JP2002503024A - 線形加速器 - Google Patents

線形加速器

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Abstract

(57)【要約】 この装置は、ＲＦ位相関係を保持しＲＦ電界の相対マグニチュードを変動させながら、ＲＦ回路中の２点間の連結の変動を非常に簡単に実施することができる。この装置は連結値の簡単な機械的制御を特徴とし、この制御は装置を通しての位相ずれに対してほとんど影響しない。これは円筒形キャビティの中でのＴＥiiiモードの偏極の単なる回転によって達成される。このような装置は機械的抵抗を含まず、また機械的滑り面は高ＲＦ電流から離間されている。この装置は、１セットのキャビティ中の相対ＲＦ電界を相互に変動させる事が望ましい定常波線形加速器において使用され、この線形加速器を広いエネルギー範囲にわたって効果的に作動させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は線形加速器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
特に定常波設計の線形加速器は、例えばＸ線の発生に使用するための電子ビー
ム源として知られている。この電子ビームがＸ線ターゲットに対して送られ、こ
のターゲットが適当な放射線を放射する。このようなＸ線または電子ビームの通
常の用途は医学的癌治療などである。
【０００３】 Ｘ線ターゲットに対する電子ビームの入射エネルギーを変更することがしばし
ば必要となる。これは、特に治療プロフィルによって特定のエネルギーが要求さ
れるような医療上のケースである。線形定常波加速器は一連の加速キャビティを
含み、これらのキャビティが連結キャビティによって相互に連結され、これらの
連結キャビティが隣接の加速キャビティ対と連通する。US-A-4382208 によれば 、電子ビームのエネルギーは隣接加速キャビティ間のｒｆ連結の程度を調整する
ことによって変動される。これは原則的に連結キャビティの幾何学的形状を変更
することによって達成される。
【０００４】 この幾何学的形状の変動は代表的には連結キャビティの中に１つまたは複数の
位置に挿入することのできる滑り要素を使用してキャビティの内部形状を変更す
ることによって実施される。このアプローチについては、キャビティの寸法によ
って決定される他の種々の共鳴パラメータから生じる多数の深刻な問題点がある
。キャビティ間の位相ずれを正確に確定された値に保持するため、このような１
つ以上の滑り要素を動かさなければならない場合がしばしばである。滑り要素の
運動は通常同等でないので、これらの滑り要素は個別に運動させなければならな
いが、所望の位相関係が保持されるようにこれらの要素が相互にまたキャビティ
に対して非常に精密に配置されなければならない。通常、±0.2mmの精度が要求 される。これは、実際上加工することの困難な複雑で高精密の位置づけシステム
を必要とする。（米国特許第4,286,192号に記載のような）２以下の可動部分を 有する設計においては、装置は入力と出力との間に一定位相を保持する事ができ
ないので、このような装置はＲＦ電場を連続的に変動させる事ができず、従って
単一スイッチの機能に帰着する。これらの装置は実際上しばしばエネルギースイ
ッチと呼ばれる。
【０００５】 またこれらの設計の多くは、大振幅のＲＦ電流を搬送しなければならない複数
の滑り接点を提案している。このような接点は溶接によって誘導される焼き付き
によって故障する傾向があり、また滑り面は超高真空システムの品質にとって有
害である。このような問題点が長寿命にわたって確実に作動することのできる装
置を製造するための手がかりとなる。
【０００６】 先行技術において提案された方法の本質は１つの入力孔と１つの出力孔とを有
するキャビティ連結手段と要約され、この組立体全体が電気的に変圧器と同様に
作動する。可変的連結値を得るために、キャビティの形状がなんらかの方法でベ
ロー、チョーク、およびフランジを使用して変更されなければならなかった。し
かし先行技術は、位相を一定値に保持しながら、単一の制御軸によって連結のマ
グニチュードを広い範囲内で連続的に変動させることのできる装置を提供してい
ない。
【０００７】 従って現在の技術水準においては、２つの所定エネルギー間の有効な切り替え
法を提供するものとしてこのような装置が受け入れられる。しかし、このような
設計を使用して真に可変的なエネルギー出力を提供する信頼できる加速器を得る
ことが非常に困難である。
【０００８】 先行技術のすぐれた要約が米国特許第4,746,839号に記載されている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】 従って本発明は、粒子ビーム軸線にそって配置された複数の共鳴キャビティを
含み、少なくとも一対の共鳴キャビティが連結キャビティを通して電磁的に連結
され、前記連結キャビティはその軸線回りに実質的に回転対称であるがこの対称
を破るように成された非回転対称要素を含み、前記要素は連結キャビティの中を
回転自在であって、その回転が連結キャビティの対称軸線に対して実質的に平行
であるように成された定常波線形加速器を提供する。
【００１０】 このような装置においては、加速キャビティ中の共鳴に対して横方向の共鳴が
連結キャビティの中において成立される。加速キャビティについてはＴＭモード
の共鳴を使用するのが通常であり、これは連結キャビティ中においてＴＥ111な どのＴＥモードが成立することを意味する。連結キャビティは実質的に回転対称
であるので、この電界の配向は連結キャビティによっては確定されない。その代
わりに、電界配向は回転要素によって確定される。連結キャビティと２つの加速
キャビティ間の連通は連結キャビティの表面上の２点において生じ、これらの点
がＴＥ定常波の配向に依存して相異なる磁界を「見る」であろう。従って単に回
転要素を回転させる事によって、連結の程度が変更される。
【００１１】 真空キャビティ中の回転要素の回転は公知の技術であって、この回転をなすた
めに多くの方法が存在する。従ってこれは深刻な技術的困難を提示しない。さら
に渦電流は回転要素そのものに閉じ込められ、一般に回転要素と周囲構造とを橋
かけ結合することを必要としない。従って溶接は困難を生じない。
【００１２】 またその設計は技術的公差に対して柔軟である。予備的テストは、４０゜の連
結レンジにわたって２％の位相安定性を得るためには２ｄＢの精度で十分である
ことが示された。この程度の回転精度を得るのは困難ではない。
【００１３】 回転要素が無限回転対称の連結キャビティの中で自由に回転する事が好ましい
。このような構造によって、最大適応性を有する装置が得られる。
【００１４】 適当な回転要素は対称軸線にそって配置されたパドルである。パドルがキャビ
ティ幅の半分と四分の三の範囲内を占める事が好ましく、キャビティ幅の約２／
３が適当である。このような限度内にあればパドルとキャビティ表面との間の縁
部相互作用が最小限となる。
【００１５】 共鳴キャビティの軸線は好ましくは粒子ビーム軸線に対して横方向とする。こ
れはｒｆ相互作用を簡単化する。
【００１６】 加速キャビティは好ましくは連結キャビティ上に設定されたポートを通して相
互に連通する。前記ポートは４０゜乃至１４０゜の範囲内の角度で離間された連
結キャビティの半径上に配置される事が好ましい。さらに好ましい範囲は６０゜
乃至１２０゜である。特に好ましい範囲は８０乃至１００゜の範囲内である。す
なわち約９０゜である。
【００１７】 これらのポートはキャビティ端面上に、すなわち対称軸線に対して横方向に配
置され、またはキャビティの円筒面上に配置されることができる。後者の構造は
よりコンパクトな構造を与え、より大きな連結を生じる可能性がある。
【００１８】 従って本発明は、ＴＥモードで、特にＴＥIIIモードで作動する特殊キャビテ ィを通して隣接セルを連結する新規な方法を提供する。入力孔と出力孔の連結位
置をキャビティの一方の端壁を成す円の弦に沿うように選択する事によって、Ｔ
ＥIIIモードの特殊フィーチャを利用して独特の利点を有する連結装置を構成す ることができる。本発明はキャビティの形状を変更する代わりに、簡単なパドル
を使用してキャビティ内部でＴＥIIIモードの偏極を回転させることを提案する 。ＴＥIIIモードの周波数は電界パタンがキャビティに対して成す角度（偏極角 度）には依存しないので、２点の中に連結されるＲＦの相対位相はこの回転に対
して少なくとも１８０゜にわたって不変である。同時に、１つの弦にそって位置
する２つの連結孔におけるＲＦ磁界の相対マグニチュードは２位数のマグニチュ
ードまで変動する。このＲＦ磁界の特性が本発明の可変ＲＦカプラーの基礎であ
る。
【００１９】 本発明の理解の手がかりは、可動パドルが先行技術の場合のようにキャビティ
の形状を変動させる手段ではなく、単に円筒形キャビティの円形対称を破る手段
であることにある。パドルそのものはキャビティの壁面と接触する必要がなく、
またパドルとキャビティ壁体との間にＲＦ電流そのものは流れない。これは装置
の真空中製造を簡単化し、回転フィード・スルーのみを必要とし、これは公知の
技術である。さもなければ、パドルを外部磁界によって回転させて真空フィード
・スルーを完全に排除することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
定常波加速器においては、装置は図２および図３に図示の第１実施態様のよう
に構成されることができよう。これらの図は、長い加速キャビティ連鎖の一部と
して軸線上に配置された３加速セルを示す。第１および第２加速セル１０，１２
はそれ自体公知の固定ゼオメトリー連結セル１６と相互に連結されている。第２
および第３軸線キャビティ１２と１４との間においては、固定ゼオメトリーセル
の代わりに本発明によるセル１８が配置されている。このセル１８は、その円筒
体が加速セル１２，１４のアーチの上端と交差して２つの任意形状の連結孔２６
，２８を形成されている。所望のように機能するために、これらの孔が理想的に
は軸線からそれた円筒体の（非直径）弦にそっていなければならない。これは、
図３に図示のように円筒体の中心線が加速器の中心線から片寄ってることを意味
する。これらの連結孔は磁界が支配するキャビティ区域の中にあるので、セル間
の連結は磁性となる。しかし固定ゼオメトリーセルと相違し、この場合にはセル
間の連結、従って第２および第３軸線セルにおけるＲＦ電界の比率を変動させる
簡単な手段が存在する。連結強さ（ｋ）は孔の形状と孔の位置におけるＲＦ磁界
の局所的値とに依存している。軸線上の電界はｋ値の比率と逆比例的に変動する
。従って、下記の式が得られる。
【００２１】 （Ｅ１/Ｅ２）＝（ｋ２/ｋ１） 端壁に近い磁界パタンは、連結が弦にそって配置されていれば、ｋ1がｋ2の減
少に従って増大することを意味する。
【００２２】 回転自在のパドル２０がキャビティ１８の中に軸２２によって保持され、この
軸２２が円筒形キャビティ１８の外部に延在している。図２に図示のように、軸
２２はハンドル２４を有してパドル２０を回転させるが、ハンドルの代わりに他
の適当なアクチュエータを使用できることは明かである。
【００２３】 パドル２０はキャビティ１８の対称性を破って電界の電気線をパドル面に対し
て垂直に配置させる。
【００２４】 このようにして得られる結果は単一の可動部分を有する装置であって、この可
動部分が回転に際してセル間の連結を直接に制御することができ、同時に入力と
出力間の相対位相シフトを固定的に、すなわち呼びπラジアンに保持することが
できる。このシステム中の唯一の自由度はパドルの回転角度である。代表的な定
常波加速器用途においては、このパドル回転角度は数度の精度で配置されればよ
い。このような制御により、線形加速器のエネルギーを広いエネルギー範囲にわ
たって連続的に調整することができよう。
【００２５】 図４と図５による第２実施態様によれば、連結キャビティ３０は前記の実施態
様と同様に加速キャビティの縦方向軸線に対して横方向にあるが、その円筒形面
によって加速キャビティ１２，１４と交差する。従って加速器の軸線と連結キャ
ビティの軸線は交差することなく、相互に横方向に延在する。パドル２０などは
不変である。他の点ではこの実施態様の動作は第１実施態様と同様である。
【００２６】 図６乃至図１０は本発明の第３実施態様を示す。これらの図において、２つの
加速キャビティと両側の２つの連結キャビティの半体とからなる線形加速器の短
いサブ要素を示す。さらにこのサブ要素は、２つの加速キャビティを連結した本
発明による単一連結キャビティを含む。加速器全体は軸方向に接合されたこのよ
うな数個のサブ要素からなるであろう。
【００２７】 図６において、加速キャビティの軸線１００は小さい開口１０２を通して第１
加速キャビティ１０４（図６において図示されず）の中に入る。他の加速キャビ
ティ１０８は開口１０６を通して第１加速キャビティ１０４と連通する。第２キ
ャビティ１０８は反対側面に他のアパチュア１１０を有し、この実施態様のサブ
要素が軸線１００にそって反復配置された時に形成される後続の加速キャビティ
と連通する。従って加速されるビームはアパチュア１０２，１０６，１１０など
を通して順次に通過する。
【００２８】 図示のサブ要素の中に一対の連結半キャビティが形成される。第１半キャビテ
ィ１１２が、第１加速キャビティ１０４と隣接サブ要素によって形成される隣接
加速キャビティとの間に固定強さの連結を成す。この隣接サブ要素が連結キャビ
ティ１１２の残余の半体を成す。同様に第２連結キャビティ１１４が第２加速キ
ャビティ１０８を隣接要素によって形成される隣接加速キャビティに連結する。
各連結半キャビティは直立ポスト１１６，１１８を含み、これらのポストは所望
の適当レベルの連結を生じるように各キャビティを調整する。各連結キャビティ
１１２，１１４はその構造において通常のものである。
【００２９】 第１加速キャビティ１０４は第２加速キャビティ１０８に対して調整自在連結
キャビティ１２０を介して連結される。この連結キャビティは要素中の円筒形ス
ペースからなり、この円筒形の軸線は加速器軸線１００から横方向にあってこの
軸線から離間されている。これら２つの軸線の最接近点における間隔と円筒形の
半径は、円筒形が加速キャビティ１０４，１０８と交差してアパチュア１２２，
１２４を生じるように調整される。この実施態様に図示のように、円筒形１２０
は第２加速キャビティ１０８の方に少し近く配置されて、アパチュア１２４をア
パチュア１２２より大きく成している。加速器の他の部分の設計によってはこれ
は場合によっては有利でありうるが、これは本質的なことではなく、他の設計に
おいては望ましくない場合がある。
【００３０】 調整自在連結キャビティ１２０の一端に、アパチュア１２６が形成されて軸１
２８をキャビティ内部に入らせる。軸１２８はアパチュア１２６において公知の
方法で回転自在に密封される。調整自在キャビティ１２０の中において、軸１２
８はパドル１３０を支持し、従ってこのパドルは回転自在に配置されて、調整自
在連結キャビティ１２０中のＴＥ111電界の配向を確定し、従って第１キャビテ ィ１０４と第２キャビティ１０８との間の連結量を決定する。
【００３１】 構造全体に冷却水を導入できるように、サブ要素中に冷却チャンネルが形成さ
れている。この実施例において、加速チャンネルの回りに等間隔で配置された全
部で４冷却チャンネルが備えられている。２つの冷却チャンネル１３２，１３４
は固定連結キャビティ１１２，１１４の上下を走り装置全体をまっすぐに通る。
他の２つの冷却チャンネル１３６，１３８は可変キャビティ１２０と同一側面に
そって走る。これらの冷却チャンネルが加速キャビティ１０４，１０８または調
整自在連結キャビティ１２０と衝突することを防止するため、図７と図８におい
て最もよく見られるように、一対のドッグ・レッグ１４０が形成されている。
【００３２】 図８は実施例の構成法を示す分解斜視図である。中心ベース・ユニット１５０
は連結キャビティと第１および第２加速キャビティ１０４，１０８の２つの半体
とを収容する。２つの加速キャビティは、銅基板上に適当な旋削を実施し、これ
に続いてこれら２つのキャビティ間の中心連通アパチュア１０６を穿孔し、同時
に冷媒チャンネル１３２，１３４，１３６，１３８と、チャンネル１３６，１３
８のドッグ・レッグとを形成する。次に調整自在連結キャビティ１２０を穿孔し
、このようにして連結キャビティ１２０と２つの加速キャビティ１０４，１０８
との間のアパチュア１２２，１２４を形成する。次にキャップ１５２，１５４を
調整自在連結キャビティ１２０の上端と下端にロウ付けし、密封する。
【００３３】 次に中心ユニット１５０の両側面にロウ付け段階によって取付けるためのエン
ドピース１５６，１５８を形成することができる。この場合には、連結キャビテ
ィ１０４，１０８の他方の半体を前記の半キャビティ１１２，１１４と同様にし
てこれらのユニット１５６，１５８の中に切削することができる。冷媒チャンネ
ル１３２，１３４，１３６および１３８を軸方向連通通路１０２，１１０と同様
にして穿孔することができる。次にエンドピースを中心ユニットの両側にロウ付
け配置し、加速キャビティを密封して単一ユニットを形成する。
【００３４】 複数の同様のユニットを端−端ロウ付けして加速キャビティ連鎖を形成するこ
とができる。隣接対の加速キャビティが固定連結キャビティを介して連結され、
またこのような加速キャビティ対の各部材が調整自在連結キャビティ１２０を介
して隣接キャビティ対の部材に連結される。
【００３５】 このようなユニットのロウ付けは業界公知であって、単に各部分の間に適当な
共融ロウ付け合金のホイルを挟持して締付け、この組立体を適当な高温まで加熱
する段階を含む。冷却後に隣接キャビティは確実に接合される。
【００３６】 図１１乃至図１４は本発明の第４実施例を示す。第３実施例と同様にこの実施
例は２つの加速キャビティを含む線形加速器のサブ要素を示す。図示のような複
数のサブ要素を端−端接合して作動加速器を形成することができる。
【００３７】 一対の加速セル２０４，２０８が加速軸線２００にそって配列されている。ア
パチュア２０２が加速ビームを隣接要素から加速キャビティ２０４の中に入らせ
、さらにアパチュア２０６がビームを連続的に加速キャビティ２０８の中に入ら
せ、次にアパチュア２１０がビームを軸線２００にそって加速キャビティ２０８
から他のキャビティの中に入らせる。
【００３８】 ２つの加速キャビティ２０４，２０８を相互に接続する調整自在連結キャビテ
ィ２２０が形成されている。この連結キャビティ２２０は円筒体からなり、その
軸線は加速器軸線２００に対して横方向に延在しこの軸線から離間されている。
円筒体の半径とその軸線の位置は、円筒体が加速キャビティ２０４，２０８と交
差して連通アパチュア２２２，２２４を成すように成されている。図示のように
、調整自在連結キャビティ２２０は加速キャビティ２０４に近く配置されている
ので、アパチュア２２２はアパチュア２２４より少し大である。しかしこれはす
べての状況において本質的なのではなく、加速器の残余部分の構成に依存してい
る。
【００３９】 調整自在連結キャビティ２２０を形成する円筒体は端面２６０，２６２を有し
、これらの端面は円筒体２２０の軸線にそって線形に調整自在である。従って連
結キャビティの長さは加速器の外部設計に対応するように変動させることができ
る。この長さは加速器の共鳴周波数に従って設定される必要がある。しかし実験
的研究は、この設定が特に正確である必要のないことを示している。
【００４０】 端壁２６２は軸方向アパチュア２２６を有し、このアパチュアを通して軸２２
８が延在する。端壁２６２の外側面にハンドル２６４が形成され、また端壁の内
側面にパドル２３０が形成されている。このパドル２３０は調整自在連結キャビ
ティ２２０の回転対称を破ってＴＥ111電界の配向を固定するのに役立つ。この ようにして電界の配向、従って連結のマグニチュードがハンドル２６４の調整に
よって変動させられる。手動調整ハンドルの代わりに適当な機械的アクチュエー
タを使用できることは明かである。
【００４１】 第３実施態様および第４実施態様に記載のような調整自在連結キャビティは２
つの加速キャビティの間に０％乃至６％の範囲内の連結係数を生じうることが発
見された。大部分の加速器設計は４％までの連結係数を必要とするので、この設
計は実質的にすべての事態に対して必要な連結レベルを生じることができる。
【００４２】 本発明によれば、加速キャビティ間の位相ずれを乱すことなく、連続的連結定
数範囲を得ることができる。さらに第３実施態様は、製造容易な要素から成長性
のある加速器を構築することを可能とする。
【００４３】 本発明は前記の説明のみに限定されるものでなく、その趣旨の範囲内において
任意に変更実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＴＥ１１１円筒形キャビティモードの電界線を示す図。
【図２】 本発明の第１実施態様による定常波線形加速器の縦方向断面図。
【図３】 図２のIII-III線にそった断面図。
【図４】 本発明の第２実施態様による定常波線形加速器の縦方向断面図。
【図５】 図４のＶ−Ｖ断面図。
【図６】 本発明の第３実施態様の線形加速器の斜視図。
【図７】 図６の実施態様の軸方向断面図。
【図８】 図６の実施態様の分解斜視図。
【図９】 図７のＩＸ−ＩＸ断面図。
【図１０】 図７のＸ−Ｘ断面図。
【図１１】 本発明の第４実施態様の斜視図。
【図１２】 図１１の実施態様の加速器軸線にそった断面図。
【図１３】 図１２のXIII-XIII断面図。
【図１４】 図１２のXIV-XIV断面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 テリー、アーサー、ラージ イギリス国ウェスト、サセックス、リンド フィールド、ベックワース、レイン、５、 “アーリー" (72)発明者 テレンス、ベイツ イギリス国ウェスト、サセックス、ホーシ ャム、スミスバーン、75 Ｆターム(参考） 2G085 AA04 BA05 BA07 BB12 BE03 CA06 CA12 CA14 CA21 EA07

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 粒子ビーム軸線にそって配置された複数の共鳴キャビティを含み、その少なく
    とも一対の共鳴キャビティが連結キャビティを通して電磁的に連結され、前記連
    結キャビティはその軸線回りに実質的に回転対称であるがこの対称を破るように
    成された非回転対称要素を含み、前記要素は連結キャビティの中を回転自在であ
    って、その回転が連結キャビティの対称軸線に対して実質的に平行である事を特
    徴とする定常波線形加速器。
  2. 【請求項２】 連結キャビティと２つの加速キャビティとの間の連通点は連結キャビティの表
    面のそれぞれ２点にあることを特徴とする請求項１に記載の線形加速器。
  3. 【請求項３】 前記回転要素は無限回転対称の連結キャビティ内部を回転自在であることを特
    徴とする請求項１または２のいずれかに記載の線形加速器。
  4. 【請求項４】 前記回転要素は対称軸線にそって配置されたパドルであ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線形加速器。
  5. 【請求項５】 前記パドルはキャビティ幅の半分と四分の三の範囲内を占めることを特徴とす
    る請求項４に記載の線形加速器。
  6. 【請求項６】 共鳴キャビティの軸線は粒子ビーム軸線に対して横方向であることを特徴とす
    る請求項１乃至５のいずれかに記載の線形加速器。
  7. 【請求項７】 加速キャビティが連結キャビティの表面上に設定されたポートを通して連通す
    ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の線形加速器。
  8. 【請求項８】 前記ポートは４０゜乃至１４０゜の範囲内の角度で離間された連結キャビティ
    の半径上に配置されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の線形
    加速器。
  9. 【請求項９】 前記ポートは６０゜乃至１２０゜の範囲内の角度で離間された連結キャビティ
    の半径上に配置されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の線形
    加速器。
  10. 【請求項１０】 前記ポートは８０゜乃至１００゜の範囲内の角度で離間された連結キャビティ
    の半径上に配置され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線形
    加速器。
  11. 【請求項１１】 前記ポートはキャビティの端面上に配置されることを特徴とする請求項１乃至
    １０のいずれかに記載の線形加速器。
  12. 【請求項１２】 前記ポートはキャビティの円筒面上に配置されることを特徴とする請求項１乃
    至１０のいずれかに記載の線形加速器。
  13. 【請求項１３】 付図２乃至１４において実質的に図示説明された線形加速器。
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