JP5599398B2 - 加速器を動作する方法及び多重エネルギー放射線源 - Google Patents

Description

本発明は、概して、放射線源に関し、より具体的には、インターレース型多重エネルギー放射線源に関する。

放射線は、例えば、空港、海港、および公共建物で隠されている禁制品を識別するために、荷物、鞄、ブリーフケース、貨物コンテナ、およびその同等物等の物体の内容物を非侵襲的に検査するために一般的に使用される。その禁制品には、例えば、隠し銃、ナイフ、爆破装置、違法薬物、ならびにウランおよびプルトニウム等の特殊核物質が含まれ得る。一般的な検査システムの１つとしてラインスキャナが挙げられ、ラインスキャナでは、被検物体が、Ｘ線放射線源から放出される放射線のファンビームまたはペンシルビームを通過する。物体を透過する放射線は、物体の内容物によって様々な程度で減衰され、検出器配列によって検出される。減衰は、放射線ビームが通過する材料の種類および量（厚さ）の関数である。内容物の形状、サイズ、および変動する量を示す物体の内容物のＸ線画像が、検査のために生成され得る。場合によっては、材料の種類が推測され得る。

国境、海港、および空港における貨物コンテナの検査は、国家の安全において重要な問題である。このようなコンテナの到着率が高いため、１００％の検査には、コンテナ毎の迅速な画像化が必要とされる。標準的な貨物コンテナは、典型的には、長さが２０〜５０フィート（６．１〜１５．２メートル）、高さが８フィート（２．４メートル）、および幅が６〜９フィート（１．８−２．７メートル）である。航空機体に保管される複数の荷物または他の貨物を含めるために使用するより大型の航空貨物コンテナは、最大約２４０×１１８×９６インチ（６．１×３．０×２．４メートル）であり得る。ＭｅＶ放射線源は、典型的には、標準的な貨物コンテナおよびより大型の航空貨物コンテナを貫通するのに十分なエネルギーを有する放射線を発生させることが必要とされる。

ＭｅＶ放射線源は、典型的には、荷電粒子を加速する線形無線周波数（「ＲＦ」）粒子加速器等の粒子加速器と、荷電粒子を加速器に注入する電子銃等の荷電粒子源とを備える。該線形加速器は、一連の線形に配置された電磁結合した共振空洞を備えてもよく、共振空洞に、荷電粒子を加速するために定在電磁波または進行電磁波が保持される。共振空洞に注入される荷電粒子は、所望のエネルギーまで加速され、放射線を生成するために変換ターゲットに指向される。加速された荷電粒子が電子であり、ターゲットがタングステン等の重材料である場合、制動放射線またはＸ線放射線が発生する。６ＭｅＶの公称エネルギーに加速されてタングステンに衝突する電子により、例えば、６ＭＶのエネルギーを有するＸ線放射線の発生が引き起こされる。

マイクロ波（ＲＦ）出力源は、ＲＦ出力を加速器の空洞に提供する。マイクロ波源は、マグネトロン等の発振マイクロ波出力管であってもよく、またはクライストロン等の増幅マイクロ波出力管であってもよい。マイクロ波源は、変調器によって電力供給され、変調器は、例えば、１ＭＷから１０ＭＷのピーク電力を有する高電力パルスと、１ｋＷから４０ｋＷの平均電力とを発生させる。

変調器出力の特徴は、マイクロ波出力源の出力を変動させるように変動し得る。例えば、発振器または増幅器を駆動する高電圧パルスの振幅は、マイクロ波電力出力を変化させるように変動し得る。代替として、増幅器において、マイクロ波入力信号は、マイクロ波出力を変化させるように変動させることができる。

５０００の負荷Ｑ値を有し得る加速器は、例えば、入力ＲＦ出力の周波数に極めて敏感である。ＲＦ源により提供されるマイクロ波出力の最大受容は、マイクロ波出力の中心周波数が加速器の共振周波数に一致する場合に達成される。そうでなければ、加速器に提供されるマイクロ波出力の一部または大部分は、反射され、荷電粒子を所望のビームエネルギーに加速することが阻止される。ＲＦ周波数は、機械的または電気的同調器によって加速器の共振周波数に一致するように調整され得る。

加速器に提供されるＲＦ出力により、加速器構造の加熱および膨張が引き起こされ、これにより、加速器の共振周波数の低速周波数ドリフトが引き起こされる。このようなドリフトは、動作の最初の１分または２分に最も顕著であるが、環境条件に起因して継続し得る。

自動周波数制御装置（「ＡＦＣ」）は、概して、当技術分野において既知であるように、加速器の共振周波数を追跡するためにＲＦ源の周波数をサーボすることが必要とされる。ＡＦＣは、加速器から反射されたマイクロ波信号を含む加速器に提供されるマイクロ波信号をサンプリングおよび比較して、マイクロ波源の必要とされる同調を判断する。ＡＦＣは、概して、定常状態動作中に、ＲＦ源の周波数を加速器の共振周波数に一致させるのに十分である。ＡＦＣの例は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第３，８２０，０３５号に説明されている。

マグネトロンを使用する場合、マグネトロンにおけるパルス間周波数ジッタも、マグネトロンの周波数と加速器の共振周波数との間に小さな不一致を引き起こし得る。このような不一致は、パルス毎に変動し、あるノイズをシステムに加える。これは、例えば、これも参照により本明細書に組み込まれる米国特許第３，７１４，５９２号に説明されるように、反射器および可変位相器により加速器から反射された一部のマイクロ波出力をマグネトロンに戻して供給することによって改善され得る。反射器／可変位相器は、「位相ワンド」とも呼ばれ得る。

標準的なＸ線走査によって、核爆弾および核物質を、物体内に含有され得る他の高密度の物または厚い物と区別することは難しい。物体の材料内容物と異なって相互作用する２つ以上の異なるエネルギースペクトルを有するＭＶエネルギー領域における放射線ビームを使用して、Ｘ線走査により導かれ得る物体の内容物の材料の種類に関する情報を強化してもよい。例えば、物体の内容物による６ＭＶのＸ線放射線ビームの減衰は、異なるエネルギービームにおけるコンプトン散乱および誘導対生成の異なる効果に起因して、同一の内容物による９ＭＶのＸ線放射線ビームの減衰とは異なる。２つのＸ線エネルギーにおける減衰比は、例えば、米国特許第５，５２４，１３３号に説明されるように、放射線ビームが通過する材料の原子番号を標示し得る。より高度な２重エネルギー分析技法については、例えば、本発明の出願人に譲渡され、かつ参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，２５７，１８８号に説明されている。また、高エネルギー減衰および低エネルギー減衰の比率も、“Ｄｕａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｘ−ｒａｙ ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｈｉｇｈ−Ｚ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，”Ｇ． Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ，ＮＩＭ（Ｂ），Ｖｏｌｕｍｅ ２６１（２００７），ｐｐ．３５６−３５９に説明されるように、材料の識別を容易にするように物体の厚さに対してグラフ化され得る。

例えば、貨物コンテナおよび他の物体の２重エネルギー検査のための単一の放射線源によるＭＶ領域における異なる公称エネルギーを有する放射線ビームを発生させることができれば有用であるだろう。米国特許第７，１３０，３７１Ｂ２号に説明されるインターレース型２重エネルギー加速器の例では、異なる電子ビームエネルギーは、同期化方式で加速器の電子ビーム負荷およびＲＦ周波数を変化させて、加速の効果を変化させることによって、進行波加速器において達成される。本手法の現場応用について成功した報告は、知られておらず、これは恐らくシステムの複雑性および安定性の問題に起因している。

単一の加速器は、ＲＦ出力発生器によって２つの異なるＲＦ出力レベルで励起されることによって、電子または他の荷電粒子のビームを異なるエネルギーに加速し得る。２つの出力レベルの発生の間で出力発生器を迅速に切り替えることが必要とされ得る。例えば、約１ミリ秒の切り替えが望ましい場合がある。ＲＦ出力がパルス毎に変動する際に、ＲＦ出力パルスの周波数ならびに加速器の共振周波数もパルス毎に変化し得る。パルス毎のベースで、ＲＦ出力発生器によって発生されたＲＦ出力パルスの周波数を加速器の共振周波数に一致させるための改善された技法があれば、有利になるであろう。本発明の実施形態は、クライストロンにおける周波数制御の改善と、機械的および電気的に同調されるマグネトロンベースの２重または多重エネルギーシステムとを提供する。

本発明の一実施形態によって、加速器を動作する方法が開示されるが、本方法は、第１の出力および第１の周波数を有する第１の無線周波数出力パルスを発生させることと、第１の出力および第１の周波数とは異なる第２の出力および第２の周波数を有する第２の無線周波数出力パルスを発生させることと、第１および第２の無線周波数出力パルスを単一の加速器の共振空洞に、所定の順序で提供することとを含む。本方法は、第１の無線周波数出力パルスを加速器に提供する間に、第１の無線周波数出力パルスの第１の周波数を、加速器の第１の共振周波数に一致させることと、第２の無線周波数出力パルスを加速器に提供する間に、第２の無線周波数出力パルスの第２の周波数を、第１の共振周波数とは異なる加速器の第２の共振周波数に一致させることとをさらに含む。

関連する実施形態によると、第１の電力および第２の電力をマイクロ波出力発生器に順次に提供することを含む、多重エネルギーの放射線を発生させる方法が開示される。第２の電力は、第１の電力とは異なる。少なくも第１および第２の電力に部分的に基づいて、第１の周波数における第１の出力を有する第１の無線周波数出力パルスと、第１の出力とは異なる第２の出力、および第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２の無線周波数出力パルスが、出力発生器によって順次に発生される。第１および第２の無線周波数出力パルスは、単一の粒子加速器の共振空洞に順次に提供される。本方法は、第１の無線周波数出力パルスを加速器に提供する間に、第１の無線周波数出力パルスの第１の周波数を、加速器の第１の共振周波数に一致させることと、第２の無線周波数出力パルスを加速器に提供する間に、第２の無線周波数出力パルスの第２の周波数を、第１の共振周波数とは異なる加速器の第２の共振周波数に一致させることをさらに含む。荷電粒子は、加速器の共振空洞に注入され、第１および第２の無線周波数出力パルスに少なくとも部分的に基づいて、加速器によって、加速器の第１の共振周波数おける第１のエネルギーに、および第１の共振周波数とは異なる加速器の第２の共振周波数における第２のエネルギーに順次に加速される。第１および第２の加速された荷電粒子は、ターゲットに順次に衝突させ、第１および第２のそれぞれのエネルギーを有する放射線を発生させる。

本発明の別の実施形態によると、荷電粒子を加速するための加速器と、荷電粒子を加速器に提供するための加速器に連結された荷電粒子源と、加速器の下流にあるターゲットとを備える多重エネルギー放射線源が開示される。加速された荷電粒子のターゲットに対する衝撃により、放射線の発生が引き起こされる。荷電粒子源は、第１および第２の無線周波数出力パルスを加速器に選択的に提供するために、加速器に連結した出力発生器をさらに備える。第２の無線周波数出力パルスは、第１の無線周波数出力パルスとは異なる出力および周波数を有する。荷電粒子源は、第１の無線周波数出力パルスが加速器に提供される間に、出力発生器の第１の周波数を加速器の第１の共振周波数に一致させるための第１の手段と、第２の無線周波数出力パルスが加速器に提供される間に、出力発生器の第２の周波数を加速器の第２の共振周波数に一致させるための第２の手段とをさらに備える。第１の荷電粒子のターゲットに対する衝撃により、第１のエネルギーにおける放射線の発生が引き起こされ、第２の荷電粒子のターゲットに対する衝撃により、第１のエネルギーとは異なる第２のエネルギーにおける放射線の発生が引き起こされる。

別の実施形態によると、第１の電力および第２の電力をマイクロ波出力発生器に順次に提供することであって、第２の電力は、第１の電力とは異なることと、少なくも第１および第２の電力に部分的に基づいて、第１の出力を有する第１の無線周波数出力パルスと、第１の出力とは異なる第２の出力を有する第２の無線周波数出力パルスとを出力発生器によって順次に生成させることと、第１および第２の無線周波数出力パルスを単一の粒子加速器の共振空洞に順次に提供することとを含む、多重エネルギーおよび線量における放射線を発生させる方法が開示される。本方法は、第１の電力とは異なる第３の電力および第４の電力で荷電粒子源を順次に駆動することと、第１および第２の荷電粒子流を加速器の共振空洞に注入することであって、第１および第２の荷電粒子流は、第３および第４の電力のそれぞれに少なくとも部分的に基づくことと、第１および第２の無線周波数出力パルスに少なくとも部分的に基づいて、加速器によって、注入された荷電粒子を、第１のエネルギーに、および第１のエネルギーとは異なる第２のエネルギーに順次に加速することとをさらに含む。第１および第２の加速された荷電粒子流は、ターゲットに順次に衝突させ、第１および第２の異なるエネルギーならびに第１および第２の異なるそれぞれの線量率を有する放射線を発生させる。

本発明の一実施形態では、機械的に同調されるマグネトロンベースの加速器システムのインターレース型動作において、ＡＦＣは、１つの出力レベルにおいて、マグネトロン周波数を調整するために使用される。例えば、マグネトロン同調は、高ＲＦ出力パルスが加速器に提供される場合に、マグネトロンにより発生される高ＲＦ出力パルスの周波数が加速器の共振周波数に一致するように、ＡＦＣによって調整され得る。他のＲＦ出力レベル、本例では低ＲＦ出力パルスにおいて、マグネトロンは、低ＲＦ出力パルスが加速に提供される間に、加速器の共振周波数偏移に少なくとも部分的に一致する加速器の共振周波数偏移をマグネトロンが受ける条件で動作される。本条件は、変調器からマグネトロンに提供される電力パルスの電圧の振幅を含み得る。本条件は、マグネトロンの磁場を一定に維持することをさらに含み得る。位相ワンドは、高エネルギーパルスおよび低エネルギーパルスの両方について、必要に応じて、マグネトロン周波数を共振周波数にさらに一致させ得る。低エネルギーパルス中にＡＦＣを使用してもよく、代わりに、高ＲＦ出力パルス中にマグネトロン周波数偏移が加速器共振周波数偏移に一致する条件下で、マグネトロンを動作してもよい。

本発明の実施形態の別の例では、電気的に同調されるマグネトロンまたはクライストロンベースのシステムにおいて、２つの独立したＡＦＣ制御を使用して、高ＲＦ出力パルスおよび低ＲＦ出力パルスのそれぞれのマグネトロンまたはＲＦドライバ周波数の基準電圧を決定し得る。次いで、これらの電圧を使用して、パルス毎ベースで、マグネトロンまたはＲＦライバ周波数を制御する。

別の実施形態によると、パルス毎ベースで、電子銃等の粒子源を制御することによって、エネルギーパルス毎の所望の線量出力を達成するために、異なる電子ビーム電流が異なるエネルギービームパルスに提供され得る。ダイオード銃またはトライオード銃では、電圧パルス振幅またはマイクロ波パルスに関するタイミングを変動させることができる。トライオード銃では、グリッド電圧もパルス毎ベースで変動させることができる。

本発明のある実施形態に従う多重エネルギー放射線源の例の概略図である。 マグネトロン周波数（ＭＨｚ）に対するマグネトロンに提供されるＰＦＮ電圧の例のグラフである。 図１の放射線源の波形および信号タイミングの例である。 ソリッドステート変調器（「ＳＳＭ」）を含む、図１の実施形態に従う多重エネルギー放射線源の別の例である。 クライストロンを使用して加速器を駆動する本発明のある実施形態に従う、多重エネルギー放射線源の別の例の概略図である。 図５の多重エネルギー放射線源の波形および信号タイミングの例である。 図５の多重エネルギー放射線源の波形および信号タイミングの別の例である。 電気的に同調可能なマグネトロンを含む、本発明のある実施形態に従う多重エネルギー放射線源の別の例である。

図１は、本発明のある実施形態に従う多重エネルギー放射線源１００の例の概略図である。本例では、放射線源１００は、インターレース方式で電子等の荷電粒子を第１および第２の公称エネルギーに加速し、加速された荷電粒子をターゲットと衝突させて、一方は高エネルギーを有し、他方は低エネルギーを有する２つの異なるエネルギースペクトルを有する放射線を、インターレース方式で発生させるように構成される。一例では、第１の公称電子エネルギーは、２００または３００パルス／秒（「ｐｐｓ」）のパルスレートにおいて、６ＭＶ放射線ビーム（本例における高エネルギー）の発生を引き起こす６ＭｅＶであり、第２の公称エネルギーは、３．５ＭＶ放射線ビーム（本例における低エネルギー）の発生を引き起こす３．５ＭｅＶである。より低いまたは高いパルスレートで９ＭＶおよび６ＭＶ等の他の組み合わせのエネルギーを発生させることができる。そのパルスレートは、例えば、４００ｐｐｓであってもよい。例えば、６ＭＶ、９ＭＶ、および１５ＭＶ等の２つを超える放射線エネルギーを任意の所望の順序で発生させてもよい。

放射線源１００は、例えば、ガイドまたは加速器１０２、加速器に連結された荷電粒子源１０４、ドリフト管１０８により加速器に連結されたターゲット１０６を備える。荷電粒子源１０４により加速器１０２に提供される荷電粒子は、加速器によって所望のエネルギーまで加速され、ターゲット１０６に指向される。加速された荷電粒子のターゲットとの衝撃により、放射線の発生が引き起こされる。これらの荷電粒子は、電子であり得、荷電粒子源１０４は、例えば、ダイオードまたはトライオード電子銃等の電子銃であり得る。ターゲット１０６には、例えば、タングステンが含まれ得る。加速された電子が、タングステン等の重いターゲット材料に激突する場合、当技術分野において既知であるように、衝撃によりＸ線放射線の発生が引き起こされる。

加速器１０２は、複数の電磁結合した共振空洞（図示せず）を備えることができ、当技術分野において既知であるように、空洞における異なる電磁場強度によって、本例における６ＭｅＶおよび３．５ＭｅＶ等の異なる公称エネルギーに電子が加速されるように構成される。異なる公称エネルギーに加速された電子がターゲットに激突することより、当技術分野において既知であるように、本例においてそれぞれ６ＭＶおよび３．５ＭｅＶ等の異なるエネルギーを有するＸ線放射線ビームの発生が引き起こされる。

加速器１０２は、当技術分野において既知であるように、複数の軸方向に整合される電磁結合した共振空洞（図示せず）を備える電子線形加速器であり得る。該線形加速器は、例えば、Ｓ帯またはＸ帯定在波線形加速器であり得る。適切な加速器は、Ｖａｒｉａｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．，Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，ＣＡより入手可能であるＬｉｎａｔｒｏｎ（登録商標）Ｍ（商標）シリーズＸ線源において使用されるＭ６ＡシリーズＳ帯線形加速器であり、これは、約２９９８ＭＨｚの公称共振周波数を有する。Ｍ６Ａ線形加速器は、６ＭＶおよび３．５ＭＶの公称エネルギーを有するＸ線放射線ビームを発生させるように構成される。加速器１０２の負荷Ｑは、例えば、５０００であり得る。進行波線形加速器を代わりに使用してもよい。

図１の例では、加速器１０２は、当技術分野においてＲＦ出力とも呼ばれるマイクロ波出力によって電力供給され、このマイクロ波出力はマグネトロン１１０により提供される。マグネトロン１１０の周波数帯は、加速器１０２の周波数帯に一致するように選択される。本例では、加速器がＳ帯加速器であるため、マグネトロン１１０も、Ｓ帯においてＲＦ出力を発生させるように構成または選択される。磁石１１１は、当技術分野において既知であるように、必要とされる磁場をマグネトロンに提供するように、マグネトロン１１０に隣接して配置される。磁石１１１は、例えば、１５００ガウスの磁場強度を有し得る。磁石１１１は、永久磁石または電磁石であり得る。本例では、磁石１１１は、動作中に一定に維持される調整可能な磁場を提供する電磁石である。

マグネトロン１１０により発生されるＲＦ出力は、個々のＲＦ出力パルスの形式で、加速器１０２内における共振空洞に、サイクル毎に提供される。ＲＦ出力パルスの各々は、多数のＲＦマイクロパルスを含む。このマイクロパルスの周波数は、本例では、マグネトロン１１０の機械的同調および後述する他の要因によって設定される。ＲＦ出力は、共振空洞内に電磁定在波を確立する。この定在波は、電子銃１０４により空洞内に提供される電子（または他のこのような荷電粒子）を加速し、この結果、電子ビームは、提供されたＲＦ出力について設計された加速器の最大加速エネルギーまでの公称エネルギーに加速された電子を含む。

一例では、マグネトロン１１０は、約２．６ＭＷおよび１．５ＭＷでＲＦ出力を発生させ、この結果、６ＭｅＶおよび３．５ＭｅＶのそれぞれの公称加速電子エネルギーと、６ＭＶおよび３．５ＭＶのＸ線放射線ビームのそれぞれの発生とをもたらす。本例では、マグネトロン１１０は、例えば、２００パルス／秒（「ｐｐｓ」）または３００ｐｐｓの速度でＲＦ出力を切り替えることができる。

本例におけるマグネトロン１１０は、機械的に同調可能なＳ帯マグネトロンであるＭＧ５１９３−Ａｌｐｈａｔｒｏｎであり得、例えば、ｅ２ｖ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．，Ｅｌｍｓｆｏｒｄ，ＮＹ（「ｅ２ｖ」）より入手可能である。ｅ２ｖが提供する情報によると、マグネトロン１１０は、２９９３ＭＨｚから３００２ＭＨｚの周波数域において同調可能であり、最大２．６ＭＷのピーク出力を有し、水冷式である。周波数域は、その機械的同調器を４．７５回転だけ作動させることによって達成されると言われている。最大許容ピークアノード電圧は、４８ｋＶであると言われている。最大許容ピークアノード電流は、１１０アンペアであると言われている。最大平均入力電力は、６．０ＫＷであると言われている。パルス持続時間は、約５．０マイクロ秒（μｓ）であると言われている。

３ポートサーキュレータ等のサーキュレータ１１２は、マグネトロン１１０と加速器１０２との間に設けられ、例えば、マグネトロンから離隔する加速器から反射するＲＦ出力を、サーキュレータに連結された水負荷１１４に指向することによって、加速器１０２からマグネトロンを隔離する。水負荷１１４は、反射されたＲＦ出力を吸収する。水負荷に指向されたＲＦ出力の一部は、反射されてサーキュレータ１１２に戻り、サーキュレータ１１２は、当技術分野において既知であるように、位相ワンド１１６によって、ＲＦ出力をマグネトロン１１０に指向させる。これは、マグネトロン１１０を安定化させるのに役立ち、マグネトロンの周波数を加速器１０２の周波数に引き込むことによってマグネトロン１１０におけるパルス間周波数ジッタを低下させる。位相ワンド１１６は、サーキュレータ１１２と水負荷１１４との間に設けられる反射器／可変位相器であり得る。反射器／可変位相器の例は、上記に説明され、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第３，７１４，５９２号に説明される。このような周波数引き込みは、最大約１００ｋＨｚ等の狭周波数域において有効である。

図１の例では、マグネトロン１１０は、高圧電力供給装置（「ＨＶＰＳ」）１１８等の電源、パルス成形回路（「ＰＦＮ」）１２０、サイラトロン１２４を備える変調器１１７によって駆動される。ＨＶＰＳ１１８は、パルス毎にＰＦＮ１２０を充電する。ＰＦＮ１２０の出力は、任意選択の変圧器（「ＸＦＭＲ」）１２２に提供され得る。サイラトロン１２４は、ＰＦＮ１２０の一方の端部に接続され、変圧器１２２は、他方の端部に接続される。高制御電圧（制御Ｖ１）１２６および低制御電圧（制御Ｖ２）１２８は、電圧供給装置（図示せず）によって、制御電圧とＨＶＰＳ１１８との間のアナログスイッチ１３０に提供される。アナログスイッチ１３０は、例えば、２００パルス／秒（「ｐｐｓ」）または３００ｐｐｓ等の高めおよび低めの公称エネルギーを有するＸ線放射線ビームの発生の間の所望の切り替え速度で、制御Ｖ１と制御Ｖ２とを切り替えるように構成される。アナログスイッチ１３０は、各サイクル内において所望の速度および所望の時間に切り替えを引き起こすようにプログラミングされる制御器１３２からの論理信号によって制御され得る。選択された制御電圧は、ＨＶＰＳ１１８に提供され、ＨＶＰＳ１１８は、受信した制御伝達に応じて、対応する高めまたは低めの電圧にＰＦＮ１２０を充電する。本例では、制御Ｖ１は、８．８ボルトに設定され、制御Ｖ２は、６．４ボルトに設定され得、それぞれ、２２ｋＶまでの高電圧と、１６ｋＶまでの低電圧とに設定される。他の電圧設定を選択してもよい。制御器１３２は、単純な論理制御回路または例えばマイクロプロセッサ等のプロセッサを備え得る。

ＰＦＮ１２０がＨＶＰＳ１１８によって適切なレベルまで、Ｘ線画像化が必要とする時間に充電されると、制御器１３２または別の制御器は、ＰＦＮ１２０に貯蔵される電力を変圧器１２２に放出することをサイラトロン１２４に実行させる。また、ＨＶＰＳ１１８の出力は、完全に大地に短絡される。ＨＶＰＳ１１８は、当技術分野において既知であるように、短絡時に自己保護を始動するように設計される。変圧器１２２は、パルスの電圧をマグネトロン１１０が必要とするレベルまで増加させる。

本例では、変圧器１２２は、電子銃１０４も駆動し、これにより費用を節約し、追加の電源を提供する複雑性を省く。電子銃は、例えば、ダイオード銃であり得る。電子銃１０４と変圧器１２２との間のタップ切り替え器１３４は、所望の電圧を電子銃に接続するように、変圧器１１２上のタップを切り替える。当技術分野において既知であるように、電子銃１０４に提供される電圧によって、電子銃が加速器１０２に提供する電子ビーム電流が判断され、電子ビーム電流は、発生する放射線の線量率に影響を及ぼす。異なる放射線ビームを異なる線量率で供給することが望ましい場合がある。タップ切り替え器１３４は、アナログスイッチ１３０が制御電圧１２６、１２８を切り替えるのと同一の速度でタップを切り替え得る。これによって、線量率は、必要に応じて、パルス毎ベースに変化され得る。タップ切り替え器１３４は、制御器１３２または別の制御器によって制御され得る。

ＨＶＰＳ１１８が提供する電圧の一部は、この場合、変圧器１２２および変圧器の２次側に接続されたマグネトロン１１０において電気負荷になる。本例では、本例においてＨＶＰＳ１１８が出力する２２ｋＶのうち１１ｋＶが負荷になり、１６ｋＶのうち１０ｋＶが負荷になる。変圧器１２２は、１１ｋＶおよび１０ｋＶを、例えばそれぞれ４４ｋＶおよび４０ｋＶに上昇させて、マグネトロン１１０に提供する。磁場は、異なるＲＦ出力パルスが発生する間、一定に維持され、この結果、当技術分野において既知であるように、マグネトロン１１０内に異なるインピーダンスが生じる。

本例では、変圧器１２２は、また別の２次巻線によって電子銃１０４を駆動する。上述のように、変圧器１２２は、任意選択である。代わりに、ＨＶＰＳ１１８および／またはＰＦＮ１２０は、より高い電圧を発生させるように構成されてもよい。

変圧器１２２は、銃電圧について複数の出力またはタップを有し得る。本例では、変圧器上に九（９）個のタップが存在し、例えば、２５ｋＶのＰＦＮ電圧において、１．４ｋＶ、２．１ｋＶ、２．８ｋＶ、４．４ｋＶ、６．０ｋＶ、７．６ｋＶ、９．０ｋＶ、１０．６ｋＶ、および１２ｋＶの公称電圧を提供する。９個のタップのうちの２つは、特定の用途において高エネルギー放射線ビームおよび低エネルギー放射線ビームの所望の線量率を発生させるのに必要な電子流に基づいて、タップ切り替え器１３４の側面の入力に接続される。その２つのタップは、タップ切り替え器１３４の入力に手動で選択および接続され得る。変圧器は、例えば、Ｓｔａｎｇｅｎｅｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，ＣＡから入手され得る。また、本例では２００ｐｐｓまたは３００ｐｐｓの速度で切り替えるソリッドステートタップ切り替え器であり得るタップ切り替え器１３４も、例えば、Ｓｔａｎｇｅｎｅｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ｏｆ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，ＣＡから入手され得る。

別々の電源１２３（図１において点線で示す）は、パルス毎ベースで出力を変動させるように、変圧器１２２の代わりに電子銃１０４を駆動する。このような場合、銃電圧パルスのタイミングは、ＲＦパルスに対して調整されてもよく、線量出力の制御にさらに柔軟性を加える。また、ダイオード銃を使用する代わりに、トライオード銃を使用してもよい。トライオード銃の場合、グリッド電圧およびタイミングを調整することができ、線量出力制御にさらなる柔軟性を加える。また、電源１２３も、設けられる場合、制御器１３２または他のこのような制御器によって制御され得る。

上述のように、加速器１０２は、ＲＦ出力受容がＲＦ周波数に敏感である共振構造である。ＲＦ出力パルスの周波数と加速器の共振周波数との間の一致が良好であればあるほど、受容は良好になる。この一致が不十分である場合、加速器１０２内に受容されるＲＦ出力は、当技術分野において既知であるように、加速器空洞内部の電磁場を適切に励起して電子を所望のエネルギーに加速するのに不十分であり得る。

しかしながら、加速器１０２に提供されるＲＦ出力は、加速器の構成要素を加熱し、共振周波数を偏移し得る膨張を引き起こす。共振周波数を変動させ得る他の要因には、加速器１０２の振動が含まれる。ゆえに、マグネトロン１１０のＲＦ出力周波数は、十分なＲＦ出力が確実に加速器１０２により受容されるように、共振周波数に一致するように変化させなければならない。

本発明の多重エネルギー源では、加速器１０２の共振周波数は、マグネトロン１１０が順次に提供する異なるＲＦ出力による加速器の加熱差に応答して、パルス毎ベースで偏移する。具体的には、加速器温度は、低出力ＲＦパルスの後よりも、高出力ＲＦパルスの後に高くなり、これにより、加熱器１０２の構成要素の膨張差がパルス毎にもたらされる。このような膨張差によって、後続のＲＦパルスの到達時に、加速器１０２の共振周波数が変化する。本例における２つの出力レベル設定では、共振周波数は、例えば、約２９９８ＭＨｚから約２９９８．２ＭＨｚになって約２９９８ＭＨｚに戻る、ＲＦ出力の高パルスから低パルスへ、低パルスから高パルスへと約２００ｋＨｚだけそれぞれ偏移することが分かっている。

自動周波数制御装置（「ＡＦＣ」）１３６は、サーキュレータ１１２と加速器１０２との間の位置に、加速器１０２に向かう（ＦＷＤ）および加速器１０２から反射される（ＲＥＦ）ＲＦ出力パルスをサンプリングして、周波数一致条件を検出し、加速器の共振周波数に一致させる必要がある場合にマグネトロン周波数同調器を調整する。代わりに、ＦＷＤ ＲＦ信号をマグネトロン１１０とサーキュレータ１１２との間でサンプリングしてもよく、代わりに、ＲＥＦ ＲＦ信号をサーキュレータ１１２と負荷１１４との間でサンプリングしてもよい。サンプリング時間は、例えば、制御器１３２または他のこのような制御器によって制御され得る。

ＡＦＣ１３６は、市販されている４重極ハイブリッドモジュールおよび調整可能位相器に基づき得る。この種類のＡＦＣは、例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第３，８２０，０３５号に説明されている。説明したこのシステムでは、マイクロ波回路は、反射（「ＲＥＦ」）信号および順方向（「ＦＷＤ」）信号を受容し、種々の相対位相偏移を含む２つの信号のベクトル和を生成する。これらのベクトル和の振幅は、測定され、ＲＦ源周波数を調整する必要性は、電子回路またはソフトウェアによって判断される。ＡＦＣ１３６の出力信号は、マグネトロン１１０の機械的同調器（図示せず）へのフィードバックループにおいて用いられ得る。複数のサイクルを経て、マグネトロン周波数は、加速器の共振周波数に近付く。

２００ｐｐｓから３００ｐｐｓの所望のパルスレートおよびより高速なパルスレートにおいて、マグネトロン１１０の機械的同調が、ＲＦ出力パルス毎の自動周波数制御に応答するのに十分高速ではないことが分かっている。機械的に同調可能なマグネトロン１１０の自動周波数制御は、より遅いパルスレートにおいても不十分であり得る。ゆえに、本発明の本実施形態によると、マグネトロン１１０の機械的同調器は、１種類のみのＲＦ出力パルス、本例では高ＲＦ出力パルスの周波数を一致させるような位置に、ＡＦＣ１３６によって設定されるだけである。

パルス毎にマグネトロン１１０に提供される異なる電圧は、マグネトロン内に異なる電荷密度を引き起こし、これにより、本技術分野において「周波数引き込み」として既知である周波数偏移が引き起こされる。また、異なる電圧は、マグネトロン１１０を異なって加熱し、これも周波数偏移を引き起こし得る。特にパルス毎に一定の磁場で動作する場合に、マグネトロン１１０に提供される電圧パルスの振幅を適切に選択することによって、マグネトロン１１０における周波数偏移が、加速器１０２における共振周波数偏移と同一方向になり、ほぼ同一または同一の量（本例では、約２００ＫＨｚ）を有することが分かっている。最大約１００ＫＨｚの残りの周波数不一致は、位相ワンド１１６の作動により一致され得、位相ワンド１１６は、加速器の共振周波数に向けてマグネトロン周波数をさらに調整する。

図２は、マグネトロン周波数（ＭＨｚ）に対する、ＰＦＮ１２０によってマグネトロン１１０に提供されるＰＦＮ電圧のグラフであって、１４５０ガウスの一定の磁場における、１３ｋＶから２２ｋＶの範囲の電圧および２９９２．０〜２９９９．０ＭＨｚの周波数に関するグラフである。本データは、上述と同一のマグネトロンモデルで収集され、マグネトロンは、この時点では加速器の共振負荷に接続されていない。マグネトロン同調器は、約２２ｋＶのＰＦＮ電圧で２９９８ＭＨｚのＲＦ出力パルスを発生させる位置に固定された。より良好な材料区別を可能にするために、２重エネルギーＸ線画像化において放射線ビーム間に大きなエネルギー分離を有することが望ましくあり得るため、マグネトロンを駆動するように選択されるＰＦＮ電圧が、特定の加速器のために、できるだけかけ離れていることが望ましい。図２に示すように、２１．５ｋＶのＰＦＮ電圧では、マグネトロン周波数は、加速器１０２の公称共振周波数に近い２９９８．０ＭＨｚに同調される。ＰＦＮ電圧が２１．５ｋＶから低下する際に、マグネトロン周波数は、１６．５ｋＶにおいて最大約２００ＫＨｚまで増加する。ＰＦＮ電圧が１６．５ｋＶから１４．５ｋＶに低下する際に、マグネトロン周波数は、約２９９８．２ＭＨｚから約２９９６．５ＭＨｚに降下する。次いで、マグネトロン周波数は、ＰＦＮ電圧が１４．５ｋＶから１３ｋＶに低下する際に、再び上昇および下降する。

上述のように、共振周波数は、高ＲＦ出力パルスから低ＲＦ出力パルスにおいて、本例では約２００ＫＨｚ増加する。１６．５ｋＶから２０ｋＶの電圧領域におけるマグネトロンにおける周波数偏移も周波数を増加させるため、この領域における第２の低ＲＦ出力パルス電圧の選択によって、低ＲＦ出力パルス中に、マグネトロン１１０の周波数を加速器の周波数に少なくとも部分的に一致させることが可能になる。さらなる一致は、位相ワンド１１６の効果により提供され得る。１６．５ｋＶにおける約２００ＫＨｚの周波数増加は、共振周波数偏移に近い一致を提供し、これは、位相ワンド１１６の効果によりさらに改善され得る。本例における高ＲＦ出力パルスの自動周波数制御と組み合わせて、良好な周波数一致がパルス毎に提供される。代わりに、自動周波数制御を使用して、低ＲＦ出力パルス周波数を加速器の共振周波数に一致させてもよく、マグネトロン周波数偏移および位相ワンド１１６を使用して、高ＲＦ出力パルス周波数を加速器の共振周波数に一致させてもよいことに留意されたい。

図３は、図１の放射線源１００の波形および信号タイミングの例である。行Ａは、アナログスイッチ１３０がＨＶＰＳ１１８に提供する電圧波形を示す。行Ｂは、タップ切り替え器１３４が電子銃１０４に提供する電圧波形を示す。行Ｃは、ＰＦＮ１２０全体にわたる電圧波形を示す。行Ｄは、マグネトロン１１０により放出される高出力および低出力ＲＦパルスを示す。行Ｅは、ＦＷＤ信号およびＲＥＷ信号のＡＦＣ１３６サンプリングのタイミングを示す。

各パルスサイクルは、ＨＶＰＳ１１８が前のパルスから回復した時に開始する。時間Ｔ１において、ＨＶＰＳ１１８は、例えば、ＨＶＰＳ電流およびＰＦＮ負荷により決定された速度で、制御Ｖ１ １２６により決定された２２ｋＶ等のピーク電圧にＰＦＮ１２０を充電することを開始する。時間Ｔ１ａにおいて、ＰＦＮ１２０は、ピーク電圧に充電されている。この電圧は、サイラトロン１２４が、ＰＦＮ１２０に貯蔵される電力を、パルス形式で変圧器１２２を通してマグネトロン１１０および銃１０４に放出することを実行および引き起こす時間Ｔ１ｂまで、そのレベルに保持される。時間Ｔ１ｂ前後にＰＦＮ１２０から電力を受信すると、マグネトロン１１０は、ＲＦ出力を発生させ、それを加速器１０２に提供し、電子は、銃１０４から加速器１０２に注入される。注入された電子は、加速器１２０の共振空洞における定在電磁波によって、本例では６ＭｅＶの公称エネルギーに加速され、加速器を出て、ターゲット１０６に激突し、これも時間Ｔ１ｂ前後において、第１の線量率で６ＭＶのエネルギーを有するＸ線放射線の発生が引き起こされる。

また、時間Ｔ１ｂにおいて、ＨＶＰＳ１１８は、その出力が完全に大地に短絡されることを検知し、自己保護を始動し、時間Ｔ１ｂから時間Ｔ２までＰＦＮ１２０の充電を阻止する。また、サイラトロン１２４は、ＰＦＮの放電後に非電導性状態に回復する。

阻止時間が時間Ｔ２において終了した後に、ＨＶＰＳ１１８は、次のパルスを充電する準備が整っている。ほぼ同時に、アナログスイッチ１３０は、ＨＶＰＳ１１８への制御電圧を制御Ｖ１ １２６から制御Ｖ２ １２８に切り替える。また、時間Ｔ２前後に、タップ切り替え器１３４は、タップ１の銃１０４への接続から、タップ２の銃１０４への接続に切り替える。次いで、ＨＶＰＳ１１８は、例えば、制御Ｖ２ １２８により決定された１６ｋＶ等の第２のピーク電圧にＰＦＮ１２０を充電する。時間Ｔ２ａにおいて、ＰＦＮ１２０は、ピーク電圧に充電されている。Ｔ２からＴ２ａまでの時間は、ＰＦＮ１２０が異なる電圧に充電されるため、Ｔ１からＴ１ａまでの時間とは異なり得る。この電圧は、サイラトロン１２４が再び、ＰＦＮ１２０に貯蔵される電力を、変圧器１２２を通してマグネトロン１１０および銃１０４に放出することを実行および引き起こす時間Ｔ２ｂまで、そのレベルに保持される。マグネトロン１１０は、ＲＦ出力を発生させ、それを加速器１０２に提供し、電子は、銃１０４から加速器に注入される。時間Ｔ２ｂにおいて、マグネトロン１１０により発生されたＲＦ出力と、銃１０４から加速器１０２に注入された電子流とは、本例では、前のパルスにおける時間Ｔ１ｂにおいて発生されたＲＦ出力および放出された電子流とは異なる。注入された電子は、加速器１２０によって、本例では３．５ＭｅＶの公称エネルギーに加速され、加速器を出て、ターゲット１０６に激突し、これも時間Ｔ２ｂ前後において、第１の線量率とは異なる第２の線量率で３．５ＭＶのエネルギーを有するＸ線放射線の発生が引き起こされる。

また、時間Ｔ２ｂにおいて、ＨＶＰＳ１１８は、その出力が完全に大地に短絡されることを検知し、自己保護を始動し、ＰＦＮ１２０の充電を阻止する。また、サイラトロン１２４は、ＰＦＮの放電後に非電導性状態に回復する。阻止時間が時間Ｔ３において終了した後に、ＨＶＰＳ１１８は、高ＲＦ出力パルスの発生と、結果として生じる高エネルギー放射線ビームの発生とを引き起こすために、次のパルスを充電する準備が整っている。ほぼ同時に、アナログスイッチ１３０は、制御電圧を制御Ｖ１ １２８から制御Ｖ２ １２６に切り替える。また、時間Ｔ３前後に、タップ切り替え器１３４は、タップ１の銃１０４への接続に切り替え、タップ１に関連した電圧を銃に提供する。高出力ＲＦパルスおよび低出力ＲＦパルスと、異なる線量率を有する高エネルギー放射線ビームおよび低エネルギー放射線ビームを発生させるように、インターレース方式で、必要に応じてパルスサイクルが繰り返される。

アナログスイッチ１３０および銃タップスイッチ１３４は、Ｔ１、Ｔ２等の時間きっかりに切り替える必要はない。切り替えは、より早く発生するようにプログラミングされてもよいが、ＰＦＮ１２０が前のパルスを完全に放電する前に発生するようにプログラミングされない。また、切り替えは、後で発生するようにもプログラミングされてもよいが、ＨＶＰＳ１１８がＰＦＮ１２０を所望の電圧に充電した後に切り替えが発生するようにプログラミングされない。

本例では、３００ｐｐｓのパルスレートにおいて、例えば、ＰＦＮ１２０の高出力パルスＴ１〜Ｔ１ａ、Ｔ３〜Ｔ３ａ ． ． ．の充電時間は、約１．５ミリ秒であり、低出力パルスＴ２〜Ｔ２ａ、Ｔ４〜Ｔ４ａ ． ． ．の充電時間は、約１．１ミリ秒である。各高電圧パルスＴ１〜Ｔ１ｂ、Ｔ３〜Ｔ３ｂ ． ． ．の充電時間および保持時間は、約３．２ミリ秒である。また、各低電圧パルスＴ２〜Ｔ２ｂ、Ｔ４〜Ｔ４ｂ ． ． ．の充電時間および保持時間も、約３．２ミリ秒である。ＰＦＮ１２０が、その貯蔵された電力を、変圧器１２２を通してマグネトロン１１０および銃１０４に放出するのに、約１．５から約５マイクロ秒かかる。エネルギーがＰＦＮ１２０から放出される時間中に、ＲＦ出力は、マグネトロン１１０により発生され、加速器１０２に提供され、電子は、銃１０４から加速器１０２に注入される。ＨＶＰＳ１１８阻止回復時間Ｔ１ｂ〜Ｔ２、Ｔ２ｂ〜Ｔ３、Ｔ３ｂ〜Ｔ４は、それぞれ約１００マイクロ秒である。

１つの高ＲＦ出力パルスの後に１つのＲＦ出力パルス、その後に別の高ＲＦ出力パルスが続く交互の順序が上記に示され、この結果、高エネルギー放射線ビームおよび低エネルギー放射線ビームの交互の順序がもたらされるが、任意の所望の順序を実施してもよい。例えば、交互の順序は、２つの高ＲＦ出力パルスとその後に続く２つの低ＲＦ出力パルスを含んでもよく、または１つの高ＲＦ出力パルスとその後に続く２つの低ＲＦ出力パルス等を含んでもよく、この結果、対応する交互の順序の高エネルギー放射線ビームおよび低エネルギー放射線ビームがもたらされる。

図４は、図１のＨＶＰＳ１１８、ＰＦＮ１２０、およびサイラトロン１２４によって規定された変調器１１７の代わりにソリッドステート変調器（「ＳＳＭ」）２０２を使用して、マグネトロン１１０を所望の電圧レベルで駆動する多重エネルギー放射線源２００の別の例である。図１の例に共通の構成要素は、共通して番号付けられる。制御器１３２は、図面を簡略化するために図示されない。本例では、変圧器は設けられないが、変圧器は任意選択である。ＳＳＭ２０２は、デジタルスイッチを含んでもよく、または別々のスイッチが設けられてもよい（図示せず）。制御器１３２（図示せず）または１つもしくは複数の他のこのような制御器は、上述のように、ＳＳＭ１０２ならびにシステム２００の他の構成要素の動作を制御し得る。ＳＳＭ２０２は、図３の行Ｃに示すＰＦＮ１２０の出力に対応して、パルス電力（一連の高電圧および低電圧パルス）を時間Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂ等で供給し得る。放射線源２００の残りの構成要素およびその動作は、図１と同一であり得る。上述のように、電子銃等の粒子源１０４は、別の電源によって駆動され得る。

図５は、図１および図３に示すマグネトロン１１０の代わりに、クライストロン３０１を使用して加速器３０２を駆動する多重エネルギー放射線源３００の別の例の概略図である。また、放射線源３００は、図１の例のように、電子銃等の荷電粒子源３０４、ターゲット３０６、サーキュレータ３０８、および水等のＲＦ負荷３１０も備える。本例には位相ワンドは必要とされない。図１のシステム１００に示される制御器１３２等の制御器は、図面を簡略化するために図示されない。

また、ＲＦドライバ３１６も、例えば１００Ｗ等の低レベルＲＦ出力をクライストロン３０１に提供するために、クライストロン３１２に連結される。ＲＦドライバ３１６の出力は、本技術分野において既知であるように、電圧源３１８により提供される入力電圧によって制御され得る。また、変調器３２０も、電力のパルスをクライストロンに提供するためにクライストロン３０１に連結される。本例では、銃ドライバ３２２が、必要とされる電圧パルスを銃に提供するために、銃３０４に連結される。

クライストロン３０１は、低レベルＲＦ出力をより高出力に増幅して、加速器３０２を励起する。例えば、クライストロン３０１は、１００Ｗの入力出力を約５ＭＷに増幅し得る。クライストロン３０１の出力ＲＦ出力は、ＲＦドライバ３１６の出力を変動させることによって、または変調器３２０によりクライストロンに提供される電力を変動させることによって（例えば、図１および図３のマグネトロンの例のように）、パルス毎ベースで変動して、加速器３０２に提供される励起ＲＦ出力を変動させることができる。

例えば、２つの異なるレベルのＲＦ出力が、加速器３０２に提供される出力レベルに依存して、ＲＦドライバ３１６によってクライストロン３０１に提供される場合、変調器３２０によりクライストロン３０１に提供される電力パルスは、同一の振幅を有し得る。例えば、ＲＦドライバ３１６からの低レベルＲＦ出力パルスは、６０Ｗおよび１００Ｗであり得、クライストロン３０１からの対応する高レベルＲＦ出力は、３ＭＷおよび５ＭＷであり得る。

ＲＦドライバ３１６によりクライストロン３０１に提供されるＲＦ出力パルスが一定の振幅を有する場合、変調器３２０により提供される電力パルスは、２つの異なる振幅間で変動し得る。

ＲＦドライバ出力周波数は、典型的には、当技術分野において既知であるように、基準電圧によって制御される。本発明の本実施形態によると、２つの自動周波数制御装置（「ＡＦＣ」）３２４、３２６を使用して、高出力パルスおよび低出力パルスについてそれぞれの２つの加速器共振周波数を追跡する。各ＡＦＣ３２４、３２６は、サーキュレータ３０６と加速器との間の位置から、順方向（ＦＷＤ）で加速器３０２に提供されるＲＦ出力と、加速器から反射（ＲＥＦ）されるＲＦ出力とをサンプリングする。代替として、ＡＦＣ３２４、３２６のＦＷＤのＲＦ信号は、クライストロン３０１とサーキュレータ３０８との間でサンプリングされてもよく、ＲＥＦのＲＦ信号は、サーキュレータ３０８と負荷３１０との間でサンプリングされてもよい。

２つのＡＦＣからの基準電圧は、インターレース方式でその周波数を調整するために、ＲＦドライバ３１６に提供され得、高出力パルスＡＦＣ３２４は、高出力ＲＦパルスの発生中に有効であり、低出力パルスＡＦＣ３２６は、低ＲＦ出力パルスの発生中に有効である。高出力パルスＡＦＣ３２４は、高出力パルスが加速器に提供される間に、高出力パルスが加速器３０２の共振周波数に一致するように、ＲＦドライバに送信するべき基準電圧を決定し、低出力パルスＡＦＣ３２６は、低出力パルスが提供される間に、低出力パルスが加速器の共振周波数に一致するように、ＲＦドライバに送信するべき基準電圧を決定する。ＡＦＣスイッチ３２８は、高パルスＡＦＣ３２４と低パルスＡＦＣ３２６とを切り替えて、フィードバックをＲＦドライバ３１６に選択的に提供する。ＡＦＣスイッチ３２８は、入力ノード１と入力ノード２とを切り替えて、上述の制御器等の制御器の制御下で、ＲＦドライバ３１６の周波数制御基準電圧入力を、高パルスＡＦＣ３２４出力および低パルスＡＦＣ３２６出力のそれぞれに接続する。ＡＦＣスイッチ３２８は、上述の制御器等の制御器（図示せず）によって制御されて、所望の速度および所望の時間で切り替えることができる。本システムの他の構成要素の動作も、制御器または他のこのような制御器によって制御され得る。

図６は、図５のＸ線源３００の一例のタイミングおよび波形を示す。行Ａは、ＡＦＣスイッチ３２８の動作を示す。行Ｂは、電圧源２１８からＲＦドライバ３１６へのＲＦ出力制御電圧を示す。行Ｃは、ＲＦドライバ３１６によりクライストロン３０１に提供される低レベルＲＦパルスを示す。行Ｄは、ＰＦＮまたはＳＳＭであり得る変調器３２０によりクライストロン３１２に提供されるパルス電力を示す。行Ｅは、クライストロン３１２により加速器３０２に提供される高レベルＲＦパルスを示す。

クライストロン３１２に提供される低レベルＲＦ信号は、行Ｃにおいて、高パルスと低パルスで交互になる。各パルス間において、ＡＦＣスイッチ３２８は、高パルスＡＦＣ３２４と低パルスＡＦＣ３２６とを切り替える。低レベルＲＦ信号が提供される時と同時に、一定の電力パルスが変調器３１４によってクライストロン３０１に提供される。これによって、異なる電子流を加速器に提供するために銃ドライバ３２２によって銃３０４に提供される交互のレベルの電圧パルス（図６に図示せず）と連携して、交互の高電力パルスおよび低ＲＦ出力パルスが、クライストロン３０１によって加速器３０２に発生および出力される。上述のように、これによって、必要に応じて、異なるエネルギーおよび異なる線量率における高エネルギー放射線ビームおよび低エネルギー放射線ビームが、インターレース方式で発生される。高／低ＲＦパルスおよび高／低エネルギー放射線ビームの異なる交互のパターンが提供されてもよい。

図７は、図５のＸ線源３００の代替駆動スキームを示し、本図面において、ＲＦ出力制御電圧は、行Ｂにおいて一定であり、ＲＦドライバ３１６によりクライストロン３０１に提供される低レベルＲＦパルスは、行Ｃにおいて一定であり、変調器３１４によりクライストロン３０１に提供されるパルス電力は、行Ｄにおいて高電圧と低電圧との間で変動し、対応する高ＲＦ出力パルスおよび低ＲＦ出力パルスは、行Ｅにおいてクライストロン３０１によって発生および出力される。図７の列Ａに示すＡＦＣ切り替えは、図６と同一であり、繰り返して説明しない。ＡＦＣスイッチ３２８は、変調器３１４によりクライストロン３０１に提供される行Ｄに示す高出力パルスと低出力パルスとの間において、高パルスＡＦＣ３２４と低パルスＡＦＣ３２６とを切り替える。上述のように、これによって、必要に応じて、異なるエネルギー率および異なる線量率における高エネルギー放射線ビームおよび低エネルギー放射線ビームが、インターレース方式で発生される。上述のように、高／低ＲＦパルスおよび高／低エネルギー放射線ビームの異なる交互のパターンが提供されてもよい。

また、２つのＡＦＣスイッチおよび１つのＡＦＣスイッチを、電気的に同調されたマグネトロンの周波数を加速器の共振周波数に一致させるために、同様の方式で使用してもよい。周波数は、当技術分野において既知であるように、機械的に同調可能であるマグネトロンにおいてよりも、電気的に同調可能なマグネトロンにおいて、さらにより迅速に調整可能である。図８は、本発明のある実施形態に従う多重エネルギー放射線源の例であり、加速器１０２は、電気的に同調されたマグネトロン１１０ａによって駆動される。図１に示される全ての要素が、本例においても設けられ、共通して番号付けられる。図１の制御器１３２は、図面を簡略化するために図８においては図示されないが、構成要素の動作を制御するために、このような制御器または他のこのような１つもしくは複数の制御器が本例にも設けられることを理解されたい。

図８では、高パルスＡＦＣ１３６として識別されるＡＦＣ１３６に加えて、加速器１０２から反射された低ＲＦ出力パルスを検出するために、低パルスＡＦＣ１３８も設けられる。高パルスＡＦＣ１３６および低パルスＡＦＣ１３８は、制御電圧をＡＦＣスイッチ１４０に提供する。スイッチ１４０は、高ＲＦ出力パルスおよび低ＲＦ出力パルスがそれぞれ発生する際にマグネトロンの周波数を調整するために、各ＡＦＣ１３６、１３８から電気的に同調可能なマグネトロンに適切な基準電圧を提供することを切り替える。ＡＦＣスイッチ１４０は、適切な時間に切り替えるために、制御器１３２（図８において図示せず）または他のこのような制御器によって制御される。また、高パルスＡＦＣ１３６および低パルスＡＦＣ１３８も、図５のシステムに基づくクライストロンに関連して上述したように、反射されたＲＦ出力を適切な時間にサンプリングするために、制御器１３２によって制御される。また、位相ワンド１１６も、高ＲＦ出力パルスおよび低ＲＦ出力パルスについて、マグネトロン周波数を加速器共振周波数に一致させることを支援する。異なる電子流を加速器に提供するためにラップ切り替え器１３４により銃１０４に提供される交互のレベルの電圧パルスと連携して、交互の高ＲＦ出力パルスおよび低ＲＦ出力パルスが、マグネトロン１１０ａによって加速器１０２に発生および出力される。上述のように、これによって、必要に応じて、異なる線量率における高エネルギーおよび低エネルギー放射線ビームが、インターレース方式で発生される。上述のように、高／低ＲＦパルスおよび高／低エネルギー放射線ビームの異なる交互のパターンが提供されてもよい。

２つの異なるエネルギーにおける放射線ビームを発生させることに関連して上記に説明したが、図１のシステムは、３つ以上の異なる制御電圧をＨＶＰＳ１１８に提供することによって、３つ以上のエネルギーにおける放射線ビームを発生せるように構成されてもよい。図１では、例えば、マグネトロン１１０が機械的に同調される場合、ＡＦＣ１３６は、これらのＲＦ出力レベルのうちの１つにおけるＲＦ出力パルスの周波数を能動的に調整するように構成されてもよく、一方、マグネトロン１１０は、加速器１０２の共振周波数偏移に一致させる他のＲＦ出力パルスを発生させる間に周波数偏移を受けるように動作されてもよい。電圧の駆動は、例えば、低出力ＲＦパルスに関連して上述したように、２つの他の電力レベルについて選択されてもよい。また、位相ワンド１１６は、マグネトロン周波数を加速器共振周波数に一致させることも支援し得る。また、銃１０４にも、線量率を変動させるように、必要に応じて、異なる放射線ビームエネルギー毎に追加の電圧が提供され得る。エネルギーパルスは、所望のパターンで異なるエネルギーの放射線ビームの発生を引き起こすために、任意の所望の順序で発生されてもよい。

クライストロン３０１または電気的に同調されるマグネトロン１１０ａを、図５および図８のように、それぞれＲＦ出力源として使用する場合、追加のＡＦＣを提供して、追加の出力レベル毎に出力パルスの周波数を調整してもよい。ＡＦＣスイッチ３２８、１４０は、所望のパターンで出力ＲＦ出力レベルと同期して、基準電圧をＲＦドライバ３１６またはマグネトロン１１０ａに供給するように構成または制御され得る。

以下の請求項により定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、他の変更を上述の実施形態に加えてもよいことを当業者は認識する。

Claims (24)

1. 加速器を動作する方法であって、
   第１の出力（power）及び第１の周波数を有する第１の無線周波数出力パルスを発生させるステップと、
   前記第１の出力とは異なる第２の出力（power）及び前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２の無線周波数出力パルスを発生させるステップと、
   前記第１及び第２の無線周波数出力パルスを単一の加速器の共振空洞に、所定の順序で提供するステップと、
   前記第１の無線周波数出力パルスを前記加速器に提供する間、第１の荷電粒子を前記加速器の前記共振空洞に提供するステップと、
   前記第１の無線周波数出力パルスを前記加速器に提供する間、前記第１の荷電粒子を、第１の共振周波数で第１のエネルギーに加速するステップと、
   前記第１の無線周波数出力パルスを前記加速器に提供する間、前記第１の無線周波数出力パルスの前記第１の周波数を、前記加速器の第１の共振周波数に一致させるステップと、
   前記第２の無線周波数出力パルスを前記加速器に提供する間、第２の荷電粒子を前記加速器の前記共振空洞に提供するステップと、
   前記第２の無線周波数出力パルスを前記加速器に提供する間、前記第２の荷電粒子を、前記第１のエネルギーとは異なる第２のエネルギーに加速するステップと、
   前記第２の無線周波数出力パルスを前記加速器に提供する間、前記第２の無線周波数出力パルスの前記第２の周波数を、前記第１の共振周波数とは異なる前記加速器の第２の共振周波数に一致させるステップと、
   を含む、方法。
2. 第１の電気出力と、当該第１の電力出力とは異なる第２の電気出力とを、出力発生器に順番に提供し、少なくとも部分的には前記第１及び第２の電力出力に基づいて、前記出力発生器により、前記第１及び第２の無線周波数出力パルスを順番に発生することにより、前記第１及び第２の無線周波数出力パルスを発生させるステップ
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 出力発生器は、機械的に同調可能なマグネトロンを備え、
   前記マグネトロンの前記第１の周波数を、前記第１の周波数のみの自動周波数制御によって、前記加速器の前記第１の共振周波数に一致させるステップと、
   前記第２の無線周波数出力パルスを発生させている間、前記加速器における第２の共振周波数の周波数偏移に、前記マグネトロンにおける周波数偏移を一致させる電圧で前記マグネトロンを駆動することにより、前記第２の無線周波数出力パルスの第２の周波数を、前記加速器の前記第２の共振周波数に少なくとも部分的に一致させるステップと
   を含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 位相ワンドにより、前記第２の無線周波数出力パルスの前記第２の周波数を、前記第２の共振周波数に一致させるステップ
   を更に含む、請求項３に記載の方法。
5. 出力発生器は、クライストロン又は電気的に同調可能なマグネトロンを備え、
   前記方法は、
   前記第１の無線周波数出力パルスの前記第１の周波数を、第１の自動周波数制御器によって、前記加速器の第１の共振周波数に一致させるステップと、
   前記第２の無線周波数出力パルスの前記第２の周波数を、前記第１の自動周波数制御器とは異なる第２の自動周波数制御器によって、前記第２の共振周波数に一致させるステップと
   を含む、請求項１又は２に記載の方法。
6. 前記出力発生器は、無線周波数出力源により駆動されるクライストロンを有し、
   前記方法は、
   前記第１の無線周波数出力パルスを前記加速器に提供する間、前記第１の自動周波数制御器により、前記無線周波数出力源の第１の出力周波数を前記加速器の前記第１の共振周波数に一致させることによって、前記第１の無線周波数出力パルスの前記第１の周波数を前記加速器の前記第１の共振周波数に一致させるステップと、
   前記第２の無線周波数出力パルスを前記加速器に提供する間、前記第２の自動周波数制御器により、前記無線周波数出力源の第２の出力周波数を前記加速器の前記第２の共振周波数に一致させることによって、前記第２の無線周波数出力パルスの前記第２の周波数を前記加速器の前記第２の共振周波数に一致させるステップと
   を含む、請求項５に記載の方法。
7. 荷電粒子源により前記第１の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供される間、第１のビーム電流において、前記第１の荷電粒子を前記加速器の前記共振空洞に提供するステップと、
   前記荷電粒子源により前記第２の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供される間、前記第１のビーム電流とは異なる第２のビーム電流において、前記第２の荷電粒子を前記加速器の前記共振空洞に提供するステップと
   を更に含む、請求項２〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記荷電粒子源を、第１の電気出力と当該第１の電力出力とは異なる第２の電気出力により順番に駆動することにより、前記第１の荷電粒子及び前記第２の荷電粒子を提供するステップ
   を含む、請求項７に記載の方法。
9. 第１の所定数の第１の無線周波数出力パルスと、これに続く第２の所定数の第２の無線周波数出力パルスを含む交互シーケンスにおいて、前記第１及び第２の無線周波数出力パルスを前記単一の加速器の前記共振空洞に提供するステップ
   を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記第１及び第２の所定数は１である、請求項９に記載の方法。
11. 前記第１の無線周波数出力パルス及び前記第２の無線出力パルスをそれぞれ生成するために、第１の電力出力及び当該第１の電力出力と異なる第２の電力出力を、第１の電力出力源によって前記出力発生器に提供するステップと、
    前記第１の荷電粒子及び前記第２の荷電粒子をそれぞれ提供するために、第３の電力出力及び当該第３の電力出力と異なる第４の電力出力を、第２の電力出力源によって前記荷電粒子源に提供するステップと
    を含む、請求項３に記載の方法。
12. 前記第１及び第２の電力出力原は同じである、請求項１１に記載の方法。
13. 加速された前記第１の荷電粒子をターゲットに衝突させて、第１のエネルギーの放射線を発生させるステップと、
    前記第２の荷電粒子を前記ターゲットに衝突させて、前記第１のエネルギーとは異なる第２のエネルギーを有する放射線を発生させるステップと
    を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 多重エネルギー放射線源であって、
    荷電粒子を加速するための共振空洞を有する加速器と、
    荷電粒子を前記加速器の前記共振空洞に提供するために前記加速器に連結される荷電粒子源と、
    加速された前記荷電粒子との衝突により放射線の発生が引き起こされる、前記加速器の下流にあるターゲットと、
    第１の無線周波数出力パルスと、当該第１の無線周波数出力パルスとは異なる出力（power）及び周波数を有する第２の無線周波数出力パルスとを、前記加速器の前記共振空洞に対して選択的に提供するために前記加速器に連結される出力発生器と、
    前記第１の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供されている間、前記出力発生器の第１の周波数を前記加速器の第１の共振周波数に一致させる第１の手段と、
    前記第２の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供されている間、前記出力発生器の第２の周波数を前記加速器の第２の共振周波数に一致させる、前記第１の手段とは異なる第２の手段と、
    を備え、
    前記加速器は、前記第１の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供されるとき、前記荷電粒子源により供給される第１の電子を、第１の共振周波数で、第１のエネルギーに加速し、前記第２の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供されるとき、前記荷電粒子源により供給される第２の電子を、前記第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数で、前記第１のエネルギーとは異なる第２のエネルギーに加速し、
    前記第１の荷電粒子の前記ターゲットに対する衝突により、第１のエネルギーの放射線が発生され、前記第２の荷電粒子の前記ターゲットに対する衝突により、前記第１のエネルギーとは異なる第２のエネルギーの放射線が発生される、
    多重エネルギー放射線源。
15. 前記出力発生器を第１の電気出力で駆動して、前記第１の無線周波数出力パルスを発生すると共に、前記出力発生器を前記第１の電気出力とは異なる第２の電気出力で駆動して、前記第２の無線周波数出力パルスを発生する変調器
    を更に含む、請求項１４に記載の多重エネルギー放射線源。
16. 前記変調器は、少なくとも第１及び第２の異なる電圧を前記荷電粒子源に選択的に提供するように構成されると共に、少なくとも第１及び第２の異なる粒子電流を前記加速器に提供するように構成されており、
    前記第１の電圧は、前記第１の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供される間、前記第１の荷電粒子を前記共振空洞に提供するために、前記荷電粒子源に提供され、
    前記第２の電圧は、前記第２の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供される間、前記第２の荷電粒子を前記共振空洞に提供するために、前記荷電粒子源に提供される
    請求項１５に記載の多重エネルギー放射線源。
17. 前記出力発生器は、機械的に同調可能なマグネトロンを備え、
    前記第１の手段は、自動周波数制御器を有し、
    前記第２の手段は、前記加速器における前記第２の共振周波数の周波数偏移に、前記マグネトロンにおける周波数偏移を少なくとも部分的に一致させる電気出力により、前記機械的に同調可能なマグネトロンを駆動するように構成された前記変調器を有する
    請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の多重エネルギー放射線源。
18. 前記マグネトロンと前記加速器の間に位置し、前記加速器から前記マグネトロンに反射出力を提供して、前記マグネトロンの周波数を前記加速器の前記共振周波数に一致させる位相ワンド
    を更に含む、請求項１６に記載の多重エネルギー放射線源。
19. 前記出力発生器は、クライストロン又は電気的に同調可能なマグネトロンを備え、
    前記第１の手段は、第１の自動周波数制御器を有し、
    前記第２の手段は、前記第１の自動周波数制御器とは異なる第２の自動周波数制御器を有する
    請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の多重エネルギー放射線源。
20. 前記出力発生器はクライストロンを有し、
    更に、前記多重エネルギー放射線源は、
    第３の無線周波数出力パルスを前記クライストロンに提供し、前記クライストロンによって前記第１の無線周波数出力パルスを発生させると共に、前記第３の無線周波数出力パルスとは異なる第４の無線周波数出力パルスを前記クライストロンに提供し、前記クライストロンによって前記第２の無線周波数出力パルスを発生させる、無線周波数出力源を有し、
    前記第１の手段は、前記第１の無線周波数出力パルスを発生する間、前記無線周波数出力源に選択的に連結される第１の自動周波数制御器を有し、
    前記第２の手段は、前記第２の無線周波数出力パルスを発生する間、前記無線周波数出力源に選択的に連結される、前記第１の自動周波数制御器とは異なる第２の自動周波数制御器を有する
    請求項１９に記載の多重エネルギー放射線源。
21. 前記第１の自動周波数制御器と前記第２の自動周波数制御器を選択的に切り替えるスイッチ
    を更に含む、請求項１４〜２０のいずれか１項に記載の多重エネルギー放射線源。
22. 前記変調器は、少なくとも第１及び第２の異なる電圧を前記荷電粒子源に選択的に提供するように構成され、
    前記第１の電圧は、第１の荷電粒子ビーム電流を前記加速器に提供するために、前記第１の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供される間、前記荷電粒子源に提供され、
    前記第２の電圧は、前記第１の荷電粒子ビーム電流とは異なる第２の荷電粒子ビーム電流を前記加速器に提供するために、前記第２の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供される間、前記荷電粒子源に提供される
    請求項１５〜２１のいずれか１項に記載の多重エネルギー放射線源。
23. 前記変調器から分離され、かつ、前記荷電粒子源に連結される電気出力源を更に有し、
    前記電気出力源は、少なくとも第１及び第２の異なる電圧を前記荷電粒子源に選択的に提供するように構成され、
    前記第１の電圧は、第１の荷電粒子ビーム電流を提供するために、前記第１の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供される間、前記荷電粒子源に提供され、
    前記第２の電圧は、前記第１の荷電粒子ビーム電流とは異なる第２の荷電粒子ビーム電流を提供するために、前記第２の無線周波数出力パルスが前記加速器に提供される間、前記荷電粒子源に提供される
    請求項１５〜２２のいずれか１項に記載の多重エネルギー放射線源。
24. 前記荷電粒子源は、前記加速器に連結され、前記加速器に電子を提供する電子銃を有する
    請求項１４〜２３のいずれか１項に記載の多重エネルギー放射線源。

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