JP2012533153A - 電子スイッチを使用した定在波線形加速器のインターリーブするマルチエネルギーx線のエネルギー操作 - Google Patents
電子スイッチを使用した定在波線形加速器のインターリーブするマルチエネルギーx線のエネルギー操作 Download PDFInfo
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Abstract
【選択図】図1
Description
本出願は、2009年7月8日に出願された、「Interleaving Multi−Energy X−Ray Energy Operation of a Standing Wave Linear Accelerator Using Electronic Switches」という名称の米国特許出願第12/499,644号の利益を主張し、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書で説明されるのは、電子スイッチを備える定在波LINACである。例示的な側面結合型(side−coupled)定在波LINAC構造の断面図を図1に示す。側面結合型定在波LINACは、縦導管10および加速構造の中心ボア(central bore)に沿って配置された複数の電磁結合した共振主空洞12、14、16、18を有する加速構造1を備える。縦導管10は、加速構造の中心を伸びている。当業者は、本明細書の定在波LINACは、図1に示すよりも多いかまたは少ない主空洞を有することができることを理解するであろう。例えば、定在波LINACは、少なくとも10、少なくとも15、少なくとも20、少なくとも25、少なくとも30、少なくとも35、少なくとも40、またはそれ以上の主空洞を持つことができる。主空洞12、14、16、18は、縦導管10を中心とするトロイド(toroid)のような形状をしている。主空洞の隣接する対は、開口部を介して側面空洞により電磁結合している。側面空洞には2種類ある。側面空洞32(図1に示す)などの電子スイッチを備える第1タイプの側面空洞は、開口部13aおよび13bを介して隣接する主空洞12および14を連結する。側面空洞36(図1に示す)などの電子スイッチを備えていない第2タイプの側面空洞は、開口部17aおよび17bを介して隣接する主空洞16および18を連結する。側面空洞は、例えば、ほぼ立方体、ほぼ円筒、ほぼ長方形、または当業者が適切と考える任意の他の形状とすることができる。以下の1.1節で説明する通り、側面空洞32は、定在波LINACから放出される電子のエネルギーを同調するために使用される電子スイッチを備えている。定在波LINAC構造は、入口空洞(entrance cavity)50および出口空洞52も備えることができる。入口空洞50および出口空洞52は各々、基本的に、主空洞の半分の形状を取ることができる。ある実施形態では、入口空洞50および出口空洞52は、それぞれが異なる周波数に同調された、完全な空洞とすることができる。入口空洞50および出口空洞52の各々は、縦導管と同様なサイズのビーム孔を持つ、有限厚の端壁を持つことができる。
主空洞12、14、16、18の全てが同様で、縦導管10に関してほぼ軸方向に対称であって、側面空洞の全てが側面空洞30または側面空洞36と同様な場合、各主空洞内の電場は、他の主空洞内の場と実質的に同じであろう。結果として、電子ビーム2は、全ての主空洞内で最大の電場振幅(および、従って最大の前方向加速度)を経験するであろう。図2Aは、電子があらゆる主空洞内で加速される操作中に、定在波LINACの加速構造の縦導管に沿った軸位置の関数として、各主空洞内で電子ビームに作用する電場振幅の変動を示す。LINACの出口空洞から放出される電子ビームは、定在波LINACシステムの最大到達可能な最終出力エネルギー近くまで加速される。
ある実施形態では、本明細書で説明されるのは、LINACの高速切り替え操作中に、(i)定在波LINACの各側面空洞にそれぞれ配置されている複数の電子スイッチの、制御されたタイミング調整された起動(2.1節で説明)、または(ii)電子スイッチを含むように側面空洞の変更(2.2節で説明)によって、複数の電子スイッチの発熱を好都合に低く保つために使用することができる方法およびシステムである。方法(i)または方法(ii)のいずれか、もしくは方法(i)と方法(ii)の両方の何らかの組み合わせを用いて操作されるシステムも、本開示の範囲内である。
一態様では、本明細書では、好都合に低発熱の側面空洞の電子スイッチを備えた、定在波LINACの高速切り替えインターリーブ操作のための方法が提供され、そこで、LINACは、第1出力エネルギーと第2出力エネルギーとが交互になる電子ビームを放出するように操作される。その方法は、第1組の電子をLINACの縦導管内に注入して、その第1組の電子を電磁定在波を用いて第1出力エネルギーまで加速することと、2つ以上の離調可能な側面空洞の電子スイッチを実質的に同時に起動することと、第2組の電子を縦導管に注入して、その第2組の電子を第2出力エネルギーまで加速することとを含む。第1組の電子は、離調する側面空洞の電子スイッチが第1起動状態に起動される時に、LINACから第1エネルギーで放出される。第1起動状態では、電子スイッチは非アクティブであってもよく、または、本質的に電子スイッチを備えていない側面空洞のように、LINACに関連して作動する状態まで起動されてもよい。第2エネルギーが第1エネルギーと異なるように、電子スイッチの第2起動状態は、第1起動状態とは異なる。
別の態様では、LINACが、実質的に全ての主空洞で、電磁波の電場の実質的に最大到達可能な振幅によって電子ビームが加速されるモードで操作される時に、離調可能な側面空洞の共振周波数を同調するために電子スイッチを起動する必要がないように、離調可能な側面空洞が変更されてもよい。1つ以上の変更された離調可能な側面空洞を備えたシステムは、LINACの高速切り替え操作中に電子スイッチでの好都合に低い発熱で操作されてもよい。特に、高エネルギー操作に関して起こる可能性がある過熱を回避するため、電子スイッチは、非離調(un−detuned)構造のような側面室と統合される。
X線は、LINACからの加速された電子ビームまたは電子バンチによる標的材料の照射から生成される。X線は、2つの異なるメカニズムにより標的から生成することができる。第1メカニズムでは、原子の低エネルギーレベル(内殻)からの電子が原子を離れるように、LINACからの電子の標的原子への衝突が十分なエネルギーを分け与えて、低エネルギーレベルの空孔を作る。原子の高エネルギーレベルの電子は、低エネルギーレベルに降下してその空孔を埋め、その余分なエネルギーをX線光子として放出する。高エネルギーレベルと低エネルギーレベルとの間のエネルギー差は離散値であるため、これらのX線光子は、X線スペクトル内にくっきりとした線(特徴線と呼ばれる)で現れる。第2メカニズムでは、LINACからの電子ビームまたはバンチは、標的原子近くの強電場によって散乱されて、制動放射線を放出する。制動放射線は、連続スペクトルでX線光子を生成し、X線の強度は、入射電子のエネルギーでゼロから増大する。すなわち、LINACからの電子によって生成することができる最高エネルギーのX線は、それらがLINACから放出された時の電子の最高エネルギーである。制動放射線は、多く用途にとって、特徴線よりも興味深い可能性がある。
定在波LINACの操作で使用される場合がある特定の器具としては、電子銃、変調器、および電磁波源が挙げられる。
電子銃は、特定の運動エネルギーを有する1組の電子(または電子ビーム)を放出するために、電子放出器として使用される。電子銃は、当業者によって適切と考えられる任意の電子銃とすることができる。例えば、L3電子銃組立品、モデル番号M592(米国カリフォルニア州サンカルロス所在のL3 Communications Corporation)を使用することができる。電子銃は、電子ストリームを放出するための熱電子陰極を含むことができる。電子銃は、電子ストリームの焦点を合わせるための焦点調節部品も含んでもよい。例えば、電子ビームの焦点を合わせて、陽極(anode)の向こう側に現れる最小直径を持つ収束ビームを作り出すよう、電場を形成するために焦点電極が使用することができる。いくつかの電子銃では、焦点調整部品は、陽極と熱電子陰極との間に配置されているグリッドであり、それは、電子ストリームの直径を制御するための場を印加する。かかるグリッドは、陽極および陰極に共通の縦軸に対して同心に配置された開口部を持つことができる。いくつかの電子銃では、グリッドは、グリッドに印加される電圧に応じて、ビームの入り切りおよびビーム電流の制御が可能なインターセプト画面(intercepting screen)を含むことができる。陽極は、縦軸に同心の開口部も持つことができる。陽極の開口部の直径は、陰極の直径よりも小さい可能性がある。グリッドと陽極との間に収束軸電場を生成するために、陰極に関連してグリッドおよび陽極に電圧を印加でき、これにより、陰極から陽極に向かって増大する電流密度を有する電子の準層流(quasi−laminar)引き起こすことができる。電子銃に印加する電圧を下げると、電子銃から放出される電子の運動エネルギーを減少させることができる。
変調器は、数マイクロ秒持続する高電圧パルスを生成する。これらの高電圧パルスは、電磁波源(以下の4.3節で説明)、電子銃(4.1節を参照)、または両方に同時に印加することができる。電源装置はDC電圧を変調器に提供し、変調器はこれを高電圧パルスに変換する。例えば、マグネトロンに関連して、Solid State Magnetron Modulator−M1または−M2(スウェーデン国ウプサラ所在のScandiNova Systems AB)を使用することができる。別の例では、クライストロンに関連して、Solid State Klystron Modulator−K1または−K2(スウェーデン国ウプサラ所在のScandiNova Systems AB)を使用することができる。
電磁波源は、当業者によって適切と考えられる任意の電磁波源でよい。LINAC用の電磁波源(無線周波数(RF)帯域のマイクロ波内)は一般的に、マグネトロン発振器またはクライストロン増幅器のいずれかである。両方のタイプの器具において、RF源のサイズおよび出力能力は、おおよそ電磁波の波長に比例する。電磁波は、その振幅、周波数、または位相を変更することにより変更することができる。
マグネトロンは、数マイクロ秒間持続し、かつ毎秒数百パルスの繰り返し率でマイクロ波パルスを生成するように、高出力発振器として機能する。各パルス内のマイクロ波の周波数は、通常、約3,000MHz(Sバンド)または9,000MHz(Xバンド)である。超高ピークビーム電流または高平均電流に対しては、800〜1500MHz(Lバンド)のパルスを使用することができる。マグネトロンは、当業者によって適切と考えられる任意のマグネトロンとすることができる。例えば、CTL Xバンドパルスマグネトロン、モデル番号PM−1100X(米国カリフォルニア州ワトソンビル所在のL3 Communications、Applied Technologies)を使用することができる。通常、マグネトロンは、銅の固体片から機械加工された共振空洞を備え、中央に配置された陰極と外側の陽極を持つ円筒構造を有する。陰極と陽極との間の空間は真空にされている。陰極は、内部フィラメントによって加熱され、電子は熱電子放出によって生成される。静磁場が空洞の断面に対して垂直に印加され、パルスDC電場が陰極と陽極との間に印加される。陰極から放出された電子は、パルスDC電場の作用により、かつ、磁場の影響下で、陽極に向かって加速される。従って、電子は、複雑な螺旋を描くような動きで、共振空洞に向かって移動し、それらにマイクロ波の周波数で電磁波放射線を放射させる。生成されたマイクロ波パルスは、移動導波管(transfer waveguide)を経て、加速器構造に供給される。マグネトロンは、通常、低エネルギーLINAC(6MVまたはそれ以下)に動力を供給するため、1または2MVの最大出力で作動する。マグネトロンは、比較的安価とすることができ、小型化することができるため、多くの用途で有利であるが、出力と寿命が限られ、電磁波の周波数と位相に対して提供することができる制御が比較的制限されている。連続波マグネトロン装置は、約75〜85%の効率で、1GHzで約100kWの出力を有することができるが、パルス装置は約60〜77%の効率で作動することができる。マグネトロンは、位相に敏感でない場合がある単一セクションの低エネルギー線形加速器で使用することができる。マグネトロンは、通常、マイクロ波出力を安定化させるために、フィードバックシステムと共に使用される。
クライストロンは、当業者によって適切と考えられる任意のクライストロンとすることができる。例えば、CPI Sバンドパルスクライストロン、モデル番号VKS−8262G(米国カリフォルニア州パロアルト所在のCommunications and Power Industries(CPI))を使用することができる。クライストロンは、DC電子ビームの運動エネルギーをマイクロ波パワーに変換することにより増幅器として機能する。熱電子陰極によって生成される電子ビーム(低仕事関数(low work function)材料の加熱ペレット)は、高圧電極(通常、数10〜数100キロボルト)によって加速される。この電子ビームは、その後、入力空洞を通過する。マイクロ波は、クライストロン空洞の自然共振周波数で、またはその付近で、クライストロンの入力空洞に注入される。マイクロ波の電場は、以前の連続電子ビームに入力周波数でバンチを形成させる。バンチングを強化するため、クライストロンは、追加のバンチャー空洞を含むことができる。電子ビームによって搬送されるマイクロ波周波数電流は、マイクロ波周波数磁場を生成し、それは、順に、それに続く共振空洞のギャップを越えて、電圧を励起する。出力空洞では、発生したマイクロ波パワーがクライストロンから出て、結合される。エネルギーが減少している、使用済みの電子ビームは、収集器で捕捉される。クライストロンからのマイクロ波出力はマイクロ波入力よりもずっと大きい(通常、50〜60db)可能性があるため、クライストロンは増幅器として機能し、結果的に、マイクロ波入力に関して位相が安定し得る増幅したマイクロ波パワーが得られる。クライストロンは増幅器であるため、出力マイクロ波の周波数および振幅の変更を素早く行うことができる。
本明細書で開示される方法の態様は、次のプログラムおよび方法に従って、本節で説明するコンピュータシステムなどのコンピュータシステムを用いて実行することができる。例えば、かかるコンピュータシステムは、本明細書で開示の方法に従って、電子スイッチを異なる起動状態に起動するために、制御装置に対するコマンド、またはLINACの様々な他の構成要素を操作するためのコマンドを格納および発行することができる。そのシステムおよび方法は、例えば、単一の汎用コンピュータ、または並列処理コンピュータシステム、またはワークステーション、またはネットワークシステム(例えば、図9に示すようなクライアント−サーバー構成)など、様々な種類のコンピュータアーキテクチャで実装されてもよい。
本明細書で引用した全ての参考文献は、各個々の公開または特許または特許出願が、具体的かつ個別にその内容全体が全ての目的のために参照により本明細書に組み込まれることが示されているかのように、その内容全体が全ての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。本明細書における参考文献の考察または引用は、かかる参照が本発明の先行技術であることの承認として解釈されるものではない。
本発明の多くの変更および変形を、当業者には明らかであろうように、その精神および範囲から逸脱することなく実施することができる。本明細書で説明した特定の実施形態は、ほんの一例としてのみ提供されており、本発明は、添付の特許請求の範囲の条項、およびかかる特許請求の範囲が権利を与えられている均等物の完全な範囲によってのみ限定されるものとする。
Claims (30)
- 定在波線形加速器の、前記加速器の側面空洞に配置された電子スイッチの発熱が好都合に低くなるような、高速切り替え操作の方法であって、
第1組の電子を前記加速器の縦導管に注入することであって、
前記加速器が複数の主空洞および複数の側面空洞を備え、各前記側面空洞が前記複数の主空洞の2つの隣接する主空洞と連通し、
前記縦導管が前記複数の主空洞と連通し、
前記複数の側面空洞の少なくとも2つの側面空洞の各々が電子スイッチを備え、それによって少なくとも2つの離調可能な側面空洞を提供し、
前記第1組の電子が前記縦導管内で、前記加速器に結合された電磁波によって加速され、
前記離調可能な側面空洞の前記電子スイッチが第1起動状態に起動される時に、前記第1組の電子が前記加速器から第1エネルギーで放出される、第1組の電子を縦導管に注入することと、
前記離調可能な側面空洞の少なくとも2つの前記電子スイッチを実質的に同時に、第2起動状態に起動することと、
第2組の電子を前記縦導管に注入することであって、
前記第2組の電子が、前記第1エネルギーと異なる第2エネルギーで、前記加速器から放出される、第2組の電子を縦導管に注入することと、を含む方法。 - 前記離調可能な側面空洞が、前記電子スイッチが前記第1起動状態に起動される場合に離調される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1組の電子を前記縦導管内に注入する前に、前記離調可能な側面空洞の前記電子スイッチを、実質的に同時に、前記第1起動状態に起動することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1組の電子を前記注入することの前に、前記電子スイッチが、少なくとも1切り替え時間の時間間隔で、前記第1起動状態に起動される、請求項3に記載の方法。
- 前記第2組の電子を前記注入することの前に、前記電子スイッチが、少なくとも1切り替え時間の時間間隔で、前記第2起動状態に起動される、請求項1に記載の方法。
- 前記電子スイッチが前記第2起動状態に起動される場合に、前記少なくとも2つの離調可能な側面空洞が離調される、請求項1に記載の方法。
- 前記離調可能な側面空洞が前記加速器の側面に相互に隣接して配置されている、請求項1に記載の方法。
- 前記離調可能な側面空洞が、前記加速器の両側に対角線状に相互に向かい合うように配置されている、請求項1に記載の方法。
- 前記電子スイッチに第1電流を印加することにより、前記電子スイッチが前記第1起動状態に起動される、請求項1に記載の方法。
- 前記電子スイッチを前記第2起動状態に起動する前記ステップが、前記電子スイッチに第2電流を印加することを含み、前記第1電流が前記第2電流と異なる、請求項9に記載の方法。
- 各前記電子スイッチが導電性部材を含み、前記導電性部材が前記離調可能な側面空洞の内部に配置されている、請求項1に記載の方法。
- 前記離調可能な側面空洞の外部に延出する前記電子スイッチの端部が、少なくとも1つの同軸伝送線路に接続することができる、請求項11に記載の方法。
- 第1同軸伝送線路を各前記電子スイッチに接続することにより、前記電子スイッチが第1起動状態に起動される、請求項12に記載の方法。
- 前記電子スイッチを前記第2起動状態の電子スイッチに起動する前記ステップが、第2同軸伝送線路を各前記電子スイッチに接続することを含み、前記第1同軸伝送線路が前記第2同軸伝送線路と異なる、請求項13に記載の方法。
- 前記加速器が3つ以上の離調可能な側面空洞を備える、請求項1に記載の方法。
- 複数の主空洞および複数の側面空洞を備える定在波線形加速器であって、
各前記側面空洞が前記複数の主空洞の2つの隣接する主空洞に連結し、
前記複数の側面空洞の少なくとも1つの側面空洞が電子スイッチを備え、それによって少なくとも1つの離調可能な側面空洞を提供し、
前記少なくとも1つの離調可能な側面空洞のリアクタンスが、前記加速器に結合された電磁波の存在下で、前記電子スイッチが起動されていない場合に、電子スイッチを備えていない前記側面空洞のリアクタンスと実質的に同様になるように、前記少なくとも1つの離調可能な側面空洞が構成される、定在波線形加速器。 - 前記少なくとも1つの離調可能な側面空洞がさらに1つ以上のポストを備え、前記少なくとも1つの離調可能な側面空洞の前記リアクタンスが、前記加速器に結合された前記電磁波の存在下で、前記電子スイッチが起動されていない場合に、電子スイッチを備えていない側面空洞の前記リアクタンスと実質的に同様になるように、前記ポストが構成される、請求項16に記載の定在波線形加速器。
- 前記少なくとも1つの離調可能な側面空洞が1つ以上のポストをさらに備え、前記離調可能な側面空洞が銅を含み、前記1つ以上のポストの材料が銅合金、真鍮、セラミック、またはそれらの組み合わせである、請求項16に記載の定在波線形加速器。
- 電磁波を前記加速器に結合することであって、
前記加速器が複数の主空洞および複数の側面空洞を備え、
各前記側面空洞が前記複数の主空洞の2つの隣接する主空洞に連結し、
前記複数の側面空洞の少なくとも1つの側面空洞が電子スイッチを備え、それによって少なくとも1つの離調可能な側面空洞を提供し、
前記少なくとも1つの離調可能な側面空洞のリアクタンスが、前記加速器に結合された電磁波の存在下で、前記電子スイッチが起動されていない場合に、電子スイッチを備えていない前記側面空洞のリアクタンスと実質的に同様になるように、前記少なくとも1つの離調可能な側面空洞が構成される、電磁波を前記加速器に結合することと、
前記加速器からあるエネルギーで放出される、電子の組を前記加速器に注入することとを含む、定在波線形加速器を操作する方法。 - 前記電磁波が前記加速器に前記結合されることの前に、前記電子スイッチが起動される、請求項19に記載の方法。
- 前記電子スイッチに電流を印加することにより、前記電子スイッチが起動される、請求項20に記載の方法。
- 前記電子スイッチが導電性部材を含み、前記導電性部材が前記離調可能な側面空洞の内部に配置されている、請求項20に記載の方法。
- 前記電子スイッチの端部が前記離調可能な側面空洞の外部に延出し、前記電子スイッチの前記端部が少なくとも1つの同軸伝送線路に接続することができる、請求項22に記載の方法。
- 同軸伝送線路を前記電子スイッチの前記端部に接続することにより、前記電子スイッチが起動される、請求項23に記載の方法。
- 定在波線形加速器の、前記加速器の側面空洞内に配置された電子スイッチの発熱が好都合に低くなるような、高速切り替え操作の方法であって、
第1組の電子を前記加速器の縦導管に注入することであって、
前記加速器が複数の主空洞および複数の側面空洞を備え、各前記側面空洞が前記複数の主空洞の2つの隣接する主空洞と連通し、
前記縦導管が前記複数の主空洞と連通し、
前記複数の側面空洞の少なくとも1つの側面空洞の各々が電子スイッチを備え、それによって少なくとも1つの離調可能な側面空洞を提供し、
前記少なくとも1つの離調可能な側面空洞のリアクタンスが、前記加速器に結合された電磁波の存在下で、前記電子スイッチが起動されていない場合に、電子スイッチを備えていない前記側面空洞のリアクタンスと実質的に同様になるように、前記少なくとも1つの離調可能な側面空洞が構成され、
前記第1組の電子が前記縦導管内で前記加速器に結合された電磁波によって加速され、
前記第1組の電子が、前記電子スイッチが起動されていない場合に、前記加速器から第1エネルギーで放出される、第1組の電子を前記加速器の縦導管に注入することと、
前記少なくとも1つの離調可能な側面空洞の前記電子スイッチを起動することと、
前記第2組の電子が、前記第1エネルギーと異なる第2エネルギーで、前記加速器から放出される、第2組の電子を前記縦導管に注入することと、を含む方法。 - 前記第2組の電子を前記注入することの前に、前記電子スイッチが起動される、請求項25に記載の方法。
- 前記電子スイッチに電流を印加することにより、前記電子スイッチが起動される、請求項26に記載の方法。
- 前記電子スイッチが導電性部材を含み、前記導電性部材が前記離調可能な側面空洞の内部に配置されている、請求項26に記載の方法。
- 前記電子スイッチの端部が前記離調可能な側面空洞の外部に延出し、前記電子スイッチの前記端部が少なくとも1つの同軸伝送線路に接続することができる、請求項28に記載の方法。
- 同軸伝送線路を前記電子スイッチの前記端部に接続することにより、前記電子スイッチが起動される、請求項29に記載の方法。
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