KR20080059395A

KR20080059395A - Sequentially pulsed traveling wave accelerator

Info

Publication number: KR20080059395A
Application number: KR1020087009514A
Authority: KR
Inventors: 조지 제이. 카포라소; 스코트 디. 넬슨; 브라이언 풀리
Original assignee: 로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2008-06-27
Also published as: EP1946624B1; JP5496511B2; JP2009512985A; CA2627311A1; CN101406110B; AU2006348161A1; CN101406110A; WO2008033149A2; WO2008033149A3; EP1946624A2

Abstract

A sequentially pulsed traveling wave compact accelerator having two or more pulse forming lines each with a switch for producing a short acceleration pulse along a short length of a beam tube, and a trigger mechanism for sequentially triggering the switches so that a traveling axial electric field is produced along the beam tube in synchronism with an axially traversing pulsed beam of charged particles to serially impart energy to the particle beam.

Description

Sequentially pulsed traveling wave accelerator {SEQUENTIALLY PULSED TRAVELING WAVE ACCELERATOR}

본 발명은, 선형 가속기(linear accelerator)에 관한 것이다. 더 구체적으로 말하면, 본 발명은, 스위치를 순차적으로 트리거링해서, 선형 가속기의 펄스 형성 라인(pulse-forming line)을 통해 전기적 파면(electric wavefront)을 상이하게 전파함으로써, 대전 입자(charged particles)의 축 방향으로 가로지르는 펄스화 빔에 동기하여, 선형 가속기의 빔 튜브(beam tube)를 따라 진행하는 축 방향의 전기적 필드(traveling axial electrical field)를 발생시키고, 입자 빔(particle beam)에 에너지를 연속으로 부여할 수 있는, 순차적으로 펄스화된 진행파 가속기에 관한 것이다. The present invention relates to a linear accelerator. More specifically, the present invention is directed to the axis of charged particles by sequentially triggering the switches to propagate the electrical wavefront differently through the pulse-forming line of the linear accelerator. In synchronism with the pulsed beam traversing in the direction, it generates a traveling axial electrical field that travels along the beam tube of the linear accelerator and continuously transmits energy to the particle beam. A progressively pulsed traveling wave accelerator that can be imparted.

선출원의 인용Citation of an earlier application

본 출원은, 2004년 1월 15일에 제출된 가출원 제60/536,943호의 우선권을 주장하는, 2005년 1월 14일에 제출된 선출원 제11/036,431호의 일부계속 출원이며, 또한 본 출원은, 2005년 10월 24일에 제출된 미국 가출원 제60/730,128호, 제60/730,129호, 및 제60/730,161호와 2006년 5월 4일에 제출된 미국 가출원 제60/798016호의 우선권을 주장한다. 이들 특허 문헌의 내용을 본원에 인용하여 원용한다. This application is part of the prior application No. 11 / 036,431 filed on January 14, 2005, which claims priority to provisional application 60 / 536,943, filed on January 15, 2004. Claims priority of US Provisional Application Nos. 60 / 730,128, 60 / 730,129, and 60 / 730,161, filed October 24, 2008, and US Provisional Application No. 60/798016, filed May 4, 2006. The contents of these patent documents are incorporated herein by reference.

입자 가속기(particle accelerator)는, 전자, 양자, 또는 대전된 원자핵 등과 같이 전기적으로 대전된(electrically-charged) 원자 입자의 에너지를 증가시키는데에 사용되며, 원자핵 물리학자와 입자 물리학자에 의한 연구 대상이 되고 있다. 높은 에너지를 갖는 전기적으로 대전된 원자 입자를 가속시켜서 목표 원자와 충돌하도록 하고, 그 결과의 산물을 검출 장치를 사용하여 관찰한다. 매우 높은 에너지에서, 대전 입자는, 목표 원자의 핵을 깨뜨려서, 물질의 다른 기본 단위와 상호작용을 행할 수 있다. 입자 가속기는 또한, 암 치료와 같은 의료적 응용 분야에서뿐만 아니라 핵융합 장치를 개발하기 위한 중요한 도구이다. Particle accelerators are used to increase the energy of electrically-charged atomic particles, such as electrons, protons, or charged atomic nuclei, and have been studied by atomic physicists and particle physicists. It is becoming. The electrically charged atomic particles with high energy are accelerated to collide with the target atoms and the resulting product is observed using a detection device. At very high energies, charged particles can interact with other basic units of matter by breaking the nuclei of target atoms. Particle accelerators are also an important tool for developing fusion devices as well as in medical applications such as cancer therapy.

입자 가속기의 한가지 종류가 Carder에게 허여된 미국 특허 제5,757,146호에 개시되어 있다. 이 특허 문헌에서는, 대전 입자를 가속하기 위해 고속 전기 펄스를 발생시키는 방법을 개시하고 있으며, 그 전체 내용을 본원에 인용하여 원용한다. 미국 특허 제5,757,146호에는, 스위칭 작용에 의해 고전압을 발생시키는 일련의 적층된 원형 모듈로 구성된 유전성 벽면 가속기(DWA: dielectric wall accelerator)를 개시하고 있다. 이들 각각의 모듈을 비대칭 블럼레인(asymmetric Blumlein)이라고 부르며, 이에 대해서는 미국 특허 제2,465,840호에 개시되어 있다. 이 특허 문헌의 내용을 본원에 인용하여 원용한다. 미국 특허 제5,757,146호의 도 4A-4B에 가장 잘 나타낸 바와 같이, 비대칭 블럼레인은 2개의 상이한 유전체 층을 포함하여 구성되어 있다. 이 2개의 유전체 층의 각 표면 위와 유전체 층들 사이에는, 2개의 평행 판 방사형 전송 라인(parallel plate radial transmission line)을 형성하는 도체(conductor)가 배치된다. 이러한 구조체의 한쪽을 저속 라인(slow line)이라 하고, 다른 쪽을 고속 라인(fast line)이라 한다. 고속 라인과 저속 라인 사이의 중앙 전극은, 초기에 높은 전위로 충전된다. 이들 2개의 라인은 반대의 극성을 가지기 때문에, 비대칭 블럼레인의 내경(ID: inner diameter) 양단에는 순 전압(net voltage)이 걸리지 않는다. 표면 섬락(surface flashover)이나 이와 유사한 스위칭에 의해 앞서 언급한 구조체의 외측 양단을 단락(short circuit)시키면, 비대칭 블럼레인의 내경(ID)을 향해 안쪽으로 방사형으로 전파하는 2개의 역 극성파(reverse polarity wave)가 생긴다. 고속 라인에서의 극성파는, 저속 라인에서의 극성파가 구조체의 내경에 도달하기 전에 구조체의 내경에 도달한다. 고속 라인에서의 극성파인 고속파가 구조체의 내경에 도달하면, 해당 라인에서만 반전된 극성이 존재함으로써, 비대칭 블럼레인의 내경의 양단에 순 전압이 걸리게 된다. 이러한 고전압은, 저속 라인에서의 극성파가 구조체의 내경에 최종적으로 도달할 때까지 지속될 것이다. 가속기(accelerator)의 경우, 이 기간 동안, 대전된 입자 빔이 주입되어 가속될 수 있다. 이러한 방식에서, 미국 특허 제5,757,146호에 개시된 유전성 벽면 가속기(DWA)는, 높은 가속도 구배(acceleration gradients)를 달성하기 위해 전체 구조체의 위에 연속하는 축 방향의 가속 필드(axial accelerating field)를 제공한다. One type of particle accelerator is disclosed in US Pat. No. 5,757,146 to Carder. This patent document discloses a method for generating a high speed electric pulse to accelerate charged particles, the entire contents of which are incorporated herein by reference. U.S. Patent 5,757,146 discloses a dielectric wall accelerator (DWA) consisting of a series of stacked circular modules that generate a high voltage by a switching action. Each of these modules is called an asymmetric Blumlein, which is disclosed in US Pat. No. 2,465,840. The contents of this patent document are incorporated herein by reference. As best shown in FIGS. 4A-4B of US Pat. No. 5,757,146, the asymmetric blurlane comprises two different dielectric layers. On each surface of these two dielectric layers and between the dielectric layers, conductors are formed which form two parallel plate radial transmission lines. One of these structures is called a slow line and the other is called a fast line. The center electrode between the high speed line and the low speed line is initially charged to a high potential. Since these two lines have opposite polarities, there is no net voltage across the inner diameter (ID) of the asymmetric blurlane. The short circuit of the outer ends of the aforementioned structures by surface flashover or similar switching results in two reverse polar waves propagating radially inwards towards the inner diameter (ID) of the asymmetric blurlane. polarity waves). The polar wave in the high speed line reaches the inner diameter of the structure before the polar wave in the low speed line reaches the inner diameter of the structure. When the high-speed wave, which is a polar wave in the high-speed line, reaches the inner diameter of the structure, the inverted polarity exists only in the line, thereby applying a forward voltage across the inner diameter of the asymmetric blurlane. This high voltage will last until the polar wave in the low speed line finally reaches the inner diameter of the structure. In the case of an accelerator, a charged particle beam may be injected and accelerated during this period. In this manner, the dielectric wall accelerator (DWA) disclosed in US Pat. No. 5,757,146 provides a continuous axial accelerating field over the entire structure to achieve high acceleration gradients.

그러나, 미국 특허 제5,757,146호에 개시된 DWA와 같은 기존의 유전성 벽면 가속기는, 빔 품질과 성능에 영향을 미칠 수 있는 고유의 문제점들이 있다. 특히, 그 중 몇 가지 문제점은, 미국 특허 제5,757,146호에 개시된 DWA의 디스크형 구 조(disc-shaped geometry)에 있는데, 이러한 디스크형 구조는 장치 전체를 대전 입자를 가속화하는 용도로는 최적으로 사용할 수 없다. 중앙에 홀이 있는 평평한 평면 도체에 의해, 전파 파면이 그 중앙 홀에 방사형으로 집중된다. 이러한 구조에서, 파면(wavefront)은, 출력 펄스를 왜곡시킬 수 있으며, 규정된 시간 종속적 에너지 이득이 전기적 필드를 횡단하는 대전된 입자 빔에 부여되지 못하도록 할 수 있는 가변 임피던스(varying impedance)를 나타낸다. 대신에, 이러한 구조에 의해 생성되는 전기적 필드를 횡단하는 대전된 입자 빔은, 시간에 따라 변하는, 즉 시간 가변적 에너지 이득을 회수할 것이다. 이에 의해, 가속기 시스템은 대전된 입자 빔을 적절하게 운반할 수 없을 수 있으며, 이러한 대전 입자 빔의 사용이 제한될 수 있다. However, existing dielectric wall accelerators such as DWA disclosed in US Pat. No. 5,757,146 have inherent problems that can affect beam quality and performance. In particular, some of the problems are the disc-shaped geometry of DWA disclosed in US Pat. No. 5,757,146, which is best used for accelerating charged particles throughout the device. Can't. By a flat planar conductor with a hole in the center, the wave front is radially concentrated in the center hole. In such a structure, the wavefront exhibits a varying impedance that can distort the output pulses and prevent the defined time dependent energy gain from imparting to the charged particle beam traversing the electrical field. Instead, charged particle beams traversing the electrical field produced by this structure will recover time varying, ie time varying energy gains. Thereby, the accelerator system may not be able to adequately carry the charged particle beam, and the use of such charged particle beam may be limited.

또한, 이러한 구조의 임피던스는 필요로 하는 양보다 훨씬 낮을 수 있다. 예를 들어, 요구되는 가속도 구배를 유지하면서, 대략 밀리암페어(milliamps) 이하의 빔을 생성하는 것이 매우 바람직한 경우가 있다. 미국 특허 제5,757,146호의 디스크형 블럼레인 구조는 과도한 전기 에너지를 가속기 시스템 내에 저장해버릴 수 있다. 이러한 명백한 전기적 비효율성 외에도, 가속기 시스템이 개시될 때 입자 빔에 전달되지 않는 에너지가, 미국 특허 제5,757,146호의 구조체에 남아 있을 수 있다. 이러한 과도한 에너지는, 장치 전체의 성능과 신뢰도에 불리한 영향을 미칠 수 있으며, 가속기 시스템의 조기 파손을 일으킬 수 있다. In addition, the impedance of this structure can be much lower than the required amount. For example, in some cases it is highly desirable to produce beams of approximately milliamps or less, while maintaining the required acceleration gradient. The disc-shaped Blumlane structure of US Pat. No. 5,757,146 can store excessive electrical energy in the accelerator system. In addition to this apparent electrical inefficiency, energy may be left in the structure of US Pat. No. 5,757,146 that is not delivered to the particle beam when the accelerator system is disclosed. This excessive energy can adversely affect the performance and reliability of the device as a whole and can lead to premature failure of the accelerator system.

중앙에 홀을 가진 평평한 평면 도체(예컨대, 디스크형)가 갖는 문제점은, 전극의 외측 외주가 크게 연장되어 있다는 것이다. 따라서, 블럼레인 구조체를 초기 화(initiate)하기 위한 병렬 스위치(parallel switch)의 수가 그 외주에 의해 정해진다. 예를 들어, 직경이 6인치인 경우, 10 ns 이하의 펄스를 생성하기 위해 사용되는 장치는, 적어도 디스크형 비대칭 블럼레인 층(disc-shaped asymmetric Blumlein layer)당 10개의 스위치 지점을 필요로 한다. 이 문제점은, 긴 가속 펄스가 요구될 때에는 더 복잡해지는데, 이는 이러한 디스크형 블럼레인 구조체의 출력 펄스 길이가 중앙 홀로부터 방사형의 넓이에 직접 관련되기 때문이다. 따라서, 긴 펄스 폭이 요구됨에 따라, 이에 대응해서 스위치 지점이 증가하게 된다. 스위치를 초기화하는 바람직한 실시예는 레이저 또는 그외 다른 유사한 장치를 사용하기 때문에, 꽤 복잡한 분산 시스템이 요구된다. 또한, 긴 펄스 구조는 대형의 유전체 시트를 필요로 하기 때문에, 제조가 어려우며, 구조체가 무거워질 수 있다. 예를 들어, 앞서 예를 든 구성에서, 50 ns의 펄스를 전달하는 장치의 무게는 미터당 몇 톤이나 될 수 있다. 긴 펄스의 단점 중 몇몇은 비대칭 블럼레인에서 모두 3개의 도체 내에 나선형 그루브(spiral groove)를 사용함으로써 경감시킬 수 있지만, 파괴 간섭형 층간 결합(destructive interference layer-to-layer coupling)이 생겨서 동작을 방해할 수 있다. 즉, 스테이지(stage)당 크게 감소된 펄스 진폭(즉, 에너지)을 구조체가 출력할 수 있다. A problem with flat planar conductors (eg disc-shaped) with holes in the center is that the outer circumference of the electrode is greatly extended. Thus, the number of parallel switches for initializing the Blumlane structure is determined by its periphery. For example, if the diameter is 6 inches, the device used to generate pulses of 10 ns or less requires at least 10 switch points per disc-shaped asymmetric Blumlein layer. This problem is further complicated when long acceleration pulses are required, since the output pulse length of such disc-shaped Blumlane structures is directly related to the radial width from the central hole. Thus, as long pulse widths are required, the switch points correspondingly increase. Since the preferred embodiment of initializing the switch uses a laser or other similar device, a fairly complex distribution system is required. In addition, since the long pulse structure requires a large dielectric sheet, it is difficult to manufacture and the structure can be heavy. For example, in the above example configuration, a device delivering a pulse of 50 ns may weigh several tons per meter. Some of the shortcomings of long pulses can be alleviated by the use of spiral grooves in all three conductors in an asymmetrical Blumlane, but destructive interference layer-to-layer coupling creates interference can do. That is, the structure can output a greatly reduced pulse amplitude (ie, energy) per stage.

또한, 다양한 유형의 가속기가 양자 빔을 사용하는 암 치료 등의 의료적 요법 치료 장치에서 특별한 용도로 개발되어 왔다. 예를 들어, Cole 등에게 허여된 미국 특허 제4,879,287호에는, 미국 캘리포니아주 로마 린다(Loma Linda)에 소재한 Loma Linda University Proton Accelerator Facility에 사용된 멀티스테이션 양자 빔 치료 시스템을 개시하고 있다. 이 시스템에서는, 시설 내의 한 지점에서 입자 소스 발생이 이루어지며, 시설의 다른 위치에서 가속이 이루어진다. 또, 환자는 시설의 또 다른 위치에 있게 된다. 입자 소스, 가속, 및 표적이 서로 멀리 떨어져 있기 때문에, 대형의 편향 자석(bending magnet)을 가진 복합 갠트리 시스템(complex gantry system)을 사용하여 입자 운반(particle transport)이 이루어진다. 의료 치료 분야에 알려진 다른 대표적인 시스템은, Bertsche에게 허여된 미국 특허 제6,407,505호와 Blosser 등에게 허여된 미국 특허 제4,507,616호에 개시되어 있다. 미국 특허 제6,407,505호에는 정현파 RF 선형 가속기가 개시되어 있으며, 미국 특허 제6,507,616호에는 서포트 구조체(support structure) 상에 회전가능하게 설치된 초전도 사이클로트론(superconducting cyclotron)이 개시되어 있다. In addition, various types of accelerators have been developed for special use in medical therapy treatment devices, such as cancer therapy, using quantum beams. For example, US Pat. No. 4,879,287 to Cole et al. Discloses a multistation quantum beam therapy system used at the Loma Linda University Proton Accelerator Facility in Rome Linda, California, USA. In this system, particle source generation occurs at one point in the facility, and acceleration occurs at another location in the facility. In addition, the patient is at another location in the facility. Since the particle sources, accelerations, and targets are far from each other, particle transport is accomplished using a complex gantry system with a large bending magnet. Other exemplary systems known in the field of medical treatment are disclosed in US Pat. No. 6,407,505 to Bertsche and US Pat. No. 4,507,616 to Blosser et al. U. S. Patent No. 6,407, 505 discloses a sinusoidal RF linear accelerator and U. S. Patent No. 6,507, 616 discloses a superconducting cyclotron rotatably mounted on a support structure.

또한, 일정한 볼륨(volume) 내의 저압 가스(low pressure gas)로부터 플라즈마 방전(plasma discharge)을 발생시키는 이온 소스(ion source)가 알려져 있다. 이러한 볼륨으로부터, 이온이 추출되어 가속을 위해 가속기 내에 시준(collimate)된다. 이러한 시스템은, 추출된 전류 밀도가 평방 미터당 0.25A(0.25A/cm²) 이하로 제한되는 것이 일반적이다. 이처럼 전류 밀도가 낮은 것은, 추출 계면(extraction interface)에서의 플라즈마 방전의 세기(intensity)에 부분적으로 기인한다. 본 기술분야에 알려진 이온 소스의 한가지 예가 Leung 등에게 허여된 미국 특허 제6,985,553호에 개시되어 있는데, 이 이온 소스는 극초단 이온 펄스(ultra-short ion pulse)를 생성하도록 구성된 추출 시스템을 구비한다. Wahlin에게 허여된 미 국 특허 제6,759,807호에 개시된 다른 예는, 추출 그리드(extraction grid), 가속 그리드(acceleration grid), 포커스 그리드(focus grid), 및 차폐 그리드(shield grid)를 구비해서 고도로 시준된 이온 빔을 생성하는 다중 그리드(multi-grid) 이온 빔 소스를 개시하고 있다. Also known are ion sources that generate plasma discharge from low pressure gas in a constant volume. From this volume, ions are extracted and collimated in the accelerator for acceleration. In such a system, the extracted current density is typically limited to 0.25 A (0.25 A / cm ² ) or less per square meter. This low current density is due in part to the intensity of the plasma discharge at the extraction interface. One example of an ion source known in the art is disclosed in US Pat. No. 6,985,553 to Leung et al., Which has an extraction system configured to produce ultra-short ion pulses. Another example disclosed in US Pat. No. 6,759,807 to Wahlin is a highly collimated with an extraction grid, an acceleration grid, a focus grid, and a shield grid. A multi-grid ion beam source for generating an ion beam is disclosed.

본 발명의 한가지 특징은, 가속 축(acceleration axis)을 둘러싸는, 길이 L의 유전체 빔 튜브(dielectric beam tube); 유전체 빔 튜브에 횡 방향으로 접속된 둘 이상의 펄스 형성 라인(pulse-forming line)으로서, 각각의 펄스 형성 라인이, 다른 펄스 형성 라인에 독립해서, 펄스 형성 라인을 통해 하나 이상의 전기적 파면(electrical wavefront)을 전파시키기 위한 고전압 전위에 접속가능한 스위치를 각각 가짐으로써, 유전체 빔 튜브의 대응하는 단축(shot axial) 길이 δL을 따라 펄스 폭 τ의 짧은 가속 펄스를 생성하는, 펄스 형성 라인; 및 대전 입자(charged particles)의 축 방향으로 가로지르는 펄스화 빔(axially traversing pulsed beam)과 동기해서 유전체 빔 튜브를 따라 축 방향으로 진행하는 전기적 필드(electrical field)를 생성하여, 에너지를 대전 입자에 연속으로 전달하기 위하여 스위치를 순차적으로 제어하는 수단을 포함하는, 단펄스 유전성 벽면 가속기(short pulse dielectric wall accelerator)를 제공한다. One feature of the present invention is a dielectric beam tube of length L that surrounds an acceleration axis; Two or more pulse-forming lines transversely connected to the dielectric beam tube, wherein each pulse-forming line is independent of the other pulse-forming line, at least one electrical wavefront through the pulse-forming line. A pulse shaping line, each having a switch connectable to a high voltage potential for propagating the pulse, thereby generating a short acceleration pulse of pulse width τ along a corresponding shot axial length δL of the dielectric beam tube; And generating an electrical field axially traveling along the dielectric beam tube in synchronism with an axially traversing pulsed beam traversed in the axial direction of the charged particles, thereby transferring energy to the charged particles. A short pulse dielectric wall accelerator is provided that includes means for sequentially controlling the switches for continuous delivery.

본 발명의 다른 특징은, 횡 방향의 가속 축으로 연장하는 복수 개의 펄스 형성 라인으로서, 각각의 펄스 형성 라인이, 다른 펄스 형성 라인과 독립해서, 펄스 형성 라인을 통해 하나 이상의 전기적 파면을 전파시키기 위한 고전압 전위에 접속가능한 스위치를 각각 가짐으로써, 가속 축의 대응하는 단축 길이에 인접한 짧은 가속 펄스를 생성하는, 펄스 형성 라인; 및 스위치를 순차적으로 제어하기 위해 스위치에 동작가능하게 접속되어, 대전 입자의 축 방향으로 가로지르는 펄스화 빔과 동기해서 가속 축을 따라 축 방향으로 진행하는 전기적 필드를 생성해서, 에너지를 대전 입자에 연속으로 전달하기 위한 트리거(trigger)를 포함하는, 순차적으로 펄스화된 진행파 선형 가속기를 제공한다. Another feature of the invention is a plurality of pulse forming lines extending along a transverse acceleration axis, each pulse forming line independent of other pulse forming lines for propagating one or more electrical wavefronts through the pulse forming line. A pulse shaping line, each having a switch connectable to a high voltage potential, thereby generating a short acceleration pulse adjacent to a corresponding short axis length of the acceleration axis; And operably connected to the switch to sequentially control the switch, thereby generating an electrical field traveling in the axial direction along the acceleration axis in synchronization with the pulsed beam traversing in the axial direction of the charged particle, thereby transferring energy to the charged particle. It provides a sequentially pulsed traveling wave linear accelerator comprising a trigger for transmitting to.

본 발명의 또 다른 특징은, 순차적으로 펄스화된 진행파 선형 가속기에 있어서, 가속 축을 둘러싸는 길이 L의 유전체 빔 튜브; 가속 축에 대해 가로지르는 펄스 형성 라인을 각각 형성하는 둘 이상의 블럼레인 모듈로서, 블럼레인 모듈은, 제1 단부와 유전체 빔 튜브에 접속된 제2 단부를 갖는 제1 도체; 고전압 전위로 스위칭가능한 제1 단부와, 유전체 빔 튜브에 접속된 제2 단부를 가지며, 제1 도체에 인접해 있는 제2 도체; 제1 단부와, 유전체 빔 튜브에 접속된 제2 단부를 가지며, 제2 도체에 인접해 있는 제3 도체; 제1 도체와 제2 도체 사이의 공간을 채우며, 제1 유전 상수를 갖는 제1 유전성 물질; 및 제2 도체와 제3 도체 사이의 공간을 채우며, 제2 유전 상수를 갖는 제2 유전성 물질을 포함하며, 다른 블럼레인 모듈에 독립해서, 블럼레인 모듈을 통해 하나 이상의 전기적 파면을 전파시키기 위한 고전압 전위에 접속가능한 하나 이상의 스위치를 각각 가짐으로써, 유전체 빔 튜브의 대응하는 단축 길이 δL을 따라 펄스 폭 τ의 짧은 가속 펄스를 생성하는, 블럼레인 모듈; 및 스위치를 순차적으로 트리거링하도록 스위치에 동작가능하게 접속됨으로써, 대전 입자의 축 방향으로 가로지르는 펄스화 빔과 동기해서 빔 튜브를 따라 축 방향으로 진행하는 전기적 필드를 생성해서, 에너지를 대전 입자에 연속하여 전달하기 위한 컨트롤러를 포함하는, 순차적으로 펄스화된 진행파 선형 가속기를 제공한다. Another feature of the present invention is a sequential pulsed traveling wave linear accelerator comprising: a dielectric beam tube of length L surrounding an acceleration axis; 2. A two or more Blumlane modules each forming a pulse forming line transverse to an acceleration axis, the Blumlane module comprising: a first conductor having a first end and a second end connected to the dielectric beam tube; A second conductor adjacent the first conductor, the second conductor having a first end switchable to a high voltage potential and a second end connected to the dielectric beam tube; A third conductor having a first end and a second end connected to the dielectric beam tube and adjacent to the second conductor; A first dielectric material filling the space between the first conductor and the second conductor, the first dielectric material having a first dielectric constant; And a second dielectric material that fills the space between the second conductor and the third conductor, the second dielectric material having a second dielectric constant, and independent of other Blumlein modules, for propagating one or more electrical wavefronts through the Blumlein modules. A bloomlane module, each having one or more switches connectable to the potential, thereby generating short acceleration pulses of pulse width τ along the corresponding shortened length δL of the dielectric beam tube; And operatively connected to the switch to trigger the switch sequentially, thereby generating an electrical field running in the axial direction along the beam tube in synchronization with the pulsed beam traversing in the axial direction of the charged particles, thereby transferring energy to the charged particles. It provides a sequentially pulsed traveling wave linear accelerator comprising a controller for transmitting by.

이하에 설명하는 첨부 도면은 본 개시 내용에 포함되며 그 일부를 이룬다. The accompanying drawings, which are described below, are included in and constitute a part of the present disclosure.

도 1은 본 발명에 따른 콤팩트 가속기의 단일 블럼레인 모듈에 관한 제1 실시예의 측면도를 나타낸다. 1 shows a side view of a first embodiment of a single blocklane module of a compact accelerator according to the invention.

도 2는 도 1의 단일 블럼레인 모듈의 상면도이다. FIG. 2 is a top view of the single bloomlane module of FIG. 1. FIG.

도 3은 서로 적층된 2개의 블럼레인 모듈을 갖는 콤팩트 가속기의 제2 실시예를 나타내는 측면도이다. 3 is a side view showing a second embodiment of a compact accelerator having two Blumlane modules stacked on each other.

도 4는 블럼레인 모듈의 다른 층보다 더 작은 폭을 가진 중간의 도체 스트립을 포함하는 본 발명의 단일 블럼레인 모듈의 제3 실시예를 나타내는 상면도이다. 4 is a top view of a third embodiment of a single blocklane module of the present invention comprising an intermediate conductor strip having a smaller width than the other layers of the blocklane module.

도 5는 도 4의 라인(4)을 따라 절취한 확대 단면도이다. FIG. 5 is an enlarged sectional view taken along the line 4 of FIG. 4.

도 6은, 중앙의 가속 영역을 주위에서 둘러싸며 이 가속 영역 쪽으로 방사형으로 연장하는 2개의 블럼레인 모듈을 포함하는 콤팩트 가속기의 다른 실시예를 나타내는 평면도이다. FIG. 6 is a plan view of another embodiment of a compact accelerator including two Blumlane modules that surround a central acceleration region and extend radially towards the acceleration region.

도 7은 도 6의 라인(7)을 따라 절취한 단면도이다. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line 7 of FIG. 6.

도 8은, 중앙 가속 영역을 향해 방사형으로 연장하며 이 가속 영역을 주위에서 둘러싸는 2개의 블럼레인 모듈을 포함하는 콤팩트 가속기의 다른 실시예를 나타내는 평면도로서, 하나의 모듈의 평면 도체 스트립이 다른 모듈의 대응하는 평면 도체에 링 전극에 의해 접속되어 있다. FIG. 8 is a plan view of another embodiment of a compact accelerator comprising two Blumlane modules radially extending towards and surrounding a central acceleration region, wherein the planar conductor strip of one module is the other module. It is connected to the corresponding planar conductor of by a ring electrode.

도 9는 도 8의 라인(9)을 따라 절취한 단면도이다. FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line 9 of FIG. 8.

도 10은, 관련 스위치에 각각 접속된 4개의 비선형 블럼레인 모듈을 구비한 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 평면도이다. Fig. 10 is a plan view showing another embodiment of the invention with four nonlinear Blumlane modules, each connected to an associated switch.

도 11은, 도 10과 유사한 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 평면도로서, 4개의 비선형 블럼레인 모듈의 각각을 제2 단부에서 접속하는 링 전극을 포함한다. FIG. 11 is a plan view showing another embodiment of the present invention similar to FIG. 10, including a ring electrode connecting each of the four non-linear Blumlane modules at a second end.

도 12는, 도 1과 유사한 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 측면도로서, 대칭형 블럼레인 동작의 경우에, 동일한 유전 상수와 동일한 두께를 갖는 제1 유전체 스트립 및 제2 유전체 스트립을 포함한다. FIG. 12 is a side view illustrating another embodiment of the present invention similar to FIG. 1, including a first dielectric strip and a second dielectric strip having the same dielectric constant and the same thickness in the case of a symmetrical Blumlane operation.

도 13은 본 발명의 대전된 입자 발생기의 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다. 13 is a schematic representation of an embodiment of a charged particle generator of the present invention.

도 14는, 도 13의 원(14)을 따라 절취한 확대 개략도로서, 본 발명의 펄스화 이온 소스의 실시예를 나타낸다. FIG. 14 is an enlarged schematic diagram cut along the circle 14 of FIG. 13, showing an embodiment of the pulsed ion source of the present invention.

도 15는 도 14의 펄스화 이온 소스의 펄스화 이온 발생의 진행을 나타낸다. FIG. 15 shows the progress of pulsed ion generation of the pulsed ion source of FIG. 14.

도 16은 다양한 게이트 전극 전압에 대한 표적의 최종적인 스폿 사이즈의 여러 개의 스크린 샷을 나타낸다. 16 shows several screenshots of the final spot size of the target for various gate electrode voltages.

도 17은, 추출된 양자 빔 전류를, 고구배(high gradient)의 양자 빔 가속기에 대한 게이트 전극 전압의 함수로서 나타낸 그래프이다. FIG. 17 is a graph showing the extracted quantum beam current as a function of gate electrode voltage for a high gradient quantum beam accelerator.

도 18은 본 발명의 대전된 입자 발생기에서의 전위 윤곽을 나타내는 2개의 그래프이다. 18 is two graphs showing the potential contours in the charged particle generator of the present invention.

도 19는 다양한 포커스 전극 전압 설정을 가진, 자석이 없는 250 MeV 고구배의 양자 가속기에서 빔 운반의 비교 도면이다. 19 is a comparative diagram of beam transport in a 250 MeV high gradient quantum accelerator without magnets with various focus electrode voltage settings.

도 20은 250 MeV, 150 MeV, 100 MeV, 및 70 MeV 양자 빔에 대한 표적 대 포커스 전극 전압에 대한 에지 빔 반경(위쪽 곡선)과 코어 반경(아래쪽 곡선)의 4개의 그래프를 비교한 도면이다. 20 compares four graphs of edge beam radius (upper curve) and core radius (lower curve) versus target vs. focus electrode voltage for 250 MeV, 150 MeV, 100 MeV, and 70 MeV quantum beams.

도 21은 통합된 대전 입자 발생기 및 선형 가속기 단일체를 갖는 본 발명의 작동가능한 콤팩트 가속기 시스템의 개략 도면이다. Figure 21 is a schematic diagram of the operable compact accelerator system of the present invention with an integrated charged particle generator and linear accelerator monolith.

도 22는, 의료 치료 응용 장치를 나타내는, 본 발명의 단일 콤팩트 가속기/대전 입자 소스의 설치 구성의 예를 나타내는 측면도이다. Fig. 22 is a side view showing an example of the installation configuration of the single compact accelerator / charged particle source of the present invention showing a medical treatment application device.

도 23은 본 발명의 단일 콤팩트 가속기/대전 입자 소스의 수직 설치 구성의 예를 나타내는 측면도이다. Fig. 23 is a side view showing an example of the vertical installation configuration of the single compact accelerator / charged particle source of the present invention.

도 24는 본 발명의 단일 콤팩트 가속기/대전 입자 소스의 허브-스포크(hub-spoke) 설치 구성의 예를 나타내는 사시도이다. 24 is a perspective view showing an example of a hub-spoke mounting configuration of the single compact accelerator / charged particle source of the present invention.

도 25는 본 발명의 순차적으로 펄스화된 진행파 가속기를 개략적으로 나타내는 도면이다. 25 is a diagram schematically illustrating a sequentially pulsed traveling wave accelerator of the present invention.

도 26은 도 25의 순차적으로 펄스화된 진행파 가속기의 단펄스 진행파 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다. FIG. 26 is a diagram schematically illustrating a short pulse traveling wave operation of the sequentially pulsed traveling wave accelerator of FIG. 25.

도 27은 종래의 유전성 벽면 가속기의 통상적인 셀의 장펄스 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다. FIG. 27 is a diagram schematically illustrating long pulse operation of a conventional cell of a conventional dielectric wall accelerator.

A. 스트립형 블럼레인(strip-shaped Blumlein)을 갖는 콤팩트 가속기(compact accelerator)A. Compact accelerator with strip-shaped Blumlein

도면을 참조하여 설명한다. 도 1 내지 도 12는 본 발명에 사용되는 콤팩트 선형 가속기(compact linear accelerator)를 나타낸다. 본 발명의 콤팩트 선형 가속기는, 제1 단부와 제2 단부 사이에서 전파 파면(propagating wavefront)을 안내하고 제2 단부에서 출력 펄스를 제어하는 하나 이상의 스트립형 블럼레인을 포함한다. 각각의 블럼레인 모듈은 제1, 제2, 및 제3 평면 도체 스트립(planar conductor strip)을 포함하며, 제1 도체 스트립과 제2 도체 스트립 사이에 제1 유전체 스트립(dielectric strip)이 배치되고, 제2 도체 스트립과 제3 도체 스트립 사이에 제2 유전체 스트립이 배치된다. 또한, 콤팩트 선형 가속기는, 제2 도체 스트립을 고전위(high potential)로 충전시키기 위해 접속된 고전압 전원과, 제2 도체 스트립 내의 고전위를 제1 및 제3 도체 스트립 중 하나 이상으로 전환함으로써 대응하는 유전체 스트립에서 역 극성의 전파 파면을 초기화하는 스위치를 포함한다. It demonstrates with reference to drawings. 1 to 12 show a compact linear accelerator used in the present invention. The compact linear accelerator of the present invention comprises one or more strip-shaped blurlanes that guide a propagating wavefront between the first and second ends and control the output pulses at the second ends. Each bloomlane module includes first, second, and third planar conductor strips, with a first dielectric strip disposed between the first conductor strip and the second conductor strip, A second dielectric strip is disposed between the second conductor strip and the third conductor strip. The compact linear accelerator also responds by switching a high voltage power supply connected to charge the second conductor strip to high potential, and by switching the high potential in the second conductor strip to one or more of the first and third conductor strips. And a switch for initializing a propagating wavefront of reverse polarity in the dielectric strip.

콤팩트 선형 가속기는, 제1 단부와 제2 단부 사이에서 전파 파면을 안내하고 제2 단부에서 출력 펄스를 제어하는 하나 이상의 스트립형 블럼레인 모듈을 포함한다. 각각의 블럼레인 모듈은, 제1, 제2, 및 제3 평면 도체 스트립을 포함하며, 제1 도체 스트립과 제2 도체 스트립 사이에 제1 유전체 스트립이 배치되고, 제2 도체 스트립과 제3 도체 스트립 사이에 제2 유전체 스트립이 배치된다. 또한, 콤팩트 선형 가속기는, 제2 도체 스트립을 고전위(high potential)로 충전시키기 위해 접 속된 고전압 전원과, 제2 도체 스트립 내의 고전위를 제1 및 제3 도체 스트립 중 하나 이상으로 전환함으로써 대응하는 유전체 스트립에서 역 극성의 전파 파면을 초기화하는 스위치를 포함한다. The compact linear accelerator includes one or more stripped Blumlane modules for guiding the wavefront between the first end and the second end and controlling the output pulse at the second end. Each Blumlane module includes first, second, and third planar conductor strips, wherein a first dielectric strip is disposed between the first conductor strip and the second conductor strip, and the second conductor strip and the third conductor strip. A second dielectric strip is disposed between the strips. The compact linear accelerator also responds by switching a high voltage power source connected to charge the second conductor strip to high potential, and by switching the high potential in the second conductor strip to one or more of the first and third conductor strips. And a switch for initializing a propagating wavefront of reverse polarity in the dielectric strip.

도 1 및 도 2는, 스위치(18)에 접속된 단일의 블럼레인 모듈(36)을 포함하는 콤팩트 선형 가속기(그 전체를 도면 부호 10으로 나타냄)의 제1 실시예를 나타낸다. 콤팩트 선형 가속기는, 또한 고전압 전위를 스위치(18)를 통해 블럼레인 모듈(36)에 제공하는 적절한 고전압 전원(도시 안 됨)을 포함한다. 일반적으로, 블럼레인 모듈은 스트립 형태, 즉 좁고 긴 기하학적 형태를 가지며, 일반적으로는 폭이 균일하게 되어 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 도 1 및 도 2에 도시된 특정의 블럼레인 모듈(36)은, 제1 단부(11)와 제2 단부(12) 사이에서 연장하는 길게 된 빔 형태 또는 판자 형태(plank-like)의 선형 구성(linear configuration)을 가지며, 길이(l)에 비해 폭(Wn)(도 2, 도 4 참조)은 상대적으로 좁게 되어 있다. 이러한 블럼레인 모듈의 스트립형 구성은, 제1 단부(11)로부터 제2 단부(12)로, 전기적 신호의 전파 파동을 안내하고 이에 따라 출력 펄스를 제2 단부에서 제어하도록 되어 있다. 특히, 파면의 형태는, 도 6에 나타낸 것과 같이, 예컨대 폭을 끝으로 갈수록 좁게(tapering)함으로써, 블럼레인 모듈의 폭을 적절하게 형성함으로써 조절될 수 있다. 스트립 형태로 구성함으로써, 콤팩트 선형 가속기는, 미국 특허 제5,757,146호의 디스크형 모듈과 관련하여 기술분야 항목에서 설명한 바와 같이, 중앙 홀에 집중하도록 방사형으로 방향이 설정되었을 때에 생길 수 있는 전파 파면(propagating wavefronts)의 가변 임피던스(varying impedance)를 해결할 수 있 다. 이러한 스트립 형태 또는 빔 형태의 모듈(36) 구성에 의해, 펄스를 왜곡시키지 않으면서, 균일한 출력(전압) 펄스를 생성할 수 있으며, 이에 따라 입자 빔이 시간에 따라 변하는 에너지 이득을 회수하지 않도록 할 수 있다. 본 명세서와 청구범위에 개시된 바와 같이, 제1 단부(11)는 스위치[예컨대, 스위치(18)]에 접속된 단부로서의 특징을 가지며, 제2 단부(12)는 입자 가속을 위한 출력 펄스 영역과 같은 부하 영역(load region)에 인접한 단부이다. 1 and 2 show a first embodiment of a compact linear accelerator (indicated by reference numeral 10 in its entirety) comprising a single blocklane module 36 connected to a switch 18. The compact linear accelerator also includes a suitable high voltage power source (not shown) that provides a high voltage potential to the bloomlane module 36 via a switch 18. In general, the Blumlein module has a strip form, i.e. a narrow and long geometry, and is generally, but not necessarily, uniform in width. The particular Blumlane module 36 shown in FIGS. 1 and 2 has an elongated beam or plank-like linear configuration extending between the first end 11 and the second end 12. (linear configuration), and the width Wn (refer FIG. 2, FIG. 4) is relatively narrow compared with the length l. This stripe configuration of the Blumlein module is adapted to guide the propagation wave of the electrical signal from the first end 11 to the second end 12 and thus to control the output pulse at the second end. In particular, the shape of the wavefront can be adjusted by appropriately forming the width of the Blumlein module, for example by tapering the width towards the end, as shown in FIG. 6. By constructing in strip form, compact linear accelerators can produce propagating wavefronts that can occur when radially oriented to focus on the central hole, as described in the art section with respect to the disc-shaped module of US Pat. No. 5,757,146. We can solve the variable impedance of (). This strip- or beam-shaped configuration of the module 36 allows the generation of uniform output (voltage) pulses without distorting the pulses, thereby preventing the particle beam from recovering energy gains that change over time. can do. As disclosed herein and in the claims, the first end 11 is characterized as an end connected to a switch (eg, switch 18), the second end 12 having an output pulse region for particle acceleration and It is an end adjacent to the same load region.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 좁은 빔 형태의 구조를 갖는 기본적인 블럼레인 모듈(36)은, 얇은 스트립 형태로 되어 있으며 유전성 물질로 분리된 3개의 평면 도체를 포함한다. 이 유전성 물질은 길게 되어 있으면서 폭이 더 두꺼운 스트립으로 되어 있다. 특히, 제1 평면 도체 스트립(13)과 중간의 제2 평면 도체 스트립(15)은, 이들 사이의 공간을 채우는 제1 유전성 물질(14)로 분리되어 있다. 제2 평면 도체 스트립(15)과 제3 평면 도체 스트립(16)은, 이들 사이의 공간을 채우는 제2 유전성 물질(17)로 분리되어 있다. 이러한 유전성 물질에 의해 이루어지는 분리에 의해, 평면 도체 스트립(13, 15, 16)은, 도시된 바와 같이, 서로 평행하게 배치된다. 이들 평면 도체 스트립(13, 15, 16)과 유전체 스트립(14, 17)에 접속되어 이들을 씌우는 제3 유전성 물질(19)도 도시되어 있다. 제3 유전성 물질(19)은, 파동을 조합하고, 펄스화 전압만이 진공 벽(vacuum wall)의 양단에 걸리도록 해서, 응력(stress)이 그 진공 벽에 부여되는 시간을 감소시키고 더 높은 구배가 가능하도록 한다. 이 제3 유전성 물질은 또한, 파동을 선형 가속기에 부여하기 전에, 파동을 변환, 예컨대 전압을 상승시키고 임피던스를 변경하는 등의 변환 을 위한 영역으로서 사용된다. 이와 같이, 제3 유전성 물질(19)과 제2 단부(12)는, 화살표(20)로 표시되는 부하 영역(load region)에 인접한 것으로 도시되어 있다. 특히, 화살표(20)는 입자 가속기의 가속 축(acceleration axis)과 입자 가속의 방향을 나타낸다. 가속의 방향은, 배경기술의 항목에서 설명한 바와 같이, 2개의 유전체 스트립을 통해, 고속 전송 라인 및 저속 전송 라인의 경로에 따라 달라진다는 것을 알 수 있다. As shown in Figs. 1 and 2, the basic Blumlane module 36, having a narrow beam structure, comprises three planar conductors in the form of thin strips and separated by dielectric material. The dielectric material is a long strip of thicker material. In particular, the first planar conductor strip 13 and the intermediate second planar conductor strip 15 are separated by a first dielectric material 14 which fills the space therebetween. The second planar conductor strip 15 and the third planar conductor strip 16 are separated by a second dielectric material 17 which fills the space therebetween. By separation made by such a dielectric material, the planar conductor strips 13, 15, 16 are arranged parallel to one another, as shown. Also shown is a third dielectric material 19 connected to and covering these planar conductor strips 13, 15, 16 and dielectric strips 14, 17. The third dielectric material 19 combines the waves and allows only the pulsed voltage to be applied across the vacuum wall, reducing the time the stress is applied to the vacuum wall and having a higher gradient To make it possible. This third dielectric material is also used as an area for transformation, such as converting the wave, for example, raising the voltage, changing the impedance, etc., before imparting the wave to the linear accelerator. As such, the third dielectric material 19 and the second end 12 are shown as being adjacent to the load region, indicated by arrow 20. In particular, arrow 20 represents the acceleration axis of the particle accelerator and the direction of particle acceleration. It can be seen that the direction of acceleration depends on the path of the high speed transmission line and the low speed transmission line through the two dielectric strips, as described in the section of the background art.

도 1에서, 스위치(18)는, 평면 도체 스트립(13, 15, 16)의 각각의 제1 단부, 즉 블럼레인 모듈(36)의 제1 단부(11)에 접속되어 있다. 스위치는, 초기에 바깥쪽의 평면 도체 스트립(13, 16)을 접지 전위에 접속시키고, 중간의 평면 도체 스트립(15)을 고전압 소스(도시 안 됨)에 접속시킨다. 다음에, 스위치(18)는, 블럼레인 모듈을 통해, 전파 전압 파면을 초기화하고, 출력 펄스를 제2 단부에서 제어하기 위해, 제1 단부에 단락(short circuit)을 적용하도록 작동한다. 특히, 스위치(18)는, 블럼레인 모듈이 대칭 동작을 행하도록 구성되었는지 비대칭 동작을 행하도록 구성되었는지에 따라, 제1 단부로부터 제2 단부까지 하나 이상의 유전체 내에서 역 극성의 전파 파면(propagating reverse polarity wavefront)을 초기화할 수 있다. 블럼레인 모듈이 비대칭 동작을 행하도록 구성된 경우, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 블럼레인 모듈은, 미국 특허 제5,757,146호에 개시된 것과 유사한 방식으로, 상이한 유전 상수 및 두께(d1≠d2)를 갖는 유전체 층(14, 17)을 포함한다. 블럼레인 모듈의 비대칭 동작은, 이 유전체 층을 통해 상이한 전파 파동(propagating wave) 속도를 생성한다. 그러나, 블럼레인 모듈이 도 12에 도시된 것과 같이 대칭적 동작을 행하도록 구성된 경우, 유전체 스트립(95, 98)은 동일한 유전 상수를 가지며, 폭과 두께(d1=d2)도 동일하다. 또한, 도 12에 도시한 바와 같이, 제2 유전체 스트립(80)에 매우 근접해서 자성 물질(magnetic material)이 배치됨으로써, 파면의 전파가 제2 유전체 스트립에서 차단된다. 이러한 방식에서, 스위치는, 제1 유전체 스트립(95)에서만 역 극성 전파 파면을 초기화하도록 구성되어 있다. 스위치(18)는, 예컨대 가스 방전 차단 스위치, 표면 섬락 차단 스위치, 고체 소자 스위치, 광도전성 스위치 등과 같이, 블럼레인 모듈의 비대칭 또는 대칭 동작에 적합한 스위치라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 스위치 및 물질 타입/치수는, 콤팩트 가속기가 다양한 가속도 구배, 예컨대 미터당 20 메가볼트를 초과하는 구배에서 동작할 수 있도록 적절하게 선택될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나, 구배를 더 낮게 하는 것은 단순한 설계의 변경에 의해 달성할 수 있을 것이다. In FIG. 1, the switch 18 is connected to each first end of the planar conductor strips 13, 15, 16, ie the first end 11 of the bloomlane module 36. The switch initially connects the outer planar conductor strips 13, 16 to a ground potential and the intermediate planar conductor strip 15 to a high voltage source (not shown). The switch 18 then operates to apply a short circuit to the first end to initialize the propagation voltage wavefront and control the output pulse at the second end, via the Blumlane module. In particular, the switch 18 is a propagating reverse of reverse polarity in one or more dielectrics, from the first end to the second end, depending on whether the bloomlane module is configured to perform symmetrical or asymmetrical operation. polarity wavefront). When the bloomlane module is configured to perform asymmetrical operation, as shown in FIGS. 1 and 2, the bloomlane module has different dielectric constants and thicknesses (d1 ≠ d2) in a manner similar to that disclosed in US Pat. No. 5,757,146. Having dielectric layers 14, 17. The asymmetrical operation of the Blumlein module generates different propagating wave rates through this dielectric layer. However, when the Blumlein module is configured to perform symmetrical operation as shown in Fig. 12, the dielectric strips 95 and 98 have the same dielectric constant, and the width and thickness d1 = d2 are also the same. In addition, as shown in FIG. 12, by placing a magnetic material in close proximity to the second dielectric strip 80, wave propagation is blocked at the second dielectric strip. In this manner, the switch is configured to initiate the reverse polarity wavefront only at the first dielectric strip 95. It will be appreciated that the switch 18 is a switch suitable for asymmetric or symmetrical operation of the Blumlein module, such as, for example, a gas discharge cutoff switch, a surface flashover cutoff switch, a solid state element switch, a photoconductive switch, and the like. It will also be appreciated that the switches and material types / dimensions may be appropriately selected to enable the compact accelerator to operate at various acceleration gradients, such as gradients in excess of 20 megavolts per meter. However, lowering the gradient may be achieved by simple design changes.

바람직한 실시예에서, 제2 평면 도체는 제1 유전체 스트립을 통한 특성 임피던스 Z₁ = k₁g₁(w₁,d₁)로 정의된 폭(w₁)을 갖는다. k₁은, 제1 유전성 물질의 유전율(permittivity)에 대한 투자율(permeability)의 비를 제곱근(square root)으로 해서 정의된 제1 유전체 스트립의 제1 전기 상수이다. g₁은, 이웃하는 도체의 기하학적 효과(geometry effect)에 의해 정의된 함수이다. d₁은, 제1 유전체 스트립의 두께이다. 제2 유전체 스트립은, 제2 유전체 스트립을 통한 특성 임피던스 Z₂ = k₂g₂(w₂,d₂)로 정의된 두께를 갖는다. 이 경우, k₂는 제2 유전성 물질의 제2 전기 상수이다. g₂는이웃하는 도체의 기하학적 효과에 의해 정의된 함수이다. w₂는 제2 평면 도체 스트립의 폭이다. d₂는 제2 유전체 스트립의 두께이다. 이러한 방식에서, 비대칭 블럼레인 모듈에 요구되는 유전 상수가 달라짐에 따라 임피던스도 달라지고, 이러한 임피던스는 관련 라인의 폭을 조정함으로써 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 부하에 전달되는 에너지가 더 커지게 될 것이다. In a preferred embodiment, the second planar conductor has a width w ₁ defined by the characteristic impedance Z ₁ = k ₁ g ₁ (w ₁ , d ₁ ) through the first dielectric strip. k ₁ is the first electrical constant of the first dielectric strip defined as the square root of the ratio of permeability to permittivity of the first dielectric material. g ₁ is a function defined by the geometry effect of neighboring conductors. d ₁ is the thickness of the first dielectric strip. The second dielectric strip has a thickness defined by the characteristic impedance Z ₂ = k ₂ g ₂ (w ₂ , d ₂ ) through the second dielectric strip. In this case, k ₂ is the second electrical constant of the second dielectric material. g ₂ is A function defined by the geometric effects of neighboring conductors. w ₂ is the width of the second planar conductor strip. d ₂ is the thickness of the second dielectric strip. In this manner, the impedance varies as the dielectric constant required for the asymmetric blurlane module varies, and this impedance can be kept constant by adjusting the width of the associated line. Thus, the energy delivered to the load will be greater.

도 4 및 도 5는, 제1 및 제2 평면 도체 스트립(41, 42)과 제1 및 제2 유전체 스트립(44, 45)의 폭보다 더 좁은 폭을 가진 제2 평면 도체 스트립(42)을 포함하는 블럼레인 모듈의 실시예를 나타낸다. 이 구성에서, 배경기술 항목에서 언급한 파괴 간섭 층간 결합은, 전극(42)이 이전 또는 이후의 블럼레인 모듈에 에너지를 결합시키는 것이 더 이상 용이하지 않게 됨에 따라, 전극(41, 43)의 확장에 의해 차단된다. 또한, 블럼레인 모듈의 다른 실시예는, 출력 펄스를 제어하고 성형(shape)하기 위해 길이 방향(l)(도 2 및 도 4 참조)을 따라 변하는 폭을 갖는 것이 바람직하다. 이것은, 블럼레인 모듈이 중앙의 부하 영역을 향해 방사형으로 안쪽으로 확장함에 따라 폭이 줄어드는 것을 나타내는 도 6에 도시되어 있다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 블럼레인 모듈의 유전성 물질과 치수는, Z₁이 Z₂와 실질적으로 동일하도록 선택된다. 앞서 설명한 바와 같이, 임피던스를 매칭시킴으로써, 진동적으로 변동하는 출력을 생성하는 파동이 형성되지 않도록 한다. 4 and 5 show a second planar conductor strip 42 having a width narrower than the width of the first and second planar conductor strips 41, 42 and the first and second dielectric strips 44, 45. An embodiment of a Blumlane module is included. In this configuration, the destructive interference interlayer coupling mentioned in the background section extends the electrodes 41 and 43, as it becomes no longer easy for the electrode 42 to couple energy to the previous or subsequent Blumlane modules. Blocked by In addition, another embodiment of the Blumlein module preferably has a width that varies along the longitudinal direction 1 (see FIGS. 2 and 4) to control and shape the output pulses. This is shown in FIG. 6, which shows that the width decreases as the Blumlein module extends radially inward toward the central load region. In another preferred embodiment, the dielectric material and dimensions of the bloomlane module are selected such that Z ₁ is substantially the same as Z ₂ . As previously described, matching impedances prevents the formation of waves that produce oscillating outputs.

비대칭의 블럼레인 구성에 있어서, 제2 유전체 스트립(17)은, 제1 유전체 스 트립(14)보다 전파 속도가 실질적으로 느리도록, 예컨대 3:1이 되도록 하는 것이 바람직하다. 이 전파 속도는 v₂와 v₁으로 정의되는데, v₂=(μ₂ε₂)^-0. ⁵ 이고, v₁=(μ₁ε₁)^-0. ⁵ 이다. 여기서, 투자율 μ₁과 유전율 ε₁는 제1 유전 물질의 물질 상수이고, 투자율 μ₂와 유전율 ε₂는 제2 유전 물질의 물질 상수이다. 이것은, 제2 유전체 스트립에 대해, 제1 유전체 스트림의 유전 상수, 즉 μ₂ε₂보다 더 큰 값의 유전 상수, 즉 μ₁ε₁를 갖는 물질을 선택함으로써 달성될 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 예컨대, 제1 유전체 스트립의 두께를 d₁로 나타내고, 제2 유전체 스트립의 두께를 d₂로 나타내고 있는데, d₂는 d₁보다 더 큰 값임을 알 수 있다. 두께 d₂를 두께 d₁보다 더 크게 설정함으로써, 상이한 공간적 배치와 상이한 유전 상수의 조합에 의해, 제2 평면 도체 스트립(15)의 양측에는 특성 임피던스 Z가 동일하게 된다. 특성 임피던스가 양쪽 절반에서 동일할 수 있지만, 각각의 절반을 통한 신호의 전파 속도는 반드시 동일할 필요가 없다는 것이 중요하다. 유전체 스트립의 유전 상수와 두께는 상이한 전파 속도를 달성하도록 적절하게 선택될 수 있지만, 긴 스트립형의 구조 및 구성은 비대칭 블럼레인 개념, 즉 유전체는 상이한 유전 상수와 두께를 갖는다는 개념을 이용할 필요가 없다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 높은 가속도 구배를 생성하는 특정의 방법에 의하지 않고도, 블럼레인 모듈의 길게 연장된 빔 형태의 형상과 구성에 의해 파형을 제어할 수 있다는 장점을 가지며, 다른 실시 예에서는, 대칭의 블럼레인 동작을 포함하는 도 12에 대한 설명한 것과 같은, 교번의 스위칭 구조를 사용할 수 있다. In an asymmetric Blumlane configuration, it is preferable that the second dielectric strip 17 is, for example, 3: 1 so that the propagation speed is substantially slower than the first dielectric strip 14. This propagation velocity is defined by v ₂ and v ₁ , where v ₂ = (μ ₂ ε ₂ ) ^-0. ⁵ , v ₁ = (μ ₁ ε ₁ ) ^-0. ⁵ Here, the magnetic permeability μ ₁ and the dielectric constant ε ₁ are the material constants of the first dielectric material, and the magnetic permeability μ ₂ and the dielectric constant ε ₂ are the material constants of the second dielectric material. This can be achieved by selecting the second with respect to the dielectric strip, the first stream of the dielectric dielectric constant, i.e. dielectric constant of greater than μ ₂ ε _2, that is, materials having μ ₁ ε _1. As shown in FIG. 1, for example, the thickness of the first dielectric strip is represented by d ₁ , and the thickness of the second dielectric strip is represented by d ₂ , where d ₂ is greater than d ₁ . By setting the thickness d ₂ to be larger than the thickness d ₁ , the characteristic impedance Z is equal on both sides of the second planar conductor strip 15 by a combination of different spatial arrangements and different dielectric constants. Although the characteristic impedance may be the same on both halves, it is important that the propagation speed of the signal through each halves does not necessarily have to be the same. The dielectric constant and thickness of the dielectric strip can be appropriately selected to achieve different propagation rates, but the long strip structure and construction need to use the asymmetric blurlane concept, i.e. the concept that dielectrics have different dielectric constants and thicknesses. I can understand that there is no. The advantage is that the waveform can be controlled by the shape and configuration of the elongated beam form of the Blumlein module, without resorting to any particular method of generating a high acceleration gradient, and in other embodiments, includes a symmetric Blumlane operation. Alternate switching structures, such as those described with respect to FIG. 12, can be used.

콤팩트 가속기는, 둘 또는 그 이상의 길게 연장된 블럼레인 모듈이 서로 적층되어 배치된 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3은, 서로 적층되어 배치된 2개의 블럼레인 모듈을 포함하는 콤팩트 가속기(21)를 나타내고 있다. 2개의 블럼레인 모듈은, 평면 도체 스트립(24, 26, 28, 30, 32)과 유전체 스트립(25, 27, 29, 31)이 교대로 적층되어 있으며, 평면 도체 스트립(32)이 2개의 블럼레인 모듈에 공통인 형태이다. 평면 도체 스트립은 적층된 모듈의 제1 단부(22)에서 스위치(33)에 접속되어 있다. 적층된 모듈의 제2 단부(23)를 씌우며 가속 축 화살표(35)로 나타낸 부하 영역에 인접한 유전성 벽면(dielectric wall)(34)이 제공된다. The compact accelerator may have a configuration in which two or more elongated Blumlane modules are stacked on each other. For example, FIG. 3 shows a compact accelerator 21 comprising two Blumlane modules stacked on each other. The two Blumlane modules are formed by alternately stacking planar conductor strips 24, 26, 28, 30, 32 and dielectric strips 25, 27, 29, 31 and planar conductor strips 32 with two blooms. Common to lane modules. The planar conductor strip is connected to the switch 33 at the first end 22 of the laminated module. A dielectric wall 34 is provided covering the second end 23 of the stacked module and adjacent to the load region indicated by the acceleration axis arrow 35.

콤팩트 가속기는, 중앙의 부하 영역을 주위에서 둘러싸도록 배치되는 둘 이상의 블럼레인 모듈로 구성될 수도 있다. 또한, 주위에서 둘러싸는 각각의 모듈은, 제1 블럼레인 모듈과 적층되는 하나 이상의 추가 블럼레인 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6은, 중앙의 부하 영역(56)을 둘러싸는 2개의 블럼레인 모듈 스택(51, 53)을 포함하는 콤팩트 가속기(50)의 실시예를 나타낸다. 각각의 블럼레인 모듈 스택은, 독립적으로 동작하는 4개의 블럼레인 모듈(도 7)의 스택이며, 관련 스위치(52, 54)에 개별적으로 접속되어 있다. 블럼레인 모듈을 서로 적층함으로써, 가속 축(acceleration axis)에 따른 세그먼트들의 포함 범위(coverage)가 증가한다. The compact accelerator may be composed of two or more Blumlane modules arranged to surround the central load area around. In addition, each surrounding module may include one or more additional Blumlane modules stacked with the first Blumlane module. For example, FIG. 6 shows an embodiment of a compact accelerator 50 that includes two Blumlein module stacks 51, 53 surrounding a central load region 56. Each Blumlane module stack is a stack of four Blumlane modules (FIG. 7) which operate independently, and is connected to the relevant switches 52 and 54 separately. By stacking the Blumlein modules together, the coverage of the segments along the acceleration axis is increased.

도 8 및 도 9에는, 둘 또는 그 이상의 도체 스트립(예컨대, 61, 63)이 이들 각각의 제2 단부에서 링 전극(65)에 의해 접속된 콤팩트 가속기(60)의 다른 실시예를 도시되어 있다. 링 전극 구성은, 주위에서 둘러싸는 하나 이상의 모듈이 중앙의 부하 영역을 완전히 둘러싸지 않고 중앙의 부하 영역을 향해 연장되는 도 6 및 도 7 등의 구성에서 생길 수 있는, 방위각 평균화(azimuthal averaging)를 해결하도록 동작한다. 도 9에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 모듈 스택(61, 62)은 각각 관련 스위치(62, 64)에 접속되어 있다. 또한, 도 8 및 도 9는, 링 전극의 내부 직경을 따라 배치된 절연체 슬리브(insulator sleeve)(68)를 나타낸다. 또한, 다른 별도의 절연체 물질(69)이 링 전극(65) 사이에 배치되어 있다. 도체 스트립 사이에 사용되는 유전성 물질에 대한 대안으로서, 도전성 포일(66)과 절연성 포일(66')이 교대로 배치된 층이 사용될 수 있다. 교대로 배치되는 층은, 모노리식 유전체 스트립(monolithic dielectric strip)을 대신해서 적층 구조로서 형성될 수 있다. 8 and 9 show another embodiment of a compact accelerator 60 in which two or more conductor strips (eg, 61, 63) are connected by ring electrodes 65 at their respective second ends. . The ring electrode configuration allows for azimuthal averaging, which can occur in configurations such as FIGS. 6 and 7 in which one or more surrounding modules do not completely surround the central load region but extend toward the central load region. It works to solve. As best shown in FIG. 9, each module stack 61, 62 is connected to an associated switch 62, 64, respectively. 8 and 9 also show an insulator sleeve 68 disposed along the inner diameter of the ring electrode. In addition, another separate insulator material 69 is disposed between the ring electrodes 65. As an alternative to the dielectric material used between the conductor strips, layers in which the conductive foil 66 and the insulating foil 66 'are alternately arranged can be used. The alternately arranged layers can be formed as a stacked structure in place of monolithic dielectric strips.

도 10 및 도 11은, 비선형 스트립 형태의 구성을 갖는 블럼레인 모듈을 포함하는 콤팩트 가속기(도 10에서는 그 전체를 나타내는 도면부호 70으로, 도 11에서는 도면부호 80으로 나타냄)의 추가적인 2개의 실시예를 나타낸다. 이 경우, 비선형 스트립 형태의 구성은, 곡선 형태 또는 S자 곡선 형태로 되어 있다. 도 10에서, 콤팩트 가속기(70)는, 중앙 영역을 주위에서 둘러싸며 중앙 영역을 향해 연장하는 4개의 모듈(71, 73, 75, 77)을 포함한다. 각각의 모듈(71, 73, 75, 77)은, 관련 스위치(72, 74, 76, 78)에 각각 접속된다. 이러한 배치로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 모듈의 제1 단부와 제2 단부 사이의 방사형의 최단 거리는, 비선형 모 듈의 전체 길이보다 작은데, 이에 의해 전기적 전송 경로를 증가시키면서도 가속기의 소형화가 가능하게 된다. 도 11은, 도 10과 유사한 구성을 갖지만, 중앙 영역을 주위에서 둘러싸며 중앙 영역을 향해 연장하는 4개의 모듈(81, 83, 85, 87)을 갖는 가속기(80)를 도시하고 있다. 각각의 모듈(81, 83, 85, 87)은, 관련 스위치(82, 84, 86, 88)에 각각 접속된다. 또한, 모듈의 방사형으로 안쪽 단부, 즉 제2 단부는, 링 전극(89)에 의해 서로 연결되어, 도 8과 관련하여 언급한 장점을 제공할 수 있다. 10 and 11 show two further embodiments of a compact accelerator (indicated by reference numeral 70 in FIG. 10 and 80 in FIG. 11) comprising a Blumlane module having a nonlinear strip configuration. Indicates. In this case, the nonlinear strip configuration has a curved shape or an S-shaped curve. In FIG. 10, the compact accelerator 70 includes four modules 71, 73, 75, 77 that surround the central area and extend toward the central area. Each module 71, 73, 75, 77 is connected to an associated switch 72, 74, 76, 78, respectively. As can be seen from this arrangement, the radial shortest distance between the first and second ends of each module is smaller than the overall length of the nonlinear module, thereby allowing the accelerator to be miniaturized while increasing the electrical transmission path. . FIG. 11 shows an accelerator 80 having a configuration similar to that of FIG. 10 but having four modules 81, 83, 85, 87 extending around and extending toward the central region. Each module 81, 83, 85, 87 is connected to an associated switch 82, 84, 86, 88, respectively. In addition, the radially inner end, ie the second end, of the module can be connected to each other by a ring electrode 89, providing the advantages mentioned in relation to FIG. 8.

B. 순차 펄스화 진행파 가속 모드B. Sequential Pulsed Progression Wave Acceleration Mode

유도 선형 가속기(LIA)는, 정지 상태에서는 그 전체 길이를 따라 쇼트되어 있다. 따라서, 대전된 입자의 가속은, 천이하는 전기적 필드 구배를 생성하고, 인접하는 펄스 형성 라인으로부터 연속하는 일련의 부여된 가속 펄스를 분리시키기 위한 그 구조체의 능력에 의존한다. 종래의 LIA에서, 이 방법은, 펄스 형성 라인이, 천이 시간 동안, 바람직하게는 대전 입자 빔이 존재할 때, 그 구조체의 내부로부터 일련의 적층된 전압 소스로서 기능하도록 함으로써 구현된다. 이러한 가속도 구배를 생성하고 필요한 분리를 제공하기 위한 통상적인 수단은, 가속기 내에 자성 코어를 사용하고, 자체적으로 펄스 형성 라인의 천이 시간을 사용하는 것에 의해 이루어진다. 펄스 형성 라인의 천이 시간을 이용하는 것에는, 임의의 연결용 케이블에 의해 추가되는 길이를 포함한다. 가속 천이가 발생한 후에, 자성 코어의 포화에 의해, 시스템은 일단 그 길이를 따라 단락 회로로서 보여진다. 이러한 종래 기술의 시스템이 갖는 단점은, 가속도 구배가 매우 낮다(~0.2-0.5 MV/m)는 것이며, 이는 가속 영역의 공간적 확장이 제한적이며, 자성 물질이 매우 비싸고 크기가 크기 때문이다. 또한, 최적의 자성 물질이 전기적 에너지의 심각한 손실 없이는 고속 펄스에 응답할 수 없는 경우라도, 이에 따라 코어를 필요로 하면, 이러한 유형의 고구배(high gradient)의 가속기를 구축하는 것은, 아무리 해도 실용적이지 않으며, 기술적으로 구현할 수 없을 수도 있다. The induction linear accelerator LIA is shorted along its entire length in the stationary state. Thus, the acceleration of charged particles depends on the structure's ability to create a transitioning electrical field gradient and to separate a series of imparted acceleration pulses from adjacent pulse forming lines. In conventional LIA, this method is implemented by allowing the pulse forming line to function as a series of stacked voltage sources from the interior of the structure during the transition time, preferably when there is a charged particle beam. Conventional means for generating this acceleration gradient and providing the necessary separation is achieved by using a magnetic core in the accelerator and using the transition time of the pulse forming line itself. Using the transition time of the pulse shaping line includes the length added by any connecting cable. After the accelerating transition has occurred, due to saturation of the magnetic core, the system is once seen as a short circuit along its length. The disadvantage with this prior art system is that the acceleration gradient is very low (˜0.2-0.5 MV / m) because of the limited spatial expansion of the acceleration region and the high cost and large size of the magnetic material. In addition, even if the optimal magnetic material cannot respond to high-speed pulses without significant loss of electrical energy, it is therefore practical to build a high gradient accelerator of this type if a core is required accordingly. This may not be technically possible.

도 25는 본 발명의 순차 펄스화 진행파 가속기의 개략도를 나타내며, 이 순차 펄스화 진행파 가속기(그 전체를 도면부호 160으로 나타냄)는 길이(l)을 갖는다. 이 가속기의 각각의 전송 라인은, 길이가 ΔR이고 폭은 δl이며, 빔 튜브(beam tube)의 직경은 d이다. 가속 축의 길이를 따라 단일의 가상 진행파(164)를 생성하기 위해, 전기적 길이(즉, 펄스 폭) τ를 갖는 가속 펄스로 빔 튜브의 단축 길이(short axial length) δl을 순차적으로 여기(excite)시키도록 일련의 스위치(162)를 순차적으로 트리거하는 트리거 컨트롤러(trigger controller)(161)가 제공된다. 특히, 순차적인 트리거/컨트롤러는, 스위치를 순차적으로 트리거할 수 있어서, 입자에 에너지를 직렬로 전달하기 위해 대전된 입자의 축 방향으로 가로지르는 펄스화 빔과 동기하여, 진행 축 방향의 전기적 펄스가 가속 축 둘레의 빔 튜브를 따라 생성될 수 있다. 트리거 컨트롤러(161)는, 각각의 스위치를 개별적으로 트리거할 수 있다. 이와 달리, 블록을 형성하는 둘 이상의 인접한 전송 라인을 동시에 스위칭하고, 인접한 블록을 순차적으로 스위칭해서, 각 블록을 통해 가속 펄스가 형성되도록 할 수 있다. 이러한 구성에서, 둘 이상의 스위치/전송 라인의 블록은, 빔 튜브 벽의 단축 길이 nδl을 여기시킨다. δl은, 여기된 라인에 대응하 는 빔 튜브 벽의 단축 길이이다. n은, 임의의 시점에서의 여기된 인접 라인의 수로서, 1보다 크거나 같은 값이다(n≥1). Fig. 25 shows a schematic diagram of a sequential pulsed traveling wave accelerator of the present invention, the sequential pulsed traveling wave accelerator (the whole indicated by reference numeral 160) has a length l. Each transmission line of this accelerator is ΔR in length, δl in width, and the diameter of the beam tube is d. To generate a single virtual traveling wave 164 along the length of the acceleration axis, the acceleration pulses having an electrical length (i.e. pulse width) τ are sequentially excited to short axial length δ 1 of the beam tube. A trigger controller 161 is provided that sequentially triggers a series of switches 162. In particular, sequential triggers / controllers can trigger the switches sequentially so that electrical pulses in the advancing axial direction are synchronized with the pulsed beam traversing in the axial direction of the charged particles to deliver energy in series to the particles. It can be produced along the beam tube around the acceleration axis. The trigger controller 161 may individually trigger each switch. Alternatively, two or more adjacent transmission lines forming a block may be simultaneously switched, and adjacent blocks may be sequentially switched to cause an acceleration pulse to be formed through each block. In this configuration, blocks of two or more switches / transmission lines excite the short axis length nδ of the beam tube wall. δ 1 is the short axis length of the beam tube wall corresponding to the excited line. n is the number of adjacent adjacent lines at any point in time, which is greater than or equal to 1 (n ≧ 1).

몇몇 치수는 예시에 불과하다. 예컨대, d=8cm, τ=수 나노미터(예컨대, 양자 가속의 경우에는 1-5 나노초, 전자 가속의 경우에는 100 피코초에서 수 나노초), v=c/2(c는 광속)이다. 그러나, 본 발명은 사실상 어떠한 치수로도 조정이 가능하다. 빔 튜브의 직경(d)과 길이(l)는, 유전체 빔 튜브의 입력 단부 및 출력 단부에서의 프린지 필드(fringe fields)를 감소시키기 위해, 기준 l＞4d를 만족하는 것이 바람직하다. 또한, 빔 튜브는 기준 γτv>d/0.6을 만족하는 것이 바람직하다. 여기서, v는 빔 튜브 벽에서의 파동의 속도이고, d는 빔 튜브의 직경이며, τ는 펄스 폭으로서 그 값은 τ=

이다. γ은 로렌츠 인자(Lorentz factor)로서 그 값은 γ=

이다. 중요한 것은, ΔR은 펄스 형성 라인의 길이이고, μ_r은 상대 투자율(일반적으로 1)이며, ε_r은 상대 유전율이라는 것이다. 이러한 구성에서, 가속 축을 따라 생성되는 펄스화된 고구배는, 적어도 미터당 대략 30 MeV이고 최대 미터당 대략 150 MeV가 된다. Some dimensions are illustrative only. For example, d = 8 cm, tau = several nanometers (e.g., 1-5 nanoseconds for quantum acceleration, 100 picoseconds to several nanoseconds for electron acceleration), and v = c / 2 (c is the luminous flux). However, the present invention can be adjusted to virtually any dimension. The diameter d and length l of the beam tube preferably satisfy the criterion l > 4d in order to reduce the fringe fields at the input and output ends of the dielectric beam tube. Further, the beam tube preferably satisfies the reference γτv> d / 0.6. Where v is the velocity of the wave in the beam tube wall, d is the diameter of the beam tube, τ is the pulse width and its value is τ =

to be. γ is a Lorentz factor whose value is γ =

to be. Importantly, ΔR is the length of the pulse forming line, μ _r is the relative permeability (typically 1), and ε _r is the relative permittivity. In this configuration, the pulsed high gradient generated along the acceleration axis is at least about 30 MeV per meter and at most about 150 MeV per meter.

가속도 구배를 생성하기 위해 코어를 필요로 하는 이러한 타입의 대부분의 가속기 시스템과 달리, 본 발명의 가속기 시스템은, 기준 nδl<l을 만족하면, 주어진 시간에서 빔 튜브의 작은 부분을 따라 발생하는 빔 튜브의 전기적 활성화가 쇼 트되지 않기 때문에, 코어 없이 동작한다. 코어를 사용하지 않음으로써, 본 발명에서는, 코어의 사용과 관련하여 생기는 여러 문제를 피할 수 있는데, 예를 들어 달성가능한 전압이 ΔB만큼 제한됨으로 인해 가속이 제한된다는 문제가 있다. 여기서 Vt=AΔB이며, A는 코어의 단면 면적이다. 또한, 코어를 사용하게 되면, 가속기의 반복 비율이 제한되는데, 이는 코어를 리셋하기 위해 펄스 파워 소스를 필요로 하기 때문이다. 주어진 nδl에서 펄스화된 가속은, 주어진 축 세그먼트에 이웃하는, 에너지가 공급되지 않은(un-energized) 전송 라인의 천이 분리(transient isolation) 특성 때문에, 도전성 하우징으로부터 분리된다. 에너지가 공급되지 않은 전송 라인(unenergized transmission line)의 불완전한 천이 분리 특성으로부터 파라시틱 파(parasitic wave)가 발생하는데, 이는 몇몇 스위치 전류가 에너지가 공급되지 않은 전송 라인으로 분로(shunt)되기 때문이다. 이것은, 물론 이러한 분로가 흐르지 않도록 하기 위해 자성 코어 분리(magnetic core isolation) 없이 발생한다. 소정의 조건 하에서, 파라시틱 파는 다음의 예에서 나타내는 바와 같이, 효과적으로 사용될 수 있다. 고속/높은 임피던스(낮은 유전 상수) 라인만이 스위칭되는 비대칭 스트립 블럼레인으로 구성되는 개방 회선(open circuited)의 블럼레인 스택의 구성에 있어서, 에너지가 공급되지 않는 전송 라인에서 생기는 파라시틱 파는, 저속 라인에서는 적은 양의 전압을 상승시키면서, 초기 충전 상태 동안 자신의 전압을 상승시키는 에너지가 공급되지 않는 전송 라인에서 더 높은 전압을 발생시킬 것이다. 이것은, 2개의 라인이, 동일한 전류가 공급되는 분압기(voltage divider)로서 직렬로 구성되기 때문이다. 가속기 벽에서의 파동은 초기에 충전된 값보다 더 큰 값으로 상승되어, 더 높은 가속도 구배를 달성할 수 있도록 한다. Unlike most accelerator systems of this type, which require a core to produce an acceleration gradient, the accelerator system of the present invention is a beam tube that occurs along a small portion of the beam tube at a given time, provided that the criterion nδl <l is met. Because the electrical activation of is not shorted, it operates without a core. By not using a core, in the present invention, various problems associated with the use of the core can be avoided, for example, there is a problem that acceleration is limited because the attainable voltage is limited by ΔB. Where Vt = AΔB, and A is the cross-sectional area of the core. In addition, the use of a core limits the repetition rate of the accelerator, since it requires a pulsed power source to reset the core. The pulsed acceleration at a given n δl is separated from the conductive housing due to the transient isolation characteristics of the un-energized transmission line adjacent to the given axis segment. Parasitic waves arise from the incomplete transition separation characteristics of the unenergized transmission line because some switch currents are shunted into the unenergized transmission line. This, of course, occurs without magnetic core isolation in order to prevent this shunt from flowing. Under certain conditions, parasitic waves can be effectively used, as shown in the following examples. In the construction of an open circuited Blumlane stack consisting of an asymmetric strip Blumlane in which only high speed / high impedance (low dielectric constant) lines are switched, the parasitic waves from an unenergized transmission line are slow The line will raise a small amount of voltage while generating a higher voltage in the transmission line that is not energized to raise its voltage during the initial charge state. This is because the two lines are configured in series as voltage dividers to which the same current is supplied. The wave at the accelerator wall rises to a value greater than the initially charged value, allowing higher acceleration gradients to be achieved.

도 26 및 도 27은, 길이가 L인 빔 튜브 내에서 발생되는 구배가 다른 것을 나타낸다. 도 26은 길이 L보다 작은 폭 vτ를 갖는 단일 펄스 진행파를 나타낸다. 이에 대하여, 도 27은, 가속기의 전체 길이(L)에 걸쳐 구배를 생성하기 위해 모든 전송 라인이 동시에 트리거되는 적층된 블럼레인 모듈의 통상적인 동작을 나타낸다. 26 and 27 show that the gradient generated in the beam tube of length L is different. FIG. 26 shows a single pulse traveling wave having a width vτ less than the length L. FIG. In this regard, FIG. 27 shows the typical operation of a stacked Blumlane module in which all transmission lines are simultaneously triggered to create a gradient over the entire length L of the accelerator.

C. 대전 입자 발생기: 통합된 펄스화 이온 소스 및 주입기C. Charged Particle Generator: Integrated Pulsed Ion Source and Injector

도 13은, 본 발명의 대전 입자 발생기(110)의 실시예를 나타낸다. 이 대전 입자 발생기는 단일의 유닛으로 통합된 펄스화 이온 소스(112)와 주입기(113)를 포함한다. 강력한 펄스화 이온 빔을 생성하기 위해, 추출된 이온의 변조(modulation)와 후속하는 번칭(bunching)이 요구된다. 먼저, 입자 발생기는, 고밀도의 플라즈마를 만들기 위해 표면 섬락 방전을 이용하는 펄스화 이온 소스(112)를 사용하여, 강력한 펄스화 이온 빔을 생성하도록 동작한다. 플라즈마 밀도의 개략적인 값은 7 기압(atmosphere)을 초과하며, 매우 짧은 펄스를 생성하기 위해 이러한 방전이 촉구된다. 종래의 이온 소스는 일정한 볼륨 내의 저압 가스로부터 플라즈마 방전을 일으킨다. 이러한 볼륨으로부터, 이온이 추출되어 가속기 내에 가속을 위해 시준된다. 이들 시스템은, 추출되는 전류 밀도가 0.25 A/cm² 이하로 제한되는 것이 일반적이다. 이처럼 전류 밀도가 낮은 것은, 추출 계면에서의 플라즈마 방전의 세기에 어느 정도 기인한다. 13 shows an embodiment of the charged particle generator 110 of the present invention. This charged particle generator includes a pulsed ion source 112 and an injector 113 integrated into a single unit. In order to produce a powerful pulsed ion beam, modulation and subsequent bunching of the extracted ions is required. First, the particle generator operates to generate a powerful pulsed ion beam, using a pulsed ion source 112 that uses surface flashover discharge to create a high density plasma. The approximate value of the plasma density exceeds 7 atmospheres, and this discharge is urged to produce a very short pulse. Conventional ion sources cause plasma discharge from low pressure gas within a constant volume. From this volume, ions are extracted and collimated for acceleration in the accelerator. In these systems, the current density to be extracted is typically limited to 0.25 A / cm ² or less. This low current density is caused to some extent by the intensity of the plasma discharge at the extraction interface.

본 발명의 펄스화 이온 소스는, 절연체와 교락(bridge)되는 둘 이상의 전극을 갖는다. 관련되는 가스는 금속 전극 내에서 용해되거나 2개의 전극 사이에서 고체 상태로 된다. 이러한 기하학적 형상에 의해, 절연체의 위에 생기는 스파크가 방전을 위해 그 물질을 받아들이고 추출을 위해 빔으로 이온화된다. 둘 이상의 전극이, 이들 2개의 전극 사이에서 스파크 방전을 형성하는, 절연성 물질, 반절연성 물질, 또는 반도전성 물질과 교락되는 것이 바람직하다. 원하는 이온을 원자 형태 또는 분자 형태로 포함하는 물질이 전자 내에 또는 전자의 부근에 형성된다. 원하는 이온을 함유하는 물질은 수소의 동위체, 예컨대 H2, 또는 탄소인 것이 바람직하다. 또한, 적어도 하나의 전극은 반다공성(semi-porous)이고, 원하는 이온을 원자 형태 또는 분자 형태로 함유하는 저장체(reservoir)가 전극 바로 아래에 배치되는 것이 바람직하다. 도 14 및 도 15는, 펄스화 이온 소스(그 전체를 도면부호 112로 나타냄)의 실시예를 나타낸다. 표면상에 캐소드(124)와 애노드(123)를 포함하는 세라믹(121)이 도시되어 있다. 캐소드는, H2 저장체(114)를 씌우는 팔라듐 중앙부(124)를 둘러싸고 있다. 캐소드와 애노드는 반대로 배치될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 팔라듐 모자 모양 부분(124)과 정렬된 구멍을 갖는 개구 판(aperture plate), 즉 게이트 전극(115)이 배치될 수 있다. The pulsed ion source of the present invention has two or more electrodes bridged with an insulator. The gas concerned is dissolved in the metal electrode or in a solid state between the two electrodes. By this geometry, the sparks that build up on the insulator accept the material for discharge and ionize into a beam for extraction. Preferably, two or more electrodes are entangled with an insulating material, semi-insulating material, or semiconductive material, which forms a spark discharge between these two electrodes. Materials containing the desired ions in atomic or molecular form are formed in or near the electrons. The material containing the desired ions is preferably an isotope of hydrogen, such as H2, or carbon. It is also preferred that the at least one electrode is semi-porous and a reservoir containing the desired ions in atomic or molecular form is disposed directly below the electrode. 14 and 15 show an embodiment of a pulsed ion source (indicated by 112 in its entirety). A ceramic 121 is shown comprising a cathode 124 and an anode 123 on its surface. The cathode surrounds the palladium central portion 124 covering the H2 reservoir 114. It will be appreciated that the cathode and anode can be arranged in reverse. An aperture plate, ie, gate electrode 115, may be disposed with holes aligned with the palladium cap-shaped portion 124.

도 15에 나타낸 바와 같이, 전자 방출을 행하기 위해 캐소드 전극 및 애노드 전극 사이에 고전압이 인가된다. 이들 전극은 초기에는 충분한 고전압에서 거의 진공 상태에 있기 때문에, 전자가 캐소드로부터 전계 방출(field emit)된다. 이들 전자는 애노드까지 공간을 횡단해서 이동하고 애노드에 부딪쳐서 국부적인 열을 발 생시킨다. 이러한 열의 발생에 의해, 전자에 의해 뒤이어 충돌하는 분자가 방출되고, 방출되는 분자가 이온화된다. 이들 분자는 원하는 종류가 될 수도 되지 않을 수도 있다. 이온화된 가스 분자(이온)는, 캐소드로 다시 가속화되어 충돌하고, 이 경우, 팔라듐(Pd) 상단 모자 모양 부분에 의해 가열된다. 팔라듐(Pd)은, 가열되면, 가스, 대부분 수소가 그 물질을 통해 투과되는 특성을 갖는다. 따라서, 이온에 의한 가열이 수소 가스로 하여금 볼륨 내로 국부적으로 누출되기에 충분하게 됨에 따라, 누출된 분자는 전자에 의해 이온화되어 플라즈마를 형성한다. 플라즈마가 충분한 밀도까지 구축되면, 자립의 아크가 형성된다. 따라서, 개구 판의 대향 면상에 배치되는, 음성으로 충전된(negatively charged) 펄스화 전극은, 이온을 추출하여 가속기에 주입시키는데 사용될 수 있다. 추출기 전극이 없는 경우, 적절한 극성의 전기적 필드가 마찬가지로 이온을 추출하는데 사용될 수 있다. 아크가 중단되면, 가스는 탈이온화된다. 전극이 잔류 가스 제거용 물질로 이루어진 경우, 가스는 금속 전극 내부로 흡수되어, 다음 사이클에서 계속 사용된다. 재흡수되지 않는 가스는 진공 시스템에 의해 펌프 작용으로 외부로 배출된다. 이러한 타입의 소스가 갖는 장점은, 진공 시스템에서의 가스 부하가 펄스화 장치에서 최소로 된다는 점이다. As shown in Fig. 15, a high voltage is applied between the cathode electrode and the anode electrode to perform electron emission. Since these electrodes are initially almost vacuum at a sufficient high voltage, electrons are field emitted from the cathode. These electrons travel across the space to the anode and hit the anode to generate local heat. By the generation of this heat, molecules that subsequently collide with the electrons are released, and the molecules released are ionized. These molecules may or may not be of the desired type. The ionized gas molecules (ions) are accelerated back to the cathode and collide, where they are heated by the palladium (Pd) top hat-shaped portion. Palladium (Pd), when heated, has the property that gas, mostly hydrogen, is permeated through the material. Thus, as the heating by the ions becomes sufficient to cause the hydrogen gas to leak locally into the volume, the leaked molecules are ionized by the electrons to form a plasma. When the plasma is built up to a sufficient density, freestanding arcs are formed. Thus, a negatively charged pulsed electrode, disposed on opposite sides of the aperture plate, can be used to extract ions and implant them into the accelerator. In the absence of an extractor electrode, an electrical field of appropriate polarity can likewise be used to extract ions. When the arc is stopped, the gas is deionized. If the electrode is made of residual gas removal material, the gas is absorbed into the metal electrode and continues to be used in the next cycle. Gas that is not resorbed is pumped out by the vacuum system. An advantage of this type of source is that the gas load in the vacuum system is minimal in the pulsed device.

펄스화된 이온 소스(112)로부터 선형 가속기의 입력에의 대전 입자 추출, 포커싱, 및 운반은, 도 13에 도시된, 통합된 주입부(113)에 의해 이루어진다. 특히, 대전 입자 발생기의 주입부(113)는, 대전 입자 치료 시설의 환자 또는 동위원소 발생을 위한 표적 또는 대전 입자 빔에 대한 임의의 다른 적절한 표적이 될 수 있는 표적에 대전 입자 빔을 집중시키는 기능을 행한다. 또한, 본 발명의 통합된 주입기에 의하면, 대전 입자 발생기는 빔을 운반해서 환자에 집중시키기 위한 전기적 포커싱 필드(electric focusing field)만을 사용할 수 있다. 시스템에는 자석을 사용하지 않는다. 이 시스템은, 넓은 범위의 빔 전류, 에너지, 및 스폿 사이즈를 독립적으로 전달할 수 있다. Extraction, focusing, and transport of charged particles from the pulsed ion source 112 to the input of the linear accelerator is made by the integrated implant 113, shown in FIG. 13. In particular, the injecting portion 113 of the charged particle generator is capable of concentrating the charged particle beam at a target in a charged particle treatment facility or a target for isotope generation or any other suitable target for the charged particle beam. Is done. In addition, according to the integrated injector of the present invention, the charged particle generator may use only an electric focusing field for carrying the beam and focusing on the patient. The system does not use magnets. The system can deliver a wide range of beam currents, energy, and spot sizes independently.

도 13은 펄스화된 이온 소스(112)와 관련하여 주입기(113)의 개략적인 구성을 나타내며, 도 21은 선형 가속기(131)와 통합된 조합형의 대전 입자 발생기(132)의 개략적인 구성을 나타낸다. 전체적으로 콤팩트하고 고구배를 갖는 가속기의 빔 추출, 운반 및 포커스는, 대전 입자 소스와 고구배를 갖는 가속기 사이에 위치하는, 게이트 전극(115), 추출 전극(116), 포커스 전극(117), 및 그리드 전극(119)을 포함하는 주입기에 의해 제어된다. 그러나, 중요한 것은, 적어도 운반 시스템은 추출 전극, 포커싱 전극, 및 그리드 전극을 포함하여야 한다는 것이다. 각각의 기능을 위해 하나 이상의 전극이 필요에 따라 사용될 수 있다. 모든 전극은, 도 18에 나타낸 바와 같이, 시스템의 성능을 최적화하기 위한 형태를 가질 수 있다. 고속 펄스 전압을 가진 게이트 전극(115)은, 대전 입자 빔을 수 나노초 내에 온 및 오프로 전환시키는데 사용된다. 양자 치료를 위해 설계된 고구배의 가속기에서의 게이트 전극의 시뮬레이션 추출 빔 전류는 도 17에 제시되어 있으며, 다양한 게이트 전극 전압에 대한 최종적인 빔 스폿은 도 16에 제시되어 있다. 본 발명자들에 의해 수행된 시뮬레이션에 있어서, 공칭의 게이트 전극의 전압은 9 kV이고, 추출 전극의 전압은 980 kV이며, 포커스 전극의 전압은 90 kV, 그리드 전극의 전압은 980 kV, 고구배를 갖는 가속기의 가속도 구배는 100 MV/m이다. 도 16은 최종적인 스폿 사이즈가 게이트 전극의 전압 세팅에 민감하지 않다는 것을 나타내기 때문에, 게이트 전압은 도 17에 나타낸 바와 같이, 빔 전류를 온/오프로 전환시키는데 용이한 노브(knob)를 제공한다. FIG. 13 shows a schematic configuration of an injector 113 in conjunction with a pulsed ion source 112, and FIG. 21 shows a schematic configuration of a combined charged particle generator 132 integrated with a linear accelerator 131. . Beam extraction, transport and focus of an overall compact, high-gradient accelerator are located between the gated particle 115, the extraction electrode 116, the focus electrode 117, and positioned between the charged particle source and the high-gradient accelerator. Controlled by an injector comprising a grid electrode 119. However, it is important that at least the conveying system must include an extraction electrode, a focusing electrode, and a grid electrode. One or more electrodes may be used as needed for each function. All electrodes may be shaped to optimize the performance of the system, as shown in FIG. 18. Gate electrode 115 with a fast pulse voltage is used to turn the charged particle beam on and off within a few nanoseconds. Simulation of the gate electrode in a high-gradient accelerator designed for quantum therapy is shown in FIG. 17 and the final beam spot for the various gate electrode voltages is shown in FIG. 16. In the simulation performed by the present inventors, the nominal gate electrode voltage is 9 kV, the extraction electrode voltage is 980 kV, the focus electrode voltage is 90 kV, the grid electrode voltage is 980 kV, high gradient The acceleration gradient of the accelerator is 100 MV / m. Since FIG. 16 indicates that the final spot size is not sensitive to the voltage setting of the gate electrode, the gate voltage provides an easy knob to switch the beam current on / off, as shown in FIG. .

고구배를 갖는 가속기 시스템의 주입기는, 전류가 추출 전극의 전압에 의해 정해지는, 공간 전하가 대부분인 빔을 추출해서 포획하기 위해, 게이트 전극 및 추출 전극을 사용한다. 가속기 시스템은, 빔을 표적에 집중시키기 위해 하나 이상의 포커스 전극(117) 세트를 사용한다. 도 18에 나타낸 가능한 윤곽 구성은, 추출 전극과 포커스 전극이 어떻게 기능하는지를 나타낸다. 이 경우, 최소의 포커싱/운반 시스템, 즉 하나의 추출 전극 및 하나의 포커스 전극이 사용된다. 추출 전극, 포커스 전극, 및 그리드 전극의, 고구배를 갖는 가속기 입구에서의 전압은 각각 980 kV, 90 kV, 및 980 kV이다. 도 18은, 성형된 추출 전극의 전압에 의해 게이트 전극 및 추출 전극 사이의 갭 전압(gap voltage)이 어떻게 설정되는지를 나타낸다. 도 18은 또한, 성형된 추출 전극, 성형된 포커스 전극 및 그리드 전극의 전압이, 강력한 순수 집광력을 대전 입자 빔에 제공하는, 정전(electrostatic) 포커싱-디포커싱-포커싱 영역, 즉 아인젤(Einzel) 렌즈를 생성하는 것을 나타낸다. The injector of an accelerator system having a high gradient uses a gate electrode and an extraction electrode to extract and capture a beam having a large amount of space charge, whose current is determined by the voltage of the extraction electrode. The accelerator system uses one or more sets of focus electrodes 117 to focus the beam on the target. The possible contour configuration shown in FIG. 18 shows how the extraction electrode and the focus electrode function. In this case, a minimum focusing / carrying system is used, namely one extraction electrode and one focus electrode. The voltages at the high gradient accelerator inlet of the extraction electrode, focus electrode, and grid electrode are 980 kV, 90 kV, and 980 kV, respectively. FIG. 18 shows how the gap voltage between the gate electrode and the extraction electrode is set by the voltage of the shaped extraction electrode. 18 also shows an electrostatic focusing-defocusing-focusing region, ie Einzel, wherein the voltages of the shaped extraction electrode, shaped focus electrode and grid electrode provide strong pure condensing power to the charged particle beam. Indicates creating a lens.

빔을 집광하기 위해 아인젤 렌즈를 사용하는 것이 새로운 것이 아니라고 해도, 본 발명의 가속기 시스템은, 포커싱을 위한 자석이 전혀 없다. 또한, 본 발명은, 아인젤 렌즈를 다른 전극과 조합하여, 표적에서의 빔 스폿 사이즈가 전환가능하고 빔의 전류 및 에너지에 독립적으로 된다. 본 발명의 고구배를 갖는 가속기의 입구 또는 주입기의 출구에는 그리드 전극(119)이 존재한다. 추출 전극 및 그리드 전극은 동일한 전압으로 설정될 것이다. 그리드 전극의 전압을 추출 전극의 전압과 동일하게 함으로써, 가속기로 주입되는 빔의 에너지는, 성형된 포커스 전극에 설정되는 전압에 관계없이 동일한 상태를 유지할 것이다. 따라서, 성형된 포커스 전극의 전압을 변경시키면, 빔 에너지가 아닌, 아인젤 렌즈의 세기만을 변경시킬 것이다. 빔 전류는 추출 전극의 전압에 의해 정해지기 때문에, 최종적인 스폿은, 빔 전류 및 에너지와 독립적인, 성형된 포커스 전극의 전압을 조정함으로써 자유롭게 조절될 수 있다. 이러한 시스템에서, 추가의 포커싱에 의해 축 방향의 전기적 필드에서 적절한 구배(즉, dE_z/dz)가 얻어지며, 전기적 필드를 변경하는 시간 비율(즉, z=z₀에서 dE/dt)이 추가적인 결과로 된다는 것을 알 수 있을 것이다. Although it is not new to use Einzel lenses to focus the beam, the accelerator system of the present invention is devoid of magnets for focusing. In addition, the present invention combines Einzel lenses with other electrodes so that the beam spot size at the target is switchable and independent of the current and energy of the beam. The grid electrode 119 is present at the inlet of the accelerator or at the outlet of the injector with the high gradient of the present invention. The extraction electrode and grid electrode will be set to the same voltage. By making the voltage of the grid electrode the same as the voltage of the extraction electrode, the energy of the beam injected into the accelerator will remain the same regardless of the voltage set on the shaped focus electrode. Thus, changing the voltage of the shaped focus electrode will only change the intensity of the Einzel lens, not the beam energy. Since the beam current is determined by the voltage of the extraction electrode, the final spot can be freely adjusted by adjusting the voltage of the shaped focus electrode, which is independent of the beam current and energy. In such a system, additional focusing yields an appropriate gradient in the axial electrical field (ie dE _z / dz), with additional time ratios for changing the electrical field (ie z = z ₀ to dE / dt). You will see the result.

다양한 포커스 전극 전압 설정을 가진, 자석이 없는 250 MeV 양자 가속기(고구배를 가짐)를 통해 빔을 운반하기 위한 시뮬레이션 빔 포락선(simulated beam envelopes)이 도 19에 도시되어 있다. 이들에 대응하는 포커스 전극 전압은 왼쪽에 주어져 있으며, 이들 형태는, 표적에서의 250 MeV 양자 빔의 스폿 사이즈가 포커스 전극 전압을 조정함으로써 용이하게 조절될 수 있다는 것을 명백히 보여주고 있다. 다양한 양자 빔 에너지에 대한 스폿 사이즈 대 포커스 전극 전압의 형태가 도 20에 도시되어 있다. 각각의 양자 에너지에 대해 2개의 곡선이 그려져 있다. 위쪽 곡선은 빔의 에지 반경을 나타내며, 아래쪽 곡선은 코어 반경을 나타낸다. 이들 곡선의 형태는, 70-250 MeV, 100 mA의 양자 빔에 대해, 100 MV의 가속도 구배 로 고구배의 양자 치료 가속기에서의 포커스 전극 전압을 조정함으로써, 넓은 범위의 스폿 사이즈(2 mm-2 cm 직경)를 얻을 수 있다는 것을 보여준다. Simulated beam envelopes for transporting the beam through a magnetless 250 MeV quantum accelerator (with high gradient) with various focus electrode voltage settings are shown in FIG. 19. The corresponding focus electrode voltages are given on the left, and these forms clearly show that the spot size of the 250 MeV quantum beam at the target can be easily adjusted by adjusting the focus electrode voltage. The shape of the spot size versus focus electrode voltage for various quantum beam energies is shown in FIG. 20. Two curves are drawn for each quantum energy. The upper curve represents the edge radius of the beam and the lower curve represents the core radius. These curves form a wide range of spot sizes (2 mm-2) by adjusting the focus electrode voltage on a high quantum therapy accelerator with an acceleration gradient of 100 MV for a quantum beam of 70-250 MeV, 100 mA. cm diameter).

이러한 통합된 대전 입자 발생기를 사용하는, 고구배를 갖는 콤팩트 가속기 시스템은, 넓은 범위의 빔 전류, 에너지, 및 스폿 사이즈를 독립적으로 전달할 수 있다. 전체 가속기의 빔 추출, 운반 및 포커스는, 대전 입자 소스 및 고구배의 가속기 사이에 위치한, 게이트 전극, 성형된 추출 전극, 성형된 포커스 전극, 및 그리드 전극에 의해 제어된다. 추출 전극과 그리드 전극은 동일한 전압 설정을 갖는다. 추출 전극과 그리드 전극 사이의 성형된 포커스 전극은 더 낮은 전압으로 설정되어, 아인젤 렌즈를 형성하고, 스폿 사이즈를 위한 조정용의 노브를 제공한다. 운반 시스템은, 적어도 추출 전극, 포커싱 전극, 및 그리드 전극으로 이루어지지만, 시스템이 실제로 강력한 집광력을 필요로 하는 경우, 교류 전압을 가진 더 많은 수의 아인젤 렌즈가 성형된 포커스 전극과 그리드 전극 사이에 추가될 수 있다. Using this integrated charged particle generator, a high gradient compact accelerator system can independently deliver a wide range of beam currents, energy, and spot sizes. Beam extraction, transport and focus of the entire accelerator is controlled by a gate electrode, shaped extraction electrode, shaped focus electrode, and grid electrode, located between the charged particle source and the high gradient accelerator. The extraction electrode and the grid electrode have the same voltage setting. The shaped focus electrode between the extraction electrode and the grid electrode is set to a lower voltage, forming an Einzel lens and providing a knob for adjustment for the spot size. The conveying system consists of at least an extraction electrode, a focusing electrode, and a grid electrode, but when the system actually needs a strong condensing force, a larger number of Einzel lenses with alternating voltage are formed between the focus electrode and the grid electrode. Can be added.

D. 의료 요법용의 작동가능한 콤팩트 가속기 시스템D. Operable Compact Accelerator System for Medical Therapy

도 21은 본 발명의 작동가능한 콤팩트 가속기 시스템(130)을 개략적으로 나타낸다. 이 콤팩트 가속기 시스템은, 대전 입자 빔을 형성하거나 가속 축을 따라 콤팩트 가속기에 빔을 주입시키기 위해, 콤팩트 선형 가속기(131)의 입력단에 통합하여 설치되거나 그외 다른 방식으로 위치된 대전 입자 발생기(132)를 포함한다. 대전 입자 발생기를 가속기에 이러한 방식으로 통합함으로써, 화살표(135)로 나타낸 바와 같이, 액추에이터 메커니즘(134)과 빔(136-138)에 의한 단일의 작동(unitary actuation)이 가능한, 상대적으로 소형의 크기를 갖는 단일체 구성이 달성될 수 있다. 종래의 시스템에서는, 그 스케일 크기 때문에, 원격 위치로부터 빔을 운반하기 위해 자석(magnets)이 필요했다. 이에 대하여, 본 발명에서는 스케일 크기가 크게 감소되었기 때문에, 양자 빔과 같은 빔이, 자석을 사용하지 않아도, 원하는 표적 위치에 매우 근접해서 생성, 제어 및 운반될 수 있다. 이러한 콤팩트 시스템은, 예를 들어 의료 치료용 가속기의 응용 장치에 사용하는 것이 이상적이다. 21 schematically illustrates an operable compact accelerator system 130 of the present invention. This compact accelerator system incorporates a charged particle generator 132 installed or otherwise located integrally at the input of the compact linear accelerator 131 to form a charged particle beam or to inject the beam into the compact accelerator along the acceleration axis. Include. By incorporating the charged particle generator in this manner into the accelerator, a relatively small size, which allows unitary actuation by the actuator mechanism 134 and the beams 136-138, as indicated by the arrow 135. Monolithic configurations with can be achieved. In conventional systems, because of its scale size, magnets were required to carry the beam from a remote location. In contrast, since the scale size is greatly reduced in the present invention, a beam such as a quantum beam can be generated, controlled and transported in close proximity to the desired target position without using a magnet. Such compact systems are ideally suited for use, for example, in the application of medical therapeutic accelerators.

이러한 단일체 장치는, 대전 입자 빔 및 이에 따라 생성되는 빔 스폿을 직접 제어하기 위해 통합된 입자 생성기-선형 가속기를 작동시키도록 구성된 서포트 구조체(133) 상에 설치할 수 있다. 콤팩트 가속기와 대전 입자 소스를 통합한 단일 조합체를 설치하기 위한 다양한 배치가 도 22-24에 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 도 22-24는, 빔의 지향을 제어할 수 있도록 하기 위해 다양한 종류의 서포트 구조체 상에 설치된 콤팩트 가속기/대전 입자 소스의 조합체를 나타내는 본 발명의 실시예를 도시하고 있다. 가속기와 대전 입자 소스는, 고정된 스탠드로부터 매달려(suspend) 있거나 관절식으로 연결(articulate)되어 환자를 향하도록 할 수 있다(도 22 및 도 23). 도 22에서, 중력의 중심(143) 주위로 단일 장치를 회전시킴으로써 단일의 작동(unitary actuation)이 가능하다. 도 22에 도시된 바와 같이, 콤팩트한 발생기-가속기 통합 구조체는, 가속화된 빔을 지향시키기 위해 필요한 에너지를 감소시키기 위해, 중력의 중심 주위로 피벗식으로 회전되는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 가속기와 대전 입자 소스의 콤팩트한 단일 조합체를 작동시키기 위한 것이면, 본 발명의 범위 내에서 다른 설치 구성 및 서포트 구조가 가능하다. This monolithic device may be installed on a support structure 133 configured to operate an integrated particle generator-linear accelerator to directly control the charged particle beam and thus the resulting beam spot. Various arrangements for installing a single combination incorporating a compact accelerator and a charged particle source are shown in FIGS. 22-24, but are not limited to such. In particular, FIGS. 22-24 illustrate embodiments of the present invention showing a combination of compact accelerator / charged particle sources installed on various types of support structures to enable control of the beam orientation. The accelerator and charged particle source may be suspended or articulated from a fixed stand to face the patient (FIGS. 22 and 23). In FIG. 22, unitary actuation is possible by rotating a single device around the center of gravity 143. As shown in FIG. 22, the compact generator-accelerator integrated structure may preferably be pivotally rotated around the center of gravity to reduce the energy needed to direct the accelerated beam. However, other installation configurations and support structures are possible within the scope of the present invention as long as it is intended to operate a compact single combination of accelerator and charged particle source.

콤팩트하고 작동가능한 구조체를 만들기 위해 대전 입자 발생기와의 통합에, 다양한 가속기 구조가 사용될 수 있다. 예를 들어, 가속기 구조는, 앞서 설명한 블럼레인 모듈 구성 내에 2개의 전송 라인을 사용할 수 있다. 이 전송 라인은 평행 판 전송 라인인 것이 바람직하다. 또한, 전송 라인은 도 1-도 12에 나타낸 바와 같이 스트립형 구성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, SiC 광도전성 스위치, 가스 스위치, 또는 오일 스위치 등과 같이, 고속(나노초)에 가까운 시간을 갖는 다양한 종류의 고전압 스위치가 사용될 수 있다. Various accelerator structures can be used for integration with a charged particle generator to create a compact and operable structure. For example, the accelerator structure may use two transmission lines in the Blumlane module configuration described above. This transmission line is preferably a parallel plate transmission line. In addition, the transmission line preferably has a strip configuration as shown in Figs. In addition, various kinds of high voltage switches having a time close to a high speed (nanosecond) may be used, such as a SiC photoconductive switch, a gas switch, an oil switch, or the like.

가속기 시스템의 작동 및 동작을 제어하기 위해, 본 기술분야에 알려진 다양한 액추에이터 메커니즘과 시스템 제어 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 단순한 볼 스크류(ball screws), 스테퍼 모터(stepper motors), 솔레노이드, 전기 작동식 트랜슬레이터 및/또는 공기압 장치 등이, 가속기 빔의 위치 설정과 움직임을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 이에 의하면, CNC 장비에 범용적으로 사용되는 프로그래밍 언어와 동일하지 않은 경우, 매우 유사하게 빔 경로의 프로그래밍이 가능하다. 액추에이터 메커니즘은, 가속화된 빔 방향 및 빔 스폿 위치를 제어하기 위해, 통합된 입자 발생기-가속기를 기계적으로 작동시키거나 동작시키도록 기능한다. 이와 관련하여, 시스템은, 적어도 하나의 회전 자유도(예컨대, 질량 중심의 주위로 피벗식으로 회전)를 갖지만, 본 기술분야에 알려진 바와 같이, 3개의 이동(translation) 및 3개의 회전(rotation)을 포함하는, 본체 또는 시스템의 변경 또는 변형된 위치를 완전히 만족시키는 독립적인 변위의 세트에 해당하는 6 자유 도(DOF)를 갖는 것이 바람직하다. 이동(translation)은 3차원 중의 각각으로 이동할 수 있는 능력을 나타내며, 회전은 3개의 수직 축 둘레로 각도를 변경시킬 수 있는 능력을 나타낸다. In order to control the operation and operation of the accelerator system, various actuator mechanisms and system control methods known in the art can be used. For example, simple ball screws, stepper motors, solenoids, electrically operated translators and / or pneumatic devices and the like can be used to control the positioning and movement of the accelerator beam. This makes it possible to program the beam path very similarly if it is not the same as the programming language used universally in CNC equipment. The actuator mechanism functions to mechanically actuate or operate the integrated particle generator-accelerator to control the accelerated beam direction and beam spot position. In this regard, the system has at least one degree of freedom of rotation (eg, pivotally around a center of mass), but as known in the art, three translations and three rotations are known. It is preferred to have six degrees of freedom (DOF) corresponding to a set of independent displacements that fully satisfy the altered or modified position of the body or system, including. Translation represents the ability to move in each of the three dimensions, and rotation represents the ability to change the angle around three vertical axes.

가속화된 빔 파라미터의 정확도는, 도 22의 측정 블록(147)으로 나타낸 바와 같이, 가속기의 제어 및 방향 설정 시스템으로 설계된, 능동적인 위치 설정, 모니터링, 및 피드백 위치 설정 시스템[예컨대, 환자(145) 위에 위치한 모니터]에 의해 제어될 수 있다. 시스템 컨트롤러(146)는, 빔 방향, 빔 스폿 위치, 빔 스폿 사이즈, 선량, 빔 세기 및 빔 에너지 등의 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여, 가속기 시스템을 제어한다. 브랙 피크(Bragg peak)에 기초한 에너지에 의해, 깊이가 비교적 정확하게 제어된다. 시스템 컨트롤러는, 앞서 언급한 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 피드포워드 데이터(feedforward data)를 모니터링 및 제공하기 위한 피드포워드 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 대전 입자 및 가속기에 의해 생성되는 빔은, 환자에 대해 진동적 투사(oscillatory projection)를 발생시키도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 일실시예에서, 진동적 투사는, 연속으로 변하는 반경을 가진 원형이다. 어느 경우에서나, 빔의 인가는, 위치, 선량, 스폿 사이즈, 빔 세기, 빔 에너지 중의 하나 또는 조합에 기초하여 능동적으로 제어될 수 있다. The accuracy of the accelerated beam parameters is determined by an active positioning, monitoring, and feedback positioning system (e.g., patient 145), designed as an accelerator control and orientation system, as indicated by measurement block 147 of FIG. Can be controlled by the monitor located above. The system controller 146 controls the accelerator system based on at least one of parameters such as beam direction, beam spot position, beam spot size, dose, beam intensity and beam energy. By the energy based on the Bragg peak, the depth is controlled relatively accurately. The system controller preferably includes a feedforward system for monitoring and providing feedforward data based on at least one of the aforementioned parameters. The beam generated by the charged particles and the accelerator may be configured to generate an oscillatory projection for the patient. Preferably, in one embodiment, the vibratory projection is circular with a continuously varying radius. In either case, the application of the beam can be actively controlled based on one or a combination of position, dose, spot size, beam intensity, beam energy.

특정의 동작 시퀀스, 물질, 온도, 파라미터, 및 특정의 실시예가 개시 및/또는 예시되어 있지만, 이는 제한을 위한 것이 아니다. 당업자라면 변경 및 변경이 가능하다는 것을 명백히 알 수 있을 것이며, 본 발명이 첨부된 청구범위의 범위 내에서만 제한된다는 것을 알 수 있을 것이다. Although specific operating sequences, materials, temperatures, parameters, and specific embodiments are disclosed and / or illustrated, this is not limiting. It will be apparent to those skilled in the art that modifications and variations are possible, and that the invention is limited only within the scope of the appended claims.

Claims

In short pulse dielectric wall accelerator,

A dielectric beam tube of length L surrounding the acceleration axis;

Two or more pulse-forming lines connected transversely to said dielectric beam tube, each said pulse-forming line being independent of the other pulse-forming line, through said pulse-forming line one or more electrical wavefronts ( the pulse shaping line, each having a switch connectable to a high voltage potential for propagating electrical wavefront, thereby generating a short acceleration pulse of pulse width τ along the corresponding shot axial length δL of the dielectric beam tube; And

Create an electrical field running axially along the dielectric beam tube in synchronization with an axially traversing pulsed beam of charged particles to transfer energy to the charged particles. Means for sequentially controlling the switch to deliver continuously to

Comprising, a short pulse dielectric wall accelerator.

The method of claim 1,

Each said pulse shaping line is a Blumlein module,

The Blumlane module,

A first conductor having a first end and a second end adjacent to the acceleration axis;

A second conductor adjacent to the first conductor, the second conductor having a first end switchable to a high voltage potential and a second end adjacent to the acceleration axis;

A third conductor having a first end and a second end adjacent to the acceleration axis and adjacent to the second conductor;

A first dielectric material filling a space between the first conductor and the second conductor, the first dielectric material having a first dielectric constant; And

A second dielectric material filling a space between the second conductor and the third conductor and having a second dielectric constant

Comprising, a short pulse dielectric wall accelerator.

The method of claim 2,

The first conductor, the second conductor, and the third conductor, and the first dielectric material and the second dielectric material are parallel plate strips extending from the first end to the second end. A short pulse dielectric wall accelerator having a configuration.

The method of claim 2,

And the dielectric beam tube has a larger dielectric constant than the first dielectric material and the second dielectric material.

The method of claim 4, wherein

And the dielectric beam tube comprises a layer in which the conductor and the dielectric material are alternately stacked in a plane perpendicular to the acceleration axis.

The method of claim 1,

Means for controlling the switch sequentially may include the fact that an acceleration pulse can be sequentially formed through each block by simultaneously switching two or more adjacent pulse forming lines forming a block and sequentially switching adjacent blocks. Pulse dielectric wall accelerator.

The method of claim 1,

The diameter d and the length L of the dielectric beam tube satisfy a criterion of L> 4d to reduce fringe fields at the input and output ends of the dielectric beam tube.

The method of claim 1,

The dielectric beam tube meets the criterion of γτv> d / 0.6, where v is the velocity of the wave at the wall of the dielectric beam tube, d is the diameter of the dielectric beam tube, and τ is the pulse width. The value is τ =

Γ is a Lorentz factor whose value is γ =

Phosphorus, short pulse dielectric wall accelerator.

In a sequentially pulsed traveling wave linear accelerator,

A plurality of pulse forming lines extending along a transverse acceleration axis, each of said pulse forming lines being independent of other pulse forming lines, being connectable to a high voltage potential for propagating one or more electrical wavefronts through said pulse forming lines; Each pulse forming line having a switch, thereby producing a short acceleration pulse adjacent to a corresponding short axis length of the acceleration axis; And

Operably connected to the switch for sequentially controlling the switch, generating an electrical field traveling in the axial direction along the acceleration axis in synchronization with the pulsed beam traversing in the axial direction of the charged particles, thereby transferring energy to the charging Trigger for continuous delivery to particles

And a sequential pulsed traveling wave linear accelerator.

The method of claim 9,

Each said pulse shaping line is a Blumlein module,

The Blumlane module,

And a sequential pulsed traveling wave linear accelerator.

The method of claim 10,

The first conductor, the second conductor, and the third conductor, and the first dielectric material and the second dielectric material have a parallel plate strip configuration extending from the first end to the second end. Pulsed traveling wave linear accelerator.

The method of claim 9,

Means for controlling the switch sequentially may include: by simultaneously switching two or more adjacent pulse forming lines forming a block and sequentially switching adjacent blocks, acceleration pulses may be sequentially formed through each block, Sequentially pulsed traveling wave linear accelerator.

In a sequentially pulsed traveling wave linear accelerator,

A dielectric beam tube of length L surrounding the acceleration axis;

At least two Blumlane modules each forming a pulse forming line transverse to said acceleration axis, said Blumlane module comprising:

A first conductor having a first end and a second end connected to the dielectric beam tube;

A second conductor having a first end switchable to a high voltage potential and a second end connected to the dielectric beam tube and adjacent the first conductor;

A third conductor having a first end and a second end connected to said dielectric beam tube and adjacent said second conductor;

A space between the second conductor and the third conductor, the second dielectric material having a second dielectric constant,

Independent of other Blumlane modules, each having one or more switches connectable to a high voltage potential for propagating one or more electrical wavefronts through the Blumlane module, thereby providing a pulse width τ along the corresponding shortened length δL of the dielectric beam tube. A Blumlane module for generating a short acceleration pulse of; And

Operatively connected to the switch to trigger the switch sequentially, thereby generating an electrical field running in the axial direction along the beam tube in synchronization with the pulsed beam traversing in the axial direction of the charged particles, thereby transferring energy to the charging. Controller for continuous delivery to particles

And a sequential pulsed traveling wave linear accelerator.

The method of claim 13,

And said Blumlein module is symmetric Blumleins having the same first and second dielectric constants as the sequential pulsed traveling wave linear accelerator.

The method of claim 13,

And said Blumlein module is asymmetric Blumleins having different first and second dielectric constants.