｅ０）上の任意の点Ｐに衝突すると、粒子の質量に比例しかつ粒子の速度の二乗に比例した大きさのひずみ波が発生する。衝突検出用電極Ｅ０は、ひずみ波による機械的な変化（すなわち圧電基板４の振動や歪など）を電気信号に変換してその電気信号を出力する。また、そのひずみ波は圧電基板４を通して各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４に伝わり、各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４は、そのひずみ波による機械的な変化を電気信号に変換してその電気信号を出力する。
【００４０】
ここで、圧電基板４を伝達する音速は一定であり、粒子ビームＢ１の衝突点Ｐから各位置検出用電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４までの距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４に応じて、ひずみ波の到達時間が異なる。そのため、各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４から出力される各電気信号の出力タイミングも異なる。図５には、各電極Ｅ０〜Ｅ４から出力される電気信号Ｓ０〜Ｓ４の信号波形の一例を示している。
【００４１】
本実施の形態では、これら電気信号Ｓ０〜Ｓ４の強度の時間的変化（時間差）を検出し、その時間差に基づいて粒子ビームＢ１の衝突点Ｐの位置を判定する。具体的には、ひずみ波は衝突検出用電極Ｅ０に最初に到達するので、電気信号Ｓ０の信号波形が最初に立ち上がる。この電気信号Ｓ０を基準にして各電気信号Ｓ１〜Ｓ４の時間差を求める。そして、電気信号Ｓ１と電気信号Ｓ３との時間差に基づいて、圧電基板４における縦方向の位置を同定することができ、電気信号Ｓ２と電気信号Ｓ４とに基づいて圧電基板４における横方向の位置を同定することができる。例えば、各電極Ｅ１〜Ｅ４から出力される各電気信号Ｓ１〜Ｓ４の時間差が「０」であれば、衝突点Ｐが圧電基板４の中心位置であると同定することができる。なお、本実施の形態の衝突位置検出装置１０では、粒子ビームＢ１の衝突位置を０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の精度で測定することが可能である。
【００４２】
次に、本実施の形態のビーム軌道調整システム１において、制御装置６が実行する処理例を図６のフローチャートを用いて説明する。なお、図６の処理は、真空装置７を駆動してその真空装置７内を真空状態にした後に開始される。
【００４３】
先ず、制御装置６は、粒子加速器３に制御信号を出力することで、加速電極８に所定の加速電圧を印加させるとともに、粒子ビームＢ１を中心軌道に収束させるための電界を静電場９に作用させる（ステップ１００）。
【００４４】
次に、制御装置６は、粒子源２に制御信号を出力して粒子源２を駆動させる（ステップ１１０）。これにより、粒子源２から粒子ビームＢ１が出力され、その粒子ビームＢ１が粒子加速器３で加速される。そして、その粒子ビームＢ１が粒子衝突位置検出装置１０における圧電基板４に衝突する。
【００４５】
この粒子ビームＢ１の衝突によって、圧電基板４の衝突検出用電極Ｅ０から電気信号Ｓ０が出力される。また、その衝突に伴うひずみ波が圧電基板４を伝達してその周縁部に配置された４つの位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４からそれぞれ電気信号Ｓ１〜Ｓ４が出力される。これら電気信号Ｓ０〜Ｓ４は、信号処理回路５のアンプ１８で増幅され、さらにＡ／Ｄ変換器１９でＡ／Ｄ変換される。制御装置６はそのＡ／Ｄ変換後の電気信号Ｓ０〜Ｓ４を取り込む（ステップ１２０）。
【００４６】
その後、制御装置６は、各電気信号Ｓ１〜Ｓ４の時間差（図５参照）に基づいて、粒子ビームＢ１の衝突位置を算出する（ステップ１３０）。そして、制御装置６は、算出した衝突位置が圧電基板４の中心位置であるか否かを判定する（ステップ１４０）。そして、中心位置からのズレがある場合、制御装置６はステップ１００に戻り、算出した衝突位置に基づいて、粒子ビームＢ１が中心位置に衝突するよう粒子加速器３における静電場９の電界を調整する。その後、ステップ１１０以降の処理を再度実施する。そして、ステップ１４０において、粒子ビームＢ１の衝突位置が圧電基板４の中心位置であると判定された場合、図６の処理を終了する。
【００４７】
そして、このように、粒子ビームＢ１の軌道を調整した後において、荷電粒子の衝突実験が行われる。この衝突実験では、例えば、粒子加速器３の加速電圧を制御して荷電粒子の速度を変更することにより、所望の実験データが測定される。
【００４８】
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００４９】
（１）本実施の形態の粒子衝突位置検出装置１０では、圧電基板４の４辺に対応する位置に複数の位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４が設けられているので、各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４から出力される各電気信号Ｓ１〜Ｓ４の時間差を十分に確保することができる。そして、各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４から出力される電気信号Ｓ１〜Ｓ４の時間差に基づいて、圧電基板４における粒子ビームＢ１の衝突位置が求められる。このようにすれば、従来技術と比較して、粒子ビームＢ１の衝突位置を簡単な構成で精度よく検出することができる。
【００５０】
（２）本実施の形態の粒子衝突位置検出装置１０では、伝達体としての圧電基板４を薄くコンパクトに形成することができるので、従来のモニタ装置と比較して、装置の小型化が可能となる。
【００５１】
（３）本実施の形態の場合、制振部材１１を設けることによりフレーム１２と圧電基板４とが音響的に絶縁されるので、圧電基板４においてひずみ波の振動が減衰することなく各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４に伝わり、粒子ビームＢ１の衝突位置を確実に検出することができる。また、装置外部からの振動が圧電基板４に伝わることがなく、衝突位置の誤検出を防止することができる。
【００５２】
（４）本実施の形態の粒子衝突位置検出装置１０では、圧電特性の優れたチタン酸ジルコン酸鉛を用いて圧電基板４を形成しているので、粒子ビームＢ１の衝突によるひずみ波を電気信号Ｓ１〜Ｓ４に確実に変換して位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４から出力することができる。
【００５３】
（５）本実施の形態のビーム軌道調整システム１では、粒子ビームＢ１の衝突位置をリアルタイムで検出することができ、検出結果に応じて粒子加速器３（静電場９）を制御することでビーム軌道を迅速に調整することができる。従って、粒子の衝突実験のデータをより正確に得ることができる。また、従来技術のように、実験データの取り直し作業が不要となる。
【００５４】
（６）上記の特許文献２に記載のモニタ装置の場合、基本的に電荷を有する粒子の測定にしか適用できないが、本実施の形態の粒子衝突位置検出装置１０によれば、電荷の有無に関係なく測定を行うことができる。よって、汎用性が高い装置とすることができる。
［第２の実施の形態］
【００５５】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００５６】
本実施の形態では、前記第１の実施の形態における粒子衝突位置検出装置１０の圧電基板４を図７に示す振動伝達板３０に代えて具体化している。なお、他の構成（粒子源２、粒子加速器３、信号処理回路５、制御装置６の構成）は第１の実施の形態と同一である。
【００５７】
図７に示されるように、振動伝達板３０は、例えば、ステンレスなどからなる正方形状の金属板であり、その振動伝達板３０の４辺に対応する位置には、細長い形状の圧電素子３１，３２，３３，３４がそれぞれ設けられている。
【００５８】
図８に示されるように、圧電素子３１は、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ（１−ｘ））Ｏ３からなる細長い板状の圧電板３５と、その圧電板３５の第１主面３６に形成されたグランド電極Ｇ１と、第２主面３７に形成された位置検出用電極Ｅ１とを備える。その圧電素子３１のグランド電極Ｇ１側が接着剤などを用いて振動伝達板３０の表面に固定されている。なお、圧電素子３２〜３４も圧電素子３１と同じ構造を有する。但し、各圧電素子３２〜３４の第２主面３７には位置検出用電極Ｅ２〜Ｅ４がそれぞれ形成されている。
【００５９】
この振動伝達板３０において、各圧電素子３１〜３４にて囲まれた内側領域には、粒子加速器３で加速された粒子ビームＢ１が衝突する。このとき、ひずみ波が振動伝達板３０を伝わり、各圧電素子３１〜３４においてそのひずみ波が電気信号に変換されて各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４からその電気信号が出力される。
【００６０】
図示しないが、圧電素子３１〜３４の各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４は信号処理回路５に接続され、位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４から出力される電気信号は、信号処理回路５を介して制御装置６に取り込まれるようになっている。また、本実施の形態の粒子衝突位置検出装置１０では、図７に示すように、振動伝達板３０の近傍に、光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）３９が設けられている。この光電子増倍管３９は、振動伝達板３０に粒子ビームＢ１が衝突した際に発生する微弱光を検出する。この光電子増倍管３９の検出信号も信号処理回路５を介して制御装置６に取り込まれるようになっている。
【００６１】
本実施の形態では、粒子ビームＢ１の衝突時において、光電子増倍管３９から出力される検出信号を基準にし、各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４から出力される各電気信号の時間差を求める。そして、それら電気信号の時間差に基づいて粒子ビームＢ１の衝突位置を同定し、その衝突位置にズレがある場合は、粒子加速器３の静電場９の電界を制御してビーム軌道を調整する。
【００６２】
従って、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、粒子ビームＢ１の衝突位置を簡単な構成で精度よく検出することができる。そして、その検出結果に応じてビーム軌道を調整することができるため、粒子の衝突実験のデータをより正確に得ることができる。
【００６３】
また、第１の実施の形態のように、伝達体として圧電セラミックスからなる圧電基板４を用いる場合、そのサイズを大きくすることは技術的に困難であり、製造コストも嵩んでしまう。これに対して、本実施の形態のように、伝達体として金属板からなる振動伝達板３０を用いる場合には、そのサイズを容易に大きくすることができ、製造コストも低減することができる。
［第３の実施の形態］
【００６４】
次に、本発明を具体化した第３の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００６５】
本実施の形態では、第１の実施の形態における衝突位置検出装置１０の圧電基板４を図９に示す圧電基板４１に代えて具体化している。
【００６６】
図９に示されるように、圧電基板４１は、上記第１実施の形態と同様に圧電セラミックス（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いて正方形の平板状に形成されている。圧電基板４１の第１主面（図９では下面）４２上には、グランド電極Ｇ１が設けられている。圧電基板４１の第２主面（図９では上面）４３上には、同じ大きさ及び形状（例えば数ｍｍ角の正方形）をした複数の位置検出用電極Ｅがマトリクス状に設けられている。各々の位置検出用電極Ｅは、信号処理回路５のアンプ１８にそれぞれ接続されている。各位置検出用電極Ｅから出力される電気信号は、アンプ１８で増幅されるとともに、Ａ／Ｄ変換器１９でデジタル信号に変換された後に制御装置６に取り込まれるようになっている。なお、信号処理回路５は、各位置検出用電極Ｅに応じた個数のアンプ１８及びＡ／Ｄ変換器１９をそれぞれ備えている。
【００６７】
本実施の形態において、圧電基板４１の第２主面４３側に粒子ビームＢ１を衝突させる。このとき、粒子ビームＢ１が直接衝突した位置検出用電極Ｅでは、ひずみ波が電気信号に変換されてその電気信号が出力される。また、その周辺の位置検出用電極Ｅにもひずみ波が伝わり、それら位置検出用電極Ｅからも電気信号が出力される。ここで、粒子ビームＢ１が直接衝突した位置検出用電極Ｅの電気信号は信号強度が大きく、もっとも早いタイミングで出力される。従って、制御装置６は、位置検出用電極Ｅから出力される信号強度の時間差に基づいて、粒子ビームＢ１が衝突した位置検出用電極Ｅ、すなわち粒子ビームＢ１の衝突位置を同定し、その衝突位置にズレがある場合は、粒子加速器３の静電場９の電界を制御してビーム軌道を調整する。
【００６８】
従って、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、粒子ビームＢ１の衝突位置を簡単な構成で精度よく検出することができる。そして、その検出結果に応じてビーム軌道を調整することができるため、粒子の衝突実験のデータをより正確に得ることができる。
【００６９】
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００７０】
・上記各実施の形態の粒子衝突位置検出装置１０は、粒子の衝突実験に用いるものであったが、この用途に限定されるものではなく、例えば、放射線医療装置や半導体用露光装置などに適用してもよい。図１０には、放射線医療装置に用いられる衝突位置検出装置の圧電基板５１を示している。この圧電基板５１では、その中央部に粒子ビームＢ１を通過させる貫通穴５２が設けられている。それ以外の構成は、上記第１の実施の形態と同じである。この場合、粒子ビームＢ１の軌道が圧電基板５１の貫通穴５２から外れて圧電基板５１に粒子ビームＢ１が衝突すると、ひずみ波が各電極Ｅ０〜Ｅ４に伝達されて各電極Ｅ０〜Ｅ４から電気信号Ｓ０〜Ｓ４が出力される（図５参照）。従って、第１の実施の形態と同様に、それら電気信号Ｓ０〜Ｓ４の時間差により粒子ビームＢ１の衝突位置を判定することができる。そして、その粒子ビームＢ１の衝突位置に基づいて加速器３の静電場９の電界を制御することにより、粒子ビームＢ１が圧電基板５１の貫通穴５２を通過するようビーム軌道を調整することができる。
【００７１】
勿論、第１の実施の形態のように、貫通穴が設けられていない圧電基板４を用いてもよい。ただし、この場合には、圧電基板４によって粒子ビームＢ１が遮断されてしまう。従って、ビームの調整時にのみ、圧電基板４を粒子ビームＢ１の軌道上に配置し、ビーム調整後において実際の癌治療などに使用するときには、圧電基板４をビーム軌道上から移動させる可動機構を用いるようにする。
【００７２】
・上記各実施の形態では、荷電粒子を加速するための粒子加速器３としてバンデグラフ型加速器を用いたが、加速器の種類は特に限定されるものではなく、例えば、サイクロトンや線形加速器などを用いてもよい。
【００７３】
・上記各実施の形態の粒子衝突位置検出装置１０では、銀などの荷電粒子を粒子加速器３で加速して圧電基板４，４１や振動伝達板３０に衝突させるものであったが、電子、陽子などの荷電粒子を加速して衝突させてもよい。
【００７４】
・上記各実施の形態において、粒子衝突位置検出装置１０は、粒子加速器３で加速した荷電粒子の衝突位置を検出するために用いたが、中性の粒子の衝突位置を検出するために使用してもよい。
【００７５】
例えば、第１の実施の形態における粒子衝突位置検出装置１０は、宇宙ダストなどの粒子を検出する衝突検出装置としても利用することができる。この場合、圧電基板４を宇宙船の外壁に装着し、粒子の衝突時に衝突検出用電極Ｅ０から出力される信号を取り込み、その信号波形を解析することにより粒子の質量と速度とを推定する。具体的には、既知の粒子の衝突時に衝突検出用電極Ｅ０から出力される信号波形のデータをメモリに記憶しておき、そのデータと比較することにより、衝突した粒子の質量と速度とを推定する。また、粒子の衝突時に各位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４から出力される電気信号を取り込み、それら電気信号の時間差から粒子の衝突位置を判定する。このようにすれば、宇宙船において、粒子の衝突によるダメージの程度や場所を判定することができる。また、粒子衝突位置検出装置１０の圧電基板４を複数設けそれぞれを違う方向に向けて配置させた立体的な検出部を構成すれば、粒子の飛来方向を検知することが可能となる。従って、その粒子の飛来方向を検知して、その粒子の衝突を避けるよう宇宙船の進行方向を制御することにより、宇宙空間を安全に飛行することが可能となる。
【００７６】
・上記第１の実施の形態では、圧電基板４の４辺に対応する位置に４個の位置検出用電極Ｅ１〜Ｅ４を設けるものであったが、これに限定されるものではなく、衝突位置を検出可能な位置であれば、２個や３個、あるいは５個以上の位置検出用電極を設けてもよい。また、圧電基板４の中央に衝突検出用電極Ｅ０を設けるものであったが、この衝突検出用電極Ｅ０は省略してもよい。勿論、伝達体としての圧電基板４の形状は、四角平板状に限定するものではなく、多角形状や円板状でもよい。さらに、伝達体としては、板状に限定されるものではなく、例えば、球状やサイコロ状であってもよい。
【００７７】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００７８】
（１）請求項１において、前記伝達体の中央部には、前記粒子の衝突の有無を検出するための衝突検出用電極が設けられ、その衝突時にその衝突検出用電極から出力される電気信号を基準にして前記複数の位置検出用電極から出力される各電気信号の時間差を求めることを特徴とする粒子衝突位置検出装置。
【００７９】
（２）技術的思想（１）において、前記伝達体は宇宙船の外壁に設けられ、前記衝突検出用電極から出力される電気信号の波形に基づいて、前記粒子の質量と速度とを推定することを特徴とする粒子衝突位置検出装置。
【００８０】
（３）請求項１において、前記伝達体は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電基板であることを特徴とする粒子衝突位置検出装置。
【００８１】
（４）請求項６において、粒子の加速実験装置に用いられることを特徴とするビーム軌道調整システム。
【００８２】
（５）請求項６において、放射線治療装置に用いられることを特徴とするビーム軌道調整システム。
【符号の説明】
【００８３】
１…粒子加速器のビーム軌道調整システム
２…粒子源
３…粒子加速器
４，５１…伝達体としての圧電基板
６…処理手段としての制御装置
９…調整手段としての静電場
１０…粒子衝突位置検出装置
１１…制振部材
１２…フレーム
１４…第１主面
１６…第２主面
３０…伝達体としての振動伝達板
３１〜３４…圧電素子
４１…衝突検出体としての圧電基板
Ｂ１…粒子ビーム
Ｅ，Ｅ１〜Ｅ４…位置検出用電極
Ｇ１…グランド電極
Ｓ１〜Ｓ４…電気信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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