JP5496511B2 - パルス誘電体壁加速器及び連続パルス進行波加速器 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
Claims (15)
- 加速軸を取り囲む長さLの誘電体ビーム管と、
各々が前記加速軸を横切るとともに前記誘電体ビーム管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高電圧電位に接続可能なスイッチを有し、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、少なくとも2つのパルス形成ラインと、
軸方向に横切る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を生成して、前記軸方向に横切る荷電粒子のパルスビームに対してエネルギを連続的に与えるように、複数のスイッチを連続的に制御する手段と、
を備えるパルス誘電体壁加速器。 - 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に記載のパルス誘電体壁加速器。 - 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に記載のパルス誘電体壁加速器。
- 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または3に記載のパルス誘電体壁加速器。
- 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に記載のパルス誘電体壁加速器。
- 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ないし5のいずれかに記載のパルス誘電体壁加速器。
- 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ないし6のいずれかに記載のパルス誘電体壁加速器。
- 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高電圧電位に接続可能なスイッチを有し、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加速パルスを生成する、複数のパルス形成ラインと、
軸方向に横切る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を生成して、前記軸方向に横切る荷電粒子のパルスビームに対してエネルギを連続的に与えるように、複数の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。 - 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。 - 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。
- スイッチを連続的に制御する前記トリガは、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ないし11のいずれかに記載の連続パルス進行波線形加速器。
- 加速軸を取り囲む長さLの誘電体ビーム管と、
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、
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の導体と、
前記第1の導体に隣接し、高電圧電位に切り換え可能な第1の端部と前記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、
前記第2の導体に隣接し、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3の導体と、
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の誘電体部材と、
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し、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い、第2の誘電体部材と、
を備え、
各ブルームラインモジュールが高電圧電位に接続可能な少なくとも1つのスイッチを有し、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、少なくとも2つのブルームラインモジュールと、
軸方向に横切る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を生成して、前記軸方向に横切る荷電粒子のパルスビームに対してエネルギを連続的に与えるように、複数の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。 - 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。
- 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。
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