JP7535972B2 - Charged particle beam transport device - Google Patents
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Description
本発明は、荷電粒子ビーム輸送装置に関する。 The present invention relates to a charged particle beam transport device.
荷電粒子ビームの空間電荷効果によるビーム発散を低減させる技術が特許文献1に記載されている。この特許文献1には、「イオンビームを電子ビームの軌道領域に照射することで、電子ビームにより形成される空間電荷を中和し、空間電荷効果を低減することを特徴とする電子ビーム装置。」及び「イオン発生手段は、電子ビームの軌道に沿った該電子ビームの電流密度の大小に応じてイオンビーム密度を変えることを特徴とする」と記載されている。 Patent Document 1 describes a technology for reducing beam divergence caused by the space charge effect of a charged particle beam. This patent document states that "an electron beam device characterized by irradiating an ion beam into the trajectory region of an electron beam to neutralize the space charge formed by the electron beam and reduce the space charge effect," and that "the ion generating means is characterized by changing the ion beam density according to the magnitude of the current density of the electron beam along the trajectory of the electron beam."
特許文献1には、電子ビームの電流密度に応じてイオンビームの照射位置を調整することで、空間電荷効果を効率良く低減する装置が記載されている。しかし、特許文献1に記載されている装置では、荷電粒子ビームの周方向における空間電荷量のばらつきに対応した空間電荷中和ができない。荷電粒子ビームの周方向において空間電荷量がばらついていると、荷電粒子ビームの周方向においてビーム発散量のばらつきが生じてしまう。 Patent Document 1 describes an apparatus that efficiently reduces the space charge effect by adjusting the irradiation position of the ion beam according to the current density of the electron beam. However, the apparatus described in Patent Document 1 cannot neutralize the space charge in response to the variation in the amount of space charge in the circumferential direction of the charged particle beam. If the amount of space charge varies in the circumferential direction of the charged particle beam, the amount of beam divergence varies in the circumferential direction of the charged particle beam.
本発明の目的は、荷電粒子ビームの周方向におけるビーム発散量のばらつきを低減することにある。 The object of the present invention is to reduce the variation in the amount of beam divergence in the circumferential direction of a charged particle beam.
本発明は、線形加速器における荷電粒子ビーム輸送装置であって、密閉チャンバ内における荷電粒子ビームの経路の側方であって、前記荷電粒子ビームの互いに異なる径方向に設けられた、前記荷電粒子ビームの発散量を測定する複数の測定器と、前記荷電粒子ビームの経路の側方であって、前記複数の測定器に対応して前記荷電粒子ビームの互いに異なる径方向に設けられ、空間電荷を中和する空間電荷中和剤を前記荷電粒子ビームに対して放出する複数の中和剤放出口と、前記複数の中和剤放出口からそれぞれ前記荷電粒子ビームに向かって放出される前記空間電荷中和剤の量を調整するための中和剤流量調整器と、前記複数の測定器の測定結果に基づいて、前記中和剤流量調整器を制御し、前記複数の中和剤放出口から互いに異なる量の前記空間電荷中和剤を前記荷電粒子ビームに向かって放射させる制御装置と、を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置である。 The present invention is a charged particle beam transport device in a linear accelerator, characterized in that it comprises a plurality of measuring devices arranged on the sides of the path of the charged particle beam in a sealed chamber and in different radial directions of the charged particle beam to measure the amount of divergence of the charged particle beam, a plurality of neutralizing agent outlets arranged on the sides of the path of the charged particle beam and in different radial directions of the charged particle beam corresponding to the plurality of measuring devices to release a space charge neutralizing agent to the charged particle beam to neutralize space charge, a neutralizing agent flow regulator for adjusting the amount of the space charge neutralizing agent released from each of the plurality of neutralizing agent outlets toward the charged particle beam, and a control device for controlling the neutralizing agent flow regulator based on the measurement results of the plurality of measuring devices, and causing the plurality of neutralizing agent outlets to radiate different amounts of the space charge neutralizing agent toward the charged particle beam.
本発明によれば、荷電粒子ビームの周方向におけるビーム発散量のばらつきを低減することができる。 The present invention can reduce the variation in the amount of beam divergence in the circumferential direction of a charged particle beam.
以下、図面を用いて実施例を説明する。 The following describes the examples using the drawings.
<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態を図1~図3に沿って説明する。図1は、第1実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置3を含む線形加速器の構成概略図である。図1に示される線形加速器は、荷電粒子ビーム1を生成する荷電粒子ビーム生成装置2、及び、荷電粒子ビーム1を輸送する荷電粒子ビーム輸送装置3を含んで構成される。
First Embodiment
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to Figures 1 to 3. Figure 1 is a schematic diagram of a linear accelerator including a charged particle beam transport device 3 according to the first embodiment. The linear accelerator shown in Figure 1 includes a charged particle beam generator 2 that generates a charged particle beam 1, and a charged particle beam transport device 3 that transports the charged particle beam 1.
荷電粒子ビーム生成装置2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、あるいは電子銃などであってよい。本実施形態では、荷電粒子ビーム生成装置2としてマイクロ波イオン源を採用している。 The charged particle beam generating device 2 may be, for example, a microwave ion source, an ECR (Electron Cyclotron Resonance) ion source, a duoplasmatron, or an electron gun. In this embodiment, a microwave ion source is used as the charged particle beam generating device 2.
荷電粒子ビーム生成装置2内でマイクロ波により生成されたプラズマ4は、引き出し電極5との電位差によって引き出される。これにより、荷電粒子ビーム1が生成される。本実施形態では、荷電粒子ビーム1は荷電粒子としての水素イオンにより構成される。 The plasma 4 generated by microwaves in the charged particle beam generating device 2 is extracted by the potential difference with the extraction electrode 5. This generates the charged particle beam 1. In this embodiment, the charged particle beam 1 is composed of hydrogen ions as charged particles.
荷電粒子ビーム輸送装置3は、生成された荷電粒子ビーム1を輸送する装置である。荷電粒子ビーム輸送装置3は、密閉チャンバ3aを含んで構成される。荷電粒子ビーム生成装置2で生成された荷電粒子ビーム1は、密閉チャンバ3a内に入射され、密閉チャンバ3a内を通って輸送される。 The charged particle beam transport device 3 is a device that transports the generated charged particle beam 1. The charged particle beam transport device 3 includes a sealed chamber 3a. The charged particle beam 1 generated by the charged particle beam generating device 2 is injected into the sealed chamber 3a and transported through the sealed chamber 3a.
密閉チャンバ3aの外壁に沿って収束コイル6が設けられている。荷電粒子ビーム1は、密閉チャンバ3a内で収束コイル6により収束されて、後段加速器7に入射される。収束コイル6としては、例えば磁性体を用いた磁極を用いることができる。ただし、荷電粒子ビーム1を構成する荷電粒子間における斥力により(換言すれば空間電荷効果により)、収束コイル6を設けたとしても、荷電粒子ビーム1の発散量を決めるエミッタンスが増大してしまう。 A focusing coil 6 is provided along the outer wall of the sealed chamber 3a. The charged particle beam 1 is focused by the focusing coil 6 within the sealed chamber 3a and is then injected into the post-stage accelerator 7. The focusing coil 6 may be, for example, a magnetic pole made of a magnetic material. However, even if the focusing coil 6 is provided, due to the repulsive force between the charged particles that make up the charged particle beam 1 (in other words, due to the space charge effect), the emittance, which determines the amount of divergence of the charged particle beam 1, increases.
荷電粒子ビーム輸送装置3で輸送された荷電粒子ビーム1は、後段加速器7に入射される。後段加速器7は、例えば、高周波加速器などで、RFQ(Radio Frequency Quadrupole)やDTL(Drift Tube Linac)などであってよく、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。また、後段加速器7として、コッククロフトウォルトン型やバンでグラーフ型など静電加速器とすることもできる。 The charged particle beam 1 transported by the charged particle beam transport device 3 is injected into the post-accelerator 7. The post-accelerator 7 may be, for example, a high-frequency accelerator, such as an RFQ (Radio Frequency Quadrupole) or a DTL (Drift Tube Linac), or a combination of these. The post-accelerator 7 may also be an electrostatic accelerator, such as a Cockcroft-Walton type or a Van De Graaff type.
密閉チャンバ3a内(具体的には後段加速器7へのビーム出射口の近傍)には、吸収体9が設けられている。密閉チャンバ3a内において発散した、不要なイオンなどを含んだ発散ビーム8は、吸収体9により受け止められる。これにより、発散ビーム8は後段加速器7には入射されない。 An absorber 9 is provided inside the sealed chamber 3a (specifically, near the beam exit port to the post-accelerator 7). The divergent beam 8 that diverges inside the sealed chamber 3a and contains unwanted ions is received by the absorber 9. This prevents the divergent beam 8 from entering the post-accelerator 7.
例えば、発散ビーム8には、荷電粒子ビーム1により形成される空間電荷効果により発散したビーム部と、水素イオン以外の重水素などの不要なイオンが含まれる。重水素イオンなどは、水素イオンより質量が大きいため、収束コイル6で収束されずに発散する。図1に示された線形加速器では、吸収体9の形状を荷電粒子ビーム1のビーム進行方向に厚みのある形状とした上で、荷電粒子ビーム1を通す貫通孔を設け、当該貫通孔をコーン形状(荷電粒子ビーム1のビーム経路の下流側程、孔径が小さくなる形状)とすることで、収束されなかった不要イオンを効率良く止めることができる。 For example, the divergent beam 8 includes a beam portion diverged by the space charge effect formed by the charged particle beam 1, and unwanted ions other than hydrogen ions, such as deuterium. Deuterium ions and the like have a larger mass than hydrogen ions, so they diverge without being focused by the focusing coil 6. In the linear accelerator shown in FIG. 1, the absorber 9 is shaped to have a thickness in the direction of beam travel of the charged particle beam 1, and a through hole is provided through which the charged particle beam 1 passes, and the through hole is shaped like a cone (the hole diameter becomes smaller the further downstream in the beam path of the charged particle beam 1), so that the unwanted ions that are not focused can be stopped efficiently.
上記のような線形加速器において、空間電荷効果によるビーム発散を低減させるために、荷電粒子ビーム輸送装置3は、空間電荷中和剤としてのガスを貯留するガスボンベ10、ガスボンベ10からのガスを密閉チャンバ3a内に(つまり荷電粒子ビーム1に対して)導入するための中和剤放出口としての複数のガス導入口12、及び、複数のガス導入口12それぞれから密閉チャンバ3a内に導入される導入ガスの量を調整するための中和剤流量調整器としての流量調整器11を含んで構成される。 In the above-mentioned linear accelerator, in order to reduce beam divergence due to the space charge effect, the charged particle beam transport device 3 is configured to include a gas cylinder 10 that stores gas as a space charge neutralizing agent, a plurality of gas inlets 12 as neutralizing agent outlets for introducing gas from the gas cylinder 10 into the sealed chamber 3a (i.e., into the charged particle beam 1), and flow regulators 11 as neutralizing agent flow regulators for adjusting the amount of gas introduced into the sealed chamber 3a from each of the plurality of gas inlets 12.
流量調整器11は、例えば各ガス導入口12に連通するガス流路に設けられたガス電磁弁であってよい。ガス電磁弁は、ソレノイド、可動鉄片であるプランジャ、及びバルブを含んで構成され、ソレノイドに電流を流すことでプランジャを動作させ、それによりバルブの開閉を制御するものである。このようなガス電磁弁においては、バルブの開閉具合を制御することで、当該ガス電磁弁を流通するガスの量を調整することができる。 The flow regulator 11 may be, for example, a gas solenoid valve provided in a gas flow path that communicates with each gas inlet 12. The gas solenoid valve includes a solenoid, a plunger which is a movable iron piece, and a valve, and operates the plunger by passing an electric current through the solenoid, thereby controlling the opening and closing of the valve. In such a gas solenoid valve, the amount of gas flowing through the gas solenoid valve can be adjusted by controlling the opening and closing of the valve.
ガスボンベ10からのガスを、流量調整器11により流量調整してガス導入口12から密閉チャンバ3a内に導入することで、荷電粒子ビーム1とガスとの反応で生成された電離電子が、荷電粒子ビーム1の電荷による引力によって軌道上に蓄積するため、空間電荷が中和される。 The gas from the gas cylinder 10 is introduced into the sealed chamber 3a through the gas inlet 12 with the flow rate adjusted by the flow rate regulator 11. The ionized electrons generated by the reaction between the charged particle beam 1 and the gas are accumulated on the orbit by the attractive force of the electric charge of the charged particle beam 1, thereby neutralizing the space charge.
具体例としては、荷電粒子ビーム1として正電荷を有する水素イオンビームを用いる場合、密閉チャンバ3a内に導入されるガスとして、水素ガスを用いることができる。この場合、荷電粒子ビーム1としての水素イオンビームが、密閉チャンバ3a内に導入された水素ガスの電子にぶつかることにより、水素ガスから電子が剥がされる。これにより、水素ガスは、正電荷を有する水素イオンと負電荷を有する電子とに分裂する。水素イオンは、荷電粒子ビーム1と同じく正電荷を有しているため、荷電粒子ビーム1との間の斥力によりはじかれる。一方、電子は、荷電粒子ビーム1との間の引力により、荷電粒子ビーム1の経路近傍に集まる。そうすると、荷電粒子ビーム1としての水素イオンビームと、その近傍に集まってきた電子との間に引力が生じることで、荷電粒子ビーム1を構成する荷電粒子(水素イオン)同士の間の斥力が低減される(これは「空間電荷が中和される」とも表現される)。これにより、荷電粒子ビーム1の空間電荷効果による発散が抑制される。 As a specific example, when a hydrogen ion beam having a positive charge is used as the charged particle beam 1, hydrogen gas can be used as the gas introduced into the sealed chamber 3a. In this case, the hydrogen ion beam as the charged particle beam 1 collides with the electrons of the hydrogen gas introduced into the sealed chamber 3a, and the electrons are stripped from the hydrogen gas. As a result, the hydrogen gas is split into positively charged hydrogen ions and negatively charged electrons. Since the hydrogen ions have a positive charge like the charged particle beam 1, they are repelled by the repulsive force between them and the charged particle beam 1. On the other hand, the electrons gather near the path of the charged particle beam 1 due to the attractive force between them and the charged particle beam 1. Then, an attractive force is generated between the hydrogen ion beam as the charged particle beam 1 and the electrons gathered in its vicinity, and the repulsive force between the charged particles (hydrogen ions) that make up the charged particle beam 1 is reduced (this is also expressed as "space charge is neutralized"). This suppresses the divergence of the charged particle beam 1 due to the space charge effect.
荷電粒子ビーム1として、負電荷を有する電子ビームや陰イオンビームを用いた場合には、荷電粒子ビーム1とガスとの反応で生じた、正電荷を持つ陽イオンが荷電粒子ビーム1の経路近傍に蓄積することで空間電荷を中和する。つまり、ガスを導入する空間電荷低減法は、正電荷、負電荷どちらの荷電粒子ビーム1にも適用可能である。 When a negatively charged electron beam or an anion beam is used as the charged particle beam 1, positively charged cations produced by the reaction between the charged particle beam 1 and the gas accumulate near the path of the charged particle beam 1, neutralizing the space charge. In other words, the space charge reduction method of introducing a gas can be applied to both positively and negatively charged charged particle beams 1.
空間電荷の中和量は、密閉チャンバ3a内に導入されたガスの電離電子若しくは電離イオンの量で決まるため、ガスの導入量(複数のガス導入口12から導入されるガスの総量)を調整することで、空間電荷の中和量を調整することが可能である。 The amount of space charge neutralization is determined by the amount of ionized electrons or ionized ions of the gas introduced into the sealed chamber 3a, so it is possible to adjust the amount of space charge neutralization by adjusting the amount of gas introduced (the total amount of gas introduced from the multiple gas inlets 12).
空間電荷中和用ガスの総導入量は、電流モニタ15a,15bで測定した荷電粒子ビーム1の電流量に応じて調整する。ここで、電流モニタ15a,15bは、例えば、非接触型のCT(Current Transformer)などが用いられ、荷電粒子ビーム1の総電流量を測定するものである。例えば、電流モニタ15a,15bは、荷電粒子ビーム1がその内部空間を通る円形あるいは円筒状の磁器コアと、当該磁器コアに巻き付けられた巻線を含んで構成される。荷電粒子ビーム1が磁器コアの内部空間を通過することにより磁器コアに磁束が生じ、当該磁束により巻線に2次電流が生じる。当該2次電流を測定することで、荷電粒子ビーム1の電流が測定される。電流モニタ15a,15bで測定された総電流量は、制御装置14によって読み取られる。詳細は後述するが、制御装置14は、荷電粒子ビーム輸送装置3に設けられ、上述の流量調整器11を制御して、各ガス導入口12から密閉チャンバ3a内に導入される導入ガスの量を制御する装置である。 The total amount of space charge neutralizing gas introduced is adjusted according to the amount of current of the charged particle beam 1 measured by the current monitors 15a and 15b. Here, the current monitors 15a and 15b are, for example, non-contact CTs (Current Transformers) and measure the total amount of current of the charged particle beam 1. For example, the current monitors 15a and 15b are configured to include a circular or cylindrical porcelain core through whose internal space the charged particle beam 1 passes, and a winding wound around the porcelain core. When the charged particle beam 1 passes through the internal space of the porcelain core, a magnetic flux is generated in the porcelain core, and this magnetic flux generates a secondary current in the winding. The current of the charged particle beam 1 is measured by measuring the secondary current. The total amount of current measured by the current monitors 15a and 15b is read by the control device 14. The control device 14, which will be described in detail later, is provided in the charged particle beam transport device 3 and controls the flow rate regulator 11 to control the amount of gas introduced into the sealed chamber 3a from each gas inlet 12.
第1電流検出器としての電流モニタ15aは、引き出し電極5の近傍に設けられる。つまり、電流モニタ15aは、密閉チャンバ3aに入る荷電粒子ビーム1の総電流量を測定する。第2電流検出器としての電流モニタ15bは、荷電粒子ビーム1の経路において、電流モニタ15aよりも下流側に設けられる。本実施形態では、電流モニタ15bは、密閉チャンバ3aのビーム出口近傍に設けられる。つまり、本実施形態では、電流モニタ15bは、密閉チャンバ3aから出てくる荷電粒子ビーム1の総電流量を測定する。 The current monitor 15a serving as the first current detector is provided near the extraction electrode 5. That is, the current monitor 15a measures the total current amount of the charged particle beam 1 entering the sealed chamber 3a. The current monitor 15b serving as the second current detector is provided downstream of the current monitor 15a in the path of the charged particle beam 1. In this embodiment, the current monitor 15b is provided near the beam exit of the sealed chamber 3a. That is, in this embodiment, the current monitor 15b measures the total current amount of the charged particle beam 1 exiting the sealed chamber 3a.
荷電粒子ビーム1が発散することにより、電流モニタ15bが測定した総電流量は、電流モニタ15aが測定した総電流量よりも小さくなる。したがって、電流モニタ15aが測定した総電流量と、電流モニタ15bが測定した総電流量との差分が、荷電粒子ビーム1の発散量を示す指標となる。換言すれば、電流モニタ15aが測定した総電流量と、電流モニタ15bが測定した総電流量との差分から、密閉チャンバ3a内におけるビーム損失率が計算できる。ここで、ビーム損失率とは、荷電粒子ビーム輸送装置3に入る荷電粒子ビームの量(荷電粒子の量、密度、ビームの電流値とも言い換えることができる)に対する、密閉チャンバ3aから出てくる荷電粒子ビームの量の割合である。 As the charged particle beam 1 diverges, the total current amount measured by the current monitor 15b becomes smaller than the total current amount measured by the current monitor 15a. Therefore, the difference between the total current amount measured by the current monitor 15a and the total current amount measured by the current monitor 15b is an index showing the divergence amount of the charged particle beam 1. In other words, the beam loss rate in the sealed chamber 3a can be calculated from the difference between the total current amount measured by the current monitor 15a and the total current amount measured by the current monitor 15b. Here, the beam loss rate is the ratio of the amount of the charged particle beam exiting the sealed chamber 3a to the amount of the charged particle beam entering the charged particle beam transport device 3 (which can also be rephrased as the amount of charged particles, density, or current value of the beam).
密閉チャンバ3a内に導入された導入ガスの総量が不足している場合、空間電荷効果が大きくなり、不要な荷電粒子だけでなく必要な荷電粒子も発散して吸収体9で止められてしまうため、ビーム損失率が高くなる。一方で、導入ガスの総量が多すぎる場合にも、荷電粒子ビーム1とガスとの反応が増えるために、ビーム損失率が高くなる。 If the total amount of gas introduced into the sealed chamber 3a is insufficient, the space charge effect becomes large, and not only unnecessary charged particles but also necessary charged particles are scattered and stopped by the absorber 9, resulting in a high beam loss rate. On the other hand, if the total amount of gas introduced is too large, the reaction between the charged particle beam 1 and the gas increases, resulting in a high beam loss rate.
そのため、制御装置14は、電流モニタ15a,15bが測定した電流値からビーム損失率を演算し、演算したビーム損失率に応じて流量調整器11を制御する。これにより、導入ガスの総量を適切に調整し(換言すればビーム損失率に応じた量のガスが密閉チャンバ3a内に導入され)、ビーム損失率、すなわち空間電荷効果による荷電粒子ビーム1の発散を抑制する。 Therefore, the control device 14 calculates the beam loss rate from the current values measured by the current monitors 15a and 15b, and controls the flow regulator 11 according to the calculated beam loss rate. This appropriately adjusts the total amount of introduced gas (in other words, an amount of gas according to the beam loss rate is introduced into the sealed chamber 3a), suppressing the beam loss rate, i.e., the divergence of the charged particle beam 1 due to the space charge effect.
また、荷電粒子ビーム輸送装置3には、密閉チャンバ3a内の不純物を取り除いて真空化するための真空ポンプ(不図示)、及び、密閉チャンバ3a内の真空度を測定する真空計16が設けられる。ここで、当該真空ポンプの調子などに起因して、密閉チャンバ3a内の真空度が変化することがあり、空間電荷中和用のガスの密度に過不足が生じ得る。そのため、制御装置14は、上述のビーム損失率に加えてあるいは代えて、真空計16が測定した真空度に応じて、密閉チャンバ3a内に導入する導入ガスの総量を決定するようにしてもよい。具体的には、真空度が大きい程、密閉チャンバ3a内に導入されたガスの量が少ないので、制御装置14は、導入ガスの総量を多くするように制御し、真空度が小さい程、密閉チャンバ3a内に導入されたガスの量が多いので、制御装置14は、導入ガスの総量を少なくするように制御する。 The charged particle beam transport device 3 is also provided with a vacuum pump (not shown) for removing impurities from the sealed chamber 3a and creating a vacuum, and a vacuum gauge 16 for measuring the degree of vacuum in the sealed chamber 3a. The degree of vacuum in the sealed chamber 3a may change due to the condition of the vacuum pump, and the density of the space charge neutralizing gas may be excessive or insufficient. Therefore, in addition to or instead of the above-mentioned beam loss rate, the control device 14 may determine the total amount of gas introduced into the sealed chamber 3a according to the degree of vacuum measured by the vacuum gauge 16. Specifically, the greater the degree of vacuum, the smaller the amount of gas introduced into the sealed chamber 3a, so the control device 14 controls the total amount of gas introduced to be increased, and the smaller the degree of vacuum, the larger the amount of gas introduced into the sealed chamber 3a, so the control device 14 controls the total amount of gas introduced to be decreased.
ここで、荷電粒子ビーム1の周方向において、電流密度差に起因した空間電荷量のばらつきが生じる場合がある。例えば、荷電粒子ビーム1の進行方向から見た場合、荷電粒子ビーム1の上側よりも下側の方が空間電荷量が多い、の如くである。空間電荷量にばらつきが生じると、荷電粒子ビーム1の周方向においてビーム発散量にばらつきが生じる。例えば、荷電粒子ビーム1の進行方向から見た場合、荷電粒子ビーム1の上側よりも下側の方がビーム発散量が大きい、の如くである。 Here, in the circumferential direction of the charged particle beam 1, there may be variations in the amount of space charge due to differences in current density. For example, when viewed from the direction of travel of the charged particle beam 1, the amount of space charge is greater on the lower side than on the upper side of the charged particle beam 1. When variations in the amount of space charge occur, there is variation in the amount of beam divergence in the circumferential direction of the charged particle beam 1. For example, when viewed from the direction of travel of the charged particle beam 1, the amount of beam divergence is greater on the lower side than on the upper side of the charged particle beam 1.
図2は、密閉チャンバ3a内を通過する荷電粒子ビーム1を、その進行方向から見た図である。本実施形態では、荷電粒子ビーム1の周方向におけるビーム発散量のばらつきを低減すべく、図2に示すように、密閉チャンバ3a内において、荷電粒子ビーム1の側方に複数の測定器13及び複数のガス導入口12が配置される。 Figure 2 shows the charged particle beam 1 passing through the sealed chamber 3a, viewed from the direction of travel. In this embodiment, in order to reduce the variation in the amount of beam divergence in the circumferential direction of the charged particle beam 1, multiple measuring devices 13 and multiple gas inlets 12 are arranged to the sides of the charged particle beam 1 in the sealed chamber 3a, as shown in Figure 2.
測定器13は、荷電粒子ビーム1の発散量を測定するものである。測定器13は、例えば電極を含む電流計であってよく、荷電粒子ビーム1の経路の側方に配置される。発散して荷電粒子ビーム1の経路から外れた発散ビーム8(発散荷電粒子)は、測定器13の電極に入射する。これにより、電極において電流が生じ、測定器13は当該電流を測定する。測定器13が測定した電流値が大きい程、ビーム発散量が大きいと言える。 The measuring device 13 measures the amount of divergence of the charged particle beam 1. The measuring device 13 may be, for example, an ammeter including an electrode, and is arranged to the side of the path of the charged particle beam 1. The divergent beam 8 (divergent charged particles) that has diverged and deviated from the path of the charged particle beam 1 is incident on the electrode of the measuring device 13. This generates a current in the electrode, and the measuring device 13 measures this current. It can be said that the larger the current value measured by the measuring device 13, the greater the amount of beam divergence.
具体的には、複数の測定器13は、荷電粒子ビーム1の側方であって、荷電粒子ビーム1の互いに異なる径方向に設けられる。図2の例では、荷電粒子ビーム1の中心から上側へ向かう径方向に測定器13aが設けられ、荷電粒子ビーム1の中心から右側へ向かう径方向に測定器13bが設けられ、荷電粒子ビーム1の中心から下側へ向かう径方向に測定器13cが設けられ、荷電粒子ビーム1の中心から左側へ向かう径方向に測定器13dが設けられる。なお、本実施形態では、4つの測定器13が設けられているが、測定器13は、2つ、3つ、あるいは5つ以上設けられてもよい。 Specifically, the multiple measuring instruments 13 are provided on the sides of the charged particle beam 1 in different radial directions of the charged particle beam 1. In the example of FIG. 2, measuring instrument 13a is provided in the radial direction from the center of the charged particle beam 1 toward the upper side, measuring instrument 13b is provided in the radial direction from the center of the charged particle beam 1 toward the right side, measuring instrument 13c is provided in the radial direction from the center of the charged particle beam 1 toward the lower side, and measuring instrument 13d is provided in the radial direction from the center of the charged particle beam 1 toward the left side. Note that, although four measuring instruments 13 are provided in this embodiment, two, three, or five or more measuring instruments 13 may be provided.
また、複数のガス導入口12は、複数の測定器13に対応して、荷電粒子ビーム1の側方であって、荷電粒子ビーム1の互いに異なる径方向に設けられる。測定器13に対応して、とは、測定器13と同じ径方向にガス導入口12が設けられることを意味する。図2の例では、測定器13aに対応して、荷電粒子ビーム1の中心から上側へ向かう径方向にガス導入口12aが設けられ、測定器13bに対応して、荷電粒子ビーム1の中心から右側へ向かう径方向にガス導入口12bが設けられ、測定器13cに対応して、荷電粒子ビーム1の中心から下側へ向かう径方向にガス導入口12cが設けられ、測定器13dに対応して、荷電粒子ビーム1の中心から左側へ向かう径方向にガス導入口12dが設けられる。なお、本実施形態では、4つのガス導入口12が設けられているが、ガス導入口12は、測定器13に対応して、2つ、3つ、あるいは5つ以上設けられてもよい。 The gas inlets 12 are provided on the sides of the charged particle beam 1 in different radial directions of the charged particle beam 1 in correspondence with the multiple measuring instruments 13. Corresponding to the measuring instruments 13 means that the gas inlets 12 are provided in the same radial direction as the measuring instruments 13. In the example of FIG. 2, the gas inlet 12a is provided in the radial direction from the center of the charged particle beam 1 to the upper side in correspondence with the measuring instrument 13a, the gas inlet 12b is provided in the radial direction from the center of the charged particle beam 1 to the right side in correspondence with the measuring instrument 13b, the gas inlet 12c is provided in the radial direction from the center of the charged particle beam 1 to the lower side in correspondence with the measuring instrument 13c, and the gas inlet 12d is provided in the radial direction from the center of the charged particle beam 1 to the left side in correspondence with the measuring instrument 13d. In this embodiment, four gas inlets 12 are provided, but two, three, or five or more gas inlets 12 may be provided in correspondence with the measuring instruments 13.
なお、本実施形態においては、複数の測定器13は、荷電粒子ビーム1の進行方向に垂直な同一垂直面に配置されている。つまり、複数の測定器13は、荷電粒子ビーム1の周方向に沿って並んで配置されている。換言すれば、密閉チャンバ3aの荷電粒子ビーム1の入り口から各測定器13までの距離は同じになっている。複数のガス導入口12も同様に、荷電粒子ビーム1の進行方向に垂直な同一垂直面に配置されている。しかしながら、複数の測定器13は、荷電粒子ビーム1の側方であって、荷電粒子ビーム1の互いに異なる径方向に設けられる限りにおいて、荷電粒子ビーム1の進行方向に垂直な同一垂直面に配置されなくてもよい。すなわち、密閉チャンバ3aの荷電粒子ビーム1の入り口から各測定器13までの距離は互いに異なっていてもよい。複数のガス導入口12も、各測定器13に応じて、荷電粒子ビーム1の進行方向に垂直な同一垂直面に配置されなくてもよい。 In this embodiment, the multiple measuring devices 13 are arranged on the same vertical plane perpendicular to the traveling direction of the charged particle beam 1. That is, the multiple measuring devices 13 are arranged side by side along the circumferential direction of the charged particle beam 1. In other words, the distance from the entrance of the charged particle beam 1 in the sealed chamber 3a to each measuring device 13 is the same. The multiple gas inlets 12 are also arranged on the same vertical plane perpendicular to the traveling direction of the charged particle beam 1. However, the multiple measuring devices 13 do not have to be arranged on the same vertical plane perpendicular to the traveling direction of the charged particle beam 1 as long as they are arranged on the side of the charged particle beam 1 and in different radial directions of the charged particle beam 1. That is, the distances from the entrance of the charged particle beam 1 in the sealed chamber 3a to each measuring device 13 may be different from each other. The multiple gas inlets 12 do not have to be arranged on the same vertical plane perpendicular to the traveling direction of the charged particle beam 1 according to each measuring device 13.
荷電粒子ビーム1の周方向における空間電荷量のばらつき、すなわち、荷電粒子ビーム1の周方向におけるビーム発散量のばらつきが生じると、複数の測定器13が測定するビーム発散量が互いに異なることになる。例えば、荷電粒子ビーム1の上側よりも下側の方がビーム発散量が多いならば、測定器13aが測定するビーム発散量よりも測定器13cが測定するビーム発散量の方が大きくなる。これに応じ、制御装置14は、複数の測定器13の測定結果に基づいて、流量調整器11を制御して、複数のガス導入口12から密閉チャンバ3a内に導入されるガスの量を調整する。具体的には、測定器13が測定したビーム発散量が大きい程、当該測定器13に対応するガス導入口12から導入されるガスの量を多くし、測定器13が測定したビーム発散量が少ない程、当該測定器13に対応するガス導入口12から導入されるガスの量を少なくする。荷電粒子ビーム1の周方向における空間電荷量がばらついており、荷電粒子ビーム1の周方向におけるビーム発散量が異なるならば、複数のガス導入口12からは、互いに異なる量のガスが密閉チャンバ3a内に導入されることになる。 When the amount of space charge in the circumferential direction of the charged particle beam 1 varies, that is, when the amount of beam divergence in the circumferential direction of the charged particle beam 1 varies, the amount of beam divergence measured by the multiple measuring instruments 13 will differ from each other. For example, if the amount of beam divergence is greater on the lower side than on the upper side of the charged particle beam 1, the amount of beam divergence measured by the measuring instrument 13c will be greater than the amount of beam divergence measured by the measuring instrument 13a. In response to this, the control device 14 controls the flow regulator 11 based on the measurement results of the multiple measuring instruments 13 to adjust the amount of gas introduced into the sealed chamber 3a from the multiple gas inlets 12. Specifically, the greater the amount of beam divergence measured by the measuring instrument 13, the greater the amount of gas introduced from the gas inlet 12 corresponding to that measuring instrument 13, and the smaller the amount of beam divergence measured by the measuring instrument 13, the less the amount of gas introduced from the gas inlet 12 corresponding to that measuring instrument 13. If the amount of space charge in the circumferential direction of the charged particle beam 1 varies and the amount of beam divergence in the circumferential direction of the charged particle beam 1 differs, different amounts of gas will be introduced into the sealed chamber 3a from the multiple gas inlets 12.
具体的には、荷電粒子ビーム輸送装置3が有するメモリ(不図示)には、予め、測定器13で測定した荷電粒子ビーム1の発散量と、ガス導入口12から密閉チャンバ3a内に導入されるガスの量との関係を示す変換テーブルが記憶される。当該変換テーブルは、荷電粒子ビーム輸送装置3の管理者などによって作成されてよい。制御装置14は、当該変換テーブルを参照しつつ、各測定器13の測定値に基づいて、各ガス導入口12から導入するガスの量を決定する。 Specifically, a conversion table showing the relationship between the amount of emission of the charged particle beam 1 measured by the measuring device 13 and the amount of gas introduced into the sealed chamber 3a from the gas inlet 12 is stored in advance in a memory (not shown) of the charged particle beam transport device 3. The conversion table may be created by an administrator of the charged particle beam transport device 3, etc. The control device 14 refers to the conversion table and determines the amount of gas to be introduced from each gas inlet 12 based on the measured value of each measuring device 13.
なお、本実施形態では、上述のように、制御装置14は、電流モニタ15a,15bの測定値から得られるビーム損失率、及び、真空計16の測定値から得られる密閉チャンバ3a内の真空度の少なくとも一方に基づいて、密閉チャンバ3a内に導入する導入ガスの総量を決定している。したがって、本実施形態では、制御装置14は、各測定器13の測定値に基づいて、決定した導入ガスの総量を一定に保ちつつ、それぞれのガス導入口12から導入するガスの流量比を調整する。 In this embodiment, as described above, the control device 14 determines the total amount of gas to be introduced into the sealed chamber 3a based on at least one of the beam loss rate obtained from the measurements of the current monitors 15a and 15b and the degree of vacuum in the sealed chamber 3a obtained from the measurements of the vacuum gauge 16. Therefore, in this embodiment, the control device 14 adjusts the flow rate ratio of the gases introduced from each gas inlet 12 while keeping the determined total amount of introduced gas constant based on the measurements of each measuring device 13.
このように、本実施形態では、荷電粒子ビーム1の周方向において空間電荷量(すなわちビーム発散量)のばらつきが生じたとしても、制御装置14の制御により、空間電荷量が多い位置に対応するガス導入口12から、より多くのガスが導入されることになる。ガス導入口12から密閉チャンバ3a内に導入されたガスは、当該ガス導入口12の近辺においてより濃度が高くなる。つまり、空間電荷量が多い位置に対応するガス導入口12から、より多くのガスを導入することで、空間電荷量が多い位置においてガスの濃度を高くし、空間電荷量が少ない位置においてガスの濃度を低くするという状態を形成することができる。すなわち、空間電荷量が多くビーム発散量が多い位置には、より多くの電子を導入してより強く荷電粒子ビーム1の発散を抑制することができる。これにより、荷電粒子ビーム1の周方向における空間電荷量のばらつきが低減され、荷電粒子ビームの周方向におけるビーム発散量のばらつきが低減される。 In this embodiment, even if the amount of space charge (i.e., the amount of beam divergence) varies in the circumferential direction of the charged particle beam 1, more gas is introduced from the gas inlet 12 corresponding to the position where the amount of space charge is large, by the control of the control device 14. The gas introduced into the sealed chamber 3a from the gas inlet 12 has a higher concentration in the vicinity of the gas inlet 12. In other words, by introducing more gas from the gas inlet 12 corresponding to the position where the amount of space charge is large, a state can be created in which the gas concentration is high at the position where the amount of space charge is large and the gas concentration is low at the position where the amount of space charge is small. In other words, more electrons can be introduced into the position where the amount of space charge is large and the amount of beam divergence is large, thereby more strongly suppressing the divergence of the charged particle beam 1. This reduces the variation in the amount of space charge in the circumferential direction of the charged particle beam 1, and reduces the variation in the amount of beam divergence in the circumferential direction of the charged particle beam.
次に、本実施形態による空間電荷中和のための導入ガス流量調整処理のフローを図3を参照しつつ説明する。 Next, the flow of the process for adjusting the introduced gas flow rate to neutralize space charge according to this embodiment will be explained with reference to Figure 3.
最初に、制御装置14は、電流モニタ15a,15bの測定値に基づいてビーム損失率を演算する。また、制御装置14は、真空計16の測定値を読み取りって密閉チャンバ3aの真空度を取得する(ステップS101)。 First, the control device 14 calculates the beam loss rate based on the measured values of the current monitors 15a and 15b. The control device 14 also reads the measured value of the vacuum gauge 16 to obtain the degree of vacuum in the sealed chamber 3a (step S101).
次いで、制御装置14は、ステップS101で取得したビーム損失率及び真空度が、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S102)。 Next, the control device 14 determines whether the beam loss rate and vacuum degree obtained in step S101 are within a preset tolerance range (step S102).
ステップS102において許容範囲内ではないと判定された場合は、ステップS103に進み、制御装置14は、測定したビーム損失率及び真空度に対して、予め設定された導入ガスの総量になるように流量調整器11を制御して、導入ガスの流量を調整する。 If it is determined in step S102 that the measured beam loss rate and vacuum level are not within the acceptable range, the process proceeds to step S103, where the control device 14 controls the flow regulator 11 to adjust the flow rate of the introduced gas so that the total amount of introduced gas is a preset amount based on the measured beam loss rate and vacuum level.
ステップS102において許容範囲内であると判定された場合は、制御装置14は、複数の測定器13の測定値に基づいて、荷電粒子ビーム1の径方向毎の発散ビーム8の量を測定する(ステップS104)。 If it is determined in step S102 that the amount is within the acceptable range, the control device 14 measures the amount of divergent beam 8 in each radial direction of the charged particle beam 1 based on the measured values of the multiple measuring instruments 13 (step S104).
次に、ステップS104で測定した発散ビーム8の量の径方向依存性(すなわち、各径方向間におけるビーム発散量の差)が許容範囲内に収まっているか否かを判定する(ステップS105)。 Next, it is determined whether the radial dependency of the amount of divergent beam 8 measured in step S104 (i.e., the difference in the amount of beam divergence between each radial direction) is within an acceptable range (step S105).
ステップS105において、許容範囲内ではないと判定された場合は、ステップS106に進み、制御装置14は、発散ビーム8の量の径方向依存性を基に、予め設定した導入ガスの流量比になるように流量調整器11を制御して、各ガス導入口12から導入されるガスの流量を調整する。 If it is determined in step S105 that the amount is not within the acceptable range, the process proceeds to step S106, where the control device 14 controls the flow regulator 11 based on the radial dependency of the amount of the diverging beam 8 so that a preset flow rate ratio of the introduced gas is achieved, thereby adjusting the flow rate of the gas introduced from each gas inlet 12.
ステップS105において、許容範囲内であると判定された場合は導入ガスの流量調整を終了する。 If it is determined in step S105 that the flow rate is within the acceptable range, the flow rate adjustment of the introduced gas is terminated.
<第2実施形態>
第1実施形態では空間電荷中和剤としてガスを用いていたが、第2実施形態では、空間電荷中和剤として電子ビーム(電子)又はイオンビームを用いる。第1実施形態では、ガスを荷電粒子ビーム1に衝突させることで、ガスから電子又はイオンを得ていたが、第2実施形態では、空間電荷を中和するための電子又はイオンを直接密閉チャンバ3a内に導入するものである。図4に沿って、第2実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置3’を説明する。なお、第2実施形態の説明においては、図1及び2と同じ構成には同一の符号を示し、その説明は省略する。
Second Embodiment
In the first embodiment, a gas is used as the space charge neutralizer, but in the second embodiment, an electron beam (electrons) or an ion beam is used as the space charge neutralizer. In the first embodiment, electrons or ions are obtained from a gas by colliding the gas with a charged particle beam 1, but in the second embodiment, electrons or ions for neutralizing the space charge are directly introduced into a sealed chamber 3a. A charged particle beam transport device 3' according to the second embodiment will be described with reference to FIG. 4. In the description of the second embodiment, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
図4は、第2実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置3’を含む線形加速器の構成概略図である。荷電粒子ビーム輸送装置3’は、第1実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置3に比して、ガスボンベ10、流量調整器11、複数のガス導入口12に代えて、複数のビーム照射装置17が設けられる。なお、図4には、真空計16が示されていないが、第2実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置3’も真空計を有していてもよい。 Figure 4 is a schematic diagram of a linear accelerator including a charged particle beam transport device 3' according to the second embodiment. Compared to the charged particle beam transport device 3 according to the first embodiment, the charged particle beam transport device 3' is provided with multiple beam irradiation devices 17 instead of the gas cylinder 10, flow regulator 11, and multiple gas inlets 12. Although the vacuum gauge 16 is not shown in Figure 4, the charged particle beam transport device 3' according to the second embodiment may also have a vacuum gauge.
以下、荷電粒子ビーム1が正電荷を有しており、ビーム照射装置17から電子ビームが照射される例について説明する。ビーム照射装置17は、電子ビーム19を生成する電子銃18、電子銃18からの電子ビーム19を加速する複数の電極20、及び、電子ビーム19の出口である、中和剤放出口としてのビーム照射口17aを含んで構成される。電極20を静電レンズとして、電子ビームを収束させる構成であってもよい。ビーム照射装置17は、制御装置21からの指示に応じて、ビーム照射口17aから照射する電子の量を調整することが可能となっている。すなわち、第2実施形態では、ビーム照射装置17が中和剤流量調整器としての機能を発揮する。 Below, an example will be described in which the charged particle beam 1 has a positive charge and an electron beam is irradiated from the beam irradiation device 17. The beam irradiation device 17 includes an electron gun 18 that generates an electron beam 19, a plurality of electrodes 20 that accelerate the electron beam 19 from the electron gun 18, and a beam irradiation port 17a that is the exit of the electron beam 19 and serves as a neutralizing agent discharge port. The electrode 20 may be configured as an electrostatic lens to converge the electron beam. The beam irradiation device 17 is capable of adjusting the amount of electrons irradiated from the beam irradiation port 17a in response to an instruction from the control device 21. That is, in the second embodiment, the beam irradiation device 17 functions as a neutralizing agent flow regulator.
複数のビーム照射装置17(より具体的にはビーム照射口17a)は、密閉チャンバ3a内における荷電粒子ビーム1の経路の側方であって、荷電粒子ビーム1の互いに異なる径方向に設けられる。すなわち、第2実施形態においては、図2に示す第1実施形態のガス導入口12がビーム照射口17aに置き換わった構造であると言える。 The multiple beam irradiation devices 17 (more specifically, the beam irradiation ports 17a) are provided on the sides of the path of the charged particle beam 1 in the sealed chamber 3a, in different radial directions of the charged particle beam 1. That is, in the second embodiment, the gas inlet port 12 of the first embodiment shown in FIG. 2 is replaced with the beam irradiation port 17a.
第2実施形態でも、制御装置21は、複数の測定器13の測定結果に基づいて、複数のビーム照射装置17を制御して、複数のビーム照射口17aから密閉チャンバ3a内に照射される電子の量を調整する。具体的には、測定器13が測定したビーム発散量が大きい程、当該測定器13に対応するビーム照射口17aから照射される電子の量を多くし、測定器13が測定したビーム発散量が少ない程、当該測定器13に対応するビーム照射口17aから照射される電子の量を少なくする。荷電粒子ビーム1の周方向における空間電荷量がばらついており、荷電粒子ビーム1の周方向におけるビーム発散量が異なるならば、複数のビーム照射口17aからは、互いに異なる量の電子が密閉チャンバ3a内に照射されることになる。 In the second embodiment, the control device 21 also controls the multiple beam irradiation devices 17 based on the measurement results of the multiple measuring devices 13 to adjust the amount of electrons irradiated from the multiple beam irradiation ports 17a into the sealed chamber 3a. Specifically, the larger the amount of beam divergence measured by the measuring device 13, the larger the amount of electrons irradiated from the beam irradiation port 17a corresponding to the measuring device 13 is, and the smaller the amount of beam divergence measured by the measuring device 13, the smaller the amount of electrons irradiated from the beam irradiation port 17a corresponding to the measuring device 13 is. If the amount of space charge in the circumferential direction of the charged particle beam 1 varies and the amount of beam divergence in the circumferential direction of the charged particle beam 1 differs, different amounts of electrons will be irradiated into the sealed chamber 3a from the multiple beam irradiation ports 17a.
具体的には、荷電粒子ビーム輸送装置3’が有するメモリ(不図示)には、予め、測定器13で測定した荷電粒子ビーム1の発散量と、ビーム照射口17aから密閉チャンバ3a内に照射される電子の量との関係を示す変換テーブルが記憶される。制御装置14は、当該変換テーブルを参照しつつ、各測定器13の測定値に基づいて、各ビーム照射口17aから照射する電子の量を決定する。なお、第2実施形態でも、電流モニタ15a,15bの測定値から得られるビーム損失率、及び、真空計16の測定値から得られる密閉チャンバ3a内の真空度の少なくとも一方に基づいて決定した照射電子の総量を一定に保ちつつ、各測定器13の測定値に基づいて、それぞれのビーム照射口17aから導入する電子の量の比を調整する。 Specifically, a conversion table showing the relationship between the amount of divergence of the charged particle beam 1 measured by the measuring device 13 and the amount of electrons irradiated from the beam irradiation port 17a into the sealed chamber 3a is stored in advance in a memory (not shown) of the charged particle beam transport device 3'. The control device 14 determines the amount of electrons to be irradiated from each beam irradiation port 17a based on the measurement value of each measuring device 13 while referring to the conversion table. Note that, in the second embodiment, the total amount of irradiated electrons determined based on at least one of the beam loss rate obtained from the measurement value of the current monitors 15a and 15b and the degree of vacuum in the sealed chamber 3a obtained from the measurement value of the vacuum gauge 16 is kept constant, and the ratio of the amount of electrons introduced from each beam irradiation port 17a is adjusted based on the measurement value of each measuring device 13.
ビーム照射装置17は、比較的緩やかな勢いでビーム照射口17aから密閉チャンバ3a内に電子ビームを照射する。したがって、密閉チャンバ3a内に導入された電子は、当該ビーム照射口17aの近辺においてより濃度が高くなる。つまり、空間電荷量が多い位置に対応するビーム照射口17aから、より多くの電子を導入することで、空間電荷量が多い位置において電子の濃度を高くし、空間電荷量が少ない位置において電子の濃度を低くするという状態を形成することができる。すなわち、空間電荷量が多くビーム発散量が多い位置には、より多くの電子を導入してより強く荷電粒子ビーム1の発散を抑制することができる。これにより、荷電粒子ビーム1の周方向における空間電荷量(すなわち荷電粒子ビーム1のビーム発散量)のばらつきが低減される。 The beam irradiation device 17 irradiates the electron beam from the beam irradiation port 17a into the sealed chamber 3a at a relatively gentle rate. Therefore, the electrons introduced into the sealed chamber 3a have a higher concentration in the vicinity of the beam irradiation port 17a. In other words, by introducing more electrons from the beam irradiation port 17a corresponding to the position where the amount of space charge is large, a state can be created in which the electron concentration is high at the position where the amount of space charge is large and the electron concentration is low at the position where the amount of space charge is small. In other words, by introducing more electrons into the position where the amount of space charge is large and the amount of beam divergence is large, the divergence of the charged particle beam 1 can be more strongly suppressed. This reduces the variation in the amount of space charge (i.e., the amount of beam divergence of the charged particle beam 1) in the circumferential direction of the charged particle beam 1.
なお、荷電粒子ビーム1が負電荷を有する荷電粒子から成る場合、ビーム照射装置17から正電荷を持つ陽イオンビームを照射することで、空間電荷効果を低減することができる。 When the charged particle beam 1 is composed of negatively charged charged particles, the space charge effect can be reduced by irradiating a positively charged cation beam from the beam irradiation device 17.
また、ビーム照射装置17に代えて、中和剤放出口としてのプラズマ照射口を有するプラズマ導入装置を設け、電子又はイオンに代えて、陽イオンと電子を含む、空間電荷中和剤としてのプラズマを密閉チャンバ3a内に導入するようにしてもよい。この場合でも、プラズマ導入装置は、制御装置21からの指示に応じて、プラズマ照射口から照射するプラズマの量を調整することが可能となっており、プラズマ導入装置が中和剤流量調整器としての機能を発揮する。 In addition, instead of the beam irradiation device 17, a plasma introduction device having a plasma irradiation port as a neutralizing agent discharge port may be provided, and plasma containing positive ions and electrons as a space charge neutralizing agent instead of electrons or ions may be introduced into the sealed chamber 3a. Even in this case, the plasma introduction device is capable of adjusting the amount of plasma irradiated from the plasma irradiation port in response to instructions from the control device 21, and the plasma introduction device functions as a neutralizing agent flow rate regulator.
これによれば、荷電粒子ビーム1が正電荷を有する場合、プラズマに含まれる電子によって空間電荷が中和され、荷電粒子ビーム1が負電荷を有する場合、プラズマに含まれる陽イオンによって空間電荷が中和される。つまり、プラズマを導入する空間電荷低減法は、正電荷、負電荷どちらの荷電粒子ビーム1にも適用可能である。 According to this, when the charged particle beam 1 has a positive charge, the space charge is neutralized by the electrons contained in the plasma, and when the charged particle beam 1 has a negative charge, the space charge is neutralized by the positive ions contained in the plasma. In other words, the space charge reduction method that introduces plasma can be applied to both positively and negatively charged charged particle beams 1.
なお、第1実施形態あるいは第2実施形態で説明した線形加速器で生成され加速された荷電粒子ビーム1は、種々の目的で利用することができる。例えば、本発明によって発散が抑制された荷電粒子ビーム1を、核融合発電を行う核融合システム(あるいは核融合炉)に適用することができる。この場合、本発明に係る荷電粒子ビーム輸送装置3は、当該核融合システムの一部を構成する装置となる。また、本発明によって発散が抑制された荷電粒子ビーム1を、粒子線治療を行う粒子線治療システムに適用することができる。この場合、本発明に係る荷電粒子ビーム輸送装置3は、当該粒子線治療システムの一部を構成する装置となる。そのような粒子線治療システムにおいては、例えば、本発明に係る荷電粒子ビーム輸送装置3からの荷電粒子ビーム1がシンクロトロンなどに入力されて、さらに加速された荷電粒子ビーム1が治療対象物(例えば癌細胞)に照射される。 The charged particle beam 1 generated and accelerated by the linear accelerator described in the first or second embodiment can be used for various purposes. For example, the charged particle beam 1 whose divergence is suppressed by the present invention can be applied to a nuclear fusion system (or a nuclear fusion reactor) that generates nuclear fusion power. In this case, the charged particle beam transport device 3 according to the present invention is a device that constitutes a part of the nuclear fusion system. Also, the charged particle beam 1 whose divergence is suppressed by the present invention can be applied to a particle beam therapy system that performs particle beam therapy. In this case, the charged particle beam transport device 3 according to the present invention is a device that constitutes a part of the particle beam therapy system. In such a particle beam therapy system, for example, the charged particle beam 1 from the charged particle beam transport device 3 according to the present invention is input to a synchrotron or the like, and the further accelerated charged particle beam 1 is irradiated to a treatment target (e.g., cancer cells).
1 荷電粒子ビーム、2 荷電粒子ビーム発生装置、3 荷電粒子ビーム輸送装置、3a 密閉チャンバ、4 プラズマ、5 引き出し電極、6 収束コイル、7 後段加速器、8 発散ビーム、9 吸収体、10 ガスボンベ、11 流量調整器、12 ガス導入口、13 測定器、14,21 制御装置、15a,15b 電流モニタ、16 真空計、17 ビーム照射装置、17a ビーム照射口、18 電子銃、19 電子ビーム、20 電極。
REFERENCE SIGNS LIST 1 Charged particle beam, 2 Charged particle beam generator, 3 Charged particle beam transport device, 3a Sealed chamber, 4 Plasma, 5 Extraction electrode, 6 Converging coil, 7 Post-accelerator, 8 Diverging beam, 9 Absorber, 10 Gas cylinder, 11 Flow regulator, 12 Gas inlet, 13 Measuring device, 14, 21 Control device, 15a, 15b Current monitor, 16 Vacuum gauge, 17 Beam irradiation device, 17a Beam irradiation port, 18 Electron gun, 19 Electron beam, 20 Electrode.
Claims (7)
密閉チャンバ内における荷電粒子ビームの経路の側方であって、前記荷電粒子ビームの互いに異なる径方向に設けられた、前記荷電粒子ビームの発散量を測定する複数の測定器と、
前記荷電粒子ビームの経路の側方であって、前記複数の測定器に対応して前記荷電粒子ビームの互いに異なる径方向に設けられ、空間電荷を中和する空間電荷中和剤を前記荷電粒子ビームに対して放出する複数の中和剤放出口と、
前記複数の中和剤放出口からそれぞれ前記荷電粒子ビームに向かって放出される前記空間電荷中和剤の量を調整するための中和剤流量調整器と、
前記複数の測定器の測定結果に基づいて、前記中和剤流量調整器を制御し、前記複数の中和剤放出口から互いに異なる量の前記空間電荷中和剤を前記荷電粒子ビームに向かって放射させる制御装置と、
を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。 A charged particle beam transport device in a linear accelerator, comprising:
a plurality of measuring devices for measuring the divergence of the charged particle beam, the measuring devices being disposed on the sides of a path of the charged particle beam in a sealed chamber and in different radial directions of the charged particle beam;
a plurality of neutralizing agent outlets, which are provided on the sides of a path of the charged particle beam in different radial directions of the charged particle beam corresponding to the plurality of measuring devices, and which discharge a space charge neutralizing agent for neutralizing a space charge into the charged particle beam;
a neutralizing agent flow rate regulator for regulating an amount of the space charge neutralizing agent discharged from each of the plurality of neutralizing agent discharge ports toward the charged particle beam;
a control device that controls the neutralizing agent flow regulator based on the measurement results of the plurality of measuring devices to emit different amounts of the space charge neutralizing agent from the plurality of neutralizing agent outlets toward the charged particle beam;
A charged particle beam transport device comprising:
前記制御装置は、前記測定器で測定した前記荷電粒子ビームの発散量と、前記荷電粒子ビームに向かって放出される前記空間電荷中和剤の量との関係を示す変換テーブルを参照して、各前記中和剤放出口から放出される前記空間電荷中和剤の量を決定する、
ことを特徴とした荷電粒子ビーム輸送装置。 2. The charged particle beam transport apparatus according to claim 1,
the control device determines the amount of the space charge neutralizing agent to be discharged from each of the neutralizing agent discharge ports by referring to a conversion table showing a relationship between the amount of divergence of the charged particle beam measured by the measuring device and the amount of the space charge neutralizing agent to be discharged toward the charged particle beam;
A charged particle beam transport device characterized by:
前記荷電粒子ビームの総電流量を測定する第1電流検出器と、
前記第1電流検出器よりも前記荷電粒子ビームの経路の下流側において前記荷電粒子ビームの総電流量を測定する第2電流検出器と、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記第1電流検出器が測定した総電流量と、前記第2電流検出器が測定した総電流量との差分に応じて、前記複数の中和剤放出口から放出される前記空間電荷中和剤の総放出量を決定する、
ことを特徴とした荷電粒子ビーム輸送装置。 3. The charged particle beam transport apparatus according to claim 1,
a first current detector for measuring a total current of the charged particle beam;
a second current detector that is disposed downstream of the first current detector in a path of the charged particle beam and that measures a total current amount of the charged particle beam;
Further equipped with
The control device determines a total amount of the space charge neutralizing agent to be released from the plurality of neutralizing agent release ports according to a difference between a total amount of current measured by the first current detector and a total amount of current measured by the second current detector.
A charged particle beam transport device characterized by:
前記密閉チャンバ内の真空度を測定する真空計と、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記真空計が測定した前記真空度に応じて、前記複数の中和剤放出口から放出される前記空間電荷中和剤の総放出量を決定する、
ことを特徴とした荷電粒子ビーム輸送装置。 4. The charged particle beam transport apparatus according to claim 1,
a vacuum gauge for measuring the degree of vacuum in the sealed chamber;
Further equipped with
The control device determines a total amount of the space charge neutralizer to be released from the plurality of neutralizer release ports in accordance with the degree of vacuum measured by the vacuum gauge.
A charged particle beam transport device characterized by:
前記中和剤放出口は、前記空間電荷中和剤としてのガスを前記荷電粒子ビームに対して導入するガス導入口である、
ことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。 2. The charged particle beam transport system according to claim 1,
the neutralizing agent outlet is a gas inlet for introducing a gas as the space charge neutralizing agent into the charged particle beam;
A charged particle beam transport device comprising:
前記中和剤放出口は、前記空間電荷中和剤としての電子ビーム又はイオンビームを前記荷電粒子ビームに照射するビーム照射口である、
ことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。 2. The charged particle beam transport system according to claim 1,
The neutralizer discharge port is a beam irradiation port that irradiates the charged particle beam with an electron beam or an ion beam as the space charge neutralizer.
A charged particle beam transport device comprising:
前記中和剤放出口は、前記空間電荷中和剤としてのプラズマを前記荷電粒子ビームに照射するプラズマ照射口である、
ことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。
2. The charged particle beam transport system according to claim 1,
The neutralizer discharge port is a plasma irradiation port that irradiates plasma as the space charge neutralizer to the charged particle beam.
A charged particle beam transport device comprising:
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