JP3730259B2 - 線形加速器用マイクロ波電力制御 - Google Patents
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Description
本発明は,マイクロ波のパワー制御装置に関し,特に振幅及び位相の個別制御を可能とする制御装置に関する。本発明の制御装置は好適には出力ビームのエネルギーを制御するために線形加速器内で使用されるが,そのような使用に限定されるものではない。
発明の背景技術
マイクロ波電力線形加速器は,放射線治療,材料の放射線処理及び物理的調査用に広く使用されている。概して,そのような加速器は電子ソースのような荷電粒子ソース,マイクロ波エネルギーにより付勢される加速器ガイド及びビーム移送装置を含む。
これらの加速器の多くの応用において,加速された粒子の最終エネルギーを調節することが所望される,例えば,線形加速器は腫瘍に対し放射線の非常に局所的な注入を与えることによりさまざまなガンを処置するために使用されることもできる。ある種のタイプのガンを処置するために低エネルギービームが必要とされ,一方深く定着された腫瘍には高エネルギービームが所望される。概して,患者の腫瘍に適合したエネルギーを有するビームを生成する放射線処置装置を与えることが所望される。線形加速器はひとつのエネルギーレベルにおいて最適に動作するが,線形加速器の出力エネルギーを変化させるためにさまざまな技術が使用されてきた。ひとつのアプローチは,加速器ガイドへのマイクロ波入力エネルギーを変化させることである。このアプローチは,ビームのエネルギー拡張の増加,電子ビーム取り込みの減少,及び調節範囲の制限といった欠点を有する。他のアプローチは2つの加速器ガイド部を使用するというものであった。該加速器ガイド部へ供給されたマイクロ波パワーは振幅及び位相が可変である。粒子は第2のガイド部材内で加速または減速される。アテネータ及びフェイズシフタが出力エネルギーを制御するために使用される。そのような装置は巨大,複雑かつ高価である。
可変エネルギー出力を生成するための他の従来技術の構成は,ビームが加速器ガイドを2回以上通過するところの装置を含む。そのような装置の例は,マイクロトロンであり,そこでは電子がマイクロ波空胴を通じて半径の増加する多重経路を作り,所望のエネルギーを有する軌道が出力として選択される。さらに他のアプローチは加速器ガイド上の側方空胴内のエネルギースイッチを使用する。
可変エネルギー線形加速器の従来のアプローチは,C.J.Kazmarkによる“Advances in Linear Accelerator Design for Radiotherapy”,Medical Physics,Vol.11,No.2,pp105-128,1984年3月〜4月,及びJ.A.Purdyらによる“Dual Energy X-Ray Beam Accelerators in Radiation Therapy:An Overview”Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,B10/11,pp1090-1095,1985年に記載されている。また,可変エネルギー線形加速器は1978年10月3日に登録されたVaguineの米国特許第4,118,652号及び1979年7月24日に登録されたTranの米国特許第4,162,423号に開示されている。
線形加速器のエネルギーレベルを変化させるすべての従来技術のアプローチは,異なる出力エネルギーレベルで狭いエネルギースペクトルを維持することへの失敗,エネルギーレベル調節の困難性,高度の複雑さ,コスト高及び大きな物理的サイズを含む一つ以上の欠点を有している。
発明の開示
本発明に従い,第1及び第2ロードに供給されたRF電力を制御するための制御装置が与えられる。該制御装置は,入力RF電力を受ける第1ポート,該第1ポートに結合された第2ポート,ダミーロードへ結合された第3ポート及び第4ポートを有する第1対称ハイブリッド接合から成る。さらに制御装置は第1対称ハイブリッド接合の第4ポートに結合された第1ポート,第2ロードに結合された第3ポート,並びに第2及び第4ポートを有する第2対称ハイブリッド接合から成る。第1可変短絡エレメント(この分野では通常短絡回路エレメントが短絡と呼ばれているので,以下短絡と呼ぶ)は第2対称ハイブリッド接合の第2ポートに接続され,第2可変短絡は第2対称ハイブリッド接合の第4ポートに接続されている。第1及び第2可変短絡によって反射されたRF電力は第2対称ハイブリッド接合の第3ポートを通じて第2ロードへ制御可能に方向付けられる。第2ロードへ供給されたRF電力の振幅及び位相は第1及び第2可変短絡の位置に依存している。
好適実施例において,制御装置は線形加速器の出力ビームエネルギーを制御するために使用される。線形加速器は荷電粒子を生成するための荷電粒子ソース及び該荷電粒子を加速するための第1及び第2加速器ガイド部から成る。第1対称ハイブリッド接合の第2ポートは第1加速器ガイド部へ結合され,第2対称ハイブリッド接合の第3ポートは第2加速器ガイド部へ結合される。好適実施例の線形加速器は放射線治療用の電子線形加速器から成る。
好適に制御装置は,第2加速器ガイド部に供給されたRF電力を制御するように,第1及び第2可変短絡を調節するための手段を含む。第1及び第2可変短絡は,第1及び第2加速器ガイド部に供給されたRF電力の間の位相差を変更するよう等しい増分だけ調節される。可変短絡は第2加速器ガイド部に供給されたRF電力の振幅を変化させるよう,かつ第1及び第2加速器ガイド部に供給されたRF電力の間の位相関係を一定に維持するべく調節される。こうして,RF電力の位相及び振幅は独自に制御される。
【図面の簡単な説明】
本発明のより良い理解のために,以下の図面が参照される。
図.1は,本発明に従って線形加速器の出力エネルギーを制御するのに使用されるマイクロ波電力制御装置のブロック図である。
図.2は,本発明の好適実施例の線図である。
図.3Aは可変短絡の位置の差の関数として,第1加速器ガイド部からの相対的な反射電力を示したグラフである。
図.3Bは一緒に移動する際可変短絡の位置の差の関数として,第2加速器ガイド部に供給されたRF電力の位相を示したグラフである。
図.4は本発明に従って,フェイズドアレーラダー送信機を制御するために使用されるマイクロ波制御装置のブロック図である。
発明の詳細な説明
本発明に従うマイクロ波電力制御装置の例を組み込む線形加速器装置のブロック図が図1に示されている。電子線形加速器10は電子ソース12,第1加速器ガイド部14及び第2加速器ガイド部16を含む。ソース12により生成された電子は加速器ガイド部14内で加速され,さらに電子ビーム20を生成するべく加速器ガイド部16内で加速される。該電子ビームは典型的に放射線治療用に数MEVから約30MEVまでの範囲にわたって調節可能な出力エネルギーを有する。ある場合には,第2加速器ガイド部16が所望の出力エネルギーを達成するべく加速器ガイド部14から受けた電子を減速することもできる。線形加速器10の構成は当業者に周知である。
加速器ガイド部14及び16を通過する電子は,マイクロ波電力制御装置30により加速器ガイド部14及び16へ印加されたマイクロ波場によって加速または減速される。RFソース32は対称ハイブリッド接合36の第1ポート34へRF電力を供給する。該RFソース32は適当なRFソースでよいが,典型的にマグネトロンオシレータまたはクライストロンオシレータである。マイクロ波及びRFの用語は,ここでは高周波電磁エネルギーを言うものとして交換可能に使用される。対称ハイブリッド接合36の第3ポート38はダミーロード40へ接続されている。対称ハイブリッド接合36の第2ポート42は第1加速器ガイド部14のマイクロ波入力43へ結合され,対称ハイブリッド接合36の第4ポート44は第2対称ハイブリッド接合52の第1ポート50へ接合される。対称ハイブリッド接合52の第3ポートは第2加速器ガイド部16のマイクロ波入力53へ接続される。対称ハイブリッド接合52の第4ポート56は第1可変短絡58に結合され,対称ハイブリッド接合52の第2ポート60は第2可変短絡62へ結合される。周知技術のように窓が外気状態から電子線形加速器10をシールするところの加速器ガイド部16の端部におけるビーム窓(図2参照)を通過する電子ビーム20の生成に関し以下に説明されるように,可変短絡58及び62は所望の振幅及び位相のRF電力を加速器ガイド部16へ与えるべくコントローラ66によって調節される。
制御装置30の動作が以下に詳細に説明される。概して制御装置30によれば,加速器ガイド部16へ供給されるRF電力の振幅及び位相は可変短絡58及び62の適切な調節によって独自に調節可能となる。可変短絡58及び62は,加速器ガイド部16へ供給されたRF電力の振幅を変化させ,かつ加速器ガイド部14と16に供給されたRF電力の間の位相シフトを一定に維持するようコントローラ66によって調節される。可変短絡がコントローラ66により等しい増分だけ調節されるとき,加速器ガイド部14及び16に供給されるRF電圧の間の位相差は変更され,振幅は一定のままである。反射された電力は部分的にダミーロード40内で散逸され,残りの反射電力は,対称ハイブリッド接合36のポート34とRFソース32の間に結合されたアイソレーションデバイス68のハイパワーRFロード内で散逸される(図2参照)。
本発明の制御装置の好適実施例の線図が図2に示されている。図1及び図2において,同様の部材は同じ数字で示されているが,そのすべてが図2についての議論で説明されているわけではない。概して図2の実施例は図1で示されかつ上述されたのと同じ構成を有する。対称ハイブリッド接合36の第2ポート42は方向性カプラー70を通じて第1加速器ガイド部14のマイクロ波入力43へ結合される。対称ハイブリッド接合52の第3ポート54は方向性カプラー72を通じて第2加速器ガイド部16のマイクロ波入力53へ結合される。可変短絡58及び62はそれぞれコントローラ66の線形ステップモータ76及び78により調節される。4ポートフェライトサーキュレータのような分離装置68がRFソース32と対称ハイブリッド接合36の第1ポート34の間に結合されている。高電力RFロード及び低電力RFロード(両方とも図示されている)が4ポートサーキュレータの他の2つのポートに結合される。
図2に示された実施例は9.3GHzで動作するよう設計され,加速器ガイド部14及び16を通過する電子の出力エネルギーを4MEVから13MEVまでの範囲で制御する。好適実施例において,対称ハイブリッド接合36及び52はウェーブライン・インコーポレイテッド製の51924型であり,可変短絡58及び62はショーンベルグ・リサーチ・コーポレイション製のSRC-VS-1型であり,線形ステップモータ76及び78はエアーパックス製のK92211-P2型であり,方向性カプラー70及び72はショーンベルグ・リサーチ・コーポレイション製のSRC-DC-1型である。制御装置の上記部材は単なる一例であって,本発明の態様を限定するものではないことが理解されよう。制御装置に対する部材の選択の際のひとつのファクターは加速器ガイド14及び16の動作周波数である。適正なマイクロ波部材が所望の動作周波数に対して選択される。本発明の制御装置はL,S,X及びVバンド内の周波数で動作するよう期待されている。
以下は制御装置の動作説明である。対称ハイブリッド接合36のポート34への入力RF電力はポート42及び44の間で等しく分割される。こうして,入力RF電力の半分が方向性カプラー70を通じて第1加速器ガイド部14へ供給され,入力RF電力の半分はポート44を通じて対称ハイブリッド接合52のポート50へ供給される。対称ハイブリッド接合52によりポート50を通じて受け取られたRF電力はポート56と60の間で等しく分割される。こうして,ポート50を通じて受け取られたRF電力の半分が可変短絡58へ供給され,ポート50を通じて受け取られたRF電力の半分が可変短絡62へ供給される。可変短絡58及び62はそれぞれ短絡回路から成り,それは線形ステップモータ76と78によって導波管の長さ方向に沿って移動可能である。該短絡は,短絡の位置に依存する位相を有する入力RFエネルギーを反射する。こうして,可変短絡58はRF電力を反射して対称ハイブリッド接合52のポート56へ戻し,また可変短絡62はRF電力を反射して対称ハイブリッド接合52のポート60へ戻す。ポート60及び56を通じて対称ハイブリッド接合52により受け取られたRF電力はポート60及び56での相対位相に依存して結合され,ポート54を通じて加速器ガイド部16へまたポート50を通じて対称ハイブリッド接合36のポート44へ出力される。対称ハイブリッド接合52によって加速器ガイド部16及びポート44へ方向付けられたRF電力の相対比は,ポート56と60におけるRF電力の間の位相差に依存する。ダミーロード40内に散逸され,対称ハイブリッド接合36のポート34を通じてRFソース32(分離装置68により分離された)へ方向づけられたRF電力の相対比は,ポート42及び44内へ後方反射された電力フローの位相シフト及び振幅に依存する。対称ハイブリッド接合52のこれらの性質は加速器ガイド部14及び16に供給されたマイクロ波電力を制御するために使用される。可変短絡58及び62が線形ステップモータ76及び78により制御される際に,加速器ガイド部14へ供給されたRF電力は振幅及び位相を一定に維持する。可変短絡58及び62の一つが調節されるとき,ポート54を通じて加速器ガイド部16へ供給されたRF電力の振幅が変化する。この場合,加速器ガイド部14と16へ供給されたRF電力の間の位相差は変化し,位相差を一定に維持するように他の可変短絡の調節により補償される。可変短絡58及び62が線形ステップモータ76及び78によって同じ方向へ等しい増分だけ調節されるとき,加速器ガイド部14及び16へ印加されたRF電力の間の位相シフトが変化する。この場合,加速器ガイド部16に供給されたRF電力の振幅は,その位相が加速器ガイド部14へ供給されたRF電力に関して変更される際に一定のままである。こうして,位相及び振幅は可変短絡58及び62の適正な調節によって独自に制御される。
本発明の好適実施例は対称ハイブリッド接合及び可変短絡を使用するが,同一機能を有する同様な部材が使用されることも可能である。特に,対称ハイブリッド接合の代替部材は,正方向に関して2つの出力ポートの間で入力RF電力を分割しなければならない。逆方向に関して,出力ポートを通じて受け取られたRF電力は出力ポートでのRF電力の間の位相差に依存して各ポートに向けられた比で2つの入力ポートへ方向付けされる。適正な対称ハイブリッド接合の例はトップウォールハイブリッドである。可変短絡の代替部材は制御可能な位相をもってRFエネルギーを反射しなければならない。
図1及び2に記載され上述されたような装置の測定が行われた。その結果が図3A及び3Bにプロットされている。図3Aは,可変短絡58及び62の位置の差(デルタ)の関数として,加速器ガイド部14から対称ハイブリッド接合36のポート42へ相対的に反射された電力(反射)を表すグラフである(曲線90)。図3Bは,一緒に移動する時の可変短絡58及び62の位置の関数として,対称ハイブリッド接合52のポート54を通じて加速器ガイド部16へ供給されたRF電力の位相を表すグラフである(曲線92)。
制御器66はステップモータ76及び78を制御するための制御ユニット(図示せず)を含むこともできる。電子ビーム20の選択エネルギーを得るために,可変短絡58及び62の位置が経験的に決定される。所望の位置が制御ユニット内にプログラムされる。動作中,所望のエネルギーを得るための保存された位置が選択され,ステップモータ76及び78を作動させるべく使用される。正方向電力及び第2加速器ガイド部16へ印加された反射電力をモニターすることによってクロスチェックが与えられる。正方向と反射電力の比は動作エネルギーの高低限界と比較される。比が限界の外にある場合には,動作は保護インターロック機構として中止される。
本発明のマイクロ波電力制御装置の一般的なブロック図が図4に示される。図1と図4において同様のエレメントが同一の参照番号を有するが,図4の議論においてそのすべてが説明されているわけではない。図4の実施例において,RF電力を第1ロード100及び第2ロード102へ供給するためにマイクロ波電力制御装置が使用される。特に,対称ハイブリッド接合36の第2ポート42はロード100にRF電力を供給し,対称ハイブリッド接合52の第3ポート54はロード102にRF電力を供給する。可変短絡58及び62の位置を調節することによって,ロード102に供給されたRF電力の振幅及びロード100と102に供給されたRF電力の間の位相シフトが変化する。振幅及び位相は上述のように独自に制御される。ひとつの例において,ロード100及び102はフェイズド・アレイ・レーダー装置においてアンテナである。制御装置はアンテナへ供給されたRF電力の振幅及び位相を制御するべく使用される。
発明は好適実施例について説明されてきたが,特許請求の範囲に記載された発明の態様から離れることなくさまざまな変更及び修正が可能であることは当業者の知るところである。
Claims (16)
- 定在波型電子線形加速器装置であって,
荷電粒子を生成するための荷電粒子ソースと,前記荷電粒子を加速するための作動的に直列に結合された第1及び第2加速器ガイド部とから成り,前記荷電粒子ソースは電子を前記第1加速器ガイド部へ送るべく前記第1加速器ガイドに結合されている,ところの線形加速器と,
入力RF電力を受けるための第1ポートと,前記第1加速器ガイド部に結合された第2ポートと,ダミーロードに結合された第3ポートと,第4ポートを有する第1対称ハイブリッド接合と,
前記第1対称ハイブリッド接合の第4ポートに結合された第1ポートと,前記第1加速器ガイド部に印加された入力RFに平行に入力RFを前記第2加速器ガイド部に印加するべく前記第2加速器ガイド部に結合された第3ポートと,第2及び第4ポートを有する第2対称ハイブリッド接合と,
前記第2対称ハイブリッド接合の第2ポートに結合された第1可変短絡エレメントと,
前記第2対称ハイブリッド接合の第4ポートに結合された第2可変短絡エレメントであって,前記第1及び第2可変短絡エレメントにより反射された入力RF電力は前記第2加速器ガイド部から調節可能な出力電子ビームを生成するべく前記第2対称ハイブリッド接合の第3ポートを通じて前記第2加速器ガイド部へ方向付けられる,ところの第2可変短絡エレメントと,
から成る装置。 - 請求項1に記載の定在波型電子線形加速器装置であって,さらに
前記第2加速器ガイド部へ供給される入力RF電力を制御するように前記第1及び第2可変短絡エレメントを調節するための,前記第1及び第2短絡エレメントに作動的に結合された制御手段,
を含む装置。 - 請求項1に記載の定在波型電子線形加速器装置であって,前記制御手段は,前記第1及び第2加速器ガイド部に供給された入力RF電力の間の位相差を変化させるように等しい増分だけ前記第1及び第2可変短絡エレメントを調節するための,作動的に前記第1及び第2短絡エレメントに結合された手段を含む,
ところの装置。 - 請求項1に記載の定在波型電子線形加速器装置であって,前記制御手段は,前記第2加速器ガイド部へ供給された入力RF電力の振幅を変化させるよう,また前記第1及び第2加速器ガイド部へ供給された入力RF電力の間の位相関係を一定に維持するよう前記可変短絡エレメントを調節するための,作動的に前記第1及び第2短絡エレメントに結合された手段を含む,
ところの装置。 - 請求項2に記載の定在波型電子線形加速器装置であって,前記制御手段は,前記第1可変短絡エレメントを調節するための第1線形ステップモータ及び前記第2可変短絡エレメントを調節するための第2線形ステップモータから成る,
ところの装置。 - 請求項2に記載の定在波型電子線形加速器装置であって,前記第1対称ハイブリッド接合の前記第2ポートが前記第1加速器ガイド部に接続された第1方向性カプラーへ結合されている,ところの装置。
- 請求項6に記載の定在波型電子線形加速器装置であって,前記第2対称ハイブリッド接合の前記第3ポートが前記第2加速器ガイド部に接続された第2方向性カプラーへ結合されている,ところの装置。
- 荷電粒子を生成するための荷電粒子ソースと,前記荷電粒子を加速するための作動的に直列に結合された第1及び第2加速器ガイド部とから成る定在波型電子線形加速器のための制御装置であって,
入力RF電力を受けるための第1ポートと,前記第1加速器ガイド部に結合された第2ポートと,ダミーロードに結合された第3ポートと,第4ポートを有する第1対称ハイブリッド接合と,
前記第1対称ハイブリッド接合の第4ポートに結合された第1ポートと,前記第2加速器ガイド部へ接続されることによって第1ハイブリッド接合の第1加速器ガイド部への接続と平行に結合された第3ポートと,第2及び第4ポートを有する第2対称ハイブリッド接合と,
前記第2対称ハイブリッド接合の第2ポートに結合された第1可変短絡エレメントと,
前記第2対称ハイブリッド接合の第4ポートに結合された第2可変短絡エレメントであって,前記第1加速器に送られた入力RF電力と平行に前記入力RF電力を前記第2加速器ガイド部へ反射するために,前記第1及び第2可変短絡エレメントにより反射されたRF電力が前記第2対称ハイブリッド接合の第3ポートを通じて前記第2加速器ガイド部へ制御可能に方向付けられる,ところの第2可変短絡と,
前記加速器から調節可能な電子ビームを出力するべく前記第2加速器ガイド部に供給された前記RF電力を制御するよう前記第1及び第2可変短絡エレメントを調節するための,作動的に前記第1及び第2短絡エレメントへ接続された制御手段と,
から成る装置。 - 請求項8に記載の制御装置であって,前記制御手段は,前記第1及び第2加速器ガイド部に供給された前記入力RF電力の間の位相差を変化させるように等しい増分だけ前記第1及び第2可変短絡エレメントを調節するための,前記第1及び第2短絡エレメントに作動的に接続された手段を含む,
ところの装置。 - 請求項8に記載の制御装置であって,前記制御手段は,前記第2加速器ガイド部へ供給された前記入力RF電力の振幅を変化させるよう,また前記第1及び第2加速器ガイド部へ供給された前記入力RF電力の間の位相関係を一定に維持するように前記可変短絡を調節するための,前記第1及び第2短絡エレメントに作動的に接続された手段である,
ところの装置。 - 請求項8に記載の制御装置であって,前記作動的に接続された制御手段は,前記第1可変短絡エレメントを調節するための前記第1及び第2短絡エレメントに作動的に接続された第1線形ステップモータ及び前記第2可変短絡エレメントを調節するための前記第1及び第2短絡エレメントに作動的に接続された第2線形ステップモータから成る,
ところの装置。 - 第1ロード及び第2ロードに供給された入力RF電力を制御するための制御装置であって,
前記入力RF電力を受けるための第1ポートと,前記第1ロードに結合された第2ポートと,ダミーロードに結合された第3ポートと,第4ポートを有する第1対称ハイブリッド接合と,
前記第1対称ハイブリッド接合の第4ポートに結合された第1ポートと,前記第2ロードに結合された第3ポートと,第2及び第4ポートを有する第2対称ハイブリッド接合と,
前記第2対称ハイブリッド接合の第2ポートに結合された第1可変短絡エレメントと,
前記第2対称ハイブリッド接合の第4ポートに結合された第2可変短絡エレメントであって,前記第1及び第2可変短絡エレメントへ送り込まれかつそれにより反射される前記RF電力は前記第2対称ハイブリッド接合の第3ポートを通じて前記第2ロードへ制御可能に方向付けられる,ところの第2可変短絡エレメントと,
前記第2ロードに供給された入力RF電力を制御するよう前記第1及び第2可変短絡エレメントを調節するための,前記第1及び第2短絡エレメントに作動的に接続された制御手段と,
から成る装置。 - 請求項12に記載の制御装置であって,前記第1ロードは定在波型電子線形加速器の第1加速器ガイド部から成り,また前記第2ロードは前記定在波型電子線形加速器の第2加速器ガイド部から成る,
ところの装置。 - 請求項12に記載の制御装置であって,前記制御手段は,前記第1及び第2ロードに供給された入力RF電圧の間の位相差を変化させるように等しい増分だけ前記第1及び第2可変短絡エレメントを調節するための手段を含む,
ところの装置。 - 請求項12に記載の制御装置であって,前記制御手段は,前記第2ロードへ供給された前記入力RF電力の振幅を変化させるよう,また前記第1及び第2ロードへ供給された前記入力RF電力の間の位相関係を一定に維持するように前記可変短絡エレメントを調節するための手段を含む,
ところの装置。 - 請求項1に記載の定在波型電子線形加速器装置であって,さらに出力ビーム窓を含み,前記第1及び第2加速器ガイド部は直線上にあり,また前記荷電粒子は前記ソースからの直線経路内を進行し前記第1及び第2加速部を通過して前記出力ビーム窓から出る,
ところの装置。
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