JP5199128B2 - 粒子線を特性化する装置 - Google Patents

Description

本願発明は、粒子線分析装置の分野に関連する。

粒子線を特性化することが、種々の応用の分野において度々要求されている。その種々の応用分野とは、基礎物理学、生物物理学、シンクロトロン放射を生成するための装置、および一層広範囲な帯電した粒子線への応用分野である。

従来技術は、ワイヤ・チェンバーのように粒子線を検出し特性化することを可能にする分析装置を、すでに既知としている。上記分析装置は、ガスの供給と調整を備えたガス供給機能を必要とするだけでなく、安全装置、および資格を有する操作者による監視も必要とする。この装置は、煩雑なことに加えて、柔軟性に欠け、使用、操作、および維持することが難しい。

また、米国特許第4,942,302号明細書は、発光するファイバの面に各々が結合する２つの検出器を備えた装置を記載していることで知られている。結合するファイバの面は、個別に、一方の検出器のために水平方向に延び、別の検出器のために垂直方向に延びている。発光する光ファイバを備える上記検出器は、デジタル信号に変換される増幅信号を得るための光電子増倍管（ＰＭＴ）をベースとする読み取りシステムを有する。

本願発明は、より具体的には、粒子線を分析するための装置に関連する。この分析装置は、
光ファイバ（９）の網状組織（network）を含む少なくとも１つの検出器であって、並列の複数のファイバからなる前記網状組織は、第１の方向Ｘに沿って方向付けられた光ファイバの少なくとも１つの第１の面を含み、前記粒子線が前記光ファイバの網状組織を通過するときに光信号を生成するように配置された、検出器と、
前記光信号の特性を表す信号を出力するように、前記検出器に結合している画像センサと、を備える。

上記のような分析装置は、仏国特許出願公開第2,849,697号明細書の記載から知られている。この特許出願公開明細書の中で、画像センサは、光電子増倍管を備えている。このような光電子増倍管が、粒子ごとに光線を検出するための検出器にできることは周知のことである。上記仏国特許出願公開明細書に記載された装置において、粒子線の吸収量は、粒子線の１個ごとの粒子をカウントすることで生成される。粒子線の１個ごとの粒子をカウントすることで、上記出願公開明細書は、光電子増倍管を備えた装置が、秒当り百万個（１０⁶）未満の粒子を検出できたことを立証している。一層速い検出速度を得ようとすると、光電子増倍管で誘起された電流は、非常に多量となり、非常に複雑な電子装置が、光電子増倍管の出力側において要求されることになる。検出速度を、秒当り百万個以上の粒子を検出するために、光電子増倍管を備えた装置では、粒子線の強度によって大きく制限されることになる。長年の間、当業者は、光電子増倍管を備えた装置において、粒子線の上記のような強度を処理できる電子装置を提供するように試みてきた。

更に、光電子増倍管は、光線がなるべくなら循環してほしい真空中において、使用することができない不都合な面を有している。

また、上記装置でも、粒子線の吸収量は直接測定可能であるが、上記装置においては、とりわけ粒子線の平均位置、及び/又は、強度、及び/又は、時空間上の分散を直接測定することは不可能である。

本願発明は、とりわけ上記不都合面を解決することを目的とする。

本願発明の目的の１つは、上記で説明したような、粒子線の強度の広範囲で実効的な能力を有する粒子線の分析装置を提供することであり、この分析装置の範囲は、例えば秒当り千個（１０³）から十万億個（１０¹³）の粒子を対象とする広範囲となる。

また、本願発明は、産業用構造に適した、簡単な実装を有する装置を提案することを、目的とする。

また、本願発明は、時間的に安定し、メンテナンスを必要とせず、飽和現象にならない装置を提供することを目的とする。

更に、本願発明は、粒子線の平均位置、及び/又は、強度、及び/又は、時空間上の分散の測定を可能にする分析装置を提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも１つは、本願発明によって解決される。本願発明は、上記に記載したように、粒子線を分析する装置であって、
光ファイバ（９）の網状組織を含む少なくとも１つの検出器であって、並列の複数のファイバからなる上記網状組織は、第１の方向Ｘに沿って方向付けられた光ファイバの少なくとも１つの第１の面を含み、上記粒子線が上記光ファイバの網状組織を通過するときに光信号を生成するように配置された、検出器と、
上記光信号の特性を表す信号を出力するように、上記検出器に結合している画像センサと、を備え、
上記画像センサは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサを含み、上記光ファイバの網状組織の光ファイバの端部は、上記ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサの対物面を形成するように配置される分析装置である。

ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサの援助を受けて、出願人は、更に高い強度の粒子線を充分に分析できたことを既に証明している。故に、出願人は、高い強度に適用する電子機器を発展させることを目指す代りに、従来技術よりも一層広範囲に及ぶ画像センサに改良している。驚くことに、出願人は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサの使用が、上記に説明した不都合なことを解決できることを証明している。

更に、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサは、粒子の高い強度用のＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサで得られた情報を処理するのに適した処理手段を備えたカメラ内で使用できる利点を有している。

上記ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサは、また真空中で使用できる利点を有している。

本願発明によって得られる粒子線強度のレベルの助けにより、応用例では、ハドロン治療の発明に使用可能であることを証明している。

本願発明によれば、ＣＣＤセンサが、粒子線を非常に高い強度で測定できるので、好ましいセンサである。ＣＭＯＳセンサは、強度にリンクした問題を解決することができ、ＣＣＤセンサでの強度より僅かに低い強度の範囲での問題を解決することができる。

本願発明の１つの態様において、光ファイバの網状組織は、第１の方向Ｘに沿って方向付けられた並列の複数の光ファイバの第１の面と、第１の方向Ｙに沿って方向付けられた並列の複数の光ファイバの第２の面と、を備えることができ、上記複数の光ファイバの各面の端部は、上記ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサの対物面内に光信号の像を形成するように配置される。

本願発明の１つの態様において、上記光ファイバの網状組織の上記複数の光ファイバの端部は、上記ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサの対物面内に光信号の画像を形成するように、上記検出器の出力側に結集される。このことは、光ファイバの端部とＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサの対物面との間に置かれる対象のサイズを制限する利点を有する。

本願発明の１つの態様において、前記第１の面の光ファイバの前記光線は、前記第２の面の光ファイバの前記光線と、実質的に共通の面に存在し、前記２つの光ファイバの前記光線は、隣接する２つの画像を形成する。ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサは、センサ上に並置または跨ることができる、隣接する２つの画像を受光できるように選択される。

本願発明の１つの態様において、上記第１の面および上記第２の面の光ファイバの光線の端部は、上記画像の同一対物面に結集される。

本願発明の１つの特定の態様において、分析装置は、超高真空フランジ（７）を更に備え、上記画像の対物面が、前記超高真空フランジの部分の後方に形成される。

本願発明の１つの態様において、上記ＣＣＤは、上記画像の対物面に直接取り付けられる。

本願発明の１つの変形において、上記ＣＣＤセンサは、ＣＣＤカメラ内に組み込まれる。

本願発明の実施の１つの様態において、上記検出器が、超高真空フランジによってリンクされる２つのステージを含むことがある。

本願発明の１つの態様において、上記超高真空フランジが、上記光ファイバによって放出される光の通路用ポートを備える。

本願発明の１つの態様において、上記ステージの第１ステージが、２つの同一アーマチャーを備え、上記光ファイバが、上記アーマチャー内に置かれることを強いられる。

都合良いことに、上記第１ステージのアーマチャーの各々が、光ファイバの２つの面の間の角度を９０度で固定することにより、上記粒子線の水平座標および垂直座標に個別に対応する。

本願発明の１つの変形において、上記第１ステージが、上記光線の真空チューブ内に置かれる。

本願発明の他の変形において、上記ステージの第２ステージが、ＣＣＤデジタルカメラに付随する光学システムを含む。

都合良いことに、上記光ファイバは、ファイバの全体長がアルミメッキされている。

本願発明の１つの実施において、上記光ファイバは、ポリスチレンで製作される。

本願発明の別の態様において、上記第２ステージが、磁気遮へいから益を受ける。

本願発明の１つの変形において、上記画像は、ＰＣタイプの計算機に伝送される。

都合良いことに、上記ＣＣＤセンサが、付随するデジタルエレクトロニクスと共に、ＣＣＤアレイによって形成される。

また、本願発明は、上記で述べたハドロン治療用の分析装置の使用に関連する。

本願発明は、以下の説明により非常に良く理解されることであろう。その説明は、添付図面を参照にして、本願発明の一態様における説明を行うための目的だけに実施される。

図１に示された本願発明の態様によれば、検出器は、超高真空フランジ（７）によって接続された２つのステージ（１）、（２）を備える。第１のステージ（２）は、光線の真空チューブ内に含まれる。

上記第１ステージは、ステンレス・スチールから製作される２つの同一アーマチャー（４）、（５）を備えており、アーマチャーの１つは、水平座標のためであり、アーマチャーの別の１つは、垂直座標のためである。換言すれば、１つのアーマチャー（４）は、Ｘ面のファイバを支え、別のアーマチャー（５）は、Ｙ面のファイバを支える。上記アーマチャー（４）、（５）の各々の面において、アーマチャー（４）、（５）の各々を介して一方の端部から別の端部へと走行する発光性の光ファイバ（９）が、並列に置かれるように強いられる。上記アーマチャー（４）、（５）の各々の光線側の端部は、四角形に描かれた開口部を備える。上記アーマチャー（４）、（５）は、上記端部の開口部のレベルにおいて、行および列からなるファイバの行列を規定するファイバ支持部を形成するように組み立てられる。このファイバ支持部の別の端部は、画像の対物面内で終結する。この別の端部のレベルにおいて、上記ファイバ（９）の種々の終端は、同一ファイバ内を走行する粒子線によって生成される光を、光学システム（６）に伝達する。

超高真空フランジ（７）は、光学システム（６）に光を伝達できる部分を含み、光線の真空チューブの等価なフランジ上に取り付けられるように意図されている。超高真空フランジ（７）は、ほぼ１０^-8ミリバール/ｃｍ²で真空を隔離しており、この真空中にファイバが置かれ、ＣＣＤシステムは、真空チューブ（７）の外側の大気圧内に置かれる。

上記センサの第２ステージ（１）は、光線の真空チューブの外側に置かれ、光の量を記録するシステムに対応している。上記ステージは、磁気フィールド発生設備の中または当該設備を伴って、使用することができる磁気遮へいを備えることができる。既に説明したように、上記第２ステージは光学システム（７）を含み、この光学システムは、デジタルカメラ（３）のＣＣＤセンサの画像面に、発光性の光ファイバ（９）から放出される光を合焦させる。

上記ＣＣＤデジタルカメラ（３）は、「一般公共用（general public）」モードに全く一致するＩＥＥＥ標準規格1394で、ファイアーワイヤー（登録商標）のケーブル（８）を経由してＰＣタイプの計算機に接続されているので、得られた画像は、処理され、そして記憶される。

使用される発光性の光ファイバ（９）は、ポリスチレンから製作され、特定の処理に従うようになっている。この光ファイバは、スプレー処理によってファイバ全長を効率よくアルミメッキされる。発光性の光ファイバの各々の端部の一方は、生成された光を、画像の対物面の方向にあるファイバの別の端部に向けて反射させる目的で、約６０％の光ゲインのための高品質アルミメッキが施されている。

上記応用で使用される、クラレ銘柄の発光性の光ファイバは、四角形のファイバである。

１つの実施態様において、粒子線を分析するための装置は、各々が３２本の発光性の光ファイバからなる２つの面から構成される検出器を備える。ポリスチレンから製作される、発光性の光ファイバの各々は、断面積０.５×０.５ｍｍ²の四角形を有する。垂直方向の発光性の光ファイバは、粒子線の形状の水平方向の断面積を提供するので、従って光線の水平方向の特性を提供することになり、逆の場合も同様である。

上記実施態様において、発光性の光ファイバ（９）のピッチは、２ｍｍなので、検出用表面エリアとして６２.５×６２．５ｍｍ²を与えることになる。発光性の光ファイバは、カメラ（３）内部のＣＣＤ上に５１２×５１２のピクセル行列内にグループ化されることになる。読み出しは、８×８のピクセルを１グループとして実行される。以降の説明で、８×８のピクセルを「セル」と呼ぶことにする。

６４本の発光性の光ファイバによる完全な画像は、水平面および垂直面のために、一度に６４×６４のセルをカバーすることになる。

各々が０.５×０.５ｍｍ²の発光性の光ファイバの画像は、４×４のセルをカバーする。上記１６セルのデジタル・コンテンツは、背景ノイズを取り去った後、各々の発光性の光ファイバのために加算される。この加算結果は、検出器を通過した粒子の数に比例している。各々の発光性の光ファイバで得られた３２＋３２の合計は、各面での光線プロファイルを形成することになる。

検出器の上記変形例において、光学システム（６）は、Ｃマウント、２５ｍｍフォーカス、および開口度１.３から１.４の光学レンズを備え、画像すなわちデジタルカメラ（３）のＣＣＤセンサ上に堆積させることになる光量を合焦させる。光量を記録させるための上記ステップは、記録データのために、繊細性、残留ノイズの低レベル、および利便性について一定の基準に合致するＣＣＤデジタルカメラ（３）を必要とする。

本願の実施例において選択したカメラ（３）は、浜松ホトニクス銘柄のモデル8084-03Ｇである。選択するカメラは、上記銘柄および上記モデルに、制限されることはない。

選択したＣＣＤデジタルカメラ（３）の技術的特徴は、以下の通りである。
・ペルチェ冷却
・１３４４×１０２４の有効ピクセル数
・４０Ｍ Ｈｚ/ピクセルのクロック
・秒当りの画像数：公称１２.２画像/秒、および５８画像/秒（ピクセルを８×８にグループ化した場合）
・アナログ/デジタル変換器（ＡＤＣ）の１２ビットのダイナミックレンジ（２¹²＝４０９６）
・１０μｓから１０ｓの可変露光時間

１２ビット（２¹²＝４０９６）のアナログ/デジタル変換器（ＡＤＣ）は、発光性の光ファイバ（９）の各々に誘導された光を測定可能にする。各々の発光性の光ファイバの幾何学的位置を知ることにより、その位置における発光性の光ファイバの内容の表示、すなわち光線の強度分布が得られる。３標準偏差まで測定することは、発生から１００までのダイナミックレンジを含むことになる（粒子線の９９％において、３標準偏差となる）。一方、分布の幅は、係数１０（１ｍｍおよび１０ｍｍの間）まで変化することができる。

使用カメラ（３）は、１０μｓから１０ｓの間にわたる露光時間を許容する。このことは、１４ｄＢで分離される２レベルのゲインを有することになる。実施例の集合体は、１０⁹以上の全体的なダイナミックレンジを提供する。

本願発明は、光線の位置、サイズ、および強度を決定することができる計算機プログラムによって、得られた画像の処理を想定する。粒子の排出は別として、ほぼ百の画像が記録される。これらの画像は、根拠となる画像として知られる画像のデザイン・ベースを提供することになるであろう。この根拠となる画像は、光線の画像から、セル毎に減じることになる。上記根拠画像の減算後の行列のデジタル・コンテンツは、較正係数によって修正される。この較正係数は、光線の外側から得られ、そしてカメラの対象を経由して発光性の光ファイバの幾何学的受け入れに本質的に対応している。

上記較正係数は、固定の照射時間の間に、Ｓｒ⁹⁰発生源によって各々の発光性の光ファイバ内に堆積した信号を測定することで得られる。得られた結果は、Ｘ面とＹ面とによって、発光性の光ファイバの数の２次元のベクトルの内容にすることができる。光線のプロファイルは、縦列の形式で示すことができ、時間に従った測定面によって、光線の位置と形状とを記述することになるであろう。

分析装置は、任意の精度で粒子線の位置を確定することができる。任意の精度とは、ミクロン（μｍ）の１０分の２、１ｍｍから３０ｍｍまでの光線のサイズ、および秒当りの１０³個から１０¹²個までの粒子での強度に達することができる。

自由度は、発光性の光ファイバの機械的配列、およびＣＣＤデジタルカメラの可変のダイナミックレンジによって得られる。

別の実施態様において、装置の検出器は、断面積（０.５×０.５ｍｍ²）の四角形を並べて置いた、発光性の光ファイバの１２８本の２つの面を含む。従って、検出の表面積は、６４×６４ｍｍ²となる。そして、発光性の光ファイバは、カメラ（３）のＣＣＤの上に形成される画像の２つ（１×０.５ｍｍ²）によってグループ化される。従って、発光性の光ファイバの画像は、８×４のセルをカバーすることになる。全体の画像は、１３４４×５１２ピクセルをカバーすることになる。６４本の発光性の光ファイバの２グループの各々は、水平面および垂直面に、個別に光線の画像を提供することになる。この実施態様は、ハドロン治療用加速器のような装置を配備するのに使用することができる。

ＣＣＤセンサから到着したデジタル化された画像は、写真用装置または一般的な大衆用カメラと同様な方法で計算機によって読み込まれ、画像として処理され、格納することができる。画像の処理は、測定した光線の特徴、すなわち、そこでの平均位置、サイズ、および強度を提供することになる。これらの特徴は、光線の停止を決定するため、または、光線の次の通過を実行する調整のために、レジスタ（register）と比較することができる。

結論として、本願発明は、精密度、柔軟性、および装置での使用タイプが与える低価格のおかげで、ハドロン治療の状況において使用することができる。

本願発明は、上記文面の中に実施例として記載されている。当業者が、発明の範囲から大幅に逸脱すること無く、本願発明の種々の変形例を創造できることが理解される。

検出器の全体観を示す図である。

Claims (19)

1. 粒子線を分析する装置であって、
   光ファイバ（９）の網状組織を含む少なくとも１つの検出器であって、並列の複数の光ファイバからなる前記網状組織は、第１の方向Ｘに沿って方向付けられた光ファイバの少なくとも１つの第１の面を含み、前記粒子線が前記光ファイバの網状組織を通過するときに光信号を生成するように配置された、検出器と、
   前記光信号の特性を表す信号を出力するように、前記検出器に結合している画像センサと、を備え、
   前記画像センサは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサを含み、前記光ファイバの網状組織の光ファイバの端部は、前記ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサの対物面を形成するように配置され、前記画像センサは１０μｓから１０ｓにわたる露光時間を有し、１０ ⁹ 以上の全体的なダイナミックレンジを提供することを特徴とする分析装置。
2. 前記光ファイバの網状組織は、第１の方向Ｘに沿って方向付けられた並列の複数の光ファイバの第１の面と、第２の方向Ｙに沿って方向付けられた並列の複数の光ファイバの第２の面と、を備え、
   前記複数の光ファイバの各面の端部は、前記ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサの対物面内に光信号の画像を形成するように配置される請求項１の分析装置。
3. 前記光ファイバの網状組織内の光ファイバの端部は、前記ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサの対物面内に光信号の画像を形成するように、前記検出器の出力側に結集される請求項１または２に記載の分析装置。
4. 前記第１の面の光ファイバの前記光線は、前記第２の面の光ファイバの前記光線と、実質的に共通の面に存在し、前記２つの光ファイバの光線の端部は、隣接する２つの画像を形成する、請求項２または３に記載の分析装置。
5. 前記第１の面および前記第２の面の光ファイバの光線の端部が、前記画像の同一対物面に結集される、請求項２から４のいずれか１項に記載の分析装置。
6. 超高真空フランジ（７）を更に備え、前記画像の対物面が、前記超高真空フランジの部分の後方に形成される、請求項１から５のいずれか１項に記載の分析装置。
7. 前記ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサが、前記画像の対物面に直接取り付けられることを、特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の分析装置。
8. ＣＣＤデジタルカメラ（３）を含み、前記ＣＣＤセンサは、前記ＣＣＤデジタルカメラに組み込まれる、請求項１または２に記載の分析装置。
9. 前記検出器が、超高真空フランジ（７）を経由して接続される２つのステージを含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の分析装置。
10. 前記超高真空フランジ（７）が、前記光ファイバによって放出される光の通路用ポートを備えることを特徴とする、請求項６または９のいずれか１項に記載の分析装置。
11. 前記ステージの第１ステージ（２）が、２つの同一アーマチャー（４）、（５）を備え、前記光ファイバ（９）が、前記アーマチャー内に置かれることを強いられることを特徴とする請求項９に記載の分析装置。
12. 前記第１ステージ（２）の前記アーマチャー（４）、（５）の各々が、前記光ファイバの２つの面の間の角度を９０度で固定することにより、前記粒子線の水平座標および垂直座標に個別に対応していることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の分析装置。
13. 前記第１ステージ（２）が、前記光線の真空チューブ内に置かれることを特徴とする請求項９または１１のいずれか１項に記載の分析装置。
14. 前記ステージの第２ステージ（１）が、ＣＣＤデジタルカメラ（３）に付随する光学システムを含むことを特徴とする請求項９に記載の分析装置。
15. 前記光ファイバ（９）は、ファイバの全体長がアルミメッキされることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の分析装置。
16. 前記光ファイバ（９）は、ポリスチレンから製作されることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の分析装置。
17. 前記第２ステージ（１）が、磁気遮へいから益を受ける請求項９または１４のいずれか１項に記載の分析装置。
18. 前記ＣＣＤセンサが、付随するデジタルエレクトロニクスと共に、ＣＣＤアレイによって形成されることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の分析装置。
19. ハドロン治療用に用いられ、前記検出器は、ハドロンの粒子線が前記光ファイバの網状組織を通過するとき、光信号を生成するよう配置される、請求項１〜１８のいずれか１項記載の分析装置。

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