JP2015507336A - レーザ駆動イオンビームのレーザ作動磁場操作 - Google Patents

Abstract

標的に衝突するときに荷電粒子のパルスを生成するレーザパルスを放出する高強度パルス状レーザを含む、荷電粒子のパルスを生成するシステムである。粒子は、励起電流をオン及びオフに切り替える光作動スイッチを組み入れた低インダクタンス電流供給源によって励起された電磁石を通過する。レーザパルスの光の一部が、磁場が生成された荷電粒子のパルスと光学的に同期するように光作動スイッチに向けられる。これにより、パルスが通過している間のみ磁石を励起することが可能となるので、ＣＷ電磁石を使用する先行技術のシステムよりも軽量かつエネルギー効率的となる。同期はまた、所定範囲のエネルギーを有する粒子のみが、選択されたビーム経路に偏向されるように磁場の作動タイミングを調整することにより、所定範囲の粒子エネルギーを有する荷電粒子を選択することも可能とする。

Description

本発明は、特にレーザ作動磁場を使用するレーザ駆動高速イオン及び荷電粒子ビーム操作の分野に関する。

高速イオンビームは、放射性同位体生成、中性子生成、Ｘ線撮影、核融合、及び様々な形態の放射線治療を含む様々なアプリケーションにとっての興味対象である。高速イオンビームは典型的に、サイクロトロン又はシンクロトロンのような様々な構成の加速器において生成される。加速器は、運転及び維持のコストがかかる比較的大型かつ高価な機械である。

極めて高い強度及び電場を与えることができる極短パルスレーザの開発が刺激となって、高速イオンを生成するレーザ光電場に物質をさらす研究が行われるようになった。レーザ系加速器では、高強度レーザビームが、加速対象となるイオンの元素を含む標的に合焦される。レーザは標的と相互作用し、その標的をイオン化し、及びそのイオンを加速する。一定数の論文及び特許文献が、レーザを使用して比較的安価な高速イオン源を与える方法について記載している。例えば、特許文献１は、医療目的で使用され得るプロトンのような高エネルギー束イオンを生成するべく約１０^１８〜約１０^２３Ｗ／ｃｍ^２のエネルギー密度に合焦された「約１〜５００フェムト秒（ｆｓ）のパルス長を有する」レーザパルスを使用する。当該パルスは、様々な設計の標的と相互作用するべく向けられて、「異なる種のイオン（例えばプロトン）、Ｘ線、電子、パルス１０２の残部、及び異なるエネルギー成分（例えば一定のエネルギー帯域又は窓内のＭｅＶ、数十ＭｅＶ及び数百ＭｅＶ）を含む」放射成分を与える。本願の発明者の数名による特許文献２は、高速イオンビームを生成するシステム及び方法を記載する。そのシステムは、共通軸に沿って実質的に均一に配向されたナノスケールパターン特徴を含むパターンのパターン化表面標的基板と、高出力コヒーレント電磁放射線ビームを受け取って標的基板の前記パターン化表面に合焦するビームユニットとを含む。前記放射線ビームと前記基板との相互作用によって高速イオンを生成することができる。特許文献２の背景技術及び一般的な記載の章には、他の論文も引用されている。

このような高速イオンの高エネルギービームがひとたび生成されると、当該ビームから、処置を行うのに要する所望エネルギー範囲のイオンを選択して当該イオンを使用する必要があり、さらに当該ビームによって処置される体積に当該ビームを向ける必要がある。当該ビームは、磁場を使用して合焦及び配向することができるが、高エネルギーイオンビームを偏向させるのに必要な極めて高い磁場ゆえに、従来の電磁石は必要な磁場を生成するべく、非常に重く、高価であり、かつ、相当なエネルギーを必要とする。

したがって、先行技術のシステム及び方法の短所の少なくともいくつかを克服するための、高エネルギーイオンビームの配向及び成形に使用すること並びにビームエネルギー範囲を選択することを目的として高磁場を生成するシステム及び方法の必要性が存在する。

本明細書のこの章及び他の章で言及される各公報の開示は、それぞれの全体が参照によってここに組み入れられる。

米国特許第６，９０６，３３８（Ｂ２）号明細書 国際公開第２０１０／０７０６４８（Ａ２）号 米国特許第４，３０１，３６２号明細書 米国特許第４，１８６，４０９号明細書

本開示では、高エネルギー荷電粒子のパルス流を生成すること及び当該荷電粒子を、光結合による荷電粒子パルスに同期されたパルス状磁場を使用して空間的又はエネルギー的に操作することを目的とする新規な例示的システムが記載される。これは本開示において「光学的同期」と称する。かかるシステムでは、荷電粒子パルスは、高強度パルス状レーザビームを適切な標的に衝突させることによって生成される。当該荷電粒子パルスの時間的な長さがピコ秒未満なので、連続的に励起される電磁石の使用は、エネルギー的に極めて非効率的であって不利である。荷電粒子パルスの時間的な特徴を利用するべく、当該粒子は、光作動スイッチを組み入れた電流供給源によって励起された電磁石を通過する。光作動スイッチは、レーザパルスとの光学的同期、ひいては荷電粒子パルスとの同期により励起電流のオン及びオフをスイッチングする。電磁石及び電流供給源の双方のインダクタンスが極めて低いので、高速度で、すなわちナノ秒又は数百若しくは数十ピコ秒もの短時間で磁場をスイッチングすることができる。電流供給源は有利には、ストリップ線路のような伝送線路に構築される。電磁石自体は、単数巻線、ストリップ線路の端の短絡スタブ、又はストリップ線路の端の短絡スタブに近接するストリップ導体間の誘電体の孔のいずれかである。レーザパルスの光の一部がビームスプリッタを使用して分離され、光作動スイッチへと向けられる。その結果、磁場を、レーザパルスと同期して、ひいては生成された荷電粒子パルスと同期してオン及びオフにスイッチングすることができる。パルス状磁場を生成する電磁石は、荷電粒子の通過中にのみ励起される必要があるので、平均的な出力損失が低い。これにより本願のシステムは、連続的に又は少なくともパルス長よりも実質的に長い時間励起されたままにする必要がある電磁石を使用する先行技術システムよりも実質的に小さく、軽量であり、かつエネルギー効率的である。

同期によって、所定範囲の粒子エネルギーを有する荷電粒子を選択することができる。これは、当該磁場を通る粒子パルスの飛行時間中に、必要なエネルギー範囲を有する粒子のみを選択されたビーム経路内に偏向するように磁場の作動タイミングを調整することによって操作される。これは、所望のエネルギー範囲を有する荷電粒子パルスの当該一部の通過期間に磁場を適用すること、又は、所望の粒子エネルギー範囲の開始時にパルスを偏向させる第１磁場を適用し、かつ、所望の粒子エネルギー範囲の終了時にパルスの偏向を終了させるべく等しいが反対方向の強度を有する第２磁場を適用することのいずれかによって達成することができる。この実装により、以下にさらに詳述するように、達成すべき正確なエネルギー選択が可能になる。

このように、本開示に記載されるデバイスの例示的な実装に従って、荷電粒子パルスを生成するシステムであって、
（ｉ）レーザパルスを放出するパルス状レーザ源と、
（ｉｉ）当該レーザパルスによる衝突を受けたときに荷電粒子のパルスを生成するべく適合された標的と、
（ｉｉｉ）磁場が前記荷電粒子の少なくとも一つのパルスの少なくとも一部を配向させるように位置決めされた少なくとも一つの電磁石に電流を供給するべく適合された電流供給源のアセンブリであって、当該電流供給源は、照明が当たったときに当該少なくとも一つの電磁石に電流が流れることを許容する光作動スイッチを組み入れたアセンブリと、
（ｉｖ）当該荷電粒子のパルスの生成と同期して当該電磁石が励起されるように当該レーザパルスから得られた照明を当該光作動スイッチに向けるべく適合された制御システムとを含むシステムが与えられる。

かかるシステムにおいて電流供給源は、誘電材料によって分離された一対の平行配置導体ストリップを含むストリップ線路を含む。追加的に電磁石は、電流供給源に接続された単数ループ若しくは電流供給源の端の短絡スタブ、又はストリップ線路の端の短絡スタブに近接して誘電材料に形成されたアパチャのいずれかを含む。

追加的な複数の実装は、上述のシステムであって、磁場が、荷電粒子のパルスの少なくとも一つの少なくとも一部を、荷電粒子のビームの走査、偏向又は合焦のいずれか一つによって配向するべく適合されたシステムを含むことができる。

荷電粒子のパルスの少なくとも一つの少なくとも一部は、当該少なくとも一つのパルス全体を含むか又は予め選択された範囲の粒子エネルギーを有する一部を含むことができる。後者の場合、制御システムは、当該予め選択された範囲の粒子エネルギーを有する少なくとも一つのパルスの当該少なくとも一部が、電磁石を横切る場合にのみ、レーザパルスから得られた照明を光作動スイッチに向けるべく構成される必要がある。さらに、電磁石は、標的から、当該少なくとも一つのパルスにおける当該粒子のエネルギー分散が、当該予め選択された範囲の粒子エネルギーを当該電流供給源のアセンブリ及び当該少なくとも一つの電磁石の応答時間により時間的に分解できる程度に十分な一定距離に位置決めされる必要がある。

最後に、上述のシステムのいずれにおいても、制御システムは、レーザパルスから得られる照明を光作動スイッチに適用する時間を制御するべく適合された光遅延素子を含むことができる。

もう一つの例示的な実装は、荷電粒子のパルスを生成する方法であって、
（ｉ）レーザパルスを、当該レーザパルスによる衝突を受けたときに荷電粒子のパルスを生成するべく適合された標的に投影することと、
（ｉｉ）電流によって励起された電磁石であって当該荷電粒子の少なくとも一つのパルスの少なくとも一部を配向するべく位置決めされた電磁石を使用してパルス状磁場を生成することと、
（ｉｉｉ）光作動スイッチを使用して当該電流をスイッチングすることと、
（ｉｖ）当該パルス状磁場が当該荷電粒子のパルスの生成と同期して作動するように、当該レーザパルスから得られる光によって光作動スイッチを照明することとを含む方法を含むことができる。

かかる方法において、荷電粒子の少なくとも一つのパルスの少なくとも一部の配向は、当該荷電粒子のビームの走査、偏向又は合焦のいずれか一つを含む。さらに、パルス状磁場は、当該荷電粒子の少なくとも一つのパルス全体を配向するか又は当該荷電粒子の少なくとも一つのパルスの少なくとも一部を配向するべく作動する。後者の場合、荷電粒子の少なくとも一つのパルス少なくとも一部は、当該予め選択された範囲の粒子エネルギーを有する一部であり、この場合、パルス状磁場は、当該予め選択された範囲の粒子エネルギーを有する粒子を、当該少なくとも一つのパルスの他の粒子から離れるように向ける。これらの方法のいずれにおいても、パルス状磁場は、当該パルス状磁場が当該予め選択された範囲の粒子エネルギーを有する当該少なくとも一つのパルスの一部を偏向させるように予め定められた当該少なくとも一つのレーザパルスの当該一部の間に作動する必要がある。

さらに他の例の実装は、レーザパルスの標的への衝突により生成された荷電粒子パルスのためのエネルギー選択システムを含む。当該システムは、
（ｉ）レーザパルスからの光によって作動する光作動スイッチを含む電流源と、
（ｉｉ）当該電流源からの電流供給を受ける少なくとも一つの電磁石であって、当該レーザパルスと同期してスイッチング可能な磁場を生成し、かつ、励起されると当該荷電粒子が当初経路から偏向されるように配置された少なくとも一つの電磁石と、
（ｉｉｉ）選択されるエネルギー範囲の粒子を含む荷電粒子パルスの一部を偏向させるべく適合された所定時間の間、磁場を作動させるべく構成された制御システムとを含む。

かかるエネルギー選択システムにおいて、当該少なくとも一つの電磁石は、標的から、当該少なくとも一つのパルスにおける当該粒子のエネルギー分散が、当該選択されるエネルギー範囲の粒子を制御システムによって時間的に分解できる程度に十分となるような一定距離に配置される必要がある。

これらのシステムのいずれにおいても、制御システムは、磁場の存在によって画定される所定時間の開始から当該所定時間の終了まで少なくとも一つの電磁石を作動させるべく構成することができる。これらのシステムのいずれにおいても、制御システムは光可変遅延線路を含むことができる。

さらに他の実装は、レーザパルスの標的への衝突により生成された荷電粒子パルスから所定エネルギー範囲を有する荷電粒子を選択する方法であって、
（ｉ）光スイッチ源から電流を、作動すると当該荷電粒子が当初経路から偏向されるように配置された磁場を生成する少なくとも一つの電磁石に供給することと、
（ｉｉ）所定時間の間、当該レーザパルスと同期して当該少なくとも一つの磁場をスイッチングすることであって、選択されるエネルギー範囲の粒子を含む当該荷電粒子パルスの当該一部が当該少なくとも一つの磁場によって偏向されることとを有する方法を行う。

この方法では、磁場は、標的から、当該少なくとも一つのパルスにおける当該粒子のエネルギー分散が、当該選択されるエネルギー範囲の粒子を時間的に分解できる程度に十分となるような一定距離に配置される必要がある。さらに、少なくとも一つの磁場は、当該所定時間の開始から当該所定時間の終了まで作動することができる。これらの方法のいずれにおいても、所定時間は、可変光遅延線路を使用して選択することができる。

所定範囲のエネルギーを有する荷電粒子を、荷電粒子のパルスから選択する代替的なエネルギー選択システムは、
（ｉ）それぞれがレーザパルスと同期してスイッチング可能な磁場を生成する第１及び第２電磁石であって、励起されると当該荷電粒子が当初経路から偏向されるように相互に近接してかつ一定の位置に配置された第１及び第２電磁石と、
（ｉｉ）当該範囲のエネルギーの一端にある粒子が当該第１電磁石を横切る時刻に当該第１電磁石を作動させて第１所定磁場を生成し、かつ、当該範囲のエネルギーの他端にある粒子が当該第２電磁石を横切る時刻に当該第２電磁石を作動させて、当該第１所定磁場と同じ強度を有するが反対の符号である磁場を生成するべく構成された制御システムとを含む。かかるシステムでは、荷電粒子パルスはオプションとして、レーザパルスの標的への衝突によって生成することができるので、磁場は、電磁石への電流の光制御によってスイッチングすることができる。

最後に、所定範囲のエネルギーを有する荷電粒子を、荷電粒子のパルスから選択する代替的な方法は、
（ｉ）作動すると当該荷電粒子が当初経路から偏向されるように相互に近接してかつ一定の位置に配置された第１及び第２磁場を供給することと、
（ｉｉ）当該範囲のエネルギーの一端にある粒子が当該第１磁場を横切る時刻に当該第１磁場を作動させることと、
（ｉｉｉ）当該範囲のエネルギーの他端にある粒子が当該第２磁場を横切る時刻に当該第２磁場を作動させることとを含み、当該第１及び第２磁場は実質的に等しい強度を有するが符号は反対である。この方法では、荷電粒子のパルスはオプションとして、レーザパルスの標的への衝突によって生成することができるので、磁場は、第１及び第２磁場を作動させる電流の光制御によってスイッチングすることができる。

本開示において記載される例示的なシステム及び方法は詳しくは、レーザ系粒子加速器、特にプロトンの流れによる放射線治療でのアプリケーションに関するが、これらの実装が、かかるシステム及び方法に限られることを意図しないこと、及び他の源及び他の用法も本開示によりカバーされることが意図されていることを理解するべきである。

図面と併せて参照することにより、以下の詳細な説明から本発明がさらに十分に理解かつ認識される。

先行技術のレーザ系高エネルギービーム生成システムを模式的に示す。 短パルス状高磁場を生成する電流パルスを与えるのに使用される光作動スイッチを組み入れる平行ストリップ構成の形態にある電流供給源システムを模式的に示す。 所望の磁場パルスを生成する図２の電流供給源を使用して生成される高電流パルスを可能とする代替的な電磁石を例示する。 所望の磁場パルスを生成する図２の電流供給源を使用して生成される高電流パルスを可能とする代替的な電磁石を例示する。 図３及び４の電磁石における電流密度を、ストリップ線路供給源及び光作動スイッチにおける当該電流の流れにわたって増加させることができる模式的な方法を例示する。 図３及び４の電磁石における電流密度を、ストリップ線路供給源及び光作動スイッチにおける当該電流の流れにわたって増加させることができる模式的な方法を例示する。 パルス状磁場とレーザパルスとの同期を組み入れたレーザ駆動荷電粒子生成システムを模式的に例示する。 新規なエネルギー選択システムにおいて磁場同期をどのようにして使用することができるのかをグラフの形態で模式的に例示する。 図８に例示された粒子エネルギー選択方法を実装するレーザ駆動荷電粒子生成システムを模式的に例示する。 粒子エネルギーを選択するべく磁場同期を使用する代替的な方法を例示する。磁場パルスの立ち上がりエッジが当該デバイスにより選択されたプロトンエネルギーの広がりを画定するべく使用される。 磁場が現実的に実装する図１０のプロトン選択工程を模式的に例示する。 図１０及び１１のエネルギー選択システムの実装に対して適用される磁場の時間関数としての経時的プロットである。

ここで図１を参照する。図１は、上記特許文献１に記載されるような先行技術のレーザ系高エネルギービーム生成システムを模式的に例示する。極短パルスの高ピーク出力レーザ１０が、レーザ光のパルス１１を、ビーム操舵システム１２を介して標的１３へ配向する。標的１３は、異なるタイプの粒子のスペクトルを含みかつ異なるエネルギーを有する高エネルギーイオン化粒子１５の流れを生成するべく選択される。特定タイプの粒子及び所望のエネルギーが、ビーム１７において必要な当該特定のエネルギー粒子を、処置領域１４に向けて偏向させる一方で、不要な粒子及びエネルギーをビームダンプ１８に吸収され得るようにする一以上の磁石１６を使用して選択される。ビームを標的領域１４に合焦するべく追加の磁石すなわち磁石１９が使用される。これは、腫瘍の処置又は他の医療若しくは工業アプリケーションに使用できる。加えて、図１に示されないビームスリット、偏光子、コリメータ及び他のビーム操舵コンポーネントも使用できる。かかる先行技術システムにおいて、磁石１６、１９は一般に、銅製コイルを有する電磁石である。かかる電磁石は、大型、高価、かつエネルギー消費的である。

ここで図２を参照する。図２は、短パルス状高磁場を生成する電流パルスを与えるのに使用される光作動スイッチ２１を組み入れた平行ストリップ構成の形態にある電流供給源システム２０を模式的に例示する。以下に示されるように、かかる短パルス状磁場は、本開示の例示的なシステム及び方法において、レーザ駆動の高速イオン又は他の荷電粒子のビーム生成器のための効率的なビーム操作を与えるべく使用される。電流供給源システムは、距離ｄだけ離間されかつそれぞれが幅Ａを有する一対の低インダクタンス導体２２を含む。電源が端子２３に適用され、かつ、当該線路が、その遠位端２４において整合インピーダンスＲ_Ｌにより終端される。誘電材料２４が当該ストリップ間に配置されるので、絶縁破壊の危険性なしに高入力電圧２３の適用が可能となる。光作動スイッチ２１は、業界周知のシリコン光導電半導体スイッチ（ＰＣＳＳ）であり得る。これは例えば、特許文献３に記載され及びその中で引用により参照され、並びに特許文献４に記載されている。デバイスに使用される半導体のバンドギャップエネルギーと少なくとも同程度に高い光子エネルギーを有する適切な波長のレーザ光の照明を受けると、かかるＰＣＳＳは、（１００ｋＶのオーダまでの）高電圧及び（数ｋＡまでの）高電流を、典型的にはナノ秒のオーダの極短時間のスパンでスイッチングするべく使用することができる。

ここで図３を参照する。図３は、所望の磁場パルスを生成するべく高電流パルスを使用することができる一つの方法を例示する。電流ループ３１が、電流供給源システム２０の終端として使用される。電流ループ３１の適切な幾何学的構成を選択することにより、ループ３１の中に極高磁場パルスを作ることができる。

ここで図４を参照する。図４は、所望の磁場パルスを生成するべく高電流パルスを使用することができるもう一つの方法を例示する。図３では、ストリップ線路電流供給源がショート４１において終端される。所望の磁場パルスは、ストリップ線路の高誘電材料にドリルで開けられた孔４２の中で生成される。かかる構成は一般に体積が図２のものよりも限られるが、達成可能磁場は高くなり得る。

図３及び４は、高電流パルスから高磁場パルスを作ることができる２つのみの可能な幾何学的構成の実装であると理解され、本開示を制限することをなんら意図しない。いずれの代替的な磁場生成の幾何学的構成も等しく良好に使用することができる。さらに、これらのオプションは、かかる磁石を、双極子磁場を作るべく２つ、四極子磁場を作るべく４つ、又は他の所望の磁場幾何学的構成を作るべく任意数を位置決めすることによって拡張することができる。

ここで、かかるストリップ線路の、典型的に１０ｋＶ及び１０ｋＡを与える電流源が持続波（ＣＷ）で動作する場合、必要な出力は極めて高く、１００ｋＷに達することとなる。かかる電磁石は、含まれる銅の量のため及び極めて重くかつかさばるため、極めてコスト高となる。しかしながら、電流源を、低から中程度の繰り返し率（１〜１０，０００Ｈｚ）かつナノ秒オーダのパルス幅のパルス源として動作させることにより、これらはすべて現在利用可能な光導電半導体スイッチ（ＰＣＳＳ）のものであることから、許容可能な低い平均出力損失を使用してパルス状磁場を得ることができる。

一例では、１ｋＨｚの繰り返し率において、Ｖ＝１０ｋＶ及びＩ＝１０ｋＡを使用すると、持続時間が１０ナノ秒の磁場パルスを与えるのに１キロワットの平均出力しか必要とされない。

ここで図５及び６を参照する。図５及び６は、必要な電流を小さな電磁石コイルへ効率的に送達することができる現実的な方法を模式的に例示する。図５が図３に示されるループ配列体の上面図である一方、図６は図４に示されるドリル孔配列体の上面図である。磁場が生成される領域では、電流密度を増加させるべくストリップ幅Ａが低減される。この増加は、幅の低減比に反比例する。この幅の低減は、図５の位置５１及び図６の位置６１に示される。他の項目は、前述の図面と同じ描写を有する。この幾何学的構成は、荷電粒子ビームを操作するのに適切な小体積において磁場を生成する間、低い電流密度及びインダクタンスが付随する大きな領域ストリップ線路が使用できる点で有利である。

ここで図７を参照する。図７は、パルス状磁場とレーザパルスとの同期によりエネルギーを実質的に節約しかつシステム体積を減少させることが可能なレーザ駆動荷電粒子生成システムを模式的に例示する。

プロトンのような荷電粒子が生成され、高強度レーザが箔、ガスジェット、ナノ構造材料のような適切な標的を照射するときの合焦領域において加速される。レーザは、テラワット又はさらにペタワットの範囲にある高ピーク出力レーザである。これは典型的に、ＣＯ_２レーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、Ｎｄ：ガラスレーザ、又はこれらのレーザの組み合わせである。かかるプロトンパルスは通常、加速レーザパルスのパルス持続時間に応じてナノ秒よりも十分に低い時間幅を有する。図７の例示的なシステムは、一定数の異なるタイプの荷電粒子又はイオンの生成に使用することができる。その異なる側面を、プロトンビーム生成の点から以下に述べる。ただし、これが当該アプリケーションを制限することをなんら意図しないことを理解すべきである。

上述した図２から６に示される高電流源の使用により、極短パルス状磁場の生成が可能となる。磁場のタイミングが光作動ＰＣＳＳコンポーネントの開口によって決定されることから、レーザパルスから抽出された作動光信号によって磁場パルスを、当該レーザが生成する荷電粒子パルスと容易に同期をとることができる。図７において、パルスレーザ７０からのパルス状光ビームは、ビームスプリッタ７１に衝突するように示される。ビームスプリッタ７１は、パルス状光ビームの一部を、オプションとして制御された遅延線路７４を組み入れる光経路へ反射する。遅延線路７４は、自由空間伝搬又はファイバ伝搬のいずれかを使用して実装することができる。このビームは、ゲーティングビームと呼ばれ、パルス状磁場生成器のＰＣＳＳ光作動スイッチ７７のゲーティングのために使用される。この磁場生成器は、低インダクタンスコイル７６を有するタイプとして図７に示される。他方、主要パルス状レーザビームは相互作用チャンバ７２へと続く。相互作用チャンバ７２では、コイル７６において生成されたパルス状磁場によって操作するための高エネルギー荷電粒子の流れが生成される。荷電粒子ビームは、操作又はエネルギー選択の後、処置領域７３へ向けられる。ビームスプリッタに加え、磁場同期パルスを与える他のオプションも利用可能である。例えば、複数のポンピングレーザの一つを分離すること、圧縮器からの未使用の反射（回折格子からのゼロ次反射）を使用すること、調波生成器から出てきた基本周波数を使用すること等である。それに加え、かかるパルス状磁場はまた、シンクロトロン、サイクロトロン、シンクロサイクロトロン等のような他の手段によって作られる荷電粒子バーストと同期することもできる。

現実的なアプリケーションに使用するべく、高強度レーザ又は任意の他の方法により加速された荷電粒子は、所望のアプリケーション領域に向けて収集、合焦及び／又はコリメート並びに操舵される必要がある。例えば放射線治療では、所望のアプリケーション領域は、処置対象の腫瘍部位である。いくつかの場合、荷電粒子ビームは、腫瘍内の特定のセグメントを狙ってペンシルビーム走査と呼ばれる方法により走査する必要さえ生じる。ペンシルビーム走査では、狭いプロトンビームが、ボクセルごとに「塗られる」腫瘍体積の内側で操舵される。

さらに、多くの治療処置は、特定のエネルギースペクトルを有するプロトンを必要とする。生成されたプロトンビームのエネルギースペクトルが特定処置の要件に対して十分に狭いものではない場合、所望エネルギーのプロトンを、いくつかのタイプの磁気的解析器又はいくつかの他の構成からなるエネルギー選択システム（ＥＳＳ）を介して伝達することにより、初期ビームから抽出する必要がある。

ここで図８を参照する。図８は、新規なエネルギー選択システムにおいて磁場同期をどのようにして使用することができるのかをグラフの形態で模式的に例示する。図８では、標的の生成箇所から経路Ｚに沿って伝搬するプロトン束８０におけるプロトンの強度が模式的に示される。これは、伝搬するプロトンの「スナップショット」であるから、伝搬経路沿いの所定箇所におけるプロトンの強度の時間プロットを示しているとみなすこともできる。プロトンはすべて、実質的に同時に標的からの飛行を開始する。これは、レーザのパルス長と釣り合う。異なるエネルギーのプロトンは異なる速度で伝搬するので、プロトン伝搬の経路に沿った空間分散が存在する。そのため、異なるエネルギーのプロトンが時を異にして、磁場がビームに適用される領域に到達する。これは、図８の下のグラフからわかる。伝搬するプロトン８０の束が、経路ｚの所定箇所を通過する時刻ｔで標識されている。プロトンエネルギーは、時刻ｔ_３に所定箇所を通過する当該束の前面にある最高速のプロトンから、時刻ｔ_１に所定箇所を通過する当該束の終端にある最低速のプロトンまで延びる。

高強度レーザの標的への衝突により生成されたプロトンエネルギーの広がりは極めて大きく、典型的には最大エネルギーの１０％から１００％まで延びる。生成時点に対して磁場の正確な適用のタイミングをとる能力ゆえに、さらには当該プロトン束の飛行時間ゆえに、予め選択された時刻ｔ_２において磁場をオンにすることにより、ｔ_２において所望のエネルギーを有するプロトンのみが当該磁場の影響を受けて処置領域へ偏向される。他方、すべての高速及び低速のプロトンは影響を受けないままとなる。これは、図８の上のトレースに示される。狭帯域８２のプロトンエネルギーが、処置領域での使用のために選択される。典型的に、生成元の標的から１〜５ｍの範囲にある距離においては、磁場のパルスを１０〜２００ピコ秒の時間適用することで、プロトンエネルギーの選択分解能は、放出されたエネルギーの全範囲の数パーセントとなる。かかる方法は、スタンドアロンの偏向器として又は磁気的解析器／２Ｂ／４Ｂ／若しくは他のシステムと並列して、エネルギー選択システム（ＥＳＳ）として使用することができる。プロトンパルス及び磁気パルス間の遅延を、典型的には１ピコ秒よりも良好な極めて高精度で制御することができて、かつ、磁気パルスの立ち上がり時刻も極めて高速となるので、本システムは、所望のエネルギーを有するプロトンのみの操作のための選択をすることができる。

ここで図９を参照する。図９は、レーザ駆動荷電粒子生成システムを模式的に例示する。図７に示されるものと類似するが、レーザパルスと同期するパルス状磁場が、図８に例示される方法によりエネルギー選択システムにおいて使用される。システムの、図７と共通する様々なコンポーネントが、共通に示される。図８の実装では、コイル９１、９２間に生成された磁場に対する垂直方向に粒子ビーム９５が通過するように配列された一対の電磁石コイル９１、９２が使用される。この幾何学的構成では、光作動スイッチ９３、９４が閉の場合、ビーム経路９５は、磁場によって方向９６へと偏向される。ここで、偏向方向は、磁場のレベル及び粒子エネルギーによって決まる。スイッチ９３、９４を閉にするタイミングは、偏向磁場９１、９２が、エネルギーが分散された荷電粒子の束が通過する間、正確な時間的位置において動作するように、調整可能遅延線路７４の制御システムによって調整される。その結果、所望エネルギーの粒子が、処置領域でのアプリケーションを目的として出力ビーム９６の中に偏向される。選択されなかった粒子が、偏向されていないビーム９５の方向に配置されたビームダンプに入るように許容することができる。

しかしながら、図８及び９に示される単純な構成は、２つの主要な理由により、エネルギー選択の最も効率的な方法であるとはいえない。まず第一に、関連する極短いスイッチング時間と低インダクタンス電磁石及びストリップ線路電流供給源回路の共振性とに起因して、磁場パルスのスイッチオン時間が、数ピコ秒までの立ち上がり時間を有する極短いものとなり得るが、プロトンの束が当該磁場を横切る間において、必要な期間の終端に電流をオフにすることはさらに難しい。当該回路の共振性に起因して、及びストリップ線路から磁石コイルに戻る反射に起因して、振動性電流が光作動スイッチのスイッチオフ後に流れ続ける傾向が存在する。

さらに、少なくともプロトンビームの使用に対しては、図８及び９の方法の実装に関する現実的な問題が存在する。腫瘍を処置するための典型的なエネルギーの使用は、かかるプロトンビームを共通に使用するが、典型的に使用される５から３２ｃｍの身体組織浸透レベルに対して約７０から２３０ＭｅＶまでの範囲にわたる。しかしながら、このエネルギー範囲におけるプロトンの速度は極めて高く、２３０ＭｅＶのプロトンに対する光の速度の約２／３に達する。最適には、例えば各スライスが典型的に数ミリメートルの腫瘍スライス走査を行うべく、１ＭｅＶという最小エネルギー範囲分解能が必要とされる。これには、増加した吸収深さを克服するべく数ＭｅＶの増分が必要とされる。しかしながら、このエネルギー範囲のプロトン束を十分に空間的に分散させて、この方法で達成可能な磁気パルス幅を有する１ＭｅＶのオーダのエネルギー範囲を選択可能とするには、当該束が、当該源となる標的から少なくとも数メートルの距離を進行できるようにする必要がある。かかる長い距離は非現実的であって、装置全体が手に負えなくなる。これら双方の制限ゆえに、エネルギー選択のより効率的な方法が有用となる。

磁場の立ち上がり時間が、数ピコ秒のオーダもの短さであり得るので、磁場同期を使用してエネルギーを選択するさらに効率的な方法が図１０に示される。ここで、デバイスにより選択されたプロトンエネルギーの広がりを画定するべく、磁場パルスの立ち上がりエッジが使用される。この構成では、プロトンが選択される時点は、第１磁石の磁場を、選択されたエネルギー帯域におけるプロトンの操作を開始することが望ましい瞬間に適用することによって画定される。それに引き続き、第２磁石の逆方向磁場を、選択されたエネルギー帯域の他端におけるプロトンの操作を終了させることが望ましい瞬間に適用される。図１０では、分散したプロトンエネルギー範囲を有するプロトン束１００が、経路ｚに沿って動くことが示される。これは、当該束の末端にある最低速プロトン１０１から当該束の先頭にある最高速プロトン１０２までの範囲にある。所望のプロトンエネルギー帯域が、分散されたプロトン束の、かっこが付されたセクション１０３によって示される。典型的には上述のタイプの、２つの高速度磁石コイル１０５、１０６が、プロトンエネルギーの選択箇所に配置される。第２コイル１０６は第１コイル１０５に近接し、かつ、第１コイル１０５から側方にずらされる。

ここで図１１を参照する。図１１は、磁石１０５及び１０６の磁場によって実装されるプロトン選択工程を示す。磁場が適用されない場合、プロトン束は、最高速プロトン１１２が示すその当初経路ｚに沿って続く。第１磁石１０５の磁場が適用された瞬間、その時点以降のプロトンは、その当初軌道ｚから角度θだけ経路ｚ_θに沿って偏向される。所望のプロトンエネルギースペクトルの選択が完了すると、第２磁場がコイル１０６に適用される。第２磁場は、第１磁場と同じ磁場強度を有するが符号は反対なので、コイル１０５からの第１磁場を相殺する。このため、プロトン束に作用する正味の磁場は、実質的にゼロに戻る。当該時点以降、プロトン群１１１によって示されるプロトンは、当初の偏向されていない経路ｚに続く。ひとたびこの選択手順が完了すれば、双方の磁場がゼロまで降下することを許容することができる。この形態の角度及び時間選択の利点は、上述した図２から６に示されるもののような電流供給源及び磁場生成幾何学的構成の使用によって達成可能な、磁場の極めて高速な立ち上がり時間に依存することができる点にある。すなわち、初期ビーム偏向時間を、第１磁場立ち上がり時間の数ピコ秒以内となるように決定することができる。また、ビーム偏向の終了を、第２磁場立ち上がり時間の数ピコ秒内となるように決定することもできる。こうして選択されたエネルギー範囲は、上述の図８に示されたシステムよりもかなり詳細に制御することができる。

ここで図１２を参照する。図１２は、図１０及び１１のＥＳＳの実装に対して適用される磁場の時間関数としての経時的プロットである。正のトレース１２０は、プロトンが、その当初軌道から角度θに向けられるレベルにある＋Ｂ_０の磁場強度まで上昇する第１磁場を示す。第１磁場＋Ｂ_０は時刻ｔ_１において適用され、この磁場の立ち上がり時間は期間ｔ_２−ｔ_１として与えられる。負のトレース１２１は、時刻ｔ_３に適用された第２磁場−Ｂ_０を示す。この磁場の立ち上がり時間はｔ_４−ｔ_３として与えられる。したがって、分散するプロトン束に正味の磁場＋Ｂ_０が適用された時間ΔＴは以下のように与えられる。

上述のように、磁場の立ち上がり時間を、数百ピコ秒のパルス選択時間のうち、典型的には数ピコ秒のように速くすることができるので、以下のようになる。

注目すべきことだが、磁場は必ずしも、ゼロまでの降下において同期される必要はない。レベル＋Ｂ_０を除く任意の磁場は、プロトンビームがその当初軌道から、必要なエネルギーを有するプロトンが処置領域での使用のために選択される角度となる所望の角度θに向けられる結果をもたらさないからである。

例えばサイクロトロンを使用する先行技術のシステムの一つの短所は、大きなレベルの中性子を生成することにある。中性子は、約１０ＭｅＶの作動レベルを超えるエネルギーの高速プロトンビームが標的に当たるたびに生成される。かかる先行技術のシステムでは、サイクロトロンのエネルギーは、プロトンを吸収するべくビームの中に挿入される二重くさびの使用によって制御される。上述の図８から１２に記載されるような、本開示に示される飛行時間型エネルギー選択構成を使用する一般的な利点は、かかる先行技術のサイクロトロンシステムよりも実質的に低いレベルの中性子生成をもたらす点にある。本記載の構成では、選択されていないプロトンはすべて、十分に遮蔽されたビームダンプを遠く離して位置決めすることができる単数の経路に沿って向けられるので、他のビーム吸収体を使用する必要がない。

当業者にはわかることだが、本発明は、特に上に示されかつ記載されたものに限られない。むしろ、本発明の範囲は、上の記載を読むことで当業者が想到し、かつ、先行技術には存在しない上述の様々な特徴のコンビネーション及びサブコンビネーションの双方、並びにその変形例及び修正例を含む。

ここで図２を参照する。図２は、短パルス状高磁場を生成する電流パルスを与えるのに使用される光作動スイッチ２１を組み入れた平行ストリップ構成の形態にある電流供給源システム２０を模式的に例示する。以下に示されるように、かかる短パルス状磁場は、本開示の例示的なシステム及び方法において、レーザ駆動の高速イオン又は他の荷電粒子のビーム生成器のための効率的なビーム操作を与えるべく使用される。電流供給源システムは、距離ｄだけ離間されかつそれぞれが幅Ａを有する一対の低インダクタンス導体２２を含む。電源が端子２３に適用され、かつ、当該線路が、その遠位端２４において整合インピーダンスＲ_Ｌにより終端される。誘電材料３２が当該ストリップ間に配置されるので、絶縁破壊の危険性なしに高入力電圧２３の適用が可能となる。光作動スイッチ２１は、業界周知のシリコン光導電半導体スイッチ（ＰＣＳＳ）であり得る。これは例えば、特許文献３に記載され及びその中で引用により参照され、並びに特許文献４に記載されている。デバイスに使用される半導体のバンドギャップエネルギーと少なくとも同程度に高い光子エネルギーを有する適切な波長のレーザ光の照明を受けると、かかるＰＣＳＳは、（１００ｋＶのオーダまでの）高電圧及び（数ｋＡまでの）高電流を、典型的にはナノ秒のオーダの極短時間のスパンでスイッチングするべく使用することができる。

Claims (29)

1. 荷電粒子のパルスを生成するシステムであって、
   レーザパルスを放出するパルス状レーザ源と、
   前記レーザパルスによる衝突を受けたときに前記荷電粒子のパルスを生成するべく適合された標的と、
   磁場が前記荷電粒子の少なくとも一つのパルスの少なくとも一部を配向するように位置決めされた少なくとも一つの電磁石に電流を供給するべく適合された電流供給源のアセンブリであって、前記少なくとも一つの電磁石は、前記電流供給源が、照明を受けたときに電流が前記少なくとも一つの電磁石に流れることを可能にする光作動スイッチを組み入れたアセンブリと、
   前記少なくとも一つの電磁石が前記荷電粒子のパルスの生成と同期して励起されるように、前記レーザパルスから得られた照明を前記光作動スイッチに向けるべく適合された制御システムと
   を含むシステム。
2. 前記電流供給源は、誘電材料によって分離されて一対の平行配置とされる導体ストリップを含むストリップ線路を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 少なくとも一つの電磁石は、前記電流供給源に接続された単数ループ、又は前記電流供給源の端の短絡スタブのいずれかを含む、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 少なくとも一つの電磁石は、前記ストリップ線路の端の短絡スタブに近接して前記誘電材料に形成されたアパチャを含む、請求項２に記載のシステム。
5. 前記磁場は、前記荷電粒子のビームの走査、偏向又は合焦のいずれか一つにより前記荷電粒子のパルスの少なくとも一つの少なくとも一部を配向するべく適合される、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記荷電粒子の少なくとも一つのパルスの少なくとも一部は、前記少なくとも一つのパルスの全体を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記少なくとも一つのパルスの少なくとも一部は、予め選択された範囲の粒子エネルギーを有する一部である、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記制御システムは、前記予め選択された範囲の粒子エネルギーを有する前記少なくとも一つのパルスの少なくとも一部が前記電磁石を横切るときに、前記レーザパルスから得られた照明を前記光作動スイッチに向けるべく構成される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記電磁石は、前記標的から、前記少なくとも一つのパルスにおける前記粒子のエネルギー分散が、前記予め選択された範囲の粒子エネルギーを前記電流供給源のアセンブリ及び前記少なくとも一つの電磁石の応答時間により時間的に分解できる程度に十分な一定距離に位置決めされる、請求項７又は８に記載のシステム。
10. 前記制御システムは、前記レーザパルスから得られた照明が前記光作動スイッチに適用される時刻を制御するべく適合された光遅延素子を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 荷電粒子のパルスを生成する方法であって、
    レーザパルスを、前記レーザパルスによる衝突を受けたときに前記荷電粒子のパルスを生成するべく適合された標的に投影することと、
    電流によって励起された電磁石であって前記荷電粒子の少なくとも一つのパルスの少なくとも一部を配向するべく位置決めされた電磁石を使用してパルス状磁場を生成することと、
    光作動スイッチを使用して前記電流をスイッチングすることと、
    前記パルス状磁場が前記荷電粒子のパルスの生成と同期して作動するように、前記レーザパルスから得られる光によって前記光作動スイッチを照明することと
    を含む方法。
12. 前記荷電粒子の少なくとも一つのパルスの少なくとも一部に配向することは、前記荷電粒子のビームの走査、偏向又は合焦のいずれか一つを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記パルス状磁場は、前記荷電粒子の少なくとも一つのパルスの全体を配向するべく作動する、請求項１１に記載の方法。
14. 前記パルス状磁場は、前記荷電粒子の少なくとも一つのパルスの少なくとも一部を配向させるべく作動する、請求項１１に記載の方法。
15. 前記荷電粒子の少なくとも一つのパルスの少なくとも一部は、前記予め選択された範囲の粒子エネルギーを有する一部である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記パルス状磁場は、前記予め選択された範囲の粒子エネルギーを有する粒子を、前記少なくとも一つのパルスの他の粒子から離れるように配向する、請求項１４に記載の方法。
17. 前記パルス状磁場は、前記パルス状磁場が、前記予め選択された範囲の粒子エネルギーを有する前記少なくとも一つのパルスの前記一部を偏向するように予め定められた前記少なくとも一つのレーザパルスの前記一部の間に作動する、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. レーザパルスの標的への衝突によって生成された荷電粒子パルスのエネルギー選択システムであって、
    前記レーザパルスからの光によって作動する光作動スイッチを含む電流源と、
    前記電流源からの電流供給を受ける少なくとも一つの電磁石であって、前記レーザパルスと同期してスイッチング可能な磁場を生成し、かつ、励起されると前記荷電粒子が当初経路から偏向されるように配置された少なくとも一つの電磁石と、
    選択されるエネルギー範囲の粒子を含む前記荷電粒子パルスの一部を偏向するべく適合された所定時間の間、前記磁場を作動させるべく構成された制御システムと
    を含むエネルギー選択システム。
19. 前記少なくとも一つの電磁石は、前記標的から、前記少なくとも一つのパルスにおける前記粒子のエネルギー分散が、前記選択されるエネルギー範囲の粒子を前記制御システムによって時間的に分解できる程度に十分となるような一定距離に配置される、請求項１８に記載のエネルギー選択システム。
20. 前記制御システムは、前記磁場の存在によって画定される前記所定時間の開始から前記所定時間の終了まで前記少なくとも一つの電磁石を作動させるべく構成される、請求項１８又は１９に記載のエネルギー選択システム。
21. 前記制御システムは可変光遅延線路を組み入れる、請求項１８から２０のいずれか一項に記載のエネルギー選択システム。
22. レーザパルスの標的への衝突により生成された荷電粒子パルスから所定エネルギー範囲を有する荷電粒子を選択する方法であって、
    光スイッチ源から電流を、作動すると前記荷電粒子が当初経路から偏向されるように配置された磁場を生成する少なくとも一つの電磁石に供給することと、
    所定時間の間、前記レーザパルスと同期して前記少なくとも一つの磁場をスイッチングすることであって、選択されるエネルギー範囲の粒子を含む前記荷電粒子パルスの一部が前記少なくとも一つの磁場によって偏向されることと
    を含む方法。
23. 前記磁場は、前記標的から、前記少なくとも一つのパルスにおける前記粒子のエネルギー分散が、前記選択されるエネルギー範囲の粒子を時間的に分解できる程度に十分となるような距離に配置される、請求項２２に記載の方法。
24. 前記少なくとも一つの磁場は、前記所定時間の開始から前記所定時間の終了まで作動する、請求項２２又は２３に記載の方法。
25. 前記所定時間は、可変光遅延線路を使用して選択される、請求項２２から２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 所定範囲のエネルギーを有する荷電粒子を荷電粒子パルスから選択するエネルギー選択システムであって、
    それぞれが前記レーザパルスと同期してスイッチング可能な磁場を生成する第１及び第２電磁石であって、励起されると前記荷電粒子が当初経路から偏向されるように相互に近接してかつ一定の位置に配置された第１及び第２電磁石と、
    前記範囲のエネルギーの一端にある粒子が前記第１電磁石を横切る時刻に前記第１電磁石を作動させて第１所定磁場を生成し、かつ、前記範囲のエネルギーの他端にある粒子が前記第２電磁石を横切る時刻に前記第２電磁石を作動させて、前記第１所定磁場と同じ強度を有するが反対の符号である磁場を生成するべく構成された制御システムと
    を含むエネルギー選択システム。
27. 前記荷電粒子パルスは、レーザパルスの標的への衝突によって生成され、かつ、前記磁場は、前記電磁石への電流の光制御によってスイッチングされる、請求項２６に記載のエネルギー選択システム。
28. 所定範囲のエネルギーを有する荷電粒子を荷電粒子パルスから選択する方法であって、
    作動すると前記荷電粒子が当初経路から偏向されるように相互に近接してかつ一定の位置に配置された第１及び第２磁場を供給することと、
    前記範囲のエネルギーの一端にある粒子が前記第１磁場を横切る時刻に前記第１磁場を作動させることと、
    前記範囲のエネルギーの他端にある粒子が前記第２磁場を横切る時刻に前記第２磁場を作動させることと
    を含み、
    前記第１及び第２磁場は実質的に等しい強度を有するが符号は反対である方法。
29. 前記荷電粒子パルスは、レーザパルスの標的への衝突によって生成され、かつ、前記磁場は、前記第１及び第２磁場を作動させる電流の光制御によってスイッチングされる、請求項２８に記載の方法。

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