(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。【選択図】  図１
2019039702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２３５６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】実施例１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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
＜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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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）。
【００５３】
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）。
【００５４】
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。
【００５５】
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）。
【００５６】
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。
【００５７】
その後、処理を終了する。
【００５８】
次に、本実施例の効果について説明する。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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、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を備えている。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
＜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。
【００７３】
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を用いるものである。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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）。
【００８３】
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）。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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、装置寿命を延ばすことができ、稼働率向上にもつながるという効果が得られる。
【００９０】
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。
【００９１】
また、静電レンズ７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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
＜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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
＜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。
【符号の説明】
【０１０７】
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
【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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