JP2009512985A - Continuous pulse traveling wave accelerator - Google Patents

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ローレンス リヴァーモア ナショナル セキュリティ,エルエルシー
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Abstract

【解決手段】
それぞれがビーム管の短い長さに沿って短い加速パルスを生成するためのスイッチを有する2つ以上のパルス形成ラインと、粒子ビームに対してエネルギを連続的に与えるために軸方向に横切る前記荷電粒子のパルスビームと同期してビーム管に沿って進行軸方向の電界が生成されるようにスイッチを連続的にトリガするためのトリガ機構と、を有する連続パルス進行波コンパクト加速器。
【選択図】図1
[Solution]
Two or more pulse forming lines, each having a switch for generating a short acceleration pulse along the short length of the beam tube, and said charge traversing axially to continuously energize the particle beam A continuous pulse traveling wave compact accelerator comprising: a trigger mechanism for continuously triggering the switch so that an axial electric field is generated along the beam tube in synchronization with the pulsed beam of particles;
[Selection] Figure 1

Description

米国政府は、ローレンスリバーモア国立研究所の業務における米国エネルギ省とカリフォルニア大学との間の規約W−7405−ENG−48にしたがってこの発明の権利を有する。   The US government has rights to this invention in accordance with the W-7405-ENG-48 agreement between the US Department of Energy and the University of California in the work of Lawrence Livermore National Laboratory.

本出願は、2004年1月15日に出願された仮出願第60/536,943号の利益を主張する2005年1月14日に出願された先願第11/036,431号の一部継続出願であり、また、本出願は、2005年10月24日に出願された米国仮出願第60/730,128号、第60/730,129号、第60/730,161号および2006年5月4日に出願された米国仮出願第60/798016号の利益も主張し、前記出願の全ては参照することにより本願に組み入れられる。   This application is a portion of prior application No. 11 / 036,431 filed on Jan. 14, 2005 claiming the benefit of provisional application No. 60 / 536,943 filed on Jan. 15, 2004. This is a continuation application and is filed in US provisional applications 60 / 730,128, 60 / 730,129, 60 / 730,161 and 2006 filed on October 24, 2005. It also claims the benefit of US Provisional Application No. 60 / 798,016, filed May 4, all of which are hereby incorporated by reference.

本発明は、線形加速器に関し、より具体的には、荷電粒子に対してエネルギを連続的に与えるために、軸方向に横切る前記荷電粒子のパルスビームと同期して加速器のビーム管に沿って進行軸方向の電界が生成されるように、線形加速器のパルス形成ラインを通って電気的な波面を差動伝搬(differentially propagate)させるために、スイッチを連続的にトリガする連続パルス進行波線形加速器に関する。   The present invention relates to a linear accelerator, and more specifically, travels along the beam tube of the accelerator in synchronism with the pulsed beam of charged particles traversing in the axial direction to continuously energize the charged particles. A continuous pulse traveling wave linear accelerator that continuously triggers a switch to differentially propagate an electrical wavefront through a linear accelerator pulse forming line so that an axial electric field is generated .

粒子加速器は、帯電した原子の粒子、例えば電子、陽子、または、帯電した原子核のエネルギを増大させ、それにより、それらを原子物理学者および粒子物理学者が研究できるようにするために使用される。高エネルギ帯電原子の粒子は、ターゲット原子と衝突するように加速され、また、結果として得られる生成物は検出器を用いて観察される。非常に高いエネルギにおいて、荷電粒子は、ターゲット原子の原子核を破壊でき、物質の他の基本単位と相互に作用することができる。また、粒子加速器は、核融合装置を開発する上でも、また、癌治療のための医学的用途においても重要なツールである。   Particle accelerators are used to increase the energy of charged atomic particles, such as electrons, protons, or charged nuclei, so that they can be studied by atomic physicists and particle physicists. The particles of high energy charged atoms are accelerated to collide with target atoms and the resulting product is observed using a detector. At very high energy, charged particles can destroy the nuclei of target atoms and interact with other basic units of matter. Particle accelerators are also an important tool in developing fusion devices and in medical applications for cancer treatment.

粒子加速器の1つのタイプが、参照することにより本願に組み入れられるCarderの米国特許第5,757,146号に開示されているが、これは荷電粒子の加速のために高速電気パルスを生成する方法を提供する。Carderには、切り換えられるときに高電圧を生成する一連の積層円形モジュールから成る誘電体壁加速器(DWA)システムが示されている。これらのモジュールはそれぞれ非対称ブルームラインと呼ばれ、これは、参照することにより本願に組み入れられる米国特許第2,465,840号に記載されている。Carder特許の図4A−4Bにおいて最も良く分かるように、ブルームラインは2つの異なる誘電体層から成っている。各表面上および誘電体層間には、2つの平行プレート径方向伝送ラインを形成する導体がある。構造体の一方側は低速ラインと称され、他方側は高速ラインと称される。高速ラインと低速ラインとの間の中心電極を最初に高電位に帯電させる。2つのラインは反対の極性であるため、ブルームラインの内径(ID)をわたる正味電圧は存在しない。表面フラッシュオーバーまたは同様のスイッチによって構造体の外側の両端間を短絡させると、ブルームラインのIDへ向かって径方向内側に伝搬する2つの逆極性波が発生する。高速ラインにおける波は、低速ラインにおける波の到達前に構造体のIDに達する。高速波が構造体のIDに到達すると、到達点における極性がそのラインにおいてのみ反転し、それにより、非対称ブルームラインのIDをわたる正味電圧が生じる。この高電圧は、低速ラインにおける波が最終的にIDに達するまで持続する。加速器の場合には、この間に荷電粒子ビームを注入して加速することができる。このようにして、Carder特許におけるDWA加速器は、高い加速勾配を得るために構造全体にわたって続く軸方向加速電場を与える。   One type of particle accelerator is disclosed in Carder US Pat. No. 5,757,146, incorporated herein by reference, which is a method for generating fast electrical pulses for acceleration of charged particles. I will provide a. Carder shows a dielectric wall accelerator (DWA) system consisting of a series of stacked circular modules that generate high voltages when switched. Each of these modules is called an asymmetric bloom line, which is described in US Pat. No. 2,465,840, which is incorporated herein by reference. As best seen in the Carder patents FIGS. 4A-4B, the bloom line consists of two different dielectric layers. On each surface and between the dielectric layers are conductors that form two parallel plate radial transmission lines. One side of the structure is called the low speed line and the other side is called the high speed line. The center electrode between the high speed line and the low speed line is first charged to a high potential. Since the two lines are of opposite polarity, there is no net voltage across the inner diameter (ID) of the bloom line. Shorting the outer ends of the structure with a surface flashover or similar switch generates two opposite polarity waves that propagate radially inward toward the Bloomline ID. The wave in the high speed line reaches the structure ID before the wave arrives in the low speed line. When the fast wave reaches the structure ID, the polarity at the arrival point is reversed only at that line, thereby creating a net voltage across the ID of the asymmetric bloom line. This high voltage lasts until the wave on the slow line finally reaches ID. In the case of an accelerator, it can be accelerated by injecting a charged particle beam during this time. In this way, the DWA accelerator in the Carder patent provides an axial acceleration electric field that continues throughout the structure to obtain a high acceleration gradient.

しかしながら、CarderのDWAなどの既存の誘電体壁加速器は、ビームの質および性能に影響を及ぼし得る、ある特有の問題を有している。具体的には、幾つかの問題は、Carder DWAのディスク状の幾何学的構造に存在するものであり、これにより荷電粒子を加速するという意図の使用に対して最適であるよりも装置全体が小さくなる。中心穴を有する平坦な平面導体は、伝搬する波面をその中心穴へ向けて径方向に集束させる。そのような幾何学的構成においては、波面は変化するインピーダンスを受け、これにより、出力パルスが歪められ、所定の時間依存エネルギ利得が電界を横切る荷電粒子ビームに対して与えられない場合がある。あるいは、そのような構造によって形成された電界を横切る荷電粒子ビームは、経時変化するエネルギ利得を受け、これにより、加速システムがそのようなビームを適切に輸送してそのような限られた用途のビームを形成することが妨げられ得る。   However, existing dielectric wall accelerators such as Carder's DWA have certain unique problems that can affect beam quality and performance. Specifically, several problems exist in the Carder DWA disk-like geometry, which makes the entire device more than optimal for the intended use of accelerating charged particles. Get smaller. A flat planar conductor having a central hole focuses the propagating wavefront radially toward the central hole. In such a geometry, the wavefront experiences a varying impedance, which distorts the output pulse and may not give a predetermined time-dependent energy gain to the charged particle beam across the electric field. Alternatively, a charged particle beam that traverses the electric field formed by such a structure experiences a time-varying energy gain that allows the acceleration system to properly transport such a beam for such limited applications. Forming the beam can be prevented.

また、そのような構造のインピーダンスは、必要とされるインピーダンスよりもかなり低い場合がある。例えば、必要とされる加速勾配を維持しつつミリアンペア以下のオーダーのビームを生成することが、多くの場合に非常に望ましい。Carderのディスク状ブルームライン構造により、過度なレベルの電気エネルギがシステムに蓄えられる可能性がある。明らかな電気的非効率性以上に、システムが起動されるときにビームに対して供給されないすべてのエネルギは、構造内に残存する可能性がある。そのような過度のエネルギは、装置全体の性能および信頼性に対して悪影響を及ぼす可能性があり、それにより、システムの早期の故障を招く可能性がある。   Also, the impedance of such a structure may be significantly lower than the required impedance. For example, it is often highly desirable to produce a beam on the order of sub-milliamperes while maintaining the required acceleration gradient. Carder's disk-like bloom line structure can cause excessive levels of electrical energy to be stored in the system. Beyond the apparent electrical inefficiency, any energy that is not delivered to the beam when the system is activated can remain in the structure. Such excessive energy can adversely affect the overall performance and reliability of the device, thereby leading to premature system failure.

また、電極の外側の外周が大きく延びることは、中心穴を有する平坦な平面導体(例えば、ディスク形状)に特有のものである。その結果、構造体を起動させるための並列スイッチの数がその外周によって決定される。例えば、10ns未満のパルスを生成するために使用される6インチの直径のデバイスでは、一般に、ディスク形状非対称ブルームライン層毎に少なくとも10個のスイッチ部位が必要となる。この問題は、長い加速パルスが必要とされる場合には更に大きな問題になる。これは、このディスク状ブルームライン構造の出力パルス長が中心穴からの径方向範囲に直接に関連付けられるからである。したがって、長いパルス幅が必要とされる場合には、それに応じて、より多いスイッチ部位も必要とされる。スイッチを起動する好ましい実施形態がレーザまたは他の同様の装置の使用である場合には、非常に複雑な分配システムが必要とされる。また、長いパルス構造は、製造が困難な大きな誘電体シートを必要とする。これによって、そのような構造の重量が増大し得る。例えば、現在の形態において、50nsパルスを供給する装置は、1メートル当たり数トン程度の重さとなり得る。長パルスの欠点の幾つかは、非対称ブルームライン内の3つ導体すべてにおいて螺旋溝を使用することにより軽減され得るが、これは、結果として、動作を妨げ得る相殺的干渉層間結合をもたらす可能性がある。すなわち、ステージ毎にかなり減少されたパルス振幅(したがって、エネルギ)が構造の出力において現れ得る。   Further, the large extension of the outer periphery of the electrode is peculiar to a flat planar conductor (for example, a disk shape) having a center hole. As a result, the number of parallel switches for activating the structure is determined by its circumference. For example, a 6 inch diameter device used to generate pulses of less than 10 ns generally requires at least 10 switch sites per disk-shaped asymmetric bloom line layer. This problem becomes even more problematic when long acceleration pulses are required. This is because the output pulse length of this disc-shaped bloom line structure is directly related to the radial range from the center hole. Therefore, if a long pulse width is required, more switch sites are required accordingly. If the preferred embodiment for activating the switch is the use of a laser or other similar device, a very complex distribution system is required. Also, the long pulse structure requires a large dielectric sheet that is difficult to manufacture. This can increase the weight of such structures. For example, in the current configuration, a device supplying 50 ns pulses can weigh as much as several tons per meter. Some of the short pulse disadvantages can be mitigated by using spiral grooves in all three conductors in the asymmetric bloom line, which can result in destructive interferometric interlayer coupling that can interfere with operation. There is. That is, a significantly reduced pulse amplitude (and hence energy) from stage to stage can appear at the output of the structure.

また、陽子ビームを使用する癌治療などの医学治療における特定の用途のために様々なタイプの加速器が開発されてきた。例えば、Coleらの米国特許第4,879,287号は、カリフォルニア州のロマ・リンダにあるロマ・リンダ大学陽子加速器施設において使用されるマルチステーション陽子ビーム治療システムを開示している。このシステムでは、施設内のある場所で粒子源生成が行なわれ、施設内の他の場所で加速が行なわれるが、患者は施設内の更に他の場所位置する。粒子源、加速、ターゲットが互いに遠く離れているため、大型でかさばる偏向磁石を有する複雑なガントリシステムを使用して粒子輸送が達成される。また、医学治療において知られる他の代表的なシステムがBertscheの米国特許第6,407,505号およびBlosserらの米国特許第4,507,616号に開示されている。Bertscheには定在波RFリニアックが示されており、また、Blosserには、支持構造体上に回転可能に装着された超伝導サイクロトロンが示されている。   Various types of accelerators have also been developed for specific applications in medical treatment such as cancer treatment using proton beams. For example, US Pat. No. 4,879,287 to Cole et al. Discloses a multi-station proton beam treatment system for use at the Loma Linda University proton accelerator facility in Loma Linda, California. In this system, particle source generation occurs at one location within the facility and acceleration occurs at other locations within the facility, but the patient is located at another location within the facility. Because the particle source, acceleration, and target are far away from each other, particle transport is achieved using a complex gantry system with a large and bulky deflecting magnet. Other exemplary systems known in medical treatment are also disclosed in Bertsche US Pat. No. 6,407,505 and Blosser et al US Pat. No. 4,507,616. Bertsch shows a standing wave RF linac, and Blosser shows a superconducting cyclotron rotatably mounted on a support structure.

また、ある容積における低圧ガスからプラズマ放電を形成するイオン源が知られている。この容積から、イオンが抽出されて加速のために加速器内に視準される。これらのシステムは、一般に、0.25A/cm2を下回る抽出された電流密度に制限される。この低い電流密度は、抽出界面でのプラズマ放電の強度に部分的に起因する。当該技術分野において知られるイオン源の1つの例は、超短イオンパルスを生成するように構成された抽出システムを有するLeungらの米国特許第6,985,553号に開示されている。他の例は、高視準イオンビームを生成するために、抽出グリッドと加速グリッドと集束グリッドとシールドグリッドとを有するマルチグリッドイオンビーム源を開示するWahlinの米国特許第6,795,807号に示されている。   Also known are ion sources that form a plasma discharge from low pressure gas in a certain volume. From this volume, ions are extracted and collimated into the accelerator for acceleration. These systems are generally limited to extracted current densities below 0.25 A / cm2. This low current density is due in part to the intensity of the plasma discharge at the extraction interface. One example of an ion source known in the art is disclosed in US Pat. No. 6,985,553 to Leung et al. Having an extraction system configured to generate ultrashort ion pulses. Another example is in U.S. Pat. No. 6,795,807 to Wahlin, which discloses a multi-grid ion beam source having an extraction grid, an acceleration grid, a focusing grid, and a shield grid to produce a highly collimated ion beam. It is shown.

本発明の第1の態様は、加速軸を取り囲む長さLの誘電体ビーム管と、ビーム管に対して、これを横切る方向に接続される少なくとも2つのパルス形成ラインであって、各パルス形成ラインが、他のパルス形成ラインから独立して当該パルス形成ラインを通って少なくとも1つの電気的な波面を伝搬してパルス幅τの短い加速パルスをビーム管の対応する短軸長δLに沿って生成するために高電圧電位に接続可能なスイッチを有する、少なくとも2つのパルス形成ラインと、荷電粒子に対してエネルギを連続的に与えるために、軸方向に横切る前記荷電粒子のパルスビームと同期してビーム管に沿って進行軸方向の電界が生成されるようにスイッチを連続的に制御する手段とを備える短パルス誘電体壁加速器を含んでいる。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a dielectric beam tube having a length L surrounding an acceleration axis and at least two pulse forming lines connected to the beam tube in a direction crossing the dielectric tube. The line propagates at least one electrical wavefront through the pulse forming line independently of the other pulse forming lines to transmit an acceleration pulse with a short pulse width τ along the corresponding minor axis length δL of the beam tube. Synchronized with at least two pulse forming lines having a switch connectable to a high voltage potential to generate and a pulse beam of said charged particles traversing axially to continuously energize the charged particles. And a means for continuously controlling the switch so that an electric field in the direction of the traveling axis is generated along the beam tube.

本発明の他の態様は、横方向加速軸へと延びる複数のパルス形成ラインであって、各パルス形成ラインが、他のパルス形成ラインから独立して当該パルス形成ラインを通って少なくとも1つの電気的な波面を伝搬して加速軸の対応する短軸長に隣接して短い加速パルスを生成するために高電圧電位に接続可能なスイッチを有する、複数のパルス形成ラインと、荷電粒子に対してエネルギを連続的に与えるために、軸方向に横切る前記荷電粒子のパルスビームと同期して加速軸に沿って進行軸方向の電界が生成されるようにスイッチを連続的に制御するべく動作可能に接続されるトリガとを備える連続パルス進行波線形加速器を含んでいる。   Another aspect of the invention is a plurality of pulse forming lines extending to the lateral acceleration axis, each pulse forming line passing through the pulse forming line independently of the other pulse forming lines. A plurality of pulse forming lines having a switch connectable to a high voltage potential to propagate a typical wavefront and generate a short acceleration pulse adjacent to the corresponding short axis length of the acceleration axis, and for charged particles Operable to continuously control the switch to generate an electric field in the direction of the traveling axis along the acceleration axis in synchronism with the pulsed beam of charged particles traversing in the axial direction in order to provide energy continuously. A continuous pulse traveling wave linear accelerator with a connected trigger.

本発明の他の態様は、加速軸を取り囲む長さLの誘電体ビーム管と、それぞれが加速軸に対して垂直なパルス形成ラインを形成する少なくとも2つのブルームラインモジュールであって、各ブルームラインモジュールが、第1の端部とビーム管に接続される第2の端部とを有する第1の導体と、第1の導体に隣接し、高電圧電位に切り換え可能な第1の端部とビーム管に接続される第2の端部とを有する第2の導体と、第2の導体に隣接し、第1の端部とビーム管に接続される第2の端部とを有する第3の導体と、第1の誘電定数を有し、第1の導体と第2の導体との間の空間を満たす第1の誘電体部材と、第2の誘電定数を有し、第2の導体と第3の導体との間の空間を満たす第2の誘電体部材とを備え、第1および第2の誘電定数がビーム管の誘電定数よりも小さい少なくとも2つのブルームラインモジュールであって、各ブルームラインモジュールが、他のブルームラインモジュールから独立して当該ブルームラインモジュールを通って少なくとも1つの電気的な波面を伝搬してパルス幅τの短い加速パルスをビーム管の対応する短軸長δLに沿って生成するために高電圧電位に接続可能な少なくとも1つのスイッチを有する少なくとも2つのブルームラインモジュールと、荷電粒子に対してエネルギを連続的に与えるために、軸方向に横切る前記荷電粒子のパルスビームと同期してビーム管に沿って進行軸方向の電界が生成されるようにスイッチを連続的にトリガするべく動作可能に接続されるコントローラとを備える連続パルス進行波線形加速器を含んでいる。   Another aspect of the invention is a dielectric beam tube of length L surrounding an acceleration axis and at least two bloom line modules each forming a pulse forming line perpendicular to the acceleration axis, each bloom line A first conductor having a first end and a second end connected to the beam tube; a first end adjacent to the first conductor and switchable to a high voltage potential; A second conductor having a second end connected to the beam tube; and a third conductor having a first end adjacent to the second conductor and connected to the beam tube and a second end connected to the beam tube. A first dielectric member having a first dielectric constant and filling a space between the first conductor and the second conductor; a second conductor having a second dielectric constant; And a second dielectric member that fills a space between the third conductor and the first and second dielectric constants. At least two Bloomline modules smaller than the dielectric constant of the tube, each Bloomline module propagating at least one electrical wavefront through the Bloomline module independently of the other Bloomline modules. At least two bloom line modules having at least one switch connectable to a high voltage potential to generate an acceleration pulse with a short pulse width τ along the corresponding minor axis length δL of the beam tube; Operates to continuously trigger the switch to generate an axial electric field along the beam tube in synchrony with the pulsed beam of charged particles traversing in the axial direction to provide energy continuously. A continuous pulse traveling wave linear accelerator with a connected controller.

開示内容の一部に組み込まれ且つ開示内容の一部を形成する添付図面は以下の通りである。   The accompanying drawings, which are incorporated in and form a part of the disclosure, are as follows.

A.帯状のブルームラインを有するコンパクト加速器
ここで、図面を参照すると、図1〜図12は、第1の端部と第2の端部との間を伝搬する波面を案内し且つ第2の端部で出力パルスを制御する少なくとも1つの帯状のブルームライン(Blumlein)モジュールを有する本発明で使用されるコンパクトな線形加速器を示している。各ブルームラインモジュールは第1、第2および第3の平面導体ストリップを有しており、第1の導体ストリップと第2の導体ストリップとの間に第1の誘電体ストリップを有し、第2の導体ストリップと第3の導体ストリップとの間に第2の誘電体ストリップを有している。また、コンパクト線形加速器は、第2の導体ストリップを高電位まで帯電させるために接続された高電圧電源と、第2の導体ストリップにおける高電位を第1および第3の導体ストリップのうちの少なくとも一方へ切り換えて対応する誘電体ストリップにおいて伝搬逆極性波面を起こすスイッチとを含んでいる。
A. Compact Accelerator with Banded Bloom Lines Referring now to the drawings, FIGS. 1-12 guide a wavefront propagating between a first end and a second end and a second end Fig. 2 shows a compact linear accelerator used in the present invention with at least one strip-shaped Bloomline module for controlling the output pulses. Each bloom line module has first, second and third planar conductor strips, a first dielectric strip between the first conductor strip and the second conductor strip, and a second A second dielectric strip is provided between the first conductor strip and the third conductor strip. The compact linear accelerator also includes a high voltage power source connected to charge the second conductor strip to a high potential, and at least one of the first and third conductor strips to increase the high potential in the second conductor strip. And a switch that causes a propagating reverse polarity wavefront in the corresponding dielectric strip.

コンパクト線形加速器は、第1の端部と第2の端部との間で伝搬波面を案内し且つ第2の端部で出力パルスを制御する少なくとも1つの帯状のブルームラインモジュールを有している。各ブルームラインモジュールは第1、第2および第3の平面導体ストリップを有しており、第1の導体ストリップと第2の導体ストリップとの間に第1の誘電体ストリップを有し、第2の導体ストリップと第3の導体ストリップとの間に第2の誘電体ストリップを有している。また、コンパクト線形加速器は、第2の導体ストリップを高電位まで帯電させるために接続された高電圧電源と、第2の導体ストリップにおける高電位を第1および第3の導体ストリップのうちの少なくとも一方へ切り換えて対応する誘電体ストリップにおいて伝搬逆極性波面を起こすスイッチとを含んでいる。   The compact linear accelerator has at least one strip-shaped bloom line module that guides the propagating wavefront between a first end and a second end and controls the output pulse at the second end. . Each bloom line module has first, second and third planar conductor strips, a first dielectric strip between the first conductor strip and the second conductor strip, and a second A second dielectric strip is provided between the first conductor strip and the third conductor strip. The compact linear accelerator also includes a high voltage power source connected to charge the second conductor strip to a high potential, and at least one of the first and third conductor strips to increase the high potential in the second conductor strip. And a switch that causes a propagating reverse polarity wavefront in the corresponding dielectric strip.

図1および図2は、スイッチ18に接続された単一のブルームラインモジュール36を備える参照符号10で全体的に示されるコンパクト線形加速器の第1の典型的な実施形態を示している。コンパクト加速器は、スイッチ18を介して高電圧電位をブルームラインモジュール36に対して供給する適切な高電圧電源(図示せず)も含んでいる。一般に、ブルームラインモジュールは、典型的には均一な幅であるが必ずしもそうではないストリップ形態、すなわち、長くて狭い幾何学的形状である。図1および図2に示される特定のブルームラインモジュール11は、第1の端部11と第2の端部12との間に延び、且つ長さlと比べて比較的狭い幅wn(図2,4)である細長いビームまたは板状の直線形態を成している。ブルームラインモジュールのこのストリップ状の形態は、第1の端部11から第2の端部12へと伝搬電気信号波を案内し、それにより、第2の端部で出力パルスを制御するように作用する。具体的には、波面の形状は、モジュールの幅を適切に構成することにより、例えば図6に示されるように幅を次第に細くすることにより制御されてもよい。帯状の形態により、コンパクト加速器は、Carderのディスク形状モジュールに関して背景技術で議論したように、中心穴に集束するように径方向に向けられるときに起こり得る伝搬波面の変動インピーダンスを克服することができる。そして、このようにして、パルスを破壊することなくモジュール10のストリップまたはビーム状形態により平坦な出力(電圧)パルスを生成することができ、それにより、粒子ビームが経時変化するエネルギ利得を受けないようにすることができる。本明細書中および請求項中で使用されるように、第1の端部11は、スイッチ、例えばスイッチ18に接続される端部として特徴付けられ、また、第2の端部12は、粒子加速のための出力パルス領域などの負荷領域に隣接する端部である。   FIGS. 1 and 2 show a first exemplary embodiment of a compact linear accelerator, generally designated by reference numeral 10, comprising a single bloom line module 36 connected to a switch 18. The compact accelerator also includes a suitable high voltage power supply (not shown) that supplies a high voltage potential to the bloom line module 36 via the switch 18. In general, bloom line modules are typically in the form of strips of uniform width but not necessarily, ie long and narrow geometric shapes. The specific bloom line module 11 shown in FIGS. 1 and 2 extends between the first end 11 and the second end 12 and has a relatively narrow width wn (FIG. 2) compared to the length l. , 4) in the form of an elongated beam or a plate-like straight line. This strip-like form of the bloom line module guides the propagating electrical signal wave from the first end 11 to the second end 12 and thereby controls the output pulse at the second end. Works. Specifically, the shape of the wavefront may be controlled by appropriately configuring the width of the module, for example by gradually reducing the width as shown in FIG. Due to the strip configuration, the compact accelerator can overcome the variable impedance of the propagating wavefront that can occur when directed radially to focus on the center hole, as discussed in the background for Carder's disk-shaped module. . In this way, a flat output (voltage) pulse can be generated by the strip or beam-like form of the module 10 without destroying the pulse, so that the particle beam does not suffer from an aging energy gain. Can be. As used herein and in the claims, the first end 11 is characterized as an end connected to a switch, for example a switch 18, and the second end 12 is a particle. An end adjacent to a load region such as an output pulse region for acceleration.

図1および図2に示されるように、基本的なブルームラインモジュール10の幅が狭いビーム状構造は、薄いストリップの状態に形成され、どちらも細長いが、より厚いストリップとしても示される誘電体部材によって分離される3つの平面導体を含んでいる。具体的には、第1の平面導体ストリップ13と真ん中の第2の平面導体ストリップ15とは、それらの間の空間を満たす第1の誘電体部材14によって分離される。また、第2の平面導体ストリップ15と第3の平面導体ストリップ16とは、それらの間の空間を満たす第2の誘電体部材17によって分離される。誘電体部材によって成される分離は、図示のように平面導体ストリップ13,15,16を互いに平行となるように位置決めすることが好ましい。平面導体ストリップおよび誘電体ストリップ13−17に接続されてこれらの端部を覆う第3の誘電体部材19が更に示されている。第3の誘電体部材19は、波を組み合わせてパルス電圧だけが真空壁の両端間にかけられるようにする役目を果たし、それにより、その壁に対して応力が加えられる時間が減少され、更に高い勾配が可能になる。また、第3の誘電体部材は、波を加速器に対して加える前に波を変形させる、すなわち、電圧を上げ、インピーダンスを変化させるなどする領域として使用することもできる。したがって、第3の誘電体部材19および第2の端部12は、一般に、矢印20により示される負荷領域に隣接して示されている。具体的には、矢印20は、粒子加速の方向を向く粒子加速器の加速軸を表わしている。背景技術で説明したように、加速の方向が2つの誘電体ストリップを通じた速い伝送ラインおよび遅い伝送ラインの経路に依存していることは言うまでもない。   As shown in FIGS. 1 and 2, the narrow beam-like structure of the basic bloom line module 10 is formed as a thin strip, both elongated but also shown as a thicker strip. 3 plane conductors separated by. Specifically, the first planar conductor strip 13 and the middle second planar conductor strip 15 are separated by a first dielectric member 14 that fills the space between them. The second planar conductor strip 15 and the third planar conductor strip 16 are separated by the second dielectric member 17 that fills the space between them. The separation made by the dielectric members is preferably positioned so that the planar conductor strips 13, 15, 16 are parallel to each other as shown. Further shown is a third dielectric member 19 connected to the planar conductor strip and dielectric strip 13-17 to cover these ends. The third dielectric member 19 serves to combine the waves so that only a pulse voltage is applied across the vacuum wall, thereby reducing the time during which the wall is stressed and even higher. A gradient is possible. The third dielectric member can also be used as a region for deforming the wave before applying the wave to the accelerator, that is, increasing the voltage and changing the impedance. Accordingly, the third dielectric member 19 and the second end 12 are generally shown adjacent to the load region indicated by the arrow 20. Specifically, the arrow 20 represents the acceleration axis of the particle accelerator that faces the direction of particle acceleration. As explained in the background art, it goes without saying that the direction of acceleration depends on the path of the fast and slow transmission lines through the two dielectric strips.

図1において、スイッチ18は、第1の端部において、すなわち、モジュール36の第1の端部11において、平面導体ストリップ13,15,16のそれぞれに接続されて示されている。スイッチは、最初に、外側の平面導体ストリップ13,16をグランド電位に接続し且つ真ん中の導体ストリップ15を高電圧源(図示せず)に接続する働きをする。その後、スイッチ18は、第1の端部で短絡あっせるように動作し、それによってブルームラインモジュールを通って伝搬する電圧波面を起こし、第2の端部で出力パルスを生成する。具体的には、スイッチ18は、ブルームラインモジュールが対称動作のために構成されているか或いは非対称動作のために構成されているかに応じて、誘電体のうちの少なくとも1つにおいて伝搬逆極性波面を第1の端部から第2の端部へと起こすことができる。非対称動作のために構成される場合には図1および図2に示されるように、ブルームラインモジュールは、Carderに記載される態様と同様の態様で、誘電体層14,17の誘電定数および厚さ(d1≠d2)が異なる。ブルームラインの非対称動作は、誘電体層を通る伝搬波速度を異なるものとする。しかしながら、図12に示されるようにブルームラインモジュールが対称動作のために構成される場合には、誘電体ストリップ95,98が同じ誘電定数を有し、幅および厚さ(d1=d2)も同じになる。また、図12に示されるように、磁性部材も第2の誘電体ストリップ98に極めて接近して配置され、それにより、そのストリップ内では波面の伝搬が妨げられる。このようにして、スイッチは、第1の誘電体ストリップ95においてのみ伝搬逆極性波面を起こすようになっている。スイッチ18が例えばガス放電閉塞スイッチ、表面フラッシュオーバー閉塞スイッチ、固体スイッチ、光伝導スイッチなどの非対称または対称ブルームラインモジュール動作に適したスイッチであることは言うまでもない。また、スイッチおよび誘電体部材のタイプ/寸法の選択は、例えば20メガボルト/mを越える勾配を含む様々な加速勾配でコンパクト加速器が動作できるように適切に選択できる。しかしながら、設計の問題として更に低い勾配を達成することもできることもまた、言うまでもない。   In FIG. 1, the switch 18 is shown connected to each of the planar conductor strips 13, 15, 16 at the first end, ie, at the first end 11 of the module 36. The switch initially serves to connect the outer planar conductor strips 13, 16 to ground potential and the middle conductor strip 15 to a high voltage source (not shown). Thereafter, the switch 18 operates to short-circuit at the first end, thereby causing a voltage wavefront to propagate through the Bloomline module and generating an output pulse at the second end. Specifically, the switch 18 has a propagating reverse polarity wavefront in at least one of the dielectrics depending on whether the Bloom line module is configured for symmetric or asymmetric operation. It can be raised from the first end to the second end. When configured for asymmetric operation, as shown in FIGS. 1 and 2, the Bloomline module is configured in a manner similar to that described by Carder in the dielectric constants and thicknesses of the dielectric layers 14,17. (D1 ≠ d2) is different. The asymmetrical operation of the Bloom line makes the propagation wave velocity through the dielectric layer different. However, if the Bloom line module is configured for symmetrical operation as shown in FIG. 12, the dielectric strips 95, 98 have the same dielectric constant and the same width and thickness (d1 = d2). become. Also, as shown in FIG. 12, the magnetic member is also placed in close proximity to the second dielectric strip 98, thereby preventing wavefront propagation within the strip. In this way, the switch causes a propagation reverse polarity wavefront only in the first dielectric strip 95. It will be appreciated that the switch 18 is a switch suitable for asymmetric or symmetric Bloom line module operation, such as a gas discharge occlusion switch, surface flash over occlusion switch, solid state switch, photoconductive switch, and the like. Also, the switch / dielectric member type / dimension selection can be appropriately selected to allow the compact accelerator to operate at various acceleration gradients including, for example, gradients in excess of 20 megavolts / m. However, it goes without saying that even lower gradients can be achieved as a matter of design.

1つの好ましい実施形態において、第2の平面導体の幅w1は、第1の誘電体ストリップをわたる特性インピーダンスZ1=k1g1(w1,d1)によって規定される。k1は、第1の誘電体部材の誘電率に対する透過率の比率の平方根によって規定される第1の誘電体ストリップの第1の真空の電気定数であり、g1は隣接する導体の形状効果によって規定される関数であり、d1は第1の誘電体ストリップの厚さである。また、第2の誘電体ストリップの厚さは、第2の誘電体ストリップをわたる特性インピーダンスZ2=k2g2(w2,d2)によって規定される。ここで、k2は第2の誘電体部材の第2の真空の電気定数であり、g2は隣接する導体の形状効果によって規定される関数であり、w2は第2の平面導体ストリップの幅であり、d2は第2の誘電体ストリップの厚さである。このようにして、非対称ブルームラインモジュールにおいて必要とされるように、異なる誘電体は、異なるインピーダンスをもたらすため、関連するラインの幅を調整することによりインピーダンスを一定に保つことができる。したがって、負荷に対して、より大きいエネルギが伝達されることになる。   In one preferred embodiment, the width w1 of the second planar conductor is defined by the characteristic impedance Z1 = k1g1 (w1, d1) across the first dielectric strip. k1 is the electrical constant of the first vacuum of the first dielectric strip defined by the square root of the ratio of the transmittance to the dielectric constant of the first dielectric member, and g1 is defined by the shape effect of the adjacent conductor. D1 is the thickness of the first dielectric strip. The thickness of the second dielectric strip is defined by the characteristic impedance Z2 = k2g2 (w2, d2) across the second dielectric strip. Where k2 is the electrical constant of the second vacuum of the second dielectric member, g2 is a function defined by the shape effect of the adjacent conductor, and w2 is the width of the second planar conductor strip. , D2 is the thickness of the second dielectric strip. In this way, different dielectrics provide different impedances, as required in asymmetric bloom line modules, so that the impedance can be kept constant by adjusting the width of the associated line. Therefore, more energy is transmitted to the load.

図4および図5は、第1および第2の平面導体ストリップ41,42並びに第1および第2の誘電体ストリップ44,45の幅よりも幅が狭い第2の平面導体ストリップ42を有するブルームラインモジュールの典型的な実施形態を示している。この特定の形態では、電極41,43が延在することによって、電極42がエネルギを前の或いは後のブルームラインに対して容易に結合することができなくなるために、背景技術において説明した相殺的干渉層間結合が妨げられる。また、他の典型的な実施形態のモジュールは、その幅が長さ方向l(図2,4参照)に沿って変化し、それにより、出力パルスの形状を制御して形作れることが好ましい。これが図6に示されており、図6は、モジュールが中央負荷領域に向かって径方向内側に延びるにつれて幅が先細る状態を示している。また、他の好ましい実施形態において、ブルームラインモジュールの寸法および誘電体部材は、Z1がZ2にほぼ等しくなるように選択される。既に説明したように、インピーダンスが整合すると、振動出力を形成する波の形成が妨げられる。   4 and 5 show bloom lines having first and second planar conductor strips 41, 42 and a second planar conductor strip 42 that is narrower than the widths of the first and second dielectric strips 44, 45. FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a module. In this particular form, the extension of the electrodes 41, 43 makes it difficult for the electrode 42 to couple energy to the previous or subsequent bloom line, which is counterbalanced as described in the background art. Interferometric interlayer coupling is prevented. Also, the modules of other exemplary embodiments are preferably configured so that their width varies along the length direction l (see FIGS. 2 and 4), thereby controlling the shape of the output pulse. This is shown in FIG. 6, which shows the taper as the module extends radially inward toward the central load region. In another preferred embodiment, the dimensions of the bloom line module and the dielectric member are selected such that Z1 is approximately equal to Z2. As already explained, when the impedance is matched, the formation of the waves forming the vibration output is prevented.

また、好ましくは、非対称ブルームライン形態において、第2の誘電体ストリップ17は、例えば3:1など、第1の誘電体ストリップ14よりもかなり伝搬速度が低い。この場合、伝搬速度はv2およびv1のそれぞれによって規定される。ここで、v2=(μ2ε2)−0.5、v1=(μ1ε1)−0.5であり、透過率μ1および誘電率ε1は第1の誘電体部材の材料定数であり、また、透過率μ2および誘電率ε2は第2の誘電体部材の材料定数である。これは、第1の誘電体ストリップの誘電定数すなわちμ2ε2よりも大きい誘電定数すなわちμ1ε1を有する部材を第2の誘電体ストリップのために選択することによって得ることができる。図1に示されるように、例えば、第1の誘電ストリップの厚さがd1として示され、第2の誘電体ストリップの厚さがd2として示され、d2がd1よりも大きくなるように示されている。d2をd1よりも大きく設定することにより、異なる配置と異なる誘電定数との組み合わせが第2の平面導体ストリップ15の両側に同じ特性インピーダンスZをもたらす。なお、特性インピーダンスは両方の半体において同じであってもよいが、各半体を通る信号の伝搬速度は必ずしも同じでなくてもよい。誘電体ストリップの誘電定数および厚さは異なる伝搬速度をもたらすように適切に選択されてもよいが、細長い帯状の構造および形態は、非対称ブルームラインの概念、すなわち、誘電体は誘電定数および厚さが異なる考え方を必ずしも利用しなくてよいことは言うまでもない。制御波形の利点は、ブルームラインモジュールの細長いビーム状の形状および形態によって可能とされるのであって、高い加速勾配を生み出す特定の方法によってではないため、他の典型的な実施形態では、他のスイッチング構造、例えば対称ブルームライン動作を伴う図12に関して説明したスイッチング構造を使用することができる。   Also preferably, in the asymmetric bloom line configuration, the second dielectric strip 17 has a much lower propagation velocity than the first dielectric strip 14, such as 3: 1. In this case, the propagation speed is defined by v2 and v1, respectively. Here, v2 = (μ2ε2) −0.5, v1 = (μ1ε1) −0.5, the transmittance μ1 and the dielectric constant ε1 are the material constants of the first dielectric member, and the transmittance μ2 And dielectric constant ε2 is a material constant of the second dielectric member. This can be obtained by selecting a member for the second dielectric strip that has a dielectric constant or μ1ε1 greater than that of the first dielectric strip, ie μ2ε2. As shown in FIG. 1, for example, the thickness of the first dielectric strip is shown as d1, the thickness of the second dielectric strip is shown as d2, and d2 is shown to be greater than d1. ing. By setting d2 greater than d1, the combination of different arrangements and different dielectric constants results in the same characteristic impedance Z on both sides of the second planar conductor strip 15. It should be noted that the characteristic impedance may be the same in both halves, but the propagation speed of the signal passing through each half is not necessarily the same. Although the dielectric constant and thickness of the dielectric strip may be appropriately selected to provide different propagation velocities, the elongated strip-like structure and configuration is an asymmetric Bloomline concept, i.e., the dielectric is dielectric constant and thickness However, it goes without saying that it is not always necessary to use different ideas. In other exemplary embodiments, the advantages of the control waveform are enabled by the elongated beam-like shape and form of the Bloomline module, not by a specific method that produces high acceleration gradients. A switching structure, such as the switching structure described with respect to FIG. 12 with symmetric Bloom line operation, can be used.

あるいは、コンパクト加速器は、互いに位置合わせされた状態で積み重ねられる細長いブルームラインモジュールの2つ以上を有するように構成されてもよい。例えば、図3は、互いに位置合わせされた状態で積み重ねられた2つのブルームラインモジュールを有するコンパクト加速器21を示している。2つのブルームラインモジュールは平面導体ストリップと誘電体ストリップとの交互の積層体24−32を形成しており、平面導体ストリップ32は両方のモジュールに共通である。また、導体ストリップは、積層モジュールの第1の端部22でスイッチ33に接続される。加速軸矢印35によって示される負荷領域に隣接し、積層モジュールの第2の端部23を覆う誘電体壁34も設けられている。   Alternatively, the compact accelerator may be configured to have two or more elongated bloom line modules that are stacked in alignment with each other. For example, FIG. 3 shows a compact accelerator 21 having two bloom line modules stacked in alignment with each other. The two bloom line modules form alternating laminates 24-32 of planar conductor strips and dielectric strips, which are common to both modules. The conductor strip is connected to the switch 33 at the first end 22 of the laminated module. A dielectric wall 34 is also provided adjacent to the load region indicated by the acceleration axis arrow 35 and covering the second end 23 of the stacked module.

コンパクト加速器は、中央負荷領域の周囲を取り囲むように位置する少なくとも2つのブルームラインモジュールを有して構成されてもよい。また、周囲を取り囲むモジュールはそれぞれ、第1のモジュールと位置合わせされるように積み重ねられる1つ以上の更なるブルームラインモジュールを更に含んでいてもよい。図6は、例えば、2つのブルームラインモジュール積層体51,53を有するコンパクト加速器50の典型的な実施形態を示しており、2つの積層体が中央負荷領域56を取り囲んでいる。各モジュール積層体は、4つの独立に動作するブルームラインモジュール(図7)から成る積層体として示されており、関連するスイッチ52,54に対して別々に接続されている。ブルームラインモジュールを互いに位置合わせした状態で積み重ねることにより加速軸に沿ってセグメントの被覆率が増大することは言うまでもない。   The compact accelerator may be configured with at least two bloom line modules positioned so as to surround the central load area. Each of the surrounding modules may further include one or more additional bloom line modules that are stacked to be aligned with the first module. FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a compact accelerator 50 having, for example, two bloom line module stacks 51, 53, with the two stacks surrounding a central load region 56. Each module stack is shown as a stack of four independently operating Bloomline modules (FIG. 7) and is separately connected to the associated switches 52,54. It goes without saying that the coverage of the segments increases along the acceleration axis by stacking the bloom line modules in alignment with each other.

図8および図9には、2つ以上の導体ストリップ61,63であって、例えば65で示されるリング電極によってそれらそれぞれの第2の端部が接続される導電ストリップ61,63を有するコンパクト加速器の他の典型的な実施形態が参照符号60で示されている。リング電極形態は、周囲を取り囲むモジュールの1つ以上が、中央負荷領域を完全に取り囲むことなく中央負荷領域へ向けて延びている図6および図7などの構造で起こる場合がある方位平均化を克服するように作用する。図9に最も良く示されるように、61,62によって表わされる各モジュール積層体は、関連するスイッチ62,64にそれぞれ接続される。また、図8,9は、リング電極の内径に沿って配置される絶縁体スリーブ68を示している。あるいは、別個の絶縁体部材69もリング電極65間に配置されて示されている。また、導体ストリップ間で使用される誘電体部材に代わる手段として、導電箔66と絶縁箔66’との交互層が利用されてもよい。交互層は、モノリシック誘電体ストリップの代わりに積層構造体として形成されてもよい。   8 and 9 show a compact accelerator having two or more conductor strips 61, 63, for example conductive strips 61, 63 each connected at their second end by a ring electrode, indicated by 65. Another exemplary embodiment is indicated by reference numeral 60. The ring electrode configuration provides orientation averaging that may occur in structures such as FIGS. 6 and 7 in which one or more of the surrounding modules extends toward the central load region without completely surrounding the central load region. Act to overcome. As best shown in FIG. 9, each module stack represented by 61, 62 is connected to an associated switch 62, 64, respectively. 8 and 9 show an insulator sleeve 68 disposed along the inner diameter of the ring electrode. Alternatively, a separate insulator member 69 is also shown disposed between the ring electrodes 65. Alternatively, alternating layers of conductive foil 66 and insulating foil 66 'may be used as an alternative to the dielectric member used between the conductor strips. The alternating layers may be formed as a laminated structure instead of a monolithic dielectric strip.

また、図10および図11はコンパクト加速器の2つの更なる典型的な実施形態を示しており、コンパクト加速器は、図10においては全体的に参照符号70で示され、図11においては全体的に参照符号80で示されている。各コンパクト加速器は、非線形帯状の形態を成すブルームラインモジュールを有している。ここでは、非線形帯状の形態は、曲線形状または蛇行形状として示されている。図10では、加速器70は、中央領域の周囲を取り囲み且つ中央領域へ向けて延びるように示される4つのモジュール71,73,75,77を備えている。各モジュール71,73,75,77は関連するスイッチ72,74,76,78にそれぞれ接続される。この構造から分かるように、各モジュールの第1の端部と第2の端部との間の直接的な径方向距離は非線形モジュールの全長よりも短く、これにより、送電経路を増大させつつ加速器のコンパクト化を図ることができる。図11は図10の場合と同様の構造を示しており、加速器80は、中央領域の周囲を取り囲み且つ中央領域へ向けて延びるように示される4つのモジュール81,83,85,87を有している。各モジュール81,83,85,87は関連するスイッチ82,84,86,88にそれぞれ接続される。また、モジュールの径方向内側端部すなわち第2の端部はリング電極89によって互いに接続されており、それにより、図8で説明した利点が与えられる。   FIGS. 10 and 11 also show two further exemplary embodiments of the compact accelerator, which is indicated generally by the reference numeral 70 in FIG. 10 and generally in FIG. Reference numeral 80 indicates. Each compact accelerator has a bloom line module in the form of a non-linear strip. Here, the non-linear belt-like form is shown as a curved shape or a meandering shape. In FIG. 10, the accelerator 70 comprises four modules 71, 73, 75, 77 shown surrounding the central region and extending toward the central region. Each module 71, 73, 75, 77 is connected to an associated switch 72, 74, 76, 78, respectively. As can be seen from this structure, the direct radial distance between the first and second ends of each module is shorter than the overall length of the nonlinear module, thereby increasing the power transmission path and the accelerator. Can be made compact. FIG. 11 shows a structure similar to that of FIG. 10, and the accelerator 80 has four modules 81, 83, 85, 87 shown to surround the central region and extend toward the central region. ing. Each module 81, 83, 85, 87 is connected to an associated switch 82, 84, 86, 88, respectively. Also, the radially inner end of the module, i.e., the second end, is connected to each other by a ring electrode 89, thereby providing the advantages described in FIG.

B.連続パルス進行波加速モード
休止状態の誘導線形加速器(LIA)はその全長に沿って短絡される。したがって、荷電粒子の加速は、構造体が有する、過渡的な電界勾配を形成する能力、および、連続する一連の印加加速パルスを隣接するパルス形成ラインから分離させる能力に依存する。従来技術のLIAにおいて、この方法は、好ましくは荷電粒子ビームが存在するときに、過渡期にわたって構造体の内部からパルス形成ラインを一連の積層電圧源として出現させることによって実施される。この加速勾配を形成して必要とされる分離を行なうための典型的な手段は、加速器内の磁気コアを使用し且つパルス形成ライン自体の経過時間を使用する方法である。後者は、任意にケーブルを接続することにより長さの付加を含んでいる。過渡加速が起こった後、磁気コアの飽和に起因して、システムは再びその長さに沿って短絡される。そのような従来技術のシステムの欠点は、加速領域の空間的範囲が限られていることにより、加速勾配が非常に低く(〜0.2−0.5MV/m)、また、磁性部材が高価で大きいという点である。また、良好な磁性部材であっても、電気エネルギの激しい損失なしに高速パルスに応答することができず、したがって、コアが必要とされる場合、このタイプの高勾配加速器を形成することは、良く見ても実用的とはなり得ず、最悪の場合には技術的に実現不可能である。
B. Continuous Pulse Traveling Wave Acceleration Mode A dormant induction linear accelerator (LIA) is shorted along its entire length. Thus, acceleration of charged particles depends on the ability of the structure to form a transient electric field gradient and to separate a series of consecutive applied acceleration pulses from adjacent pulse forming lines. In prior art LIAs, this method is preferably performed by causing the pulse forming lines to emerge from the interior of the structure as a series of stacked voltage sources over the transition period when a charged particle beam is present. A typical means for creating this acceleration gradient to achieve the required separation is to use the magnetic core in the accelerator and the elapsed time of the pulse forming line itself. The latter includes the addition of length by optionally connecting cables. After transient acceleration occurs, the system is again shorted along its length due to saturation of the magnetic core. The disadvantages of such prior art systems are that the acceleration range is very low (˜0.2-0.5 MV / m) due to the limited spatial extent of the acceleration region, and the magnetic member is expensive. It is a big point. Also, even a good magnetic member can not respond to high speed pulses without severe loss of electrical energy, and so when a core is needed, forming this type of high gradient accelerator is At best, it cannot be practical, and in the worst case it is technically impossible.

図25は、全体的に参照符号160で示され、長さがlの、本発明の連続パルス進行波加速器の概略図を示している。加速器の各伝送ラインは長さがΔR、幅がδlであるように示されており、また、ビーム管は直径がdである。電気的長さ(すなわち、パルス幅)がτである加速パルスを用いてビーム管の短軸長δlを連続的に励起させて加速軸の長さ方向に沿って単一の仮想進行波164を生成するためにスイッチの組162を連続的にトリガするトリガコントローラ161が設けられている。具体的には、連続トリガ/コントローラはスイッチを連続的にトリガすることができ、それにより、エネルギを粒子に対して連続的に与えるために、軸方向に横断する荷電粒子のパルスビームと同期し、加速軸を取り囲む進行軸方向電場がビーム管に沿って生成される。トリガコントローラ161は各スイッチを個別にトリガしてもよい。あるいは、トリガコントローラは、ブロックを形成する少なくとも2つの隣り合う伝送ラインを同時に切り換えて隣り合うブロックを連続的に切り換てもよく、それにより、加速パルスが各ブロックを通って形成される。このようにして、2つ以上のスイッチ/伝送ラインから成るブロックは、ビーム管壁の短軸長nδlを励起させる。δlは、励起されたラインに対応するビーム管壁の短軸長であり、nは、任意の時間の瞬間における隣接する励起ラインの数である(n≧1)。   FIG. 25 shows a schematic diagram of a continuous pulse traveling wave accelerator of the present invention, indicated generally by the reference numeral 160 and of length l. Each transmission line of the accelerator is shown to be ΔR in length and δl in width, and the beam tube is d in diameter. An acceleration pulse whose electrical length (that is, pulse width) is τ is used to continuously excite the short axis length δl of the beam tube to generate a single virtual traveling wave 164 along the length direction of the acceleration axis. A trigger controller 161 is provided that continuously triggers the switch set 162 for generation. Specifically, the continuous trigger / controller can continuously trigger the switch, thereby synchronizing the pulse beam of charged particles traversing in the axial direction to continuously provide energy to the particles. A traveling axial electric field surrounding the acceleration axis is generated along the beam tube. The trigger controller 161 may trigger each switch individually. Alternatively, the trigger controller may simultaneously switch at least two adjacent transmission lines forming a block to switch adjacent blocks continuously, whereby an acceleration pulse is formed through each block. In this way, a block of two or more switch / transmission lines excites the short axis length nδl of the beam tube wall. δl is the minor axis length of the beam tube wall corresponding to the excited line, and n is the number of adjacent excitation lines at any time instant (n ≧ 1).

例示目的としての幾つかの数値例:d=8cm、τ=数ナノ秒(例えば、陽子加速においては1−5ナノ秒、電子加速においては100ピコ秒〜数ナノ秒)、v=c/2(c=光速)。しかしながら、本発明がほぼ任意の寸法に拡大収縮可能であることは言うまでもない。好ましくは、ビーム管の直径dおよび長さlは、誘電体ビーム管の入力端および出力端におけるフリンジ磁界を減少するために基準l>4dを満たす。また、ビーム管は、基準、すなわち、γτv>d/0.6を満たすことが好ましい。ここで、vはビーム管壁上の波の速度であり、dはビーム管の直径であり、τは下式:   Some numerical examples for illustrative purposes: d = 8 cm, τ = several nanoseconds (eg 1-5 nanoseconds for proton acceleration, 100 picoseconds to several nanoseconds for electron acceleration), v = c / 2 (C = speed of light). However, it goes without saying that the present invention can be expanded and contracted to almost any size. Preferably, the beam tube diameter d and length l satisfy the criterion l> 4d in order to reduce the fringing field at the input and output ends of the dielectric beam tube. The beam tube preferably satisfies the standard, that is, γτv> d / 0.6. Where v is the wave velocity on the beam tube wall, d is the beam tube diameter, and τ is:

Figure 2009512985
で表わされるパルス幅、γは、下式:
Figure 2009512985
Is expressed by the following equation:

Figure 2009512985
で表わされるローレンツ係数である。なお、ΔRはパルス形成ラインの長さであり、μは比透過率(通常=1)であり、εrは比誘電率である。このように、加速軸に沿って生成されるパルス高勾配は、少なくとも約30MeV/mであり、最大でも約150MeV/mである。
Figure 2009512985
Is the Lorentz coefficient. Note that ΔR is the length of the pulse forming line, μ is the relative transmittance (usually = 1), and εr is the relative dielectric constant. Thus, the pulse height gradient generated along the acceleration axis is at least about 30 MeV / m and at most about 150 MeV / m.

加速勾配を形成するためにコアを必要とする、多くのこの種の加速器システムとは異なり、本発明の加速器システムはコアなしに動作する。これは、基準nδl<lが満たされる場合に、ビーム管の電気的活性化が一時にビーム管の小さな領域に沿って起こり、短絡が避けられるからである。コアを使用しないことにより、本発明は、Vt=AΔB(Aはコアの断面積)の場合において得られる電圧がΔBにより制限されることに起因する加速の制限など、コアの使用に関連付けられる様々な問題を回避する。また、コアの使用は、加速器の繰り返し回数を制限するように働く。これは、コアをリセットするためにパルス電源が必要とされるからである。所定のnδlにおけるパルス状の加速は、所定の軸方向セグメントに隣接する励起されない伝送ラインの過渡分離特性によって、導電ハウジングから分離される。スイッチ電流の一部が励起されない伝送ラインへと分路されるため、励起されない伝送ラインの不完全な過渡分離特性から寄生波が生じることは言うまでもない。無論、これは、この分路が流れることを防止するための磁気コア分離がなければ起こる。特定の状態下では、例えば以下の例に示されるように寄生波が有利に使用される場合がある。高速/高インピーダンス(低い誘電定数)ラインだけが切り換えられる非対称ストリップブルームラインから成る開回路ブルームライン積層体の形態では、励起されない伝送ラインで生成される寄生波は、励起されないラインにおいて更に高い電圧を生成してその電圧を最初の帯電状態を越えて増大させる一方、低速ラインにおいてより少ない量だけ電圧を増大させる。これは、2つのラインが同じ注入電流を受ける分圧器として連続して現れるからである。このとき、加速器壁に現れる波は、最初に帯電した値よりも大きい値に増大され、それにより、更に高い加速勾配が得られるようになる。   Unlike many such accelerator systems that require a core to form an acceleration gradient, the accelerator system of the present invention operates without a core. This is because when the criterion nδl <l is satisfied, the electrical activation of the beam tube occurs along a small area of the beam tube at a time and a short circuit is avoided. By not using a core, the present invention provides a variety of cores associated with the use of the core, such as limited acceleration due to the voltage obtained in the case of Vt = AΔB, where A is the cross-sectional area of the core, limited by ΔB. To avoid problems. The use of the core also serves to limit the number of times the accelerator is repeated. This is because a pulse power supply is required to reset the core. The pulsed acceleration at a given nδl is separated from the conductive housing by the transient isolation characteristics of the unexcited transmission line adjacent to the given axial segment. Needless to say, parasitic waves arise from the incomplete transient isolation characteristics of the unexcited transmission line because a portion of the switch current is shunted to the unexcited transmission line. Of course, this happens without magnetic core separation to prevent this shunt from flowing. Under certain conditions, parasitic waves may be advantageously used, for example as shown in the examples below. In the form of an open circuit bloom line stack consisting of asymmetric strip bloom lines where only high speed / high impedance (low dielectric constant) lines are switched, the parasitic waves generated in the unexcited transmission line will cause higher voltages in the unexcited lines. Generating and increasing its voltage beyond the initial charge state, while increasing the voltage by a smaller amount in the slow line. This is because the two lines appear successively as a voltage divider that receives the same injected current. At this time, the wave appearing on the accelerator wall is increased to a value larger than the initially charged value, thereby obtaining a higher acceleration gradient.

図26および図27は、長さLのビーム管で生成される勾配の違いを示している。図26は、幅vτが長さLよりも小さい単一パルス進行波を示している。これに対し、図27は、加速器の全長Lにわたって勾配を生成するために全ての伝送ラインが同時にトリガされる積層ブルームラインモジュールの典型的な動作を示している。ここで、vτは長さL以上である。   FIG. 26 and FIG. 27 show the difference in gradient produced by the length L beam tube. FIG. 26 shows a single pulse traveling wave having a width vτ smaller than the length L. In contrast, FIG. 27 shows a typical operation of a stacked bloom line module where all transmission lines are triggered simultaneously to produce a gradient over the entire length L of the accelerator. Here, vτ is not less than the length L.

C.荷電粒子発生器:一体化されたパルスイオン源および注入器
図13は、単一のユニットへと一体化されたパルスイオン源112および注入器113を有する本発明の荷電粒子発生器110の典型的な実施形態を示している。激しいパルスイオンビームを生成するためには、抽出されたビームおよびそれに続く集群の変調が必要とされる。最初に、粒子発生器は、非常に密度の高いプラズマを生成するために表面フラッシュオーバー放電を用いるパルスイオン源112を使用して、激しいパルスイオンビームを形成するべく動作する。プラズマ密度の推定値は7気圧を超え、また、そのような放電は早い。これにより、極めて短いパルスの形成を可能にすることができる。従来のイオン源は、所定容積内の低圧ガスからプラズマ放電を形成する。この容積から、イオンが抽出されて加速のために加速器内に視準される。これらのシステムは、一般に、抽出された電流密度が0.25A/cm2を下回るように制限される。この低い電流密度は、抽出界面でのプラズマ放電の強度に部分的に起因する。
C. Charged Particle Generator: Integrated Pulsed Ion Source and Injector FIG. 13 is a typical of charged particle generator 110 of the present invention having a pulsed ion source 112 and an injector 113 integrated into a single unit. The embodiment is shown. In order to generate an intense pulsed ion beam, modulation of the extracted beam and subsequent cluster is required. Initially, the particle generator operates to form an intense pulsed ion beam using a pulsed ion source 112 that uses a surface flashover discharge to generate a very dense plasma. The estimated plasma density exceeds 7 atmospheres and such discharge is fast. This makes it possible to form extremely short pulses. Conventional ion sources form a plasma discharge from a low pressure gas within a predetermined volume. From this volume, ions are extracted and collimated into the accelerator for acceleration. These systems are generally limited so that the extracted current density is below 0.25 A / cm2. This low current density is due in part to the intensity of the plasma discharge at the extraction interface.

本発明のパルスイオン源は、絶縁体を用いてブリッジされる少なくとも2つの電極を有している。対象のガス種は、金属電極内で溶解されているか或いは2つの電極間で固体状態である。この幾何学的形態により、絶縁体上にわたって形成されるスパークは、その物質を受けて放電し、ビームへの抽出のためにイオン化されるようになる。好ましくは、少なくとも2つの電極は絶縁部材、半絶縁部材、または、半導電部材を用いてブリッジされ、これにより、スパーク放電がこれらの2つの電極間に形成される。部材は、電極内または電極の近傍に、所望のイオン種を原子形態または分子形態で含んでいる。好ましくは、所望のイオン種を含む材料は、水素の同位体、例えばH2または炭素である。また、好ましくは、電極のうちの少なくとも1つが半多孔質であり、所望のイオン種を原子形態または分子形態で含むリザーバがその電極の下にある。図14および図15は、全体的に参照符号112で示されるパルスイオン源の典型的な実施形態を示している。セラミック121が、当該セラミックの表面上にカソード124およびアノード123を有するように示されている。カソードは、その下側のH2リザーバ114を覆うパラジウムセンターピース124を取り囲むように示されている。カソードおよびアノードが逆にされてもよいことは言うまでもない。また、開口プレート、すなわち、ゲート電極115が、その開口をパラジウムトップハット124に位置合わせされた状態で位置している。   The pulsed ion source of the present invention has at least two electrodes that are bridged using an insulator. The gas species of interest is dissolved in the metal electrode or is in a solid state between the two electrodes. This geometry causes the spark formed over the insulator to receive and discharge the material and become ionized for extraction into the beam. Preferably, the at least two electrodes are bridged using an insulating member, a semi-insulating member, or a semi-conductive member, so that a spark discharge is formed between these two electrodes. The member contains a desired ionic species in an atomic form or a molecular form in or near the electrode. Preferably, the material containing the desired ionic species is an isotope of hydrogen, such as H2 or carbon. Also preferably, at least one of the electrodes is semi-porous and a reservoir underneath that electrode contains the desired ionic species in atomic or molecular form. 14 and 15 illustrate an exemplary embodiment of a pulsed ion source, generally designated by reference numeral 112. A ceramic 121 is shown having a cathode 124 and an anode 123 on the surface of the ceramic. The cathode is shown surrounding a palladium centerpiece 124 that covers the underlying H2 reservoir 114. Of course, the cathode and anode may be reversed. Further, the opening plate, that is, the gate electrode 115 is positioned in a state where the opening is aligned with the palladium top hat 124.

図15に示されるように、電子放射を発生させるためにカソード電極とアノード電極との間に高電圧が印加される。これらの電極は、十分に高い電圧において、当初は真空状態に近いため、電子がカソードから電界放出される。これらの電子は、アノードへ向けて空間を横切り、アノードとの衝突時に局部的な加熱を引き起こす。この加熱は分子を解放し、これらの分子はその後に電子と衝突し、それにより、分子がイオン化されるようになる。これらの分子は、所望の種であってもよいし、所望の種でなくてもよい。イオン化されたガス分子(イオン)は、加速してカソードへと戻って、この場合にはPdトップハットと衝突し、加熱を引き起こす。Pdは、加熱されると、ガス、具体的には水素が部材を通って透過できるようにする特性を有している。つまり、イオンによる加熱は水素ガスを上記の容積内に局所的に漏出させるのに十分であるため、これらの漏出した分子は、電子によってイオン化されてプラズマを形成する。また、プラズマが十分な密度まで増大すると、自立アークが形成される。したがって、開口プレートの反対側に配置されるパルスでマイナスに帯電した電極を使用して、イオンを抽出し、それらのイオンを加速器へ注入することができる。抽出電極が無い場合には、適切な極性の電場を同様に使用してイオンを抽出することができる。また、アークの停止時には、ガスが脱イオン化される。電極がゲッタリング部材で形成される場合、ガスは、その後に次のサイクルのために使用されるべき金属電極へと吸収される。再吸収されないガスは、真空システムによって送出される。この種の供給源の利点は、真空システムにおけるガス負荷がパルス用途において最小限に抑えられるという点である。   As shown in FIG. 15, a high voltage is applied between the cathode electrode and the anode electrode to generate electron emission. Since these electrodes are initially close to a vacuum state at a sufficiently high voltage, electrons are field-emitted from the cathode. These electrons traverse the space toward the anode and cause local heating upon impact with the anode. This heating releases the molecules, which then collide with the electrons, causing the molecules to become ionized. These molecules may or may not be the desired species. The ionized gas molecules (ions) accelerate and return to the cathode, where they collide with the Pd top hat and cause heating. Pd has the property of allowing gas, specifically hydrogen, to pass through the member when heated. That is, since heating with ions is sufficient to cause hydrogen gas to leak locally into the volume, these leaked molecules are ionized by electrons to form a plasma. Also, when the plasma is increased to a sufficient density, a free-standing arc is formed. Thus, using a negatively charged electrode placed on the opposite side of the aperture plate, ions can be extracted and injected into the accelerator. If there is no extraction electrode, ions can be extracted using an electric field of appropriate polarity as well. Also, the gas is deionized when the arc is stopped. If the electrode is formed of a gettering member, the gas is then absorbed into the metal electrode to be used for the next cycle. Gas that is not reabsorbed is delivered by a vacuum system. The advantage of this type of source is that the gas load in the vacuum system is minimized in pulsed applications.

荷電粒子抽出、集束、および、パルスイオン源112から線形加速器の入力へと輸送は、図13に示される一体化された注入器セクション113によって行なわれる。具体的には、荷電粒子発生器の注入器セクション113は、荷電イオンビームをターゲットへと集束させる役目を果たす。ターゲットは、荷電粒子治療設備内の患者であってもよいし、または、同位体生成のためのターゲット或いは荷電粒子ビームのための任意の他の適したターゲットであってもよい。また、本発明の一体化された注入器により、荷電粒子発生器は、電気集束場だけを使用してビームを輸送して患者に集束させることができる。システム内に磁石は存在しない。システムは、幅広い範囲のビーム電流、エネルギ、および、スポットサイズをそれぞれ独立に提供することができる。   Charged particle extraction, focusing, and transport from the pulsed ion source 112 to the input of the linear accelerator is performed by an integrated injector section 113 shown in FIG. Specifically, the charged particle generator injector section 113 serves to focus the charged ion beam onto the target. The target may be a patient in a charged particle therapy facility, or may be a target for isotope production or any other suitable target for a charged particle beam. Also, the integrated injector of the present invention allows the charged particle generator to transport the beam and focus it on the patient using only the electric focusing field. There are no magnets in the system. The system can provide a wide range of beam current, energy, and spot size independently.

図13は、パルスイオン源112に対する注入器113の概略的な配置を示しており、図21は、線形加速器131と一体に組み合わされた荷電粒子発生器132の概略図を示している。コンパクト高勾配加速器のビーム抽出、輸送、および、集束の全ては、ゲート電極115と、抽出電極116と、集束電極117と、グリッド電極119とを備える注入器によって制御され、これらの電極は荷電粒子源と高勾配加速器との間に位置する。しかしながら、最小の輸送システムは、抽出電極と、集束電極と、グリッド電極とから成るべきである。また、必要であれば、各機能について複数の電極を使用することができる。また、全ての電極は、図18に示されるように、システムの性能を最適化するように形成することもできる。高速パルス電圧を伴うゲート電極115は、荷電粒子ビームを数ナノ秒以内でON/OFFするために使用される。陽子治療用に設計された高勾配加速器におけるゲート電圧の関数としてシミュレーションされた抽出ビーム電流が図17に示されており、また、様々なゲート電圧における最終的なビームスポットが図16に示されている。発明者によって行なわれたシミュレーションでは、ノミナルなゲート電極の電圧は9kVであり、抽出電極は980kVであり、集束電極は90kVであり、グリッド電極は980kVであり、また、高勾配加速器は加速勾配が100MV/mである。図16は最終的なスポットサイズがゲート電極の電圧設定に影響されないことを示しているため、ゲート電圧が、図17に示されるようにビーム電流をON/OFFするための簡単なノブとなる。   FIG. 13 shows a schematic arrangement of the injector 113 with respect to the pulsed ion source 112, and FIG. 21 shows a schematic diagram of the charged particle generator 132 combined with the linear accelerator 131. The beam extraction, transport, and focusing of the compact high gradient accelerator are all controlled by an injector comprising a gate electrode 115, an extraction electrode 116, a focusing electrode 117, and a grid electrode 119, which are charged particles. Located between the source and the high gradient accelerator. However, a minimal transport system should consist of an extraction electrode, a focusing electrode, and a grid electrode. If necessary, a plurality of electrodes can be used for each function. All electrodes can also be formed to optimize system performance, as shown in FIG. The gate electrode 115 with a high-speed pulse voltage is used to turn on / off the charged particle beam within a few nanoseconds. A simulated extracted beam current as a function of gate voltage in a high gradient accelerator designed for proton therapy is shown in FIG. 17, and the final beam spot at various gate voltages is shown in FIG. Yes. In the simulation performed by the inventor, the nominal gate electrode voltage is 9 kV, the extraction electrode is 980 kV, the focusing electrode is 90 kV, the grid electrode is 980 kV, and the high gradient accelerator has an acceleration gradient. 100 MV / m. Since FIG. 16 shows that the final spot size is not affected by the voltage setting of the gate electrode, the gate voltage is a simple knob for turning on / off the beam current as shown in FIG.

高勾配加速器システムの注入器は、その電流が抽出電極における電圧によって決定される空間電荷支配ビーム(space charge dominated beam)を抽出して捕らえるためにゲート電極および抽出電極を使用する。加速器システムは、ビームをターゲットへ集束させるために少なくとも1つの集束電極117から成る組を使用する。図18に示される電位等高線プロットは、抽出電極および集束電極がどのように機能するのかを示している。ここでは、最小の集束/輸送システム、すなわち、1つの抽出電極と1つの集束電極とが使用される。高勾配加速器の入口での抽出電極、集束電極、および、グリッド電極における電圧は、980kV、90kV、および、980kVである。図18は、定形抽出電極(shaped extraction electrode)の電圧がゲート電極と抽出電極との間にギャップ電圧を設定することを示している。また、図18は、定形抽出電極、定形集束電極(shaped focusing electrode)およびグリッド電極における電圧が、静電集束−非集束−集束領域、すなわち、荷電粒子ビームに対して強力な正味集束力を与えるアインツェル(アインツェル)レンズを形成することも示している。   High gradient accelerator system injectors use a gate electrode and an extraction electrode to extract and capture a space charge dominated beam whose current is determined by the voltage at the extraction electrode. The accelerator system uses a set of at least one focusing electrode 117 to focus the beam to the target. The potential contour plot shown in FIG. 18 shows how the extraction and focusing electrodes function. Here, a minimal focusing / transport system is used, ie one extraction electrode and one focusing electrode. The voltages at the extraction, focusing, and grid electrodes at the entrance of the high gradient accelerator are 980 kV, 90 kV, and 980 kV. FIG. 18 shows that the voltage of the shaped extraction electrode sets a gap voltage between the gate electrode and the extraction electrode. Also, FIG. 18 shows that the voltage at the shaped extraction electrode, shaped focusing electrode, and grid electrode gives a strong net focusing force to the electrostatic focused-unfocused-focused region, ie the charged particle beam. It also shows the formation of an Einzel lens.

アインツェルレンズを使用してビームを集束させることは新しくはないが、本発明の加速器システムは、集束磁石をまったく用いていない。また、本発明は、アインツェルレンズと他の電極とを組み合わせて、ターゲットにおけるビームスポットサイズをビームの電流およびエネルギに関係なく調整できるようにする。注入器の出口または高勾配加速器の入口には、グリッド電極119が存在する。抽出電極およびグリッド電極は同じ電圧に設定される。グリッド電極の電圧を抽出電極の電圧と同じにすることによって、加速器内へ注入されたビームのエネルギは、定形集束電極における電圧設定に関係無く同じままである。そのため、定形集束電極における電圧を変えると、アインツェルレンズの強度のみが変わり、ビームエネルギは変わらない。ビーム電流は抽出電極の電圧によって決定されるため、ビーム電流およびエネルギとは無関係な定形集束電極の電圧を調整することにより、最終的なスポットを自由に調整することができる。そのようなシステムでは、言うまでも無く、更なる集束は、軸方向電界における適切な勾配(すなわち、dEZ/dz)、更にその結果として電界の変化の時間速度(すなわち、z=z0におけるdE/dt)によってもたらされる。   Although focusing the beam using an Einzel lens is not new, the accelerator system of the present invention does not use a focusing magnet at all. In addition, the present invention combines the Einzel lens with another electrode so that the beam spot size at the target can be adjusted regardless of the beam current and energy. A grid electrode 119 is present at the injector outlet or the high gradient accelerator inlet. The extraction electrode and the grid electrode are set to the same voltage. By making the grid electrode voltage the same as the extraction electrode voltage, the energy of the beam injected into the accelerator remains the same regardless of the voltage setting at the shaped focusing electrode. Therefore, when the voltage at the regular focusing electrode is changed, only the intensity of the Einzel lens changes, and the beam energy does not change. Since the beam current is determined by the voltage of the extraction electrode, the final spot can be freely adjusted by adjusting the voltage of the shaped focusing electrode independent of the beam current and energy. In such a system, it goes without saying that further focusing can be achieved with a suitable gradient in the axial electric field (ie dEZ / dz) and consequently the time rate of change of the electric field (ie dE / z at z = z0). dt).

様々な集束電極電圧設定を伴う、磁石が無い250MeV陽子高勾配加速器を通じたビーム輸送のためのビームエンベロープのシミュレーションが図19に示されている。これらのプロットは、それらの対応する集束電極電圧が左側に与えられているが、集束電極電圧を調整することによりターゲットにおける250−MeVの陽子ビームのスポットサイズを容易に調整できることを明確に示している。また、様々な陽子ビームエネルギにおける集束電極電圧に対するスポットサイズのプロットが図20に示されている。各陽子エネルギに2つの曲線がプロットされている。上側の曲線はビームのエッジ半径を示しており、下側の曲線はコア半径を示している。これらのプロットは、100MVの加速勾配を用いる高勾配陽子治療加速器における集束電極電圧を調整することにより70−250MeV,100mAの陽子ビームに対して幅広い範囲のスポットサイズ(2mm−2cm直径)を得ることができることを示している。   A simulation of the beam envelope for beam transport through a 250 MeV proton high gradient accelerator without magnets with various focusing electrode voltage settings is shown in FIG. These plots clearly show that the spot size of the 250-MeV proton beam at the target can be easily adjusted by adjusting the focusing electrode voltage, although their corresponding focusing electrode voltages are given on the left side. Yes. Also, a plot of spot size versus focusing electrode voltage at various proton beam energies is shown in FIG. Two curves are plotted for each proton energy. The upper curve shows the edge radius of the beam and the lower curve shows the core radius. These plots show a wide range of spot sizes (2 mm-2 cm diameter) for a 70-250 MeV, 100 mA proton beam by adjusting the focusing electrode voltage in a high gradient proton therapy accelerator using an acceleration gradient of 100 MV. It shows that you can.

そのような一体化された荷電粒子発生器を使用するコンパクト高勾配加速器システムは、幅広い範囲のビーム電流、エネルギ、および、スポットサイズを独立に提供することができる。加速器のビーム抽出、輸送、および、集束のすべては、荷電粒子源と高勾配加速器との間に位置する、ゲート電極と、定形抽出電極と、定形集束電極と、グリッド電極とによって制御される。抽出電極およびグリッド電極の電圧設定はは同じである。これらの電極間の定形集束電極は低い電圧に設定され、それにより、アインツェルレンズが形成され、スポットサイズのための調整ノブが与えられる。最小の輸送システムは抽出電極と集束電極とグリッド電極とから成るが、システムが非常に強力な集束力を必要とする場合には、交流電圧を用いる更なるアインツェルレンズを定形集束電極とグリッド電極との間に加えることができる。   A compact high gradient accelerator system using such an integrated charged particle generator can independently provide a wide range of beam currents, energies, and spot sizes. The accelerator beam extraction, transport and focusing are all controlled by a gate electrode, a shaped extraction electrode, a shaped focusing electrode and a grid electrode located between the charged particle source and the high gradient accelerator. The voltage setting of the extraction electrode and the grid electrode is the same. The shaped focusing electrode between these electrodes is set to a low voltage, thereby forming an Einzel lens and providing an adjustment knob for the spot size. The minimum transport system consists of an extraction electrode, a focusing electrode and a grid electrode, but if the system requires a very strong focusing force, an additional Einzel lens using an alternating voltage can be connected to the regular focusing electrode and the grid electrode. Can be added between.

D.医学治療用の作動可能コンパクト加速器システム
図21は、荷電粒子ビームを形成し且つビームを加速軸に沿ってコンパクト加速器へ注入するために、コンパクト線形加速器131の入力端に一体に装着され或いは前記入力端に位置する荷電粒子発生器132を有する、本発明の典型的な作動可能コンパクト加速器システム130の概略図を示している。このように荷電粒子発生器を加速器と一体化することにより、ユニット構造について比較的コンパクトなサイズを達成することができ、アクチュエータ機構134によって、矢印135によって示されるようにユニットごと動かすことが可能となり、ビーム136−138が得られる。以前のシステムでは、それらのスケールサイズに起因して、遠隔場所からビームを輸送するために磁石が必要とされた。これに対し、本発明では、スケールサイズがかなり減少されるため、磁石を使用することなく、陽子ビームなどのビームを生成して制御するとともに所望のターゲット位置の極近傍へとすべて輸送することができる。そのようなコンパクトシステムは、例えば医学治療加速器用途で用いるのに理想的である。
D. FIG. 21 is an integral view of an input end of a compact linear accelerator 131 for forming a charged particle beam and injecting the beam along the acceleration axis into the compact accelerator. FIG. 2 shows a schematic diagram of an exemplary operable compact accelerator system 130 of the present invention with a charged particle generator 132 located at the end. By integrating the charged particle generator with the accelerator in this way, a relatively compact size for the unit structure can be achieved, and the actuator mechanism 134 can be moved unit by unit as indicated by the arrow 135. , Beams 136-138 are obtained. In previous systems, due to their scale size, magnets were required to transport the beam from a remote location. On the other hand, in the present invention, since the scale size is considerably reduced, a beam such as a proton beam can be generated and controlled without using a magnet, and all can be transported to the immediate vicinity of a desired target position. it can. Such a compact system is ideal for use in medical therapy accelerator applications, for example.

そのようなユニット型装置は、一体型の粒子発生器−線形加速器を作動させて荷電粒子ビームの位置及びそれにより形成されるビームスポットを直接に制御するように構成され、全体的に133で示される支持構造体上に装着されてもよい。コンパクト加速器と荷電粒子源とのユニット型結合体を装着するための様々な形態が図22−24に示されているが、これらに限定されるものではない。具体的には、図22−24は、ビーム位置決めを制御するべく作動可能となるように様々なタイプの支持構造体上に装着される複合型コンパクト加速器/荷電粒子源を示す本発明の典型的な実施形態を示している。加速器および荷電粒子源は、固定スタンドから吊り下げられて関節結合されて、患者へ向けられてもよい(図22および図23)。図22において、ユニタリ作動は、143で示される重心の周りでユニット装置を回転させることにより可能である。図22に示されるように、一体化されたコンパクト発生器−加速器は、好ましくは、加速されたビームを方向付けるために必要とされるエネルギを減少させるためにその重心を中心に回動的に作動されてもよい。しかしながら、コンパクト加速器と荷電粒子源とのそのようなコンパクトなユニット型結合体とを作動させるための他の装着形態および支持構造が本発明の範囲内で可能であることは言うまでもない。   Such unit-type devices are configured to operate an integrated particle generator-linear accelerator to directly control the position of the charged particle beam and the beam spot formed thereby, indicated generally at 133. It may be mounted on a support structure. Various configurations for mounting a unitary combination of a compact accelerator and a charged particle source are shown in FIGS. 22-24, but are not limited thereto. Specifically, FIGS. 22-24 are exemplary of the present invention showing a combined compact accelerator / charged particle source mounted on various types of support structures to be operable to control beam positioning. The embodiment is shown. The accelerator and charged particle source may be suspended and articulated from a fixed stand and directed to the patient (FIGS. 22 and 23). In FIG. 22, unitary operation is possible by rotating the unit device about the center of gravity indicated by 143. As shown in FIG. 22, the integrated compact generator-accelerator is preferably pivotable about its center of gravity to reduce the energy required to direct the accelerated beam. It may be activated. However, it will be appreciated that other mounting configurations and support structures for operating such a compact unit-type combination of a compact accelerator and a charged particle source are possible within the scope of the present invention.

コンパクトで作動可能な構造を可能にする、荷電粒子発生器と一体化させるための様々な加速器アーキテクチャが使用されてもよいことは言うまでもない。例えば、加速器アーキテクチャは、前述したブルームラインモジュール構造において2つの伝送ラインを使用してもよい。伝送ラインは平行プレート伝送ラインであることが好ましい。また、伝送ラインは、図1−12に示されるように帯状の形態であることが好ましい。また、閉塞時間が早い(ナノ秒)様々なタイプの高電圧スイッチ、例えばSiC光伝導スイッチ、ガススイッチ、または、オイルスイッチが使用されてもよい。   It goes without saying that various accelerator architectures for integration with charged particle generators that allow a compact and operable structure may be used. For example, the accelerator architecture may use two transmission lines in the Bloomline module structure described above. The transmission line is preferably a parallel plate transmission line. Moreover, it is preferable that a transmission line is a strip | belt shape as FIG. 1-12 shows. Also, various types of high voltage switches with fast occlusion time (nanoseconds), such as SiC photoconductive switches, gas switches, or oil switches may be used.

また、加速器システムの作動および作用を制御するために、当該技術分野において知られる様々なアクチュエータ機構およびシステム制御方法が使用されてもよい。例えば、加速器ビームの位置決め及び動きを制御するために、単純なボールネジ、ステッピングモータ、ソレノイド、電気的に作動される並進器及び/又は空圧器などが使用されてもよい。これにより、ビーム経路のプログラミングを、CNC装置で広く使用されるプログラミング言語と同一でないとしても非常に類似させることができる。アクチュエータ機構は、一体型の粒子発生器−加速器を機械的な作用状態または動作状態に置いて加速ビーム方向およびビームスポット位置を制御するように機能することは言うまでもない。これに関連して、システムは、(例えば、質量中心周りに回動するための)少なくとも1つの回転自由度を有するが、当該技術分野において知られるように、身体またはシステムの変位位置または変形位置を完全に特定する、3つの並進および3つの回転を含む独立変位のセットである6つの自由度(DOF)を有することが好ましい。並進は、三次元のそれぞれの方向に移動できることを表わし、回転は、3つの垂直な軸の周りで角度を変えられることを表わす。   Also, various actuator mechanisms and system control methods known in the art may be used to control the operation and operation of the accelerator system. For example, simple ball screws, stepping motors, solenoids, electrically operated translators and / or pneumatics, etc. may be used to control the positioning and movement of the accelerator beam. This allows the beam path programming to be very similar if not identical to the programming language widely used in CNC machines. It goes without saying that the actuator mechanism functions to control the acceleration beam direction and beam spot position with the integrated particle generator-accelerator in mechanical action or operation. In this regard, the system has at least one degree of rotational freedom (eg, for rotation about the center of mass), but as known in the art, the displacement or deformation position of the body or system. Preferably, it has six degrees of freedom (DOF), which is a set of independent displacements including three translations and three rotations that completely specify Translation represents the ability to move in each of the three dimensions, and rotation represents that the angle can be changed around three vertical axes.

加速ビームパラメータの精度は、能動的位置決めシステム、監視システム、および、図22において測定ボックス147により表わされる加速器の制御・位置決めシステムに構成されるフィードバック位置決めシステム(例えば、患者145に配置されたモニタ)によって制御できる。また、加速器システムを制御するシステムコントローラ146が示されており、これは、以下のパラメータ、すなわち、ビーム方向、ビームスポット位置、ビームスポットサイズ、照射量、ビーム強度、および、ビームエネルギのうちの少なくとも1つに基づいてもよい。深さは、ブラッグピークに基づくエネルギによって比較的正確に制御される。システムコントローラは、パラメータのうちの少なくとも1つに関するフィードフォワードデータを監視して供給するためのフィードフォワードシステムも含むことが好ましい。また、荷電粒子および加速器によって形成されるビームは、患者に振動投影を形成するように構成されてもよい。好ましくは、1つの実施形態において、振動投影は、連続的に変化する半径を有する円である。いずれにせよ、ビームの印加は、位置、照射量、スポットサイズ、ビーム強度、ビームエネルギのうちの1つまたは組み合わせに基づいて積極的に制御されてもよい。   The accuracy of the acceleration beam parameters is determined by the feedback positioning system (eg, a monitor located on the patient 145) configured in the active positioning system, the monitoring system, and the accelerator control and positioning system represented by the measurement box 147 in FIG. Can be controlled by. Also shown is a system controller 146 that controls the accelerator system, which includes at least one of the following parameters: beam direction, beam spot position, beam spot size, dose, beam intensity, and beam energy. One may be based. The depth is controlled relatively accurately by the energy based on the Bragg peak. The system controller preferably also includes a feedforward system for monitoring and providing feedforward data relating to at least one of the parameters. The beam formed by the charged particles and the accelerator may also be configured to form a vibration projection on the patient. Preferably, in one embodiment, the vibration projection is a circle with a continuously changing radius. In any case, the application of the beam may be actively controlled based on one or a combination of position, dose, spot size, beam intensity, beam energy.

特定の動作シーケンス、材料、温度、パラメータ、および、特定の実施形態を説明し或いは図示してきたが、これらは限定を意図するものではない。改良および変更は当業者にとって明らかであり、また、本発明は添付の請求項の範囲によってのみ限定されるものである。   Although specific operation sequences, materials, temperatures, parameters, and specific embodiments have been described or illustrated, they are not intended to be limiting. Improvements and modifications will be apparent to those skilled in the art, and the present invention is limited only by the scope of the appended claims.

本発明のコンパクト加速器の単一のブルームラインモジュールの第1の典型的な実施形態の側面図である。1 is a side view of a first exemplary embodiment of a single bloom line module of a compact accelerator of the present invention. FIG. 図1の単一のブルームラインモジュールの平面図である。FIG. 2 is a plan view of the single bloom line module of FIG. 1. 2つのブルームラインモジュールが互いに積み重ねられたコンパクト加速器の第2の典型的な実施形態の側面図である。FIG. 6 is a side view of a second exemplary embodiment of a compact accelerator with two bloom line modules stacked on top of each other. 真ん中の導電ストリップの幅がモジュールの他の層よりも小さい、本発明の単一のブルームラインモジュールの第3の典型的な実施形態の平面図である。FIG. 9 is a plan view of a third exemplary embodiment of a single bloom line module of the present invention, where the width of the middle conductive strip is smaller than the other layers of the module. 図4の線4に沿う拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view taken along line 4 in FIG. 4. 中央加速領域の周囲を取り囲み且つ中央加速領域に向かって径方向に延びる2つのブルームラインモジュールを伴って示されるコンパクト加速器の他の典型的な実施形態の平面図である。FIG. 6 is a plan view of another exemplary embodiment of a compact accelerator shown with two bloom line modules surrounding the central acceleration region and extending radially toward the central acceleration region. 図6の線7に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the line 7 of FIG. 中央加速領域の周囲を取り囲み且つ中央加速領域に向かって径方向に延びる2つのブルームラインモジュールを伴って、また、1つのモジュールの平面導体ストリップが他のモジュールの対応する平面導体ストリップに対してリング電極により接続されて示されるコンパクト加速器の他の典型的な実施形態の平面図である。With two bloom line modules surrounding the central acceleration region and extending radially toward the central acceleration region, and one module's planar conductor strip rings against the corresponding planar conductor strip of the other module FIG. 6 is a plan view of another exemplary embodiment of a compact accelerator shown connected by electrodes. 図8の線9に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the line 9 of FIG. 4つの非線形ブルームラインモジュールがそれぞれ関連するスイッチに接続された本発明の他の典型的な実施形態の平面図である。FIG. 6 is a plan view of another exemplary embodiment of the present invention in which four non-linear Bloomline modules are each connected to an associated switch. 図10に類似する本発明の他の典型的な実施形態であって、4つの非線形ブルームラインモジュールのそれぞれをその第2の端部で接続するリング電極を含むものの平面図である。FIG. 11 is a plan view of another exemplary embodiment of the present invention similar to FIG. 10 including a ring electrode connecting each of the four non-linear Bloom line modules at its second end. 図1に類似する本発明の他の典型的な実施形態であって、対称なブルームライン動作のために第1の誘電体ストリップおよび第2の誘電体ストリップの誘電定数および厚さが同じであるもの、の側面図である。FIG. 4 is another exemplary embodiment of the present invention similar to FIG. 1, wherein the dielectric constant and thickness of the first dielectric strip and the second dielectric strip are the same for symmetrical Bloomline operation. It is a side view of a thing. 本発明の荷電粒子発生器の典型的な実施形態の概略図である。1 is a schematic diagram of an exemplary embodiment of a charged particle generator of the present invention. 本発明のパルスイオン源の典型的な実施形態を示す、図13の円14に沿う拡大概略図である。FIG. 14 is an enlarged schematic diagram along circle 14 of FIG. 13 showing an exemplary embodiment of a pulsed ion source of the present invention. 図14のパルスイオン源によるパルスイオン生成の経過を示している。The progress of the pulse ion generation by the pulse ion source of FIG. 14 is shown. 様々なゲート電極電圧におけるターゲット上での最終的なスポットサイズの複数のスクリーンショットを示している。Shown are multiple screenshots of the final spot size on the target at various gate electrode voltages. 高勾配陽子ビーム加速器におけるゲート電極電圧の関数としての抽出陽子ビーム電流のグラフを示している。Figure 5 shows a graph of extracted proton beam current as a function of gate electrode voltage in a high gradient proton beam accelerator. 本発明の荷電粒子発生器における電位等高線を示す2つのグラフを示している。2 shows two graphs showing potential contour lines in the charged particle generator of the present invention. 様々な集束電極電圧設定の際の磁石が無い250MeV高勾配陽子加速器におけるビーム輸送の比較図である。FIG. 5 is a comparative diagram of beam transport in a 250 MeV high gradient proton accelerator without magnets at various focusing electrode voltage settings. 250MeV,150MeV,100MeV,70MeV陽子ビームにおける集束電極電圧に対するターゲット側でのエッジビーム半径(上側の曲線)およびコア半径(下側の曲線)の4つのグラフの比較図である。It is a comparison figure of four graphs of the edge beam radius (upper curve) and the core radius (lower curve) on the target side with respect to the focusing electrode voltage in 250 MeV, 150 MeV, 100 MeV, and 70 MeV proton beams. 一体化されたユニット型荷電粒子発生器・線形加速器を有する本発明の作動可能なコンパクト加速システムの概略図である。1 is a schematic view of an actuable compact acceleration system of the present invention having an integrated unit-type charged particle generator and linear accelerator. FIG. 本発明のユニット型コンパクト加速器/荷電粒子源の典型的な装着配置の側面図であり、医学治療用途を示す図である。FIG. 2 is a side view of a typical mounting arrangement of a unit compact accelerator / charged particle source of the present invention, illustrating medical treatment applications. 本発明のユニット型コンパクト加速器/荷電粒子源の典型的な垂直装着配置の斜視図である。1 is a perspective view of an exemplary vertical mounting arrangement of a unit compact accelerator / charged particle source of the present invention. FIG. 本発明のユニット型コンパクト加速器/荷電粒子源の典型的なハブ−スポーク装着配置の斜視図である。1 is a perspective view of a typical hub-spoke mounting arrangement of a unit compact accelerator / charged particle source of the present invention. FIG. 本発明の連続パルス進行波加速器の概略図である。1 is a schematic diagram of a continuous pulse traveling wave accelerator of the present invention. FIG. 図25の連続パルス進行波加速器の短パルス進行波の動きを示す概略図である。FIG. 26 is a schematic diagram showing the movement of a short pulse traveling wave of the continuous pulse traveling wave accelerator of FIG. 25. 従来の誘電体壁加速器の典型的なセルの長パルスの動きを示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the long pulse motion of a typical cell of a conventional dielectric wall accelerator.

Claims (15)

加速軸を取り囲む長さLの誘電体ビーム管と、
前記ビーム管に対して、これを横切る方向に接続される少なくとも2つのパルス形成ラインであって、各パルス形成ラインが、他のパルス形成ラインから独立して当該パルス形成ラインを通って少なくとも1つの電気的な波面を伝搬して、パルス幅τの短い加速パルスをビーム管の対応する短軸長δLに沿って生成するために、高電圧電位に接続可能なスイッチを有するところの、少なくとも2つのパルス形成ラインと、
荷電粒子に対してエネルギを連続的に与えるために、軸方向に横切る前記荷電粒子のパルスビームと同期してビーム管に沿って進行軸方向の電界が生成されるように、スイッチを連続的に制御する手段と、
を備える短パルス誘電体壁加速器。
A dielectric beam tube of length L surrounding the acceleration axis;
At least two pulse forming lines connected to and transverse to the beam tube, each pulse forming line passing through the pulse forming line independently of the other pulse forming lines. At least two switches having a switch connectable to a high voltage potential in order to propagate an electrical wavefront and generate an acceleration pulse with a short pulse width τ along the corresponding minor axis length δL of the beam tube A pulse forming line;
In order to continuously energize the charged particles, the switch is continuously operated so that an electric field in the traveling axial direction is generated along the beam tube in synchronization with the pulse beam of the charged particles traversing in the axial direction. Means for controlling;
A short pulse dielectric wall accelerator comprising:
各パルス形成ラインは、
第1の端部と、前記加速軸に隣接する第2の端部とを有する第1の導体と、
前記第1の導体に隣接する第2の導体であって、高電圧電位に切り換え可能な第1の端部と、前記加速軸に隣接する第2の端部とを有するところの第2の導体と、
前記第2の導体に隣接する第3の導体であって、第1の端部と、前記加速軸に隣接する第2の端部とを有するところの第3の導体と、
第1の誘電定数を有し、前記第1の導体と前記第2の導体との間の空間を満たす第1の誘電体材料と、
第2の誘電定数を有し、前記第2の導体と前記第3の導体との間の空間を満たす第2の誘電体材料と、
を備えるブルームラインモジュールである、請求項1に記載の短パルス誘電体壁加速器。
Each pulse forming line is
A first conductor having a first end and a second end adjacent to the acceleration axis;
A second conductor adjacent to the first conductor, the first conductor having a first end switchable to a high voltage potential and a second end adjacent to the acceleration axis. When,
A third conductor adjacent to the second conductor, the first conductor having a first end and a second end adjacent to the acceleration axis;
A first dielectric material having a first dielectric constant and filling a space between the first conductor and the second conductor;
A second dielectric material having a second dielectric constant and filling a space between the second conductor and the third conductor;
The short pulse dielectric wall accelerator of claim 1, wherein the short pulse dielectric wall accelerator is a bloom line module.
前記第1、第2および第3の導体、並びに、前記第1および第2の誘電体部材は、前記第1の端部から第2の端部へと延びる平行な帯状構造を有している、請求項2に記載の短パルス誘電体壁加速器。   The first, second and third conductors, and the first and second dielectric members have a parallel strip structure extending from the first end to the second end. The short pulse dielectric wall accelerator according to claim 2. 前記誘電体ビーム管は、第1および第2の誘電体部材よりも大きい誘電定数を有する、請求項2に記載の短パルス誘電体壁加速器。   The short pulse dielectric wall accelerator of claim 2, wherein the dielectric beam tube has a larger dielectric constant than the first and second dielectric members. 前記誘電体ビーム管は、前記加速軸に対して垂直な面内に、導体と誘電体との交互層を備える、請求項4に記載の短パルス誘電体壁加速器。   The short pulse dielectric wall accelerator according to claim 4, wherein the dielectric beam tube includes alternating layers of a conductor and a dielectric in a plane perpendicular to the acceleration axis. スイッチを連続的に制御する前記手段は、1つのブロックを形成する少なくとも2つの隣接するパルス形成ラインを同時に切り換えることができ、そして、隣接するブロックを連続的に切り換えることができ、それにより、各ブロックを通って加速パルスが連続的に形成される、請求項1に記載の短パルス誘電体壁加速器。   Said means for continuously controlling the switch can simultaneously switch at least two adjacent pulse forming lines forming one block, and can switch adjacent blocks continuously, whereby each The short pulse dielectric wall accelerator of claim 1, wherein acceleration pulses are continuously formed through the block. 前記誘電体ビーム管の入力端および出力端におけるフリンジ磁界を減少するために、ビーム管の直径dおよび長さLが基準L>4dを満たす、請求項1に記載の短パルス誘電体壁加速器。   The short pulse dielectric wall accelerator of claim 1, wherein the diameter d and length L of the beam tube satisfy a criterion L> 4d in order to reduce the fringing magnetic field at the input and output ends of the dielectric beam tube. ビーム管が基準γτv>d/0.6
但し、vはビーム管壁上の波の速度、dはビーム管の直径、τは、下式:
Figure 2009512985
で表わされるパルス幅、γは、下式:
Figure 2009512985
で表わされるローレンツ係数である
を満たす、請求項1に記載の短パルス誘電体壁加速器。
Beam tube is standard γτv> d / 0.6
Where v is the velocity of the wave on the beam tube wall, d is the diameter of the beam tube, and τ is:
Figure 2009512985
Is expressed by the following equation:
Figure 2009512985
The short pulse dielectric wall accelerator according to claim 1, satisfying a Lorentz coefficient represented by:
横方向加速軸へと延びる複数のパルス形成ラインであって、各パルス形成ラインが、他のパルス形成ラインから独立して当該パルス形成ラインを通って少なくとも1つの電気的な波面を伝搬して、加速軸の対応する短軸長に隣接して短い加速パルスを生成するために、高電圧電位に接続可能なスイッチを有するところの、複数のパルス形成ラインと、
荷電粒子に対してエネルギを連続的に与えるために、軸方向に横切る前記荷電粒子のパルスビームと同期して加速軸に沿って進行軸方向の電界が生成されるように、スイッチを連続的に制御するべく動作可能に接続されるトリガと、
を備える連続パルス進行波線形加速器。
A plurality of pulse forming lines extending to the lateral acceleration axis, each pulse forming line propagating through the pulse forming line independently of the other pulse forming lines through at least one electrical wavefront; A plurality of pulse forming lines having a switch connectable to a high voltage potential to generate a short acceleration pulse adjacent to a corresponding short axis length of the acceleration axis;
In order to continuously give energy to the charged particles, the switch is continuously operated so that an electric field in the traveling axis direction is generated along the acceleration axis in synchronization with the pulse beam of the charged particles traversing in the axial direction. A trigger operatively connected to control;
A continuous pulse traveling wave linear accelerator.
各パルス形成ラインは、
第1の端部と、前記加速軸に隣接する第2の端部とを有する第1の導体と、
前記第1の導体に隣接する第2の導体であって、高電圧電位に切り換え可能な第1の端部と前記加速軸に隣接する第2の端部とを有するところの第2の導体と、
前記第2の導体に隣接する第3の導体であって、第1の端部と、前記加速軸に隣接する第2の端部とを有するところの第3の導体と、
第1の誘電定数を有し、前記第1の導体と前記第2の導体との間の空間を満たす第1の誘電体材料と、
第2の誘電定数を有し、前記第2の導体と前記第3の導体との間の空間を満たす第2の誘電体材料と、
を備えるブルームラインモジュールである、請求項9に記載の連続パルス進行波線形加速器。
Each pulse forming line is
A first conductor having a first end and a second end adjacent to the acceleration axis;
A second conductor adjacent to the first conductor, the second conductor having a first end switchable to a high voltage potential and a second end adjacent to the acceleration axis; ,
A third conductor adjacent to the second conductor, the first conductor having a first end and a second end adjacent to the acceleration axis;
A first dielectric material having a first dielectric constant and filling a space between the first conductor and the second conductor;
A second dielectric material having a second dielectric constant and filling a space between the second conductor and the third conductor;
The continuous pulse traveling wave linear accelerator according to claim 9, wherein the continuous pulse traveling wave linear accelerator is a Bloom line module.
前記第1、第2および第3の導体、並びに、前記第1および第2の誘電体部材は、前記第1の端部から第2の端部へと延びる平行な帯状構造を有している、請求項10に記載の連続パルス進行波線形加速器。   The first, second and third conductors, and the first and second dielectric members have a parallel strip structure extending from the first end to the second end. A continuous pulse traveling wave linear accelerator according to claim 10. スイッチを連続的に制御する前記手段は、1つのブロックを形成する少なくとも2つの隣接するパルス形成ラインを同時に切り換えることができ、そして、隣接するブロックを連続的に切り換えることができ、それにより、各ブロックを通って加速パルスが連続的に形成される、請求項9に記載の連続パルス進行波線形加速器。   Said means for continuously controlling the switch can simultaneously switch at least two adjacent pulse forming lines forming one block, and can switch adjacent blocks continuously, whereby each 10. A continuous pulse traveling wave linear accelerator according to claim 9, wherein acceleration pulses are continuously formed through the block. 加速軸を取り囲む長さLの誘電体ビーム管と、
少なくとも2つのブルームラインモジュールであり、各々が、前記加速軸に対して、これを横切る方向のパルス形成ラインを形成し、そして、第1の端部と、前記ビーム管に接続される第2の端部とを有する第1の導体、前記第1の導体に隣接する第2の導体であって、高電圧電位に切り換え可能な第1の端部と、前記ビーム管に接続される第2の端部とを有するところの第2の導体、前記第2の導体に隣接する第3の導体であって、第1の端部と、前記ビーム管に接続される第2の端部とを有するところの第3の導体、第1の誘電定数を有し、前記第1の導体と第2の導体との間の空間を満たす第1の誘電体部材、及び、第2の誘電定数を有し、前記第2の導体と第3の導体との間の空間を満たす第2の誘電体部材を備え、前記第1および第2の誘電定数がビーム管の誘電定数よりも小さく、
各ブルームラインモジュールが、他のブルームラインモジュールから独立して当該ブルームラインモジュールを通って少なくとも1つの電気的な波面を伝搬して、パルス幅τの短い加速パルスをビーム管の対応する短軸長δLに沿って生成するために、高電圧電位に接続可能な少なくとも1つのスイッチを有するところの少なくとも2つのブルームラインモジュールと、
荷電粒子に対してエネルギを連続的に与えるために、軸方向に横切る前記荷電粒子のパルスビームと同期して、前記ビーム管に沿って進行軸方向の電界が生成されるように、スイッチを連続的にトリガするべく動作可能に接続されるコントローラと
を備える連続パルス進行波線形加速器。
A dielectric beam tube of length L surrounding the acceleration axis;
At least two bloom line modules, each forming a pulse forming line transverse to the acceleration axis and having a first end and a second end connected to the beam tube A first conductor having an end, a second conductor adjacent to the first conductor, the first end being switchable to a high voltage potential, and a second conductor connected to the beam tube A second conductor having an end, a third conductor adjacent to the second conductor, the first conductor having a first end and a second end connected to the beam tube However, the third conductor has a first dielectric constant, has a first dielectric member that fills a space between the first conductor and the second conductor, and has a second dielectric constant. A second dielectric member filling a space between the second conductor and the third conductor, the first and Second dielectric constant smaller than the dielectric constant of the beam tube,
Each Bloomline module propagates at least one electrical wavefront through the Bloomline module independently of the other Bloomline modules, so that an acceleration pulse with a short pulse width τ is applied to the corresponding short axis length of the beam tube. at least two bloom line modules having at least one switch connectable to a high voltage potential to generate along δL;
In order to continuously give energy to the charged particles, the switch is continuously operated so that an electric field in the traveling axis direction is generated along the beam tube in synchronization with the pulse beam of the charged particles traversing in the axial direction. A continuous pulse traveling wave linear accelerator with a controller operatively connected to trigger the system.
前記ブルームラインモジュールは、第1および第2の誘電定数が等しい対称ブルームラインである、請求項13に記載の連続パルス進行波線形加速器。   The continuous pulse traveling wave linear accelerator of claim 13, wherein the Bloomline module is a symmetric Bloomline with equal first and second dielectric constants. 前記ブルームラインモジュールは、第1および第2の誘電定数が等しくない非対称ブルームラインである、請求項13に記載の連続パルス進行波線形加速器。   14. The continuous pulse traveling wave linear accelerator of claim 13, wherein the Bloom line module is an asymmetric Bloom line with unequal first and second dielectric constants.
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