重粒子線治療用重粒子イオン発生装置
【課題】重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することができる重粒子線治療用重粒子イオン発生装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る重粒子線治療用重粒子イオン発生装置は、レーザ光の照射によってプラズマを発生する物質と、物質を収納する容器と、レーザ光を発生するレーザ光源と、物質上に前記レーザ光の焦点が形成されるようにレーザ光を集光する集光手段と、物質から発生したプラズマから重粒子イオンをクーロン力によって引き出し、容器の外部に送り出す電極手段と、物質から発生するプラズマを観測し、物質に接する領域のプラズマ径からレーザ光の集光径を求める観測手段と、物質の位置または集光手段の位置を調節する位置調節手段と、観測手段で求めた集光径が所定の基準集光径となるように、位置調節手段による物質の位置調節を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る重粒子線治療用重粒子イオン発生装置は、レーザ光の照射によってプラズマを発生する物質と、物質を収納する容器と、レーザ光を発生するレーザ光源と、物質上に前記レーザ光の焦点が形成されるようにレーザ光を集光する集光手段と、物質から発生したプラズマから重粒子イオンをクーロン力によって引き出し、容器の外部に送り出す電極手段と、物質から発生するプラズマを観測し、物質に接する領域のプラズマ径からレーザ光の集光径を求める観測手段と、物質の位置または集光手段の位置を調節する位置調節手段と、観測手段で求めた集光径が所定の基準集光径となるように、位置調節手段による物質の位置調節を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重粒子線治療用重粒子イオン発生装置に係り、特に、レーザ光を用いて重粒子イオンを発生する重粒子線治療用重粒子イオン発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、重粒子線治療装置における重粒子イオン発生方法として、従来のマイクロ波放電による重粒子イオンの発生装置に代わり、装置全体の小型化および省電力化が可能なレーザ励起プラズマによる重粒子イオンの発生方法が知られている。
【０００３】
このようなレーザ励起プラズマによる重粒子イオンの発生方法は、図１０に示すように、容器１００の内部に設置された固体ターゲット１０１に、レーザ光源１０２で生成した短パルスレーザ光を照射してプラズマを生成する。そして、短パルスレーザ光によって生成されたプラズマの電子温度が低下する前に後続の短パルスレーザ光を照射して電子を加熱し、加熱された電子によってプラズマ中に重粒子イオンを生成する（例えば、特許文献１、２等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２５４４２３６号明細書
【特許文献２】特許第３２７０２１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の重粒子イオン発生方法は、プラズマ中の電子及びイオンの分布が空間的および時間的に不安定であるため、プラズマから生成される重粒子イオンの数が安定せず、必要数の重粒子イオンが得られないという課題がある。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能な重粒子線治療用重粒子イオン発生装置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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る重粒子線治療用重粒子イオン発生装置は、レーザ光の照射によってプラズマを発生する物質と、前記物質を真空環境下で収納する容器と、前記容器に設けられた窓を通して前記物質に照射するパルス状のレーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源と前記窓の間に配設され、前記物質上に前記レーザ光の焦点が形成されるように前記レーザ光を集光する集光手段と、前記レーザ光の照射によって前記物質から発生したプラズマから重粒子イオンをクーロン力によって引き出し、前記容器の外部に送り出す電極手段と、前記物質から発生するプラズマを観測し、前記物質に接する領域のプラズマ径から前記レーザ光の集光径を求める観測手段と、前記物質の位置または前記集光手段の位置を調節する位置調節手段と、前記観測手段で求めた前記集光径が所定の基準集光径となるように、前記位置調節手段による前記物質の位置調節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】
【０００８】
本発明に係る重粒子線治療用重粒子イオン発生装置によれば、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】重粒子線治療装置の構成例を示す図。
【図２】第１の実施形態に係る重粒子イオン発生装置の構成例を示す図。
【図３】電極手段と電源の構成例を示す図。
【図４】シャッタ手段の一例を示す図。
【図５】位置調節手段の一例を示す図。
【図６】集光径を求めるためのプラズマ径の説明図。
【図７】第２の実施形態に係る重粒子イオン発生装置の構成例を示す図。
【図８】ビーム扁平手段の一例を示す図。
【図９】回折光観測手段による回折長測定の概念図。
【図１０】従来の重粒子イオン発生方法の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る重粒子線治療用重粒子イオン発生装置１（以下、重粒子イオン発生装置１という）を、添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
（重粒子線治療装置）
図１は、本発明の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１を具備する重粒子線治療装置３００の構成例を示した図である。重粒子線治療装置３００は、重粒子イオン発生装置１、加速器４０、Ｘ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂ、真空ダクト３１、線量モニタ部５０、リッジフィルタ６０、レンジシフタ７０、コントローラ８０等を備えて構成されている。
【００１２】
重粒子線治療装置３００は、重粒子イオン発生装置１で発生させる重粒子イオンを加速器４０で高速に加速して粒子線ビームを生成し、この粒子線ビームを患者２００の患部（腫瘍細胞）２０１に向けて照射して重粒子イオンを作用させて治療を行う装置である。重粒子線治療装置３００では、患部２０１を３次元の格子点に離散化し、各格子点に対して細い径の粒子線ビームを順次走査する３次元スキャニング照射法を実施することが可能である。具体的には、患部２０１を粒子線ビームの軸方向（図１右上に示す座標系におけるＺ軸方向）にスライスと呼ばれる平板状の単位で分割し、分割したスライスＺi、スライスＺi+1、スライスＺi+2等の各スライスの２次元格子点（図１右上に示す座標系におけるＸ軸及びＹ軸方向の格子点）を順次走査することによって３次元スキャニングを行っている。
【００１３】
重粒子イオン発生装置１で発生させた重粒子イオンを、シンクロトロン等の加速器４０よって患部２０１の奥深くまで到達できるエネルギーまで加速して粒子線ビームを生成している。
【００１４】
Ｘ方向に走査するＸ用電磁石３０ａとＹ方向に走査するＹ用電磁石３０ｂは、粒子線ビームをＸ方向及びＹ方向に偏向させ、スライス面上を２次元で走査する。レンジシフタ７０は、患部２０１のＺ軸方向の位置を制御する。レンジシフタ７０は、例えば複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらのアクリル板を組み合わせることによってレンジシフタ７０を通過する粒子線ビームのエネルギー、即ち体内飛程を患部２０１スライスのＺ軸方向の位置に応じて段階的に変化させることができる。レンジシフタ７０による体内飛程の大きさは通常等間隔で変化するように制御され、この間隔がＺ軸方向の格子点の間隔に相当する。なお、体内飛程の切り替え方法としては、レンジシフタ７０のように粒子線ビームの径路上に減衰用の物体を挿入する方法のほか、上流機器の制御によって粒子線ビームのエネルギー自体を変更する方法でもよい。
【００１５】
リッジフィルタ６０は、ブラッグピークと呼ばれる体内深さ方向における線量のシャープなピークを拡散させるために設けられている。ここで、リッジフィルタ６０によるブラッグピークの拡散幅は、スライスの厚み、即ちＺ軸方向の格子点の間隔と等しくなるように設定される。３次元スキャニング照射用のリッジフィルタ６０は、断面が略２等辺三角形のアルミニウム棒状部材を複数並べて構成している。粒子線ビームが２等辺三角形を通過する際に生じる径路長の差異によってブラッグピークのピークを拡散させることが可能であり、２等辺三角形の形状によって拡散幅を所望の値に設定することができる。
【００１６】
線量モニタ部５０は、照射する線量をモニタするためのものであり、その筐体内に、粒子線の電離作用によって生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、筐体内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するＳＥＭ（Secondary Electron Monitor）装置等によって構成されている。
【００１７】
（第１の実施形態に係る重粒子イオン発生装置）
図２は、第１の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１の構成例を示す図である。重粒子イオン発生装置１は、窓２３を有する容器２２、容器２２内部に設置される物質２、パルス状のレーザ光Ｌを発生するレーザ光源３、ビーム径調節手段４、集光手段５、偏向手段６、電極手段７、シャッタ手段８、観測手段９、集光径演算部１０、焦点位置調節手段１１、制御部１２等を備えて構成される。
【００１８】
容器２２は、耐食性や耐薬品性に優れ、さらに放出ガスが少ない材料、例えばステンレス鋼など、から形成れる。容器２２は真空ポンプ及び真空計を備えており、その内部は真空環境に設定される。真空ポンプは、ロータリーポンプ、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンポンプなどが用いられ、２つ以上のポンプを組み合わせてもよい。他方、真空計は、熱電対真空計やピラニ真空計などの熱伝導真空計、ペニング真空計および電離真空計などが用いられ、こちらも２つ以上の真空計を組み合せてもよい。
【００１９】
容器２２には、レーザ光Ｌを透過させるための窓２３が設けられており、窓２３は、例えば、石英、溶融石英、ＢＫ７などの材料から形成される。
【００２０】
物質２は、高密度のレーザ光Ｌを照射するとプラズマを発生する物質であり、例えば、炭素やシリコン、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素等である。プラズマ内にある重粒子イオンＨは容器２２の外部に引き出され、さらに加速器４０によって加速されて重粒子イオンビームが形成される。重粒子イオンビームは、そのエネルギーによって人体内への侵入深さが決まり、停止直前にエネルギーを急激に放出する。この現象はブラック・ピークと呼ばれ、重粒子線治療ではこの現象を利用する。加速器４０を用いて重粒子のエネルギーを調節して腫瘍細胞の位置で重粒子イオンビームを停止させることにより、体表面から腫瘍細胞に至るまでの正常細胞には影響を与えることなく、目的の腫瘍細胞にのみ重粒子イオンを作用させて治療することが可能となる。また、重粒子イオンＨについては、加速器４０から高いエネルギーを得ることができることから高い価数のイオンが適する。
【００２１】
レーザ光源３は、容器２２に設けられた窓２３を通して物質２に照射するパルス状のレーザ光を発生するパルスレーザである。本実施形態におけるレーザ光源３用のレーザとしては、XeCl, XeF, KrF, ArF等の紫外波長のエキシマレーザ、TEA CO2レーザ、Q-switch YAGレーザ等が適用可能である。短波長のほうが集光時の直径を小さくできるため、例えば、YAGレーザの場合、非線形光学結晶を用いて高調波に波長変換して適用してもよい。なお、レーザ光源の横モードや縦モード、偏光状態、円形や楕円形或いは方形のビーム形状等については、適宜選択可能である。
【００２２】
ビーム径調節手段４は、レーザ光Ｌの直径を拡大または縮小する光学素子であり、凹面や凸面、非球面のレンズや反射鏡等の光学系から構成される。
【００２３】
集光手段５は、レーザ光Ｌを回折限界まで集光する光学素子であり、凹面の反射鏡、フレネルレンズ、回折限界まで集光可能なレンズ等の光学系から構成される。レンズとしては、例えば、アクロマティックレンズ、アポクロマティックレンズ、屈折率分布型レンズ、非球面レンズなどが適用できる。この時、レンズの焦点位置における回折限界の集光直径ｄは、式(1)によって表すことができる。
ｄ＝ｋ・λ・Ｆ (1)
ここで、ｋは定数、λはレーザ光の波長、ＦはＦ値である。
【００２４】
偏向手段６は、音響光学効果によってレーザ光の進行方向を変える光学素子であり、式(2)に示すように加える周波数ｆに比例してレーザ光を偏向(偏向角θ)することができる。
θ＝（λｆ）／（２υ） (2)
ここで、λはレーザ光の波長、υは音速度である。
【００２５】
電極手段７は、レーザ光Ｌの物質２への照射によって生じたプラズマから重粒子イオンを引き出す手段である。電極手段７にはマイナスの電圧が印加され、プラズマ中の電子をクーロン力により阻止する一方、プラスイオンである重粒子イオンをクーロン力によって引き出し、後段へ輸送する。図３に示すように、電極手段７には電源１３のマイナス極が接続される。電源１３は、直流電源でもよく、また交流を直流に変換する電源でもよい。交流の場合の波形は、正弦波、矩形波、三角波のいずれでもよい。
【００２６】
シャッタ手段８は、容器２２の内側であって、窓２３に隣接して設けられるシャッタ機構である。レーザ光Ｌのパルスのオン、オフに同期して窓２３を開閉し、パルスがオンの期間は窓２３を開いてレーザ光Ｌを容器２２の内部へ通過させる。一方、パルスがオフの期間は窓２３を閉じることにより、物質２から発生するプラズマ中の重粒子イオンが窓２３に付着することを防止している。
【００２７】
図４は、シャッタ手段８の一例を示す図である。シャッタ手段８は、例えば、回転中心の回りを回転する円盤状の機構と図示しないモータ等で構成される。円盤は放射状の多数のスロット１４を有しており、スロット１４以外の領域が遮蔽部１３となる。スロット１４が窓２３の位置を通るとき、レーザ光Ｌが窓２３から容器２２の内部に通過する。それ以外の期間は、遮蔽部１３が窓２３を容器２２の内側から覆い、重粒子イオンの窓２３への付着を防止する。シャッタ手段８は、図４の形状や構成に限定されるものではなく、遮蔽部１３とスロット１４（開口部）が交互に繰り返す構造であればどんな構造でも可能である。
【００２８】
観測手段９は、プラズマの２次元画像を観測する観測装置であり、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ、或いは映像増倍管を備えたＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ、ストリークカメラなどによって構成される。この他、観測手段９は、ＰＩＮフォトダイオード、光電子増倍管、アバランシュフォトダイオードなどの光検出器を１次元のライン状に並べて構成することもできる。また、観測手段９には、観測波長を選択する波長選択素子を備えてもよい。
【００２９】
集光径演算部１０は、観測手段９が出力するプラズマの２次元画像を入力し、２次元画像の輝度分布から物質２に近接するプラズマの径を求め、さらにこのプラズマ径に対応するレーザ光Ｌの集光直径（集光径、或いは焦点径）を求めて記憶する一方、その値を出力する装置である。集光径演算部１０は、例えば、プラズマの２次元画像を入力する入力部、集光径の解析及び記憶を行う解析記憶部、解析値を出力する出力部を備えたＰＣ（パーソナルコンピュータ）で構成される。ＰＣは、デスクトップＰＣ，ラップトップＰＣ，ノートＰＣ等の汎用ＰＣが適用可能である。なお、集光径演算部１０を観測手段９の一部として構成してもよい。
【００３０】
位置調節手段１１は、レーザ光の進行方向に対して物質２を移動させることによって、物質２上のレーザ光Ｌの焦点位置を調節する機構である。位置調節手段１１は、例えば、ピエゾ素子や電磁石などを具備した駆動機構として構成できる。或いは、図５に示すように、容器２２の外側に設置されたステッピングモータやサーボモータなどのモータ１５と支持機構１５ａ等によっても構成できる。
【００３１】
制御部１２は、集光径演算部１０（或いは観測手段９）が出力するレーザ光Ｌの集光径を入力し、その値から位置調節手段１１の移動量を求めて記憶する一方、その値を位置調節手段１１へ出力して物質２を移動させる装置である。例えば、集光径を集光径演算部１０（或いは観測手段９）から入力する入力部、位置調節手段１１の移動量について解析し記憶する解析記憶部、移動量を位置調節手段１１に出力する出力部を備えたＰＣで構成される。ＰＣは、集光径演算部１０と同様、デスクトップＰＣ，ラップトップＰＣ，ノートＰＣ等の汎用ＰＣが適用可能である。
【００３２】
（第１の実施形態の動作）
レーザによって励起されるプラズマ中の重粒子イオンの価数は、物質２へ集光照射されるレーザ光Ｌのエネルギー密度と正の相関があり、重粒子線治療に適する高い価数の重粒子イオンを安定して得るためには、高い集光密度を持ち、かつその集光密度が一定に保たれたレーザ光Ｌを物質２の表面上に集光照射する必要がある。
【００３３】
そこで、第１の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１は、上述した構成により以下のように動作する。
【００３４】
まず、物質２の表面上に集光照射するレーザ光Ｌの集光直径ｄを設定し、式(1)からＦ値を求める。そして、求めたＦ値を満足するようにビーム径調節手段４によってレーザ光Ｌのビーム直径が調節（拡大または縮小）され、その後集光手段５により集光される。同時に、レーザ光Ｌは、偏向手段６、および容器２２の窓２３を通過し、パルスがオンの期間はシャッタ手段８のスロット１４を通って容器２２内部に設置された物質２へ照射される。一方、パルスがオフの期間は、窓２３は、シャッタ手段８の遮蔽部１３によって遮断される。
【００３５】
なお、レーザ光Ｌが直線偏光の場合は、容器２２の窓２３へ入るパルスレーザ光Ｌの入射角度をブリュースター角に設定することにより窓表面の反射率が抑えられ、容器２２の内部へ入るレーザ光Ｌの透過率を向上させることができる。
【００３６】
物質２の照射部位には、集光直径ｄのレーザ光Ｌによって価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが発生する。そして、プラズマ中の電子は、マイナス電位に印加された電極手段７によるクーロン力によって阻止され、逆に、重粒子イオンＨは、クーロン力によって引き出されて後段へ輸送される。
【００３７】
一方、プラズマが膨張することによって重粒子イオンは容器２２の内部に広がるが、シャッタ手段８の遮蔽部１３によって遮断されるため、重粒子イオンが容器２２の窓２３に付着することがない。この結果、重粒子イオンが窓に付着することに起因するレーザ光Ｌの散乱および減衰が回避され、プラズマが不安定となることがない。
【００３８】
他方、観測手段９では、レーザ光源３の照射タイミングを時間基準として時間ゲート動作させることにより、図６に示すように物質２の照射部位に発生するプラズマＰの２次元画像が観測される。物質２に近接するプラズマＰの径は、レーザ光Ｌの集光直径ｄ’に対応する。そこで、集光径演算部１０では、観測された２次元画像の輝度値や輝度ヒストグラム分布に閾値設定を行い、レーザ光Ｌの集光直径ｄ’を求める。
【００３９】
求めた集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄと異なる場合には、制御部１２によって位置調節手段１１を調節して物質２をレーザ光の進行方向の前後に移動し、物質２の表面上の集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように制御する。この結果、レーザ光Ｌは、物質２の表面上において常に予め設定した集光直径ｄの焦点をもつようになり、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマを安定して発生することができる。
【００４０】
なお、物質２の同一部位に対してパルスレーザ光を集光照射し続け、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生することができない場合、偏向手段６によってレーザ光Ｌの偏向角を調節するようにしてもよい。偏向角を調節することによって物質２に対するレーザ光Ｌの集光照射位置が調節される。この場合、制御部１２は、偏向手段６に加える周波数ｆを調節して、物質２の表面上の集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように偏向角を制御する。この結果、物質２に対して常に集光直径ｄのパルスレーザ光を集光照射でき、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマを安定して発生することができる。
【００４１】
さらに、制御部１２は、物質２の表面上の集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように、ビーム径調節手段４によるレーザ光Ｌのビーム径の調節を制御してもよい。（第１の実施形態の効果）
第１の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１によれば、プラズマの２次元画像を観測して物質表面上におけるレーザ光Ｌの集光直径ｄ’を求め、集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように物質の位置を調節することにより、常に集光直径ｄのレーザ光Ｌを物質に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００４２】
また、レーザ光Ｌが容器２２の窓２３を通過した直後にシャッタ手段８の遮蔽部１３によって窓２３を遮断することにより、プラズマ中の重粒子イオンが容器２２の窓２３に付着してレーザ光Ｌが散乱や減衰を受けることを防止することができる。この結果、常に集光直径ｄのレーザ光Ｌを物質に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００４３】
さらに、レーザ光Ｌを偏向し、物質２に対するパルスレーザ光の集光照射位置を変えることにより、常に集光直径ｄのレーザ光Ｌを物質に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００４４】
（第２の実施形態に係る重粒子イオン発生装置）
図７は、第２の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１ａの構成例を示す図である。第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４５】
第２の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１ａは、第１の実施形態が具備する容器２２、物質２、レーザ光源３、ビーム径調節手段４、集光手段５、偏向手段６、電極手段７、シャッタ手段８、観測手段９、集光径演算部１０、焦点位置調節手段１１、および制御部１２に加えて、ビーム扁平手段１６、空間分布均一化手段１７、回折光観測手段１８、および集光レンズ移動手段１９を備えている。
【００４６】
ビーム扁平手段１６は、レーザ光Ｌの直径を一方向にのみ拡大または縮小する光学素子であり、シリンドリカルレンズや円筒形の反射鏡等の光学系で構成される。或いは、屈折効果を利用して、図８に示すようにプリズム２０を用いて構成することもできる。図８に示す例では、ビーム扁平手段１６に入力されるレーザ光Ｌの直交する２つの径が（Φin, Θin）であるときに、レーザ光Ｌの一方の径ΦのみをΦinからΦoutに拡大することにより、ビームの径の形状を円形から楕円形に扁平させている。ビーム扁平手段１６を、プリズム２０を用いて構成した場合、各々のプリズム２０に対するレーザ光の入射角をブリュースター角に設定することで、プリズム２０への入射時のレーザ光Ｌの反射ロスを低減することができる。
【００４７】
空間分布均一化手段１７は、レーザ光Ｌを空間分割し、各々のレーザ光に分ける光学素子であり、例えば、焦点距離ｆsの微小レンズを格子状に並べたレンズアレイにより構成される。空間分割されたパルスレーザ光は、集光手段５の焦点距離ｆlの集光レンズによって焦点位置において重ね合せられ、これによって焦点位置におけるパルスレーザ光のエネルギー密度を空間的に均一化できる。また、この時の合成焦点距離ftは、式(3)から求めることができる。
（１／ｆｔ）＝（１／ｆｓ）＋（１／ｆｌ）−（δ／（ｆｓ・ｆｌ）） (3)
ここで、δはレンズアレイと集光レンズの間の距離である。
【００４８】
なお、レンズアレイと構成は異なるが、積分球やカライドスコープも同様に作用するため、空間分布均一化手段１７として適用できる。
【００４９】
回折光観測手段１８は、物質２の表面粗さによって生じるパルスレーザ光の回折光を検出する検出器であり、ＰＩＮフォトダイオード、光電子増倍管、アバランシュフォトダイオードなどの光検出器を１次元のライン状に並べて構成される。また、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラなどの２次元センサによって回折光観測手段１８を構成することもできる。そして、回折光観測手段１８では、図９に示す回折光の長さＸが物質２の表面粗さと正の相関があることに基づき、回折光の長さＸによって表面粗さを判定する。
【００５０】
集光レンズ移動手段１９は、レーザ光の進行方向に対して集光手段５（集光レンズ等）を移動させる移動機構であり、ピエゾ素子や電磁石、或いはステッピングモータやサーボモータなどのモータによって構成される。
【００５１】
（第２の実施形態の動作）
第１の実施形態と同様に、レーザ光源３から照射されるレーザ光Ｌは、容器２２の窓２３を通って内部に設置された物質２へ照射されるが、レーザ光Ｌが物質２に対して斜めに照射されるため、物質２の表面上のビーム形状は楕円形となる。そこで、ビーム径調節手段４において直交２方向のビーム径が調節されたレーザ光Ｌに対し、ビーム扁平手段１６によって予め一方向(この場合は紙面に垂直方向)に所定量だけ扁平させる。この結果、物質２の表面上においてはビーム形状が円形になる。これにより、物質２に対して直交２方向とも集光直径ｄをもつ円形のレーザ光Ｌを集光照射することができる。なお、物質２に対してレーザ光Ｌを垂直に入射する構成も可能であり、この場合は物質２の表面上のビーム形状は円形であるため、ビーム扁平手段１６は不要である。
【００５２】
続いて、扁平されたパルスレーザ光は空間分布均一化手段１７のレンズアレイにおいて空間分割され、分割された各々のレーザ光Ｌは、集光手段５（集光レンズ等）により集光される一方、偏向手段６、容器２２の窓２３、およびシャッタ手段８のスロット１４を通って内部に設置された物質２へ照射される。これにより、物質２の照射部位では、空間分割された各々のパルスレーザ光が重ね合せられるため、エネルギー密度が高くかつ空間的に均一な集光直径ｄのパルスレーザ光が常に照射され、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが発生させることができる。
【００５３】
プラズマ中の重粒子イオンＨは、クーロン力によって引き出されて後段へ輸送される一方、観測手段９ではプラズマの２次元画像が観測され、レーザ光Ｌの集光直径ｄ’が求められる。そして、求められた集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄと異なる場合には、制御部１２は、集光レンズ移動手段１９によって集光手段５（集光レンズ）をレーザ光の進行方向の前後に移動し、物質２の表面上の集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように制御する。なお、ビーム径調節手段４によってパルスレーザ光のビーム直径を調節することによっても集光直径ｄを調節することができる。
【００５４】
このような制御により、レーザ光Ｌは物質２の表面上において常に集光直径ｄのパルスレーザ光となり、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマを安定して発生することができる。
【００５５】
さらに、生成される重粒子イオンの数が不安定な場合は、レーザ光源３またはビーム径調節手段４の設定を変え、レーザ光Ｌのエネルギー密度をプラズマが生成されないエネルギー密度（縦おば、0.1J/cm2未満）まで一旦下げる。そして、この低エネルギー密度のレーザ光Ｌを物質２に照射し、物質２の表面の回折光を検出する。図９に示す回折光の長さＸが規定値より大きい場合は、物質２の表面が粗いことを意味している。そこでこの場合には、偏向手段６に加える周波数ｆを変えてレーザ光Ｌの偏向角を変更し、物質２に対するレーザ光Ｌの集光照射位置を変える。この結果、表面粗さが所定の値よりも小さな表面部位をパルスレーザ光の集光照射部位とすることができ、物質２に対して常に集光直径ｄのパルスレーザ光を集光照射でき、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマを安定して発生することができる。
【００５６】
（第２の実施形態の効果）
第２の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１ａによれば、プラズマの２次元画像を観測して物質２の表面上におけるレーザ光Ｌの集光直径ｄ’を求め、集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように集光レンズの位置やビーム直径を調節することにより、常に集光直径ｄのパルスレーザ光を物質に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００５７】
また、レーザ光Ｌが物質に対して斜めに照射される場合であっても、予め一方向に所定量だけビーム形状を扁平させておくことにより、物質表面上のビーム形状が常に円形である集光直径ｄのパルスレーザ光を照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００５８】
また、レーザ光Ｌを空間分割し、空間分割された各々のレーザ光を重ね合わせて物質表面上に集光照射することにより、エネルギー密度が高くかつ空間的に均一な集光直径ｄのレーザ光Ｌを常に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００５９】
さらに、物質表面の回折光から表面粗さを測定し、一定以下の表面粗さの表面部位をレーザ光Ｌの集光照射部位に選定することにより、常に集光直径ｄのレーザ光Ｌを物質に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００６０】
なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００６１】
１、１ａ 重粒子イオン発生装置
２ 物質
３ レーザ光源
４ ビーム径調節手段
５ 集光手段
６ 偏向手段
７ 電極手段
８ シャッタ手段
９ 観測手段
１０ 集光径演算部
１１ 焦点位置調節手段
１２ 制御部
１６ ビーム扁平手段
１７ 空間分布均一化手段
１８ 回折光観測手段
１９ 集光レンズ移動手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重粒子線治療用重粒子イオン発生装置に係り、特に、レーザ光を用いて重粒子イオンを発生する重粒子線治療用重粒子イオン発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、重粒子線治療装置における重粒子イオン発生方法として、従来のマイクロ波放電による重粒子イオンの発生装置に代わり、装置全体の小型化および省電力化が可能なレーザ励起プラズマによる重粒子イオンの発生方法が知られている。
【０００３】
このようなレーザ励起プラズマによる重粒子イオンの発生方法は、図１０に示すように、容器１００の内部に設置された固体ターゲット１０１に、レーザ光源１０２で生成した短パルスレーザ光を照射してプラズマを生成する。そして、短パルスレーザ光によって生成されたプラズマの電子温度が低下する前に後続の短パルスレーザ光を照射して電子を加熱し、加熱された電子によってプラズマ中に重粒子イオンを生成する（例えば、特許文献１、２等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２５４４２３６号明細書
【特許文献２】特許第３２７０２１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の重粒子イオン発生方法は、プラズマ中の電子及びイオンの分布が空間的および時間的に不安定であるため、プラズマから生成される重粒子イオンの数が安定せず、必要数の重粒子イオンが得られないという課題がある。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能な重粒子線治療用重粒子イオン発生装置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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る重粒子線治療用重粒子イオン発生装置は、レーザ光の照射によってプラズマを発生する物質と、前記物質を真空環境下で収納する容器と、前記容器に設けられた窓を通して前記物質に照射するパルス状のレーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源と前記窓の間に配設され、前記物質上に前記レーザ光の焦点が形成されるように前記レーザ光を集光する集光手段と、前記レーザ光の照射によって前記物質から発生したプラズマから重粒子イオンをクーロン力によって引き出し、前記容器の外部に送り出す電極手段と、前記物質から発生するプラズマを観測し、前記物質に接する領域のプラズマ径から前記レーザ光の集光径を求める観測手段と、前記物質の位置または前記集光手段の位置を調節する位置調節手段と、前記観測手段で求めた前記集光径が所定の基準集光径となるように、前記位置調節手段による前記物質の位置調節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】
【０００８】
本発明に係る重粒子線治療用重粒子イオン発生装置によれば、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】重粒子線治療装置の構成例を示す図。
【図２】第１の実施形態に係る重粒子イオン発生装置の構成例を示す図。
【図３】電極手段と電源の構成例を示す図。
【図４】シャッタ手段の一例を示す図。
【図５】位置調節手段の一例を示す図。
【図６】集光径を求めるためのプラズマ径の説明図。
【図７】第２の実施形態に係る重粒子イオン発生装置の構成例を示す図。
【図８】ビーム扁平手段の一例を示す図。
【図９】回折光観測手段による回折長測定の概念図。
【図１０】従来の重粒子イオン発生方法の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る重粒子線治療用重粒子イオン発生装置１（以下、重粒子イオン発生装置１という）を、添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
（重粒子線治療装置）
図１は、本発明の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１を具備する重粒子線治療装置３００の構成例を示した図である。重粒子線治療装置３００は、重粒子イオン発生装置１、加速器４０、Ｘ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂ、真空ダクト３１、線量モニタ部５０、リッジフィルタ６０、レンジシフタ７０、コントローラ８０等を備えて構成されている。
【００１２】
重粒子線治療装置３００は、重粒子イオン発生装置１で発生させる重粒子イオンを加速器４０で高速に加速して粒子線ビームを生成し、この粒子線ビームを患者２００の患部（腫瘍細胞）２０１に向けて照射して重粒子イオンを作用させて治療を行う装置である。重粒子線治療装置３００では、患部２０１を３次元の格子点に離散化し、各格子点に対して細い径の粒子線ビームを順次走査する３次元スキャニング照射法を実施することが可能である。具体的には、患部２０１を粒子線ビームの軸方向（図１右上に示す座標系におけるＺ軸方向）にスライスと呼ばれる平板状の単位で分割し、分割したスライスＺi、スライスＺi+1、スライスＺi+2等の各スライスの２次元格子点（図１右上に示す座標系におけるＸ軸及びＹ軸方向の格子点）を順次走査することによって３次元スキャニングを行っている。
【００１３】
重粒子イオン発生装置１で発生させた重粒子イオンを、シンクロトロン等の加速器４０よって患部２０１の奥深くまで到達できるエネルギーまで加速して粒子線ビームを生成している。
【００１４】
Ｘ方向に走査するＸ用電磁石３０ａとＹ方向に走査するＹ用電磁石３０ｂは、粒子線ビームをＸ方向及びＹ方向に偏向させ、スライス面上を２次元で走査する。レンジシフタ７０は、患部２０１のＺ軸方向の位置を制御する。レンジシフタ７０は、例えば複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらのアクリル板を組み合わせることによってレンジシフタ７０を通過する粒子線ビームのエネルギー、即ち体内飛程を患部２０１スライスのＺ軸方向の位置に応じて段階的に変化させることができる。レンジシフタ７０による体内飛程の大きさは通常等間隔で変化するように制御され、この間隔がＺ軸方向の格子点の間隔に相当する。なお、体内飛程の切り替え方法としては、レンジシフタ７０のように粒子線ビームの径路上に減衰用の物体を挿入する方法のほか、上流機器の制御によって粒子線ビームのエネルギー自体を変更する方法でもよい。
【００１５】
リッジフィルタ６０は、ブラッグピークと呼ばれる体内深さ方向における線量のシャープなピークを拡散させるために設けられている。ここで、リッジフィルタ６０によるブラッグピークの拡散幅は、スライスの厚み、即ちＺ軸方向の格子点の間隔と等しくなるように設定される。３次元スキャニング照射用のリッジフィルタ６０は、断面が略２等辺三角形のアルミニウム棒状部材を複数並べて構成している。粒子線ビームが２等辺三角形を通過する際に生じる径路長の差異によってブラッグピークのピークを拡散させることが可能であり、２等辺三角形の形状によって拡散幅を所望の値に設定することができる。
【００１６】
線量モニタ部５０は、照射する線量をモニタするためのものであり、その筐体内に、粒子線の電離作用によって生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、筐体内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するＳＥＭ（Secondary Electron Monitor）装置等によって構成されている。
【００１７】
（第１の実施形態に係る重粒子イオン発生装置）
図２は、第１の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１の構成例を示す図である。重粒子イオン発生装置１は、窓２３を有する容器２２、容器２２内部に設置される物質２、パルス状のレーザ光Ｌを発生するレーザ光源３、ビーム径調節手段４、集光手段５、偏向手段６、電極手段７、シャッタ手段８、観測手段９、集光径演算部１０、焦点位置調節手段１１、制御部１２等を備えて構成される。
【００１８】
容器２２は、耐食性や耐薬品性に優れ、さらに放出ガスが少ない材料、例えばステンレス鋼など、から形成れる。容器２２は真空ポンプ及び真空計を備えており、その内部は真空環境に設定される。真空ポンプは、ロータリーポンプ、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンポンプなどが用いられ、２つ以上のポンプを組み合わせてもよい。他方、真空計は、熱電対真空計やピラニ真空計などの熱伝導真空計、ペニング真空計および電離真空計などが用いられ、こちらも２つ以上の真空計を組み合せてもよい。
【００１９】
容器２２には、レーザ光Ｌを透過させるための窓２３が設けられており、窓２３は、例えば、石英、溶融石英、ＢＫ７などの材料から形成される。
【００２０】
物質２は、高密度のレーザ光Ｌを照射するとプラズマを発生する物質であり、例えば、炭素やシリコン、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素等である。プラズマ内にある重粒子イオンＨは容器２２の外部に引き出され、さらに加速器４０によって加速されて重粒子イオンビームが形成される。重粒子イオンビームは、そのエネルギーによって人体内への侵入深さが決まり、停止直前にエネルギーを急激に放出する。この現象はブラック・ピークと呼ばれ、重粒子線治療ではこの現象を利用する。加速器４０を用いて重粒子のエネルギーを調節して腫瘍細胞の位置で重粒子イオンビームを停止させることにより、体表面から腫瘍細胞に至るまでの正常細胞には影響を与えることなく、目的の腫瘍細胞にのみ重粒子イオンを作用させて治療することが可能となる。また、重粒子イオンＨについては、加速器４０から高いエネルギーを得ることができることから高い価数のイオンが適する。
【００２１】
レーザ光源３は、容器２２に設けられた窓２３を通して物質２に照射するパルス状のレーザ光を発生するパルスレーザである。本実施形態におけるレーザ光源３用のレーザとしては、XeCl, XeF, KrF, ArF等の紫外波長のエキシマレーザ、TEA CO2レーザ、Q-switch YAGレーザ等が適用可能である。短波長のほうが集光時の直径を小さくできるため、例えば、YAGレーザの場合、非線形光学結晶を用いて高調波に波長変換して適用してもよい。なお、レーザ光源の横モードや縦モード、偏光状態、円形や楕円形或いは方形のビーム形状等については、適宜選択可能である。
【００２２】
ビーム径調節手段４は、レーザ光Ｌの直径を拡大または縮小する光学素子であり、凹面や凸面、非球面のレンズや反射鏡等の光学系から構成される。
【００２３】
集光手段５は、レーザ光Ｌを回折限界まで集光する光学素子であり、凹面の反射鏡、フレネルレンズ、回折限界まで集光可能なレンズ等の光学系から構成される。レンズとしては、例えば、アクロマティックレンズ、アポクロマティックレンズ、屈折率分布型レンズ、非球面レンズなどが適用できる。この時、レンズの焦点位置における回折限界の集光直径ｄは、式(1)によって表すことができる。
ｄ＝ｋ・λ・Ｆ (1)
ここで、ｋは定数、λはレーザ光の波長、ＦはＦ値である。
【００２４】
偏向手段６は、音響光学効果によってレーザ光の進行方向を変える光学素子であり、式(2)に示すように加える周波数ｆに比例してレーザ光を偏向(偏向角θ)することができる。
θ＝（λｆ）／（２υ） (2)
ここで、λはレーザ光の波長、υは音速度である。
【００２５】
電極手段７は、レーザ光Ｌの物質２への照射によって生じたプラズマから重粒子イオンを引き出す手段である。電極手段７にはマイナスの電圧が印加され、プラズマ中の電子をクーロン力により阻止する一方、プラスイオンである重粒子イオンをクーロン力によって引き出し、後段へ輸送する。図３に示すように、電極手段７には電源１３のマイナス極が接続される。電源１３は、直流電源でもよく、また交流を直流に変換する電源でもよい。交流の場合の波形は、正弦波、矩形波、三角波のいずれでもよい。
【００２６】
シャッタ手段８は、容器２２の内側であって、窓２３に隣接して設けられるシャッタ機構である。レーザ光Ｌのパルスのオン、オフに同期して窓２３を開閉し、パルスがオンの期間は窓２３を開いてレーザ光Ｌを容器２２の内部へ通過させる。一方、パルスがオフの期間は窓２３を閉じることにより、物質２から発生するプラズマ中の重粒子イオンが窓２３に付着することを防止している。
【００２７】
図４は、シャッタ手段８の一例を示す図である。シャッタ手段８は、例えば、回転中心の回りを回転する円盤状の機構と図示しないモータ等で構成される。円盤は放射状の多数のスロット１４を有しており、スロット１４以外の領域が遮蔽部１３となる。スロット１４が窓２３の位置を通るとき、レーザ光Ｌが窓２３から容器２２の内部に通過する。それ以外の期間は、遮蔽部１３が窓２３を容器２２の内側から覆い、重粒子イオンの窓２３への付着を防止する。シャッタ手段８は、図４の形状や構成に限定されるものではなく、遮蔽部１３とスロット１４（開口部）が交互に繰り返す構造であればどんな構造でも可能である。
【００２８】
観測手段９は、プラズマの２次元画像を観測する観測装置であり、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ、或いは映像増倍管を備えたＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ、ストリークカメラなどによって構成される。この他、観測手段９は、ＰＩＮフォトダイオード、光電子増倍管、アバランシュフォトダイオードなどの光検出器を１次元のライン状に並べて構成することもできる。また、観測手段９には、観測波長を選択する波長選択素子を備えてもよい。
【００２９】
集光径演算部１０は、観測手段９が出力するプラズマの２次元画像を入力し、２次元画像の輝度分布から物質２に近接するプラズマの径を求め、さらにこのプラズマ径に対応するレーザ光Ｌの集光直径（集光径、或いは焦点径）を求めて記憶する一方、その値を出力する装置である。集光径演算部１０は、例えば、プラズマの２次元画像を入力する入力部、集光径の解析及び記憶を行う解析記憶部、解析値を出力する出力部を備えたＰＣ（パーソナルコンピュータ）で構成される。ＰＣは、デスクトップＰＣ，ラップトップＰＣ，ノートＰＣ等の汎用ＰＣが適用可能である。なお、集光径演算部１０を観測手段９の一部として構成してもよい。
【００３０】
位置調節手段１１は、レーザ光の進行方向に対して物質２を移動させることによって、物質２上のレーザ光Ｌの焦点位置を調節する機構である。位置調節手段１１は、例えば、ピエゾ素子や電磁石などを具備した駆動機構として構成できる。或いは、図５に示すように、容器２２の外側に設置されたステッピングモータやサーボモータなどのモータ１５と支持機構１５ａ等によっても構成できる。
【００３１】
制御部１２は、集光径演算部１０（或いは観測手段９）が出力するレーザ光Ｌの集光径を入力し、その値から位置調節手段１１の移動量を求めて記憶する一方、その値を位置調節手段１１へ出力して物質２を移動させる装置である。例えば、集光径を集光径演算部１０（或いは観測手段９）から入力する入力部、位置調節手段１１の移動量について解析し記憶する解析記憶部、移動量を位置調節手段１１に出力する出力部を備えたＰＣで構成される。ＰＣは、集光径演算部１０と同様、デスクトップＰＣ，ラップトップＰＣ，ノートＰＣ等の汎用ＰＣが適用可能である。
【００３２】
（第１の実施形態の動作）
レーザによって励起されるプラズマ中の重粒子イオンの価数は、物質２へ集光照射されるレーザ光Ｌのエネルギー密度と正の相関があり、重粒子線治療に適する高い価数の重粒子イオンを安定して得るためには、高い集光密度を持ち、かつその集光密度が一定に保たれたレーザ光Ｌを物質２の表面上に集光照射する必要がある。
【００３３】
そこで、第１の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１は、上述した構成により以下のように動作する。
【００３４】
まず、物質２の表面上に集光照射するレーザ光Ｌの集光直径ｄを設定し、式(1)からＦ値を求める。そして、求めたＦ値を満足するようにビーム径調節手段４によってレーザ光Ｌのビーム直径が調節（拡大または縮小）され、その後集光手段５により集光される。同時に、レーザ光Ｌは、偏向手段６、および容器２２の窓２３を通過し、パルスがオンの期間はシャッタ手段８のスロット１４を通って容器２２内部に設置された物質２へ照射される。一方、パルスがオフの期間は、窓２３は、シャッタ手段８の遮蔽部１３によって遮断される。
【００３５】
なお、レーザ光Ｌが直線偏光の場合は、容器２２の窓２３へ入るパルスレーザ光Ｌの入射角度をブリュースター角に設定することにより窓表面の反射率が抑えられ、容器２２の内部へ入るレーザ光Ｌの透過率を向上させることができる。
【００３６】
物質２の照射部位には、集光直径ｄのレーザ光Ｌによって価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが発生する。そして、プラズマ中の電子は、マイナス電位に印加された電極手段７によるクーロン力によって阻止され、逆に、重粒子イオンＨは、クーロン力によって引き出されて後段へ輸送される。
【００３７】
一方、プラズマが膨張することによって重粒子イオンは容器２２の内部に広がるが、シャッタ手段８の遮蔽部１３によって遮断されるため、重粒子イオンが容器２２の窓２３に付着することがない。この結果、重粒子イオンが窓に付着することに起因するレーザ光Ｌの散乱および減衰が回避され、プラズマが不安定となることがない。
【００３８】
他方、観測手段９では、レーザ光源３の照射タイミングを時間基準として時間ゲート動作させることにより、図６に示すように物質２の照射部位に発生するプラズマＰの２次元画像が観測される。物質２に近接するプラズマＰの径は、レーザ光Ｌの集光直径ｄ’に対応する。そこで、集光径演算部１０では、観測された２次元画像の輝度値や輝度ヒストグラム分布に閾値設定を行い、レーザ光Ｌの集光直径ｄ’を求める。
【００３９】
求めた集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄと異なる場合には、制御部１２によって位置調節手段１１を調節して物質２をレーザ光の進行方向の前後に移動し、物質２の表面上の集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように制御する。この結果、レーザ光Ｌは、物質２の表面上において常に予め設定した集光直径ｄの焦点をもつようになり、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマを安定して発生することができる。
【００４０】
なお、物質２の同一部位に対してパルスレーザ光を集光照射し続け、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生することができない場合、偏向手段６によってレーザ光Ｌの偏向角を調節するようにしてもよい。偏向角を調節することによって物質２に対するレーザ光Ｌの集光照射位置が調節される。この場合、制御部１２は、偏向手段６に加える周波数ｆを調節して、物質２の表面上の集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように偏向角を制御する。この結果、物質２に対して常に集光直径ｄのパルスレーザ光を集光照射でき、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマを安定して発生することができる。
【００４１】
さらに、制御部１２は、物質２の表面上の集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように、ビーム径調節手段４によるレーザ光Ｌのビーム径の調節を制御してもよい。（第１の実施形態の効果）
第１の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１によれば、プラズマの２次元画像を観測して物質表面上におけるレーザ光Ｌの集光直径ｄ’を求め、集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように物質の位置を調節することにより、常に集光直径ｄのレーザ光Ｌを物質に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００４２】
また、レーザ光Ｌが容器２２の窓２３を通過した直後にシャッタ手段８の遮蔽部１３によって窓２３を遮断することにより、プラズマ中の重粒子イオンが容器２２の窓２３に付着してレーザ光Ｌが散乱や減衰を受けることを防止することができる。この結果、常に集光直径ｄのレーザ光Ｌを物質に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００４３】
さらに、レーザ光Ｌを偏向し、物質２に対するパルスレーザ光の集光照射位置を変えることにより、常に集光直径ｄのレーザ光Ｌを物質に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００４４】
（第２の実施形態に係る重粒子イオン発生装置）
図７は、第２の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１ａの構成例を示す図である。第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４５】
第２の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１ａは、第１の実施形態が具備する容器２２、物質２、レーザ光源３、ビーム径調節手段４、集光手段５、偏向手段６、電極手段７、シャッタ手段８、観測手段９、集光径演算部１０、焦点位置調節手段１１、および制御部１２に加えて、ビーム扁平手段１６、空間分布均一化手段１７、回折光観測手段１８、および集光レンズ移動手段１９を備えている。
【００４６】
ビーム扁平手段１６は、レーザ光Ｌの直径を一方向にのみ拡大または縮小する光学素子であり、シリンドリカルレンズや円筒形の反射鏡等の光学系で構成される。或いは、屈折効果を利用して、図８に示すようにプリズム２０を用いて構成することもできる。図８に示す例では、ビーム扁平手段１６に入力されるレーザ光Ｌの直交する２つの径が（Φin, Θin）であるときに、レーザ光Ｌの一方の径ΦのみをΦinからΦoutに拡大することにより、ビームの径の形状を円形から楕円形に扁平させている。ビーム扁平手段１６を、プリズム２０を用いて構成した場合、各々のプリズム２０に対するレーザ光の入射角をブリュースター角に設定することで、プリズム２０への入射時のレーザ光Ｌの反射ロスを低減することができる。
【００４７】
空間分布均一化手段１７は、レーザ光Ｌを空間分割し、各々のレーザ光に分ける光学素子であり、例えば、焦点距離ｆsの微小レンズを格子状に並べたレンズアレイにより構成される。空間分割されたパルスレーザ光は、集光手段５の焦点距離ｆlの集光レンズによって焦点位置において重ね合せられ、これによって焦点位置におけるパルスレーザ光のエネルギー密度を空間的に均一化できる。また、この時の合成焦点距離ftは、式(3)から求めることができる。
（１／ｆｔ）＝（１／ｆｓ）＋（１／ｆｌ）−（δ／（ｆｓ・ｆｌ）） (3)
ここで、δはレンズアレイと集光レンズの間の距離である。
【００４８】
なお、レンズアレイと構成は異なるが、積分球やカライドスコープも同様に作用するため、空間分布均一化手段１７として適用できる。
【００４９】
回折光観測手段１８は、物質２の表面粗さによって生じるパルスレーザ光の回折光を検出する検出器であり、ＰＩＮフォトダイオード、光電子増倍管、アバランシュフォトダイオードなどの光検出器を１次元のライン状に並べて構成される。また、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラなどの２次元センサによって回折光観測手段１８を構成することもできる。そして、回折光観測手段１８では、図９に示す回折光の長さＸが物質２の表面粗さと正の相関があることに基づき、回折光の長さＸによって表面粗さを判定する。
【００５０】
集光レンズ移動手段１９は、レーザ光の進行方向に対して集光手段５（集光レンズ等）を移動させる移動機構であり、ピエゾ素子や電磁石、或いはステッピングモータやサーボモータなどのモータによって構成される。
【００５１】
（第２の実施形態の動作）
第１の実施形態と同様に、レーザ光源３から照射されるレーザ光Ｌは、容器２２の窓２３を通って内部に設置された物質２へ照射されるが、レーザ光Ｌが物質２に対して斜めに照射されるため、物質２の表面上のビーム形状は楕円形となる。そこで、ビーム径調節手段４において直交２方向のビーム径が調節されたレーザ光Ｌに対し、ビーム扁平手段１６によって予め一方向(この場合は紙面に垂直方向)に所定量だけ扁平させる。この結果、物質２の表面上においてはビーム形状が円形になる。これにより、物質２に対して直交２方向とも集光直径ｄをもつ円形のレーザ光Ｌを集光照射することができる。なお、物質２に対してレーザ光Ｌを垂直に入射する構成も可能であり、この場合は物質２の表面上のビーム形状は円形であるため、ビーム扁平手段１６は不要である。
【００５２】
続いて、扁平されたパルスレーザ光は空間分布均一化手段１７のレンズアレイにおいて空間分割され、分割された各々のレーザ光Ｌは、集光手段５（集光レンズ等）により集光される一方、偏向手段６、容器２２の窓２３、およびシャッタ手段８のスロット１４を通って内部に設置された物質２へ照射される。これにより、物質２の照射部位では、空間分割された各々のパルスレーザ光が重ね合せられるため、エネルギー密度が高くかつ空間的に均一な集光直径ｄのパルスレーザ光が常に照射され、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが発生させることができる。
【００５３】
プラズマ中の重粒子イオンＨは、クーロン力によって引き出されて後段へ輸送される一方、観測手段９ではプラズマの２次元画像が観測され、レーザ光Ｌの集光直径ｄ’が求められる。そして、求められた集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄと異なる場合には、制御部１２は、集光レンズ移動手段１９によって集光手段５（集光レンズ）をレーザ光の進行方向の前後に移動し、物質２の表面上の集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように制御する。なお、ビーム径調節手段４によってパルスレーザ光のビーム直径を調節することによっても集光直径ｄを調節することができる。
【００５４】
このような制御により、レーザ光Ｌは物質２の表面上において常に集光直径ｄのパルスレーザ光となり、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマを安定して発生することができる。
【００５５】
さらに、生成される重粒子イオンの数が不安定な場合は、レーザ光源３またはビーム径調節手段４の設定を変え、レーザ光Ｌのエネルギー密度をプラズマが生成されないエネルギー密度（縦おば、0.1J/cm2未満）まで一旦下げる。そして、この低エネルギー密度のレーザ光Ｌを物質２に照射し、物質２の表面の回折光を検出する。図９に示す回折光の長さＸが規定値より大きい場合は、物質２の表面が粗いことを意味している。そこでこの場合には、偏向手段６に加える周波数ｆを変えてレーザ光Ｌの偏向角を変更し、物質２に対するレーザ光Ｌの集光照射位置を変える。この結果、表面粗さが所定の値よりも小さな表面部位をパルスレーザ光の集光照射部位とすることができ、物質２に対して常に集光直径ｄのパルスレーザ光を集光照射でき、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマを安定して発生することができる。
【００５６】
（第２の実施形態の効果）
第２の実施形態に係る重粒子イオン発生装置１ａによれば、プラズマの２次元画像を観測して物質２の表面上におけるレーザ光Ｌの集光直径ｄ’を求め、集光直径ｄ’が予め設定された集光直径ｄとなるように集光レンズの位置やビーム直径を調節することにより、常に集光直径ｄのパルスレーザ光を物質に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００５７】
また、レーザ光Ｌが物質に対して斜めに照射される場合であっても、予め一方向に所定量だけビーム形状を扁平させておくことにより、物質表面上のビーム形状が常に円形である集光直径ｄのパルスレーザ光を照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００５８】
また、レーザ光Ｌを空間分割し、空間分割された各々のレーザ光を重ね合わせて物質表面上に集光照射することにより、エネルギー密度が高くかつ空間的に均一な集光直径ｄのレーザ光Ｌを常に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００５９】
さらに、物質表面の回折光から表面粗さを測定し、一定以下の表面粗さの表面部位をレーザ光Ｌの集光照射部位に選定することにより、常に集光直径ｄのレーザ光Ｌを物質に照射することができ、価数が高い重粒子イオンを含むプラズマが安定して発生し、重粒子線治療装置に必要な数の重粒子イオンを安定して生成することが可能となる。
【００６０】
なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００６１】
１、１ａ 重粒子イオン発生装置
２ 物質
３ レーザ光源
４ ビーム径調節手段
５ 集光手段
６ 偏向手段
７ 電極手段
８ シャッタ手段
９ 観測手段
１０ 集光径演算部
１１ 焦点位置調節手段
１２ 制御部
１６ ビーム扁平手段
１７ 空間分布均一化手段
１８ 回折光観測手段
１９ 集光レンズ移動手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の照射によってプラズマを発生する物質と、
前記物質を真空環境下で収納する容器と、
前記容器に設けられた窓を通して前記物質に照射するパルス状のレーザ光を発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源と前記窓の間に配設され、前記物質上に前記レーザ光の焦点が形成されるように前記レーザ光を集光する集光手段と、
前記レーザ光の照射によって前記物質から発生したプラズマから重粒子イオンをクーロン力によって引き出し、前記容器の外部に送り出す電極手段と、
前記物質から発生するプラズマを観測し、前記物質に接する領域のプラズマ径から前記レーザ光の集光径を求める観測手段と、
前記物質の位置または前記集光手段の位置を調節する位置調節手段と、
前記観測手段で求めた前記集光径が所定の基準集光径となるように、前記位置調節手段による前記物質の位置調節を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項２】
前記位置調節手段は、前記物質の位置を前記レーザ光の進行方向に対して調節する、
ことを特徴とする請求項１に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項３】
前記位置調節手段は、前記集光手段の位置を前記レーザ光の進行方向に対して調節する、
ことを特徴とする請求項１に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項４】
前記レーザ光源と前記集光手段との間に配設され、前記レーザ光のビーム径を拡大または縮小可能なビーム径調節手段、をさらに備え、
前記制御部は、前記観測手段で求めた前記集光径が前記所定の基準集光径となるように、前記ビーム径調節手段による前記ビーム径の調節をさらに制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項５】
前記窓に入射する前記光ビームは直線偏光であり、前記窓への入射角はブリュースター角に設定されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項６】
前記レーザ光源と前記集光手段との間に配設され、前記物質上の焦点におけるレーザ光エネルルギー密度を空間的に均一化する空間分布均一化手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項７】
前記空間分布均一化手段は、レンズアレイによってレーザ光を空間分割し、空間分割されたレーザ光を前記集光手段によって集光する手段である、
ことを特徴とする請求項６に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項８】
前記空間分布均一化手段は、積分球またはカライドスコープによって、前記レーザ光の径方向のエネルルギー密度を空間的に均一化する手段である、
ことを特徴とする請求項６に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項９】
前記レーザ光源と前記窓との間に配設され、前記物質に対して斜めに入射する前記レーザビームの前記物質表面における形状が円形となるように、前記レーザ光のビーム形状を予め扁平に整形するビーム扁平手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源と前記窓の間に配設され、前記レーザ光の偏向角を調節する偏向手段、をさらに備え、
前記制御部は、前記観測手段で求めた前記集光径が前記所定の基準集光径となるように、前記偏向手段による前記偏向角の調節をさらに制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項１１】
前記偏向手段は、音響光学効果によって、印加する制御信号の周波数に比例して偏向角を調節する手段である、
ことを特徴とする請求１０に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項１２】
前記物質の回折光の所定方向の長さを観測する回折光観測手段、をさらに備え、
前記制御部は、前記回折光観測手段で求めた前記所定方向の長さが所定の基準長より長い場合は、前記物質の表面が所定の粗さよりも粗いと推定し、前記偏向手段による前記偏向角を変更して前記物質上の焦点位置を変更する、
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項１３】
前記容器の内側であって、前記窓に隣接して設けられるシャッタ手段、をさらに備え、
前記シャッタ手段は、前記パルス状のレーザ光のパルスのオン、オフに同期して前記窓を開閉し、前記パルスがオンの期間は前記窓を開き、それ以外の期間は前記窓を閉じる、
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項１】
レーザ光の照射によってプラズマを発生する物質と、
前記物質を真空環境下で収納する容器と、
前記容器に設けられた窓を通して前記物質に照射するパルス状のレーザ光を発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源と前記窓の間に配設され、前記物質上に前記レーザ光の焦点が形成されるように前記レーザ光を集光する集光手段と、
前記レーザ光の照射によって前記物質から発生したプラズマから重粒子イオンをクーロン力によって引き出し、前記容器の外部に送り出す電極手段と、
前記物質から発生するプラズマを観測し、前記物質に接する領域のプラズマ径から前記レーザ光の集光径を求める観測手段と、
前記物質の位置または前記集光手段の位置を調節する位置調節手段と、
前記観測手段で求めた前記集光径が所定の基準集光径となるように、前記位置調節手段による前記物質の位置調節を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項２】
前記位置調節手段は、前記物質の位置を前記レーザ光の進行方向に対して調節する、
ことを特徴とする請求項１に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項３】
前記位置調節手段は、前記集光手段の位置を前記レーザ光の進行方向に対して調節する、
ことを特徴とする請求項１に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項４】
前記レーザ光源と前記集光手段との間に配設され、前記レーザ光のビーム径を拡大または縮小可能なビーム径調節手段、をさらに備え、
前記制御部は、前記観測手段で求めた前記集光径が前記所定の基準集光径となるように、前記ビーム径調節手段による前記ビーム径の調節をさらに制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項５】
前記窓に入射する前記光ビームは直線偏光であり、前記窓への入射角はブリュースター角に設定されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項６】
前記レーザ光源と前記集光手段との間に配設され、前記物質上の焦点におけるレーザ光エネルルギー密度を空間的に均一化する空間分布均一化手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項７】
前記空間分布均一化手段は、レンズアレイによってレーザ光を空間分割し、空間分割されたレーザ光を前記集光手段によって集光する手段である、
ことを特徴とする請求項６に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項８】
前記空間分布均一化手段は、積分球またはカライドスコープによって、前記レーザ光の径方向のエネルルギー密度を空間的に均一化する手段である、
ことを特徴とする請求項６に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項９】
前記レーザ光源と前記窓との間に配設され、前記物質に対して斜めに入射する前記レーザビームの前記物質表面における形状が円形となるように、前記レーザ光のビーム形状を予め扁平に整形するビーム扁平手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源と前記窓の間に配設され、前記レーザ光の偏向角を調節する偏向手段、をさらに備え、
前記制御部は、前記観測手段で求めた前記集光径が前記所定の基準集光径となるように、前記偏向手段による前記偏向角の調節をさらに制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項１１】
前記偏向手段は、音響光学効果によって、印加する制御信号の周波数に比例して偏向角を調節する手段である、
ことを特徴とする請求１０に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項１２】
前記物質の回折光の所定方向の長さを観測する回折光観測手段、をさらに備え、
前記制御部は、前記回折光観測手段で求めた前記所定方向の長さが所定の基準長より長い場合は、前記物質の表面が所定の粗さよりも粗いと推定し、前記偏向手段による前記偏向角を変更して前記物質上の焦点位置を変更する、
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【請求項１３】
前記容器の内側であって、前記窓に隣接して設けられるシャッタ手段、をさらに備え、
前記シャッタ手段は、前記パルス状のレーザ光のパルスのオン、オフに同期して前記窓を開閉し、前記パルスがオンの期間は前記窓を開き、それ以外の期間は前記窓を閉じる、
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の重粒子線治療用重粒子イオン発生装置。
【図１】
【図３】
【図４】
【図６】
【図８】
【図９】
【図２】
【図５】
【図７】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図６】
【図８】
【図９】
【図２】
【図５】
【図７】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１３３９３５（Ｐ２０１２−１３３９３５Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８３５５４（Ｐ２０１０−２８３５５４）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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