(57)【要約】【課題】従来のマイクロビーム形成装置は、高エネルギーイオンでマイクロビームを形成するときに、両コリメーター等で発生する散乱イオンによるビームサイズの拡大やエネルギー幅の増大、２次荷電粒子、ガンマ線、中性子線などの放射線による照射損傷の影響を排除することが困難であった。【解決手段】高エネルギーイオンビームをオブジェクトコリメーターあるいはスリット（以下オブジェクトコリメーターという）、及びビーム発散制限コリメーターあるいはビーム制限コリメーター（以下発散制限コリメーターという）でビームを成形した後で、偏向電磁石あるいは分析電磁石を用いてビームを偏向させ、偏向により生じるイオンビームの光学的な色収差を前記偏向電磁石と他の偏向電磁石との組み合わせ、あるいは前記分析電磁石と偏向電磁石との組み合わせにより打ち消すとともに、これらの組み合わせを用いてイオンビームのエネルギーを精密に分析・制御し、その後、電磁気的にビームを集束させるレンズ方式あるいはコリメーション方式により、高精度３次元照射用ペンシルビームを形成する方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器を用いて加速した数ＭｅＶ以上のエネルギーを有するイオン（以下高エネルギーイオンという）を用いて、ビームサイズ直径１ｍｍ以下のペンシル型のイオンビーム（以下ペンシルビームという）を形成する方法であって、
高エネルギーイオンビームをオブジェクトコリメーターあるいはスリット（以下オブジェクトコリメーターという）、及びビーム発散制限コリメーターあるいはビーム制限コリメーター（以下発散制限コリメーターという）でビームを成形した後で、偏向電磁石あるいは分析電磁石を用いてビームを偏向させ、
偏向により生じるイオンビームの光学的な色収差を前記偏向電磁石と他の偏向電磁石との組み合わせ、あるいは前記分析電磁石と偏向電磁石との組み合わせにより打ち消すとともに、これらの組み合わせを用いてイオンビームのエネルギーを精密に分析・制御し、
その後、電磁気的にビームを集束させるレンズ方式あるいはコリメーション方式により、高精度３次元照射用ペンシルビームを形成する方法。
【請求項２】
エネルギー減衰器、偏向電磁石及び四重極電磁石を連動させ、あるいはエネルギー減衰器、分析電磁石及び四重極電磁石を連動させることにより、ペンシルビームのエネルギーを変えながらビーム径を一定に保持あるいは任意の径を形成する請求項１記載の方法。
【請求項３】
エネルギーを変えながらビームサイズを一定に保持あるいは任意のサイズに変えながら、磁場あるいは電場等の電磁気的方法を用いて、ビームを任意の位置へ移動させ、且つ任意形状で走査照射する請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、高精度３次元照射用イオンビームを形成する方法である。本発明の利用分野としては次のようなものがある。超高精度のマイクロビームによる治療において、癌やその他の局所性疾患に応用することが可能であることにより、体内の微小病変を手術することなく照射のみで治療できる。
【０００２】
又、微小な領域に対してイオンビームを立体的に制御しながら高精度で照射することにより、イオンビーム植物育種に必要な突然変異の誘発を制御でき、品種改良の飛躍的な発展が期待され、農業分野への利用ができる。
【０００３】
更に又、イオンの打ち込み位置をｎｍ〜μｍの精度で制御しながら照射する技術を材料改質や新材料創製に応用することにより、ナノ・マイクロ機械加工や高アスペクト比の微細孔などの機能性材料を創製するなど、ナノテクノロジー・材料分野で利用ができる。
【０００４】
【従来の技術】
従来のイオンマイクロビーム形成装置は、精密オブジェクトコリメーターとビーム発散制限コリメーターにより、ビームを制限してから、その後数ミクロンから数十ミクロン径の小さな穴を通じてビームを通過させてマイクロビームを形成するコリメーション方式と、４重極電磁石などの電磁気的にビームを集束するレンズ方式がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これまで開発されてきたいずれのマイクロビーム形成装置も、ビームを直線状に輸送する方式のみであったため、高エネルギーイオンでマイクロビームを形成するときに、両コリメーター等で発生する２次荷電粒子、ガンマ線、中性子線などの放射線による照射損傷の影響を排除することが困難であった。
【０００６】
また、エネルギーを連続的に変えながらマイクロビームのビーム径を一定に保持あるいは任意の径を形成するとともに、同時にマイクロビームの位置を任意に変えながら照射することができなかった。又、従来のマイクロビーム形成には次の問題点が存在した。
【０００７】
（１）  従来のマイクロビーム形成で使用してきたオブジェクトコリメーターやビーム発散制限コリメーターを高エネルギーイオンビームに適用するとき、コリメーター先端部におけるビームの透過や散乱によって、光学軸上の質の良いビームだけを通過させ、他のビームをカットするという機能が十分に果たせない。
【０００８】
一方、ビームを透過させない程度にコリメーター材を厚くした場合、厚みは数センチメートルから数メートルとなり、実用機器として現実的でなく、かつコリメーター間隙を通過する際のコリメーターエッジ部分によるイオンの散乱によるビームサイズの拡大やエネルギー幅の増大の影響が無視できなくなる。
【０００９】
（２）  高エネルギーイオンがコリメーター材を透過した多量の透過イオンに加え、コリメーター材と高エネルギーイオンとの相互作用により多量の放射線（γ線、中性子線、２次イオン等）が発生する。この透過イオンと発生した放射線が、イオンビームを照射する試料の放射線損傷や人体の放射線障害をもたらすなどの問題があった。
【００１０】
（３）  ペンシルビームを用いて立体的にイオンビームを照射、即ち深度を変えながら照射するためには、ビームのエネルギーを変化させながら、かつビームのサイズを一定に保持あるいは制御することが必要で、特に治療を目的とした場合、人体内部での疾患部の形状に合わせて照射深度を制御することが必須であるが、従来のマイクロビームにおいてこの技術は未だ実現していない。
【００１１】
【問題を解決しようとする手段】
本発明の高精度３次元照射用ペンシルビームを形成する方法は、次の工程に基づいて行われる。
【００１２】
（１）  ペンシルビーム形成に必要な精密ビームオブジェクトコリメーター及びビーム発散制限コリメーターの間隙を通過したビームのエネルギーと、コリメーター材を透過したビームのエネルギー差を利用して、精密偏向電磁石によりエネルギー分析し、ビームを分離する。偏向電磁石でビームを偏向させることにより、コリメーター材と加速器からの入射高エネルギーイオンとの相互作用で同時に発生する放射線（２次荷電粒子、ガンマ線、中性子線等）の影響を排除する。
【００１３】
（２）  偏向電磁石を用いてビームを偏向することにより、発生するビームの光学的な色収差を２台以上の偏向電磁石の組み合わせにより打ち消す（アクロマチックな光学系）。
【００１４】
（３）  ペンシルビーム形成装置のオブジェクトコリメーター又は発散制限コリメーター前にエネルギー減衰器を設置し、これによりビームのエネルギーを変える。ビームエネルギー減衰は、ビームエネルギーを制御するために厚みを調整した板状あるいは“楔”状の炭素や金属等で行う。
【００１５】
エネルギー減衰器は、図１及び図２に示されるように、楔形状或いはフォイル形状をした１対の炭素、プラスチック材又は金属材から構成される。楔形状の場合、それを２方向から挿入してその位置を制御し、イオンビームが透過する部分の厚さを任意に設定する。フォイル形状の場合には、厚さの異なる数種類のフォイルをそれぞれ独立に挿入できるようにし、挿入するフォイルの組合せで全体の厚さを設定する。イオンが減衰材を透過すると、減衰材の厚さに依存して減衰材内部でエネルギーを損失するので、エネルギー減衰器通過後のイオンのエネルギーは、減衰材の厚さを制御することによって変えることができる。
【００１６】
（４）  ビームエネルギーを変えながら、ペンシルビーム径を一定に保持するため、あるいは任意のビーム径を形成するために、エネルギー減衰器によるエネルギーの減衰とリンクさせて偏向電磁石と四重極電磁石の励磁電流を精密制御する。
【００１７】
（５）  ビームエネルギーを変えながら、かつペンシルビーム径を一定に保持あるいは任意のビーム径を形成制御しながら、任意位置での位置固定照射あるいは任意位置での任意幅・形状でビームを走査照射するために、電磁気的方法によるビームスキャナーと組み合わせる。
【００１８】
【実施例】
以下に、本発明の形成法を用いたペンシルビーム形成法の実施例を図１及び図２に基づき説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１に示されるように、本発明の装置は、オブジェクトコリメーター２と発散制限コリメーター３及び精密４連四重極電磁石７などの電磁石を用いて、ペンシルビームを形成する。この時、オブジェクトコリメーター２及び発散制限コリメーター３、或いはどちらか一方を透過してエネルギーが減衰したイオンビーム、及びコリメーターで発生した放射線の影響を無くすために、２台の偏向電磁石４でビーム輸送ラインを曲げる。
【００２０】
さらに、オブジェクトコリメーター２の上流に設置したエネルギー減衰器１により、ビームのエネルギーを任意に変える。エネルギー減衰器１及びコリメーター２、３を透過する際に生じるビームエネルギーの運動量の拡がりは、２台の偏向電磁石間の出入り口に設置したエネルギー分析スリット５で制限する。エネルギー分析システムは、２台の４５°偏向電磁石４とその中間に設置する分析スリット５から構成される。
【００２１】
エネルギー分析後のビームは電磁気的手法、例えば４連四重極電磁石７により集束させ、励磁電流の調整により焦点深度とサイズを制御する。この四重極電磁石７の上流に設置した電磁気的手法、例えばビームスキャニングコイル６等によりビームの照射位置を制御及び走査することができる。また、エネルギー減衰器１、偏向電磁石４、及び４連四重極電磁石７を連動運転することによりエネルギーを変えながらビームサイズを一定に保持することができる。
【００２２】
（実施例２）
図２に示されるように、本発明の他の装置は、エネルギー減衰器１を用いてエネルギーを任意に変え、ビーム制限コリーメータ３によりビーム中心部だけを通過させる。コリメータ３を透過したビーム、発生した２次粒子線及び放射線等は、コリメータ（スリット）５で制限する。
【００２３】
エネルギー減衰器１の使用により広がったビームエネルギー幅を制限するため、及びスリット２、コリメータ３等で発生した２次粒子線及び放射線の影響を排除するために、エネルギー分析システムを用いてビームを偏向させる。エネルギー分析システムは、エネルギー分析電磁石４と前後のスリット及びコリメータ２、３、５から構成され、このエネルギー分析システムのエネルギー分解能は、装置全体の構成と形成するビームサイズに依存するが、例えばエネルギー幅が
△Ｅ／Ｅ＝１０−４以下であればビームサイズ１μｍのペンシルビームを容易に形成できる。
【００２４】
さらに、エネルギー分析電磁石４後段のスリット２、５における散乱ビーム及び発生２次放射線の影響を排除するため偏向電磁石７を用いる。この偏向電磁石７の偏向角は任意で良い。偏向電磁石通過ビームを４連四重極電磁石９などの電磁石を用いて、ペンシルビームを形成する。
【００２５】
エネルギー分析及び偏向後のビームは、電磁気的手法、例えば、４連四重極電磁石９により集束させ、励磁電流の調整により焦点深度とサイズを制御する。この四重極電磁石の上流に設置した電磁気的手法、例えばビームスキャナー８等により、ビームの照射位置を制御及び走査することができる。また、エネルギー減衰器１、エネルギー分析電磁石４、四重極電磁石６、偏向電磁石７、及び４連四重極電磁石９を連動運転することによりエネルギーを変えながらビームサイズを一定に保持することができる。
【００２６】
なお、四重極電磁石６により、機器１〜５でエネルギー分析されたイオンビームが水平方向或いは鉛直方向に発散しないように四重極電磁石６を用いて集束させて偏向電磁石７を効率よく通過させるとともに、４連四重極電磁石９でのマイクロビーム形成に最適なビームを提供する役目も果たすことができる。
【００２７】
【発明の効果】
高エネルギーイオンによる１ｍｍ以下のビームサイズのペンシルビーム治療技術は世界初の最先端治療技術をもたちすものであり、本発明の技術による治療の対象として、これまでの悪性腫瘍に加え、頭蓋内良性腫瘍、下垂体腫瘍、傍脊髄腫瘍ＡＶＭ、神経疾患、眼疾患（老人性網膜症）などの多様た良性疾患に拡大できる。また、手術をせずに治療できることから、手術に伴う危険性を軽減させ、患者の負担を最小にする画期的治療技術として利用できる。
【００２８】
微小な領域に対してイオンビームを立体的に制御しながら高精度で照射する技術を確立することにより、植物育種の対象が野菜、果樹、花卉、樹木等のあらゆる品種に拡大し、劣悪環境（紫外線、乾燥、高塩類等）に強い作物や病害虫に負けない果樹、空気や土壌をきれいにする樹木など、本発明により、品種改良の飛躍的な発展が期待される。
【００２９】
イオンの打ち込み位置をｎｍ〜μｍの精度で制御しながら照射する技術を材料改質や新材料創製に応用することにより、例えばイオンビームを用いて有機材料に高アスペクト比の微細孔を開け、内部に原子・分子を吸着する機能性物質や半導体物質を仕込むことによって、原子・分子を精密に分離する膜やナノサイズのデバイス、生体機能膜、半導体素子などの機能性材料を創製するなど、本発明により、ナノテクノロジー・材料分野での新産業創出が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の形成法を用いたペンシルビーム形成法を示す図である。
【図２】本発明の形成法を用いた他のペンシルビーム形成法を示す図である。
【図１】
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【図２】
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