KR20210003749A - 두 개 이상의 rf 소스로 조직을 조사하기 위한 양성자 선형 가속기 시스템 - Google Patents
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Abstract
양성자 빔은 암세포를 파괴할 수 있지만 건강한 조직에 대한 손상이 크게 감소하기 때문에 치료 목적으로 X 선에 대한 유망한 대안이다. 조직의 에너지 선량은 종양에 근접하게 브래그 피크를 위치시키도록 빔을 구성함으로써 종양 부위에 집중될 수 있다. 조직에서 양성자 빔의 길이 방향 범위는 일반적으로 빔의 에너지에 따라 다르다. 그러나, 에너지를 전환한 후, 양성자 빔 시스템은 치료에 사용되기 전에 빔 에너지가 안정화되는데 소정의 시간이 필요하다. 양성자 빔의 에너지를 변경하기 위한 양성자 빔 작동 사이클의 온-타임 동안 제 1 RF 에너지 소스로부터 F 에너지를 제공하도록 그리고 공동의 온도를 증가 또는 유지하기 위해 양성자 빔 작동 사이클의 오프-타임 동안 제2의 별개의 RF 에너지 소스로부터 RF 에너지를 제공하도록 구성된 개선된 빔 에너지 제어로 조직을 조사하기 위해 양성자 선형 가속기 시스템이 제공된다. 각각의 RF 소스는 독립적으로 작동하여 더 높은 RF 펄스 속도가 공동에 도달할 수 있으므로, 양성자 빔 에너지 펄스들 사이를 더 짧은 시간을 지지한다. 또한, 제 2 RF 에너지 소스에 대한 피크 전력 요건은 일반적으로 제 2 RF 에너지 소스에 대한 것보다 적을 수 있으며, 제 2 소스에 대해 더 저렴한 유형을 사용할 수 있다. 제 1 및 제 2 RF 소스를 사용하면 캐비티 정정 시간을 몇 분에서 10초 미만으로 줄일 수 있다.
Description
본 발명은 작동 중에 양성자 빔을 제공하기 위한 양성자 소스를 포함하는 조직을 조사하기(irradiating) 위한 양성자 선형 가속기 시스템에 관한 것이다.
X-선과 같은 에너지 빔은 암세포의 DNA를 손상시키고 인간과 동물에서 암세포를 죽이기 위해 수년 동안 치료용으로 사용되어 왔다. 그러나, 종양을 치료하는 동안, X-선은 주변의 건강한 조직, 특히 종양 부위 전(입사 선량)과 후(통과 선량) 모두에서, 신체를 통과하는 X-선 경로를 따라, 노출된다. X-선 선량은 흔히 단기적인 부작용을 초래할 만큼 충분히 높으며, 늦은 발암, 건강한 조직의 성장 기능 장애, 및 어린이의 경우 성장 지연을 초래할 수 있다.
양성자 빔은 암세포를 파괴 할 수도 있지만 건강한 조직에 대한 손상이 크게 감소하기 때문에 유망한 대안이다. 조직의 에너지 선량은 종양 근처에 브래그 피크(Bragg Peak)를 배치하도록 빔을 구성하여 종양 부위에 집중될 수 있으며, 입사 치료 경로에서 선량을 크게 줄이고 많은 경우 치료 경로에서 통과 선량을 거의 완전히 제거한다. 조직에서 양성자 빔의 길이 방향 범위는 일반적으로 빔의 에너지에 따라 다르다. 여기서 선량은 빔과 조직 사이의 상호 작용 정도를 나타내는 데 사용되고, 상호 작용은 양성자 에너지가 빔 경로를 따라 비교적 짧은 거리에 침착되는, 빔 범위의 단부 부분까지 최소화된다. 표적 부위 전후에 길이 방향으로의 원치 않는 노출의 이러한 감소는 주변의 건강한 조직을 손상시키지 않고 개선된 선량이 전달될 수 있음을 의미한다. 이것은 종양 자체에 더 높은 차등 유효 선량을 종양 전후에 흡수되는 선량 이상으로 전달하도록 허용함으로써 치료 길이를 줄일 수 있으며, 일반적으로 그에 상응하는 더 낮은 주변 선량으로 인한 부작용을 감소시킨다. 뇌, 심장, 전립선, 또는 척수와 같은 중요한 장기 또는 구조체 근처에 위치한 종양을 치료할 때, 그리고 어린이의 종양을 치료할 때 특히 유용하다. 그 정확성은 안구 종양을 치료할 때 특히 효과적이다. 또한, 양성자 빔은 빔 경로의 가로 제어를 제공하기 위해 정확하게 위치 및 편향될 수 있다.
양성자 치료의 광범위한 사용에 대한 장애 중 하나는 저렴하고 컴팩트한 양성자 소스 및 가속기의 가용성이다. 치료에 사용되는 양성자의 에너지는 일반적으로 50-300MeV 범위에 있으며 더 일반적으로 70-250MeV 범위에 있다. 사이클로트론 또는 싱크로트론에 의존하는 기존 소스는 매우 크고 맞춤형 시설이 필요하며 구축 및 유지 관리 비용이 많이 든다. 선형 가속기(Linacs)를 사용하면 기존 의료 시설에 설치될 수 있는 이러한 소형 소스(compact source)를 구축할 수 있다.
양성자 에너지 선량의 길이 방향 위치(깊이)는 주로 빔에서 양성자(일반적으로MeV로 측정)의 에너지를 변경하여 구성된다. 미국 특허 제 05382914호는 양성자 소스에서 양성자를 가속하기 위한 3개의 스테이지: 무선-주파수 사중 극(radio-frequency quadrupole)(RFQ) 선형 가속기(linac), 드리프트 튜브 선형 가속기(drift-tube linac)(DTL), 및 사이드-결합형 선형 가속기(side-coupled linac)(SCL)을 사용하는 소형 양성자-빔 치료용 선형 가속기 시스템을 설명한다. 상기 SCL은 캐스캐이드(cascade)로 배열된 최대 10개의 가속기 유닛을 포함하고, 각각의 유닛에는 RF 에너지 소스가 제공된다. 치료 빔 에너지는 굵고 거친/미세 선택 시스템에 의해 제어되고, 굵고 거친 조정에서, 하나 이상의 가속기 유닛을 끄면 70MeV에서 250MeV까지 11개의 제어 단계가 제공되며 각 단계는 대략 18MeV이다. 이러한 단계들 사이의 빔 에너지의 미세 조정은 호일과 같은 열화 흡수체를 빔에 삽입하여 수행된다.
이러한 시스템의 단점은 각 전환 단계 후 양성자-빔 시스템이 치료에 사용되기 전에 빔 에너지가 안정화되는데 약간의 시간이 필요하다는 것이다. 또한, 열화 호일용 작동 시스템은 종종 신뢰할 수 없으며 호일은 정기적으로 교체되어야 한다.
본 발명의 목적은 개선된 빔 에너지 제어로 조직을 조사하기 위한 양성자 선형 가속기 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태는 조직을 조사하기 위한 양성자 선형 가속기 시스템을 제공하며, 상기 가속기 시스템은 작동 동안 펄스형 양성자 빔을 제공하기 위한 양성자 소스; 상기 소스에서 빠져나가는 상기 양성자 빔의 빔 전류를 조정하기 위한 빔 출력 제어기; 가속기 유닛으로서, 상기 양성자 빔을 수신하기 위한 양성자 빔 입력부; 상기 양성자 빔이 빠져나가기 위한 양성자 빔 출력부; 작동 동안 RF 에너지를 제공하기 위한 제 1 RF 에너지 소스; 작동 동안 RF 에너지를 제공하기 위한 상기 제 1 RF 에너지 소스와 별개인, 제 2 RF 에너지 소스; 상기 제 1 RF 에너지 소스 및/또는 제 2 RF 에너지 소스로부터 RF 에너지를 수신하기 위해 그리고 상기 빔 입력부로부터 상기 빔 출력부로 통과할 때 상기 RF 에너지를 상기 양성자 빔에 결합하기 위해 상기 양성자 빔 입력부로부터 상기 양성자 빔 출력부로 연장하는 적어도 하나의 공동을 포함하는, 가속기 유닛을 포함하며, 상기 시스템은 상기 적어도 하나의 공동에 제공되는 RF 에너지를 조정하기 위한 상기 제 1 RF 에너지 소스 및 제 2 RF 에너지 소스에 연결되고 상기 빔 출력 제어기에 추가로 연결되는 RF 에너지 제어기를 더 포함하고, 상기 빔 출력 제어기는 양성자 빔 펄스에 미리 결정 및/또는 제어된 빔 작동 사이클을 제공하도록 구성되고, 상기 RF 에너지 제어기는 상기 양성자 빔의 에너지를 변경하기 위한 상기 양성자 빔 작동 사이클의 온-타임 동안 상기 제 1 RF 에너지 소스로부터 RF 에너지를 제공하도록, 그리고 상기 공동의 온도를 증가시키거나 유지하기 위해 상기 양성자 빔 작동 사이클의 오프-타임 동안 상기 제 2 RF 에너지 소스로부터 RF 에너지를 제공하도록 구성된다.
양성자 치료를 위해 시스템을 작동하는 동안, 빔 에너지 및 이에 따라 빔 범위와 해당 브래그 피크를 모두 변경함으로써, 주변 조직의 손상을 줄일 수 있다. 브래그 피크의 깊이를 조정함으로써, 많은 개별 브래그 피크가 중첩되어 확장된 브래그 피크를 생성하여 종양 영역을 커버하는(cover) 평탄한 또는 대략 평탄한 선량 분포를 생성할 수 있다. 따라서, 총 치료 시간을 줄여 치료 중 환자의 움직임 위험을 줄이므로, 에너지 단계들 사이에 상대적으로 짧은 시간을 갖는 것이 유리하다. 추가적으로 또는 대안적으로, 치료에 사용할 수 있는 에너지 수준의 수가 증가하여 주변 조직으로의 에너지 확산을 보다 정확하게 제어할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 예를 들어 환자 호흡으로 인한 치료 동안 종양의 움직임은 또한 제어를 더욱 향상시키기 위해 실시간으로 보상될 수 있다. 그러나 이는 작동 중에 공동에 공급해야 하는 RF 가속 펄스의 속도를 증가시켜야 한다.
또한, RF 보상 펄스(양성자 빔 작동 사이클의 오프-시간 동안 RF 에너지)를 제공하면, 공동에 도달하는 RF 펄스 속도를 더욱 증가시킬 수 있다. 양성자 빔 오프-시간 동안 가속기 유닛 공동에 RF 전력을 인가하면, 이러한 RF 보상 펄스가 공동의 온도를 증가 또는 유지하도록 미리 결정 및/또는 제어될 수 있으므로 정정 시간(settling time)을 줄일 수 있다.
본 발명은 RF 소스로부터 펄스 속도를 증가시키는 것이 RF 소스의 수명과 신뢰성을 상당히 감소시킬 수 있다는 통찰에 기초한다. 또한, RF 펄스 속도가 높을수록 더 비싼 RF 소스가 필요할 수 있다는 것을 의미하므로, 가속기 시스템의 비용이 증가한다. 두 개의 별개의 RF 소스, 즉 주로 RF 가속 펄스를 제공하도록 배열된 제 1 또는 1차 RF 에너지 소스 및 주로 RF 보상 펄스를 제공하도록 배열된 제 2 또는 2차 RF 에너지 소스가 제공된다. 각각의 RF 소스는 독립적으로 작동하므로, 더 높은 RF 펄스 속도가 공동에 도달할 수 있으므로, 양성자 빔 에너지 펄스들 사이의 시간이 더 짧아진다. 또한, 제 2 RF 에너지 소스에 대한 피크 전력 요건은 일반적으로 제 2 RF 에너지 소스에 대한 것보다 적을 수 있으며, 제 2 소스에 대해 덜 비싼 유형을 사용할 수 있다. 제 1 및 제 2 RF 소스를 사용하면 공동 정정 시간을 몇 분에서 10초 미만으로 줄일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 가속기 시스템은 RF 에너지를 상기 제 1 RF 에너지 소스 및/또는 제 2 RF 에너지 소스로부터 상기 적어도 하나의 공동으로 전달하기 위한 RF 커플러를 더 포함하고, 상기 RF 커플러는 RF 에너지를 상기 제 1 RF 소스로부터 수신하기 위한 제 1 RF 입력부; RF 에너지를 상기 제 2 RF 소스로부터 수신하기 위한 제 2 RF 입력부; 및 RF 에너지를 상기 적어도 하나의 공동에 제공하기 위한 RF 출력부를 갖는다.
RF 커플러의 사용은 RF 소스 또는 심지어 두 소스 모두에서 동시에 RF 에너지를 전달하는 편리한 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 RF 에너지 제어기가 피크 전력으로서 상기 제 1 RF 에너지 소스로부터 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성되고 평균 전력으로서 상기 제 2 RF 에너지 소스로부터 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성된다.
제 1 RF 소스는 RF 가속 펄스에 대해 높은 피크 전력을 제공하도록 추가로 최적화될 수 있고, 제 2 RF 소스는 RF 보상 펄스에 대해 실질적으로 더 낮은 피크 전력을 제공하도록 최적화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 RF 에너지 제어기는 각각의 연속적인 양성자 빔 작동 사이클을 위해 실질적으로 동일한 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성된다.
제 1 및 제 2 RF 소스로부터 각각의 연속적인 양성자 빔 작동 사이클 동안 공동에 도달하는 에너지는 실질적으로 일정하게 유지된다. 이는 낮은 정정 시간으로 높은 수준의 빔 안정성을 제공할 수 있으며, 이는 특히 처리 중에 유리하다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 RF 에너지 제어기는 제 1 피크 전력을 구비한 상기 제 1 RF 에너지 소스로부터 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성되고 제 2 피크 전력을 구비한 상기 제 2 RF 에너지 소스로부터 연속적인 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성되고, 상기 제 2 피크 전력은 상기 제 1 피크 전력보다 실질적으로 작다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 RF 에너지 제어기는 제 1 펄스 폭을 구비한 상기 제 1 RF 에너지 소스로부터 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성되고, 제 2 펄스 폭을 구비한 상기 제 2 RF 에너지 소스로부터 연속적인 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성되고, 상기 제 2 펄스 폭은 상기 제 1 펄스 폭보다 실질적으로 더 크다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 양성자 빔 작동 사이클의 오프-타임 동안 적어도 하나의 공동의 온도를 증가 또는 유지하도록 구성 및 배열된, 액체를 사용하여 적어도 하나의 공동의 온도를 적응시키기 위한 온도 제어 시스템(700)을 더 포함한다.
또한, 액체-기반 온도 제어 시스템을 사용하여 온도 보상 및/또는 안정화를 더욱 개선할 수 있다. RF 온도 보상과 결합하면 기존 시스템에 비해 단순화된 온도 제어 시스템을 사용할 수 있다.
본 발명의 이러한 측면 및 다른 측면은 이후에 설명되는 실시예를 참조하여 명백하게 되고 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 양성자 선형 가속기 시스템을 개략적으로 도시하고,
도 2는 하나 이상의 캐스케이드 가속기 유닛을 포함하는 가속 단계를 개략적으로 도시하고,
도 3은 RF 에너지가 제 1 및 제 2 RF 소스에 의해 제공될 수 있는 공동을 갖는 가속기 유닛을 개략적으로 도시하고,
도 4는 RF 에너지가 제 1 및 제 2 RF 소스에 의해 제공될 수 있는 공동을 갖는 가속기 유닛의 제 2 예를 도시하고,
도 5는 제 1 RF 소스만의 동작을 도시하고,
도 6은 제 1 및 제 2 RF 소스의 동작의 추가 예를 도시하고,
도 7은 본 발명에 따른 가속기 유닛의 다른 예를 도시하고,
도 8은 본 발명에 따른 가속기 유닛의 추가 예를 도시하고,
도 9는 본 발명에 따른 가속기 유닛의 또 다른 예를 도시한다.
도 2는 하나 이상의 캐스케이드 가속기 유닛을 포함하는 가속 단계를 개략적으로 도시하고,
도 3은 RF 에너지가 제 1 및 제 2 RF 소스에 의해 제공될 수 있는 공동을 갖는 가속기 유닛을 개략적으로 도시하고,
도 4는 RF 에너지가 제 1 및 제 2 RF 소스에 의해 제공될 수 있는 공동을 갖는 가속기 유닛의 제 2 예를 도시하고,
도 5는 제 1 RF 소스만의 동작을 도시하고,
도 6은 제 1 및 제 2 RF 소스의 동작의 추가 예를 도시하고,
도 7은 본 발명에 따른 가속기 유닛의 다른 예를 도시하고,
도 8은 본 발명에 따른 가속기 유닛의 추가 예를 도시하고,
도 9는 본 발명에 따른 가속기 유닛의 또 다른 예를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 양성자 선형 가속기(또는 리낙(linac)) 시스템(100)을 개략적으로 도시한다. 선형 가속기 시스템(100)은 작동 중에 양성자 빔(115)을 제공하기 위한 양성자 빔 소스(110)를 포함한다. 빔 출력 제어기(120)는 소스(110)를 빠져나가는 양성자 빔의 빔 전류를 결정 및/또는 제어하기 위해 제공된다. 빔 제어기(120)를 빠져나가는 양성자 빔(115)은 펄스 빔이다. 양성자 빔 듀티 사이클(145)(도 5 및 도 6에 도시됨)을 변경하도록 빔 제어기(120)를 구성하는 것이 또한 유리할 수 있다. 빔 출력 제어기(120)는 또한 하나 이상의 양성자 빔 듀티 사이클(145, 245) 동안 빔을 블랭킹하도록 구성될 수 있다. 도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 양성자 빔(115)의 작동 사이클(190)은 일반적으로 온-타임 및 오프-타임을 포함하고, 온-타임은 양성자 빔(115) 에너지가 0보다 클 때이고 오프-타임은 양성자 빔(115) 에너지가 온-타임 에너지보다 실질적으로 낮을 때이다. 양성자 빔 듀티 사이클(145)은 작동 사이클(190) 기간의 일부로 표현되는 온-타임이고, 종종 백분율 또는 비율로 지정된다. 전형적으로, 오프-타임 동안의 에너지는 양성자 가속기 시스템(100)의 작동에 필요한 최소 에너지 이하이다. 온-타임 동안의 에너지는 일반적으로 치료 목적에 충분하며, 환자에게 전달될 치료 선량에 기여할 수 있다.
양성자 빔 소스(110)는 다른 구성 요소 및 하위 구성 요소, 예를 들어 수소 또는 플라즈마 소스, 양성자 가속 구성 요소, 강도 변조 구성 요소, 빔 및 펄스 성형 구성 요소 등을 포함할 수 있다.
하나 이상의 가속 스테이지(102,104,106)가 제공되어 빔 에너지를 일반적으로 50-300MeV의 치료에 필요한 수준으로, 보다 일반적으로 70-250MeV 범위로 증가시키기 위해 제공된다. 당업자에게 알려진 임의의 적합한 가속 기술이 사용될 수 있다.
빔 제어기(120)를 빠져나가는 양성자 빔(115)은 제 1 가속 스테이지(102)로 들어간다. 이러한 특정 실시예에서, 제 1 스테이지(102)는 빔을 최대 약 3 내지 10MeV, 바람직하게는 5MeV로 가속하는 무선-주파수 사중극(RFQ)에 의해 제공될 수 있다. RFQ의 주요 목적은 가속의 제 1 스테이지 동안 초점이 맞춰진 빔을 유지하고 연속 빔을 묶음형 빔으로 변환하는 것이다.
제 1 예에서, 적합한 RFQ(102)는 68kV의 베인 간 전압, 30%의 빔 전송, 및 0.4MW의 필요한 RF 피크 전력으로 750MHz의 주파수에서 동작할 수 있다. 제 2 예에서, 적합한 RFQ(102)는 50kV의 베인 간 전압, 96%의 빔 전송, 및 0.2MW의 필요한 RF 피크 전력으로 499.5MHz의 주파수에서 작동할 수 있다.
RFQ(102)는 빔 출력 제어기(120)로 작동하도록 구성될 수도 있으며, "초퍼(chopper)"로 작동될 때, 소스와 관련된 빔 제어기가 없는 경우, 펄스형 양성자 빔(115)이 연속적인 양성자 소스(110)를 이용하여 제공될 수 있다. 위에서 설명된 빔 출력 제어기 기능은 RFQ(102)에 부분적으로 또는 완전히 통합될 수 있거나, RFQ(102)와 양성자 소스(110) 사이에 제어가 분산될 수 있다.
제 1 가속 스테이지(102)를 빠져나가는 양성자 빔(115)은 제 2 가속 스테이지(104)로 들어간다. 이러한 특정 실시예에서, 제 2 스테이지(104)는 빔을 약 25 내지 50MeV, 바람직하게는 37.5MeV까지 가속하는 하나 이상의 사이드-결합형 드리프트-튜브 선형 가속기(Side Coupled Drift-Tube Linac)(SCDTL)에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 적합한 SCDTL(104)은 3GHz에서 작동할 수 있고 이들 SCTDL 중 4 개는 37.5MeV 가속을 달성하기 위해 캐스케이드로 작동 될 수 있다.
제 2 가속 스테이지(104)를 빠져나가는 양성자 빔(115)은 하나 이상의 캐스케이드 가속기 유닛(130)을 포함하는 제 3 가속 스테이지(106)로 들어간다.
도 2는 도 1의 제 3 가속 스테이지(106)의 더 많은 세부 사항을 도시하고, 도 3은 제 3 가속 스테이지(106)의 캐스케이드형 가속 유닛(130)을 도시한다.
이러한 특정 실시예에서, 제 3 스테이지(106)는 빔을 시스템(100)의 최대 에너지까지 가속하는 하나 이상의 결합형 공동 선형 가속기(Coupled Cavity Linac)(CCL)(130)에 의해 제공될 수 있다. 이것은 대략 50-300MeV이고, 더 일반적으로 70-250MeV의 범위 내에 있다. 예를 들어, 적합한 CCL(130)은 약 3GHz에서 작동할 수 있으며, 이들 CCL 유닛들 중 10 개는 캐스케이드로 작동하여 230MeV 가속을 달성할 수 있으며, 각각의 CCL은 20MeV 가속을 제공한다.
가속기 시스템(100)은 RF 에너지 소스(132, 232) 중 하나 또는 그 초과에 연결된 RF 에너지 제어기(180)를 더 포함한다. 제어기는 하나 이상의 가속 유닛(130)의 하나 이상의 공동에 제공된 RF 에너지를 조정하도록 구성 및 배열된다. 제어기(180)는 빔 출력 제어기(120)에 추가로 연결되고, 양성자 빔 작동 사이클(190)의 온-타임 및 오프-타임 동안 RF 에너지 소스(132, 232)로부터 RF 에너지를 제공하도록 구성 및 배열된다.
제 3 가속 스테이지(106)로부터 빠져나가는 양성자 빔(115)은 일반적으로 치료 동안 환자에게 적용하기 위해 빔을 노즐로 조종하도록 굽힘 자석을 포함하는 고 에너지 빔 전달 라인으로 안내된다.
양성자 빔(115)은 일반적으로 미리 결정된 및/또는 제어된 반복 주파수(일반적으로 100 내지 400Hz 사이)에서 미리 결정된 및/또는 제어된 지속 기간(일반적으로 수 마이크로 초에서 수 밀리 초 사이)의 치료 온-타임 펄스로 환자에게 전달된다. 치료 온-타임이 양성자 소스(110)의 반복 주파수보다 큰 경우, 양성자 빔 듀티 사이클(145, 245)은 치료 펄스 온-타임 지속 기간(145)과 양성자 소스(110)의 반복 주파수의 곱이다. 치료 온-타임이 양성자 소스(110)의 반복 기간 이하인 경우, 양성자 빔 듀티 사이클(145, 245)은 치료 펄스 온-타임 지속 기간(145, 245)에 의해 결정된다.
도 3은 가속기 유닛(130)을 개략적으로 도시하며, 가속기 유닛은
양성자 빔(115)을 수신하기 위한 양성자 빔 입력부(135);
양성자 빔(115)이 빠져나가기 위한 양성자 빔 출력부(137);
작동 중에 RF 에너지를 제공하기 위한 제1 RF 에너지 소스(132);
동작 동안 RF 에너지를 제공하기 위한 제 1 소스(132)와는 별개인 제 2 RF 에너지 소스(232); 및
제 1 RF 에너지 소스(132) 및/또는 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 RF 에너지를 수신하고, RF 에너지가 양성자 빔 입력부(135)에서 양성자 빔 출력부(137)로 지나갈 때 RF 에너지를 양성자 빔(115)에 결합하기 위해 양성자 빔 입력부(135)에서 양성자 빔 출력부(137)로 연장하는, 적어도 하나의 공동(131)을 포함한다.
RF 에너지 제어기(180)는 제 1 RF 에너지 소스(132) 및/또는 제 2 RF 에너지 소스(232)를 제어하도록 구성 및 배열되어,
양성자 빔(115)의 에너지를 변경하기 위해 주로 양성자 빔 작동 사이클(190)의 온-타임 동안 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터 RF 에너지를 제공하고,
공동(131)의 온도를 증가시키거나 유지하기 위해 주로 양성자 빔 작동 사이클(190)의 오프-타임 동안 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 RF 에너지를 제공한다.
작동 중에, RF 에너지는 양성자 빔 펄스(145) 사이의 RF 공동(131)에서 경험되는 온도 변화를 보상하기 위해 양성자 빔의 오프-타임 동안 제공된다. 가속 유닛이 켜지거나 꺼진 후 나타나는 불안정성은 주로 공동(131) 내의 온도 변화에 관련된다. 이러한 공동은 일반적으로 금속으로 만들어지며 공동에 공급되는 RF 전력의 실질적인 변화가 공동의 수축 또는 팽창을 유발하는 온도 변화를 생성한다. 공동이 조정된 전자기파를 지원하기 때문에, 열 팽창 또는 수축은 공동 오프-공진(cavity off-resonance)을 조정하고 양성자 빔(115)을 방해할 것이다.
보상을 위해 RF 에너지를 제공하는 것은 양성자 빔의 온-타임 동안 제공되는 연속적인 RF 에너지 가속 펄스가 유사하거나 동일한 전력 레벨을 제공할 때 유리할 수 있다. 오프-타임 후, 공동(131)은 RF 에너지 가속 펄스가 인가되면(온-타임) 정정되기 위한 짧은 기간이 필요할 수 있다. 이러한 불안정성은 사용 가능한 양성자 빔 펄스(145)를 제한할 수 있는데, 이는 양성자 빔 펄스(145)의 에너지의 과도한 불안정성은 작동 동안 양성자 빔의 위치 설정 불안정성을 초래할 수 있기 때문이다. 양성자 빔 오프-타임 동안 적합한 RF 보상 펄스를 제공함으로써, 이 정정 시간이 줄어들거나 심지어 제거될 수 있다.
RF 에너지 보상은 양성자 빔의 온-타임 동안 제공된, 연속적인 RF 에너지 가속 펄스가 양성자 빔 펄스의 에너지를 변화시키기 위해 상이한 전력 수준을 제공할 때 특히 유리할 수 있다. 보상을 위한 RF 에너지는 후속 RF 가속 펄스에 대해 최적화된 공동 온도를 제공하도록 미리 결정 및/또는 제어될 수 있다.
일반적으로, RF 공진 공동(131)의 온도가 변하면 공진 상태가 변하고 RF 전력을 저장하는 공동(131)의 효율이 저하될 수 있다. 이 상태는 공동(131)으로부터 RF 전력의 바람직하지 않은 반사를 생성한다.
RF 보상 펄스를 제공하여 공동(131)의 온도를 보정함으로써 공동(131)의 효율을 향상시킬 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, RF 가속 펄스 및/또는 RF 보상 펄스의 RF 주파수가 수정될 수 있다.
일반적으로, 주파수가 약 3GHz인 RF 에너지 소스가 사용될 수 있으며, 예를 들면, 2.99792GHz의 RFQ일 수 있다. RF 가속 펄스의 주파수가 높은 수준의 양성자 빔 안정성을 제공할 수 있으므로, RF 가속 펄스의 주파수는 바람직하게는 RFQ의 주파수의 4배로 고정된다. 그러나 RF 보상 펄스의 주파수는 양성자 빔의 안정성에 간접적인 영향을 미치므로, 더 큰 정도의 주파수 수정이 가능하다.
RF 보상 펄스의 사용은 유사한 공동(131)의 온도를 안정화하고 적응시키는 것으로 당 업계에 공지된 액체-기반 온도 제어 시스템보다 선호되며, RF 보상 펄스는 열 교환을 사용하고 느린 과정인 대류에 의해 지배된다. 치료용 선형 가속기 시스템에서, 공동(131)의 온도 변화는 매우 빠를 수 있으며, 결론적으로 온도 보정 시스템은 RF 보상 펄스를 사용하여 가능한 빠른 응답 시간을 필요로 한다.
이러한 공동(131)은 일반적으로 금속으로 만들어지며, 공동에 공급되는 RF 전력의 실질적인 변화는 공동의 수축 또는 팽창을 유발하는 온도 변화를 생성한다. 공동이 조정된 전자기파를 지원하기 때문에, 모든 열 팽창 또는 수축은 공동 오프-공진을 조정하고 양성자 빔(115)을 방해한다. 오프-공진은 양성자 빔(115)이 다음 및/또는 후속 듀티 사이클(145, 245)에서 RF 필드에 올바르게 결합되지 않음을 의미하고, 그 결과 가속이 감소하거나 심지어 완전히 중지된다. 실제로 오프-공진은 치료 중 치료 빔의 손실을 초래할 수 있다.
전형적인 클라이스트론 변조기(klystron modulator) 및 RF 에너지 소스(132)의 경우, 빔을 가속하는데 이용 가능한 공칭 RF 펄스 폭은 5 마이크로 초 플랫탑(5 microsecond flattop)일 수 있다. 초당 200 펄스의 일반적인 작동에 대해, 작동 사이클(190)의 기간은 5 밀리초이다. 예를 들어, 단일 RF 소스(132)로 작동하는 동안, 5μs(마이크로초) 및 7.5MW의 가속 펄스가 양성자 빔(115)의 온-타임 동안 이러한 단일 RF 소스(132)에 의해 제공될 수 있다. 200Hz의 RF 펄스 속도로, 7.5kW의 평균 전력이 제공될 수 있다. 약 3kW의 평균 전력이 공동(131)에 도달할 수 있다. 양성자 빔(115)에 의해 흡수되지 않은 모든 RF 전력은 공동(131)의 벽에서 소산되어 열을 생성한다. 기존의 수냉 시스템은 과잉 열의 대부분을 흡수하여 공동의 공진 온도에서 평형에 도달한다. RF 전력의 임의의 변화는 열을 너무 많이 또는 너무 적게 생성한다. 이러한 열 차이는 팽창 또는 수축을 일으키고 공동의 내부 부피가 변경된다. 그런 다음 공진 상태가 감소하거나 심지어 손실되고, 일부 전력이 반사되어 빔이 잘못된 에너지를 갖게 된다.
RF 에너지를 사용한 온도 상승 및 안정화는 더 빠른 과정인 공동 벽의 저항 손실에 의해 지배된다. 제 2 RF 에너지 소스(232)에 의해 제공되는 RF 에너지는 공동(131)의 온도를 증가 및/또는 안정화시키고, 증가 및/또는 안정화의 정도는 제 2 RF 에너지 소스(232)에 의해 전달되는 RF 전력을 변경함으로써 미리 결정 및/또는 제어될 수 있다. RF 보상 펄스가 사용되지 않는 실제 공동에 대한 측정에 기초하여, 약 섭씨 1 도는 5 ~ 20초마다 손실될 수 있으며 각각의 손실된 섭씨 온도를 복구하려면 약 1 분이 필요하다.
바람직하게는, RF 공동(131)의 온도는 제 1 RF 에너지 소스(132)의 에너지 변동을 보상하기 위해 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 에너지를 제공함으로써 실질적으로 일정하게 유지된다. 그러나, 당업자는 부분적인 보상조차도 또한 양성자 빔 펄스가 켜져 있을 때 정정 시간을 줄일 수 있으므로 유리할 수 있다. 기존의 액체-기반 온도 제어 시스템은 온도 보상 및/또는 안정화를 더욱 향상시키기 위해 추가로 사용될 수 있지만, RF 보상의 사용은 기존 시스템에 비해 모든 액체-기반 온도 제어 시스템을 단순화할 수 있다. 본 개시에서 설명된 바와 같이 제 1 RF ㅇ소에너지 소스(132) 및 제 2 RF 에너지 소스(232)의 사용은 공동 정정 시간을 몇 분에서 10초 미만으로 감소시킬 수 있다.
각각의 RF 에너지 소스(132, 232)를 주로 주 목적으로 사용하고 약간은 보조 목적으로 사용하는 것이 유리할 수 있다. 제 2 RF 에너지 소스(232)의 주 목적은 저항 손실에 의해 소멸되는 반면, 제 1 RF 에너지 소스(132)는 바람직하게는 진폭, 위상, 안정성 등의 측면에서 작동 요건을 충족한다.
제 1 RF 에너지 소스(132)에 비해 작동 요건도 감소될 수도 있기 때문에 제 2 RF 에너지 소스(232)는 제 1 RF 에너지 소스(132)보다 저렴할 수 있다. 예를 들어, 낮은 피크 RF 전력, 긴 펄스 폭, 낮은 정도의 RF 에너지 안정성, 높은 RF 에너지 정정 시간 중 하나 또는 그 초과를 가질 수 있다. 제 2 RF 에너지 소스는 연속파(cw) 소스일 수도 있다.
공동을 가속화하는 의료 적용의 전형적인 예는 치료를 위해 고품질의 짧은 RF 펄스를 전달하는, 제 1 RF 에너지 소스(132)로서 클라이스트론(klystron)을 사용하고 RF 에너지 보상을 위해 제 2 RF 에너지 소스(232)로서 자이로트론(gyrotron) 또는 고체-상태 증폭기를 사용하는 것이다.
당 업계에 공지된 RF 에너지 소스는 RF 동작을 초당 200 펄스 또는 200 Hz의 RF 펄스 속도로 제한할 수 있다. 초당 200 펄스의 일반적인 동작에 대해, 작동 사이클(190)의 기간은 5 밀리초이다. 본 발명에서 각각의 RF 소스(132, 232)가 독립적으로 작동될 수 있기 때문에, 결합된 더 높은 RF 펄스 속도가 제공되어 양성자 빔 에너지 펄스들 사이의 더 작은 시간을 지원할 수 있다.
또한, 제 2 RF 에너지 소스에 대한 피크 전력 요건은 일반적으로 제 2 RF 에너지 소스에 대한 것보다 적을 수 있으므로 더 저렴한 유형을 사용할 수 있다. 일반적으로, 제 1 RF 에너지 소스(132)의 펄스 속도는 제 2 RF 에너지 소스(232) 설계의 적합성을 결정할 것이다. 펄스 속도가 작을수록 RF 가속 펄스들 사이의 경과 시간이 더 커지고, 일반적으로 가격을 낮추는 동일한 평균 전력에 대해 더 작은 펄스 피크 전력을 갖는 제 2 RF 에너지 소스(232)를 선택할 수 있다.
제 1 RF 에너지 소스(132) 및 제 2 RF 에너지 소스(232)의 동작은 RF 에너지 제어기(180)에 의해 동기화된다. 바람직하게는, 제 2 RF 에너지 소스(232)는 간섭을 감소시키거나 심지어 제거하기 위해 제 1 RF 에너지 소스(132)의 펄스들 사이의 경과 시간에 동작된다.
예를 들어, 빔을 주로 가속하기 위해 사용될 때 제 1 소스(132)의 펄스 폭은 5us일 수 있다. 1 차 보상에 사용될 때 제 2 소스(232)의 펄스 폭은 5ms일 수 있다. 이 경우, 제 2 소스(232)의 피크 전력은 실질적으로 동일한 평균 전력을 유지하기 위해 제 1 소스(132)의 피크 전력보다 약 1000배 작을 수 있다. 따라서, 제 1 소스(132) 및 제 2 소스(232)가 실질적으로 동시에(또는 높은 정도의 시간 중첩으로) 작동하더라도, 양성자 빔(115)에 대한 제 2 소스(232)의 효과는 실질적으로 미미할 수 있으며 심지어 무시 가능할 수도 있다. 이러한 조건 하에서, 제 2 RF 소스(232)는 연속파(cw) 소스일 수 있다.
그러나, 하나 초과의 별개의 RF 에너지 소스(132, 232)의 사용은 RF 에너지 제어기(180)를 구성하고 배열하는 것이 또한 유리할 수 있음을 의미하여:
-양성자 빔(115)의 에너지를 변경하기 위해 양성자 빔 작동 사이클(190)의 오프-타임 동안 2차적으로 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터 RF 에너지를 제공하고,
-공동(131)의 온도를 증가 또는 유지하기 위해 양성자 빔 작동 사이클(190)의 오프-타임 동안 2차적으로 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 RF 에너지를 제공한다.
많은 경우에, RF 에너지는 예를 들어 RF 진폭 변조를 사용함으로써 양성자 빔(115)의 에너지를 증가시키거나 유지하도록 구성 및 배열된다. 일부 경우에, RF 에너지는 예를 들어 RF 위상 변조를 사용함으로써 양성자 빔(115)의 에너지를 감소시키도록 구성 및 배열될 수 있다.
이러한 맥락에서 별개(distinct)는 장치 유형이 동일하더라도 다른 장치를 의미한다. 실제로는 무시할 수 없는 펄스의 상승 및 하강 시간으로 인해 실질적으로 다른 시간에 작동하지만, 제 1 RF 에너지 소스 (132) 및 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터의 RF 펄스들 사이에 약간의 시간적 중첩이 있을 수 있다.
두 RF 에너지 소스(132, 232)가 RF 에너지가 제 1 RF 에너지 소스 (132) 및 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 동일한 공동으로 전달되도록 하는 동일한 커플러에 결합되는 경우, 이것은 별개라는 증거이다. 더욱이, 각각의 RF 소스와 커플러 사이에 아이솔레이터(410, 420)를 사용하는 것은 이들이 별개라는 추가적인 증거이다.
하나 초과의 가속 유닛(130)이 캐스케이드형인 경우, 유닛은 상류 가속 유닛(130)의 양성자 빔 출력부(137)를 빠져나가는 양성자 빔(115)이 하류 가속 유닛(230)의 양성자 빔 입력부(237)에 의해 수신될 수 있도록 구성 및 배열된다. 캐스케이드형은 가속 유닛(130)들이 순차적으로 배열되어 양성자 빔(115)이 각각의 가속 유닛에서 일정량의 에너지를 얻는 것을 의미한다. 이를 통해 모듈식 접근으로 시스템에서 달성할 수 있는 최대 에너지를 정의하기 위해 적합한 수의 공동을 선택할 수 있다.
가속 유닛(130)은 독립적으로 제어되거나 그룹으로 동기화될 수 있다.
도 3은 RF 에너지를 제 1(132) 및/또는 제 2(232) RF 에너지 소스로부터 적어도 하나의 공동(131)으로 전달하기 위한 RF 커플러 또는 조합기(300)를 추가로 도시하며, RF 커플러 또는 조합기(300)는
-제 1 RF 소스(132)로부터 RF 에너지를 수신하기 위한 제 1 RF 입력부(310);
-제 2 RF 소스(232)로부터 RF 에너지를 수신하기 위한 제 2 RF 입력부(320); 및
-RF 에너지를 적어도 하나의 공동(131)에 제공하기 위한 RF 출력(330)을 갖는다.
RF 커플러 또는 조합기(300)는 제 1 RF 에너지 소스(132) 및 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 대안적으로 또는 동시에 공동(131)으로 RF 에너지 전달을 허용하도록 구성 및 배열된다.
양성자 빔 온-타임 동안 제공되는 RF 에너지는 RF 진폭, RF 위상 및/또는 RF 에너지 펄스 형태와 같은 RF 에너지 소스(132, 232)에 의해 방출된 RF 에너지의 특성 중 하나 또는 그 초과를 수정함으로써 변경될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 열화 흡수체가 또한 사용될 수 있거나 공동 및/또는 RF 커플링의 기하학적 구조를 수정하기 위한 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 페라이트 튜너 또는 기계식 튜너를 사용하면 온도 변화에도 불구하고 모듈이 공진 상태를 유지할 수 있다.
도 5는 제 1 RF 소스(132)만을 사용하는 4개의 RF 에너지 제어 구성(501, 502, 503, 504)의 동기화를 도시한다. 양성자-빔 작동 사이클(190)은 RF 에너지 제어와 양성자 빔 작동 사이클(190), 특히 양성자 빔 펄스(145)와의 동기화를 예시하기 위해 도시된다.
RF 에너지 제어기(180)는 양성자 빔 온-타임(145) 및 오프-타임 둘 다 동안 별도의 RF 에너지 펄스를 제공함으로써 평균 전력을 실질적으로 일정하게 유지하도록 구성 및 배열된다. 이는 가속기 공동(131)에 공급되는 평균 전력이 실질적으로 일정하게 유지된다는 것을 의미한다.
양성자 빔 펄스(145)의 2개의 작동 사이클(190)에 대한 4개의 파형이 도시되며, 이는 각각의 작동 사이클(190)에 대한 4개의 순간(t1, t2, t3, t4, 및 t5)을 포함한다. 이러한 순간은 대칭적으로 도시되지만, 실제로는 순간들 사이의 간격이 상당히 다양할 수 있다. 파형은 사각파로 표시되지만 실제로 파형은 고려할 것이 필요할 수 있는 무시가능하지 않은 상승 및 하강 시간을 가질 것이다.
상부 파형(500)은 2개의 작동 사이클(190) 동안 양성자 빔 펄스(145)를 도시한다. 빔 전류는 제 1 빔 작동 사이클(190)의 온-타임 동안 순간(t1)에서 0으로부터 최대로 상승하고 그리고 t3에서 다시 0으로 하강하고 상기 펄스(145)는 대략 균일한 진폭을 갖는다. t3부터 다음 t1까지, 빔 전류(및 빔 에너지)는 이러한 제 1 빔 작동 사이클(190)의 오프-타임 동안 0 또는 대략 0이다. 파형은 제 2 작동 사이클(190) 동안 반복된다.
초당 100 펄스 또는 100Hz의 일반적인 작동의 경우, 작동 사이클(190)의 기간은 10 밀리초이다. 초당 200 펄스 또는 200Hz의 일반적인 작동의 경우, 작동 사이클(190)의 기간은 5 밀리초이다. 간격 tl에서 t2는 일반적으로 2.5 마이크로초이고, 간격 tl에서 t3는 일반적으로 5 마이크로초일 수 있다.
제 1 RF 제어 구성 그래프(501)는 동일한 기간 동안 가속 유닛(130)의 공동(131)에 제공된 RF 에너지를 표시한다. 제 1 작동 사이클(190)의 시작에서, RF 에너지는 t2에서 0에서 기준 가속 피크(55) 값으로 상승하고 t3에서 다시 0으로 하강하고, RF 에너지 펄스(55)는 대략 균일한 진폭을 갖는다. 순간 t1 및 t4를 포함하는 이러한 제 1 작동 사이클(190)의 나머지 동안, RF 에너지는 0 또는 대략 0이다. 파형은 제 2 작동 사이클(190) 동안 반복된다.
t2에서 t3까지의 RF 에너지 펄스(55)의 지속 시간 및 기준 가속도 피크(55) 값은 양성자 빔 온-타임 동안 RF 에너지에 의해 양성자 빔의 원하는 가속을 제공하도록 미리 결정 및/또는 제어된다. 가속은 t2와 t3 사이에서 발생한다. 이러한 RF 제어 구성은 다른 세 개의 502, 503, 504에 대한 기준이므로, 기준 가속도 피크(55) 값은 여기서 명목상 100%로 간주된다. 501에 따른 동작 동안, RF 에너지는 양성자 빔의 온-타임(145)과 실질적으로 동시에 양성자 빔 작동 사이클(190) 당 단일 펄스로 공동에 제공된다. 양성자 빔 오프-타임 동안에는 상당한 RF 에너지가 제공되지 않으므로, RF 보상 펄스가 제공되지 않는다.
제 2 RF 제어 구성 그래프(502)는 동일한 기간 동안 가속 유닛(130)에 제공된 RF 에너지를 표시한다. 제 1 작동 사이클(190)의 시작에서, RF 에너지는 t2에서 0에서 가속 피크(55) 값으로 상승하고 t3에서 다시 내려 가고, RF 에너지 펄스(55)는 대략 균일한 진폭을 갖는다. 이러한 가속 피크(55) 값은 기준 가속 피크 값(501)의 약 90%이다. RF 에너지는 t3에서 보상 피크(155) 값으로 떨어지고 t4에서 다시 0으로 떨어진다. 이러한 보상 피크(155) 값은 기준 가속 피크 값(501)의 대략 10%이다. 이러한 제 1 작동 사이클(190)의 나머지 동안, RF 에너지는 0 또는 대략 0이다. 파형은 제 2 작동 사이클(190) 동안 반복된다.
t2에서 t3까지의 RF 에너지 펄스(55)의 지속 시간 및 가속 피크(55) 값 90%는 양성자 빔 온-타임 동안 RF 에너지에 의해 양성자 빔의 원하는 가속을 제공하도록 미리 결정 및/또는 제어된다. 가속은 t2와 t3 사이에서 발생한다.
일반적으로 t3에서 t4까지의 RF 에너지 펄스(155)의 지속 시간과 보상 피크 값 10%는 가속 유닛이 501에서와 같이 이전의 작동 사이클에 비해 더 낮은 가속 피크 (55) 값으로 작동될 때 예상되는 온도 변화를 보상하기 위해 미리 결정 및/또는 제어된다. 작동 중에, RF 에너지는 양성자 빔 작동 사이클(190) 당 2개의 펄스로 공동에 제공되고, 제 1 RF 에너지 펄스(55)는 양성자 빔의 온-타임과 실질적으로 동시에 및 제 2 RF 에너지 펄스(155)는 양성자 빔의 오프-타임과 실질적으로 동시에 제공된다.
제 1 RF 에너지 소스(132)에 대해, 5 마이크로초와 같은 전형적인 펄스 길이는 2.5 마이크로초와 같은 2개의 반부-펄스(half-pulse)로 분할되었다. RF 에너지 제어기(180)는 가속을 위해 이 펄스의 제 1 반부를 제공하고 보상을 위해 제 2 반부를 제공하도록 구성된다.
제 3 RF 제어 구성 그래프(503)는 동일한 기간 동안 가속 유닛(130)에 제공된 RF 에너지를 표시한다. 제 1 작동 사이클(190)의 시작에서, RF 에너지는 t2에서 0에서 가속 피크(55) 값으로 상승하고 t3에서 다시 하강하며, RF 에너지 펄스는 대략 균일한 진폭을 갖는다. 이러한 제 1 가속 피크(55) 값은 기준 가속 피크 값(501)의 약 75%이다. RF 에너지는 t3에서 보상 피크(155) 값으로 떨어지고 t4에서 다시 0으로 떨어진다. 이 보상 피크(155) 값은 기준 가속 피크 값(501)의 대략 25%이다. 이러한 제 1 작동 사이클(190)의 나머지 동안, RF 에너지는 0 또는 대략 0이다. 파형은 제 2 작동 사이클(190) 동안 반복된다.
t2에서 t3까지의 RF 에너지 펄스(55)의 지속 시간 및 가속 피크(55) 값 75%는 양성자 빔 온-타임 동안 RF 에너지에 의해 양성자 빔의 원하는 가속을 제공하도록 미리 결정 및/또는 제어된다. 가속은 t2와 t3 사이에서 발생한다.
일반적으로 t3에서 t4까지의 RF 에너지 펄스(155)의 지속 시간 및 보상 피크 값 25%는 가속 유닛이 501 또는 502와 같은 이전의 작동 사이클에 비해 더 낮은 가속 피크 (55) 값으로 작동될 때 예상되는 온도 변화를 보상하기 위해 미리 결정 및/또는 제어된다. 작동 중에, RF 에너지는 양성자 빔 작동 사이클(190) 당 2개의 펄스로 공동에 제공되고, 양성자 빔의 온-타임과 실질적으로 동시에 제 1 RF 에너지 펄스(55) 그리고 양성자 빔의 오프-타임과 실질적으로 동시에 제 2 RF 에너지 펄스(155)가 제공된다.
가속 피크(55) 값이 25%이고 보상 피크(155) 값이 75%인 경우, 상당히 낮은 정도의 양성자 빔(115) 가속이 제공되지만, 수준이 반전된 경우 동일한 전력이 공동에 제공되는 것에 주목하자.
제 4 RF 제어 구성 그래프(504)는 동일한 기간 동안 가속 유닛(130)에 제공된 RF 에너지를 표시한다. 제 1 작동 사이클(190)의 시작에서, RF 에너지는 t2에서 0에서 가속 피크(55) 값까지 상승하고 t3에서 보상 피크(155) 값으로 유지되고, RF 에너지 펄스는 대략 균일한 진폭을 갖는다. 이러한 제 1 가속 피크(55) 값은 기준 가속 피크 값(501)의 약 50%이다. 보상 피크(155) 값도 기준 가속 피크 값 (501)의 약 50%이므로, 이 값은 t3에서 머무르고 t4에서 0으로 하강한다. 이러한 제 1 작동 사이클(190)의 나머지 동안, RF 에너지는 0 또는 대략 0이다. 파형은 제 2 작동 사이클(190) 동안 반복된다.
t2에서 t3까지의 RF 에너지 펄스(55)의 지속 시간 및 가속 피크(55) 값 50%는 양성자 빔 온-타임 동안 RF 에너지에 의해 양성자 빔의 원하는 가속을 제공하도록 미리 결정 및/또는 제어된다. 가속은 t2와 t3 사이에서 발생한다.
일반적으로, t3에서 t4까지의 RF 에너지 펄스(155)의 지속 시간과 보상 피크 값 50%는 가속 유닛이 510, 502, 및 503과 같은 이전의 작동 사이클에 비해 더 낮은 가속 피크(55) 값으로 작동될 때 예상되는 온도 변화를 보상하기 위해 미리 결정 및/또는 제어된다. 작동 중에, RF 에너지는 양성자 빔 작동 사이클(190) 당 2개의 펄스로 공동에 제공되고, 양성자 빔의 온-타임과 실질적으로 동시에 제 1 RF 에너지 펄스(55) 및 양성자 빔의 오프-타임과 실질적으로 동시에 제 2 RF 에너지 펄스(155)가 제공된다.
이러한 예에서, 보상 펄스(155) 및 가속 펄스(55)의 펄스 지속 시간은 동일하므로, 균일 진폭 보상 펄스(155) 및 가속 펄스(55)의 피크 값이 기준 피크 값(501)의 100%까지 더해 지는 것을 보상함으로써, 각각의 연속적인 작동 사이클(190)을 위해 공동에 제공되는 RF 에너지는 501, 502, 503, 및 504에서 실질적으로 동일하다. 이들 계단형 펄스는 501에 표시된 단일 플랫탑과 전력 곡선 아래에서 동일한 면적을 갖도록 미리 결정 및/또는 제어된다.
가속 피크(55) 및 보상 피크(155)가 그려지고 연속적으로 설명되지만, RF 제어기(180)는 또한, 가속 피크(55)와 별개로 보상 피크(155)를 제공하도록 배열되고 구성될 수 있다-즉, RF 에너지는 0 또는 대략 0일 때 이들 사이에 지연이 있을 수 있다. 가속 피크(55)는 그 다음 t3에서 0으로 복귀하고, 보상 피크(155)는 예를 들어 t4에서 0에서 상승하고 t5에서 0으로 복귀할 수 있다. 보상 피크(155)는 바람직하게 가속 피크(55)들 사이 중간에 배열되고, 이는 높은 수준의 효율을 제공할 수 있다.
따라서 실질적으로 일정한 평균 전력은 양성자 빔 온-타임(145) 동안, 가속 펄스들 사이에서, 양성자 빔 오프-타임 동안, 보상 펄스를 산재시킴으로써 달성될 수 있다. RF 에너지 펄스들 사이의 시간은 바람직하게는 공동의 열 시간 반응에 비해 짧다. 가속 펄스(55)의 진폭은 최대 전력에서 거의 0의 전력까지 전체 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 마찬가지로, 보상 펄스(155)의 전력은 평균 전력을 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 최대 전력에서 거의 0의 전력으로 변할 수 있다.
도 6은 가속 피크(55)에 대해 제 1 RF 소스(132) 및 보상 피크(155)에 대해 제 2 RF 소스(232)를 사용하는 4 개의 RF 에너지 제어 구성(601, 602, 603, 604)의 동기화를 도시한다. 양성자-빔 작동 사이클(190)이 도시되어 양성자 빔 작동 사이클(190), 특히 양성자 빔 펄스(145)와 RF 에너지 제어의 동기화를 설명한다.
RF 에너지 제어기(180)는 양성자 빔 온-타임(145) 및 오프-타임 둘 다 동안 별도의 RF 에너지 펄스를 제공함으로써 평균 전력을 실질적으로 일정하게 유지하도록 구성 및 배열된다.
양성자 빔 펄스(145)의 2개의 작동 사이클(190)에 걸쳐 4 개의 파형이 도시되며, 이는 각각의 작동 사이클(190)에 대한 4개의 순간(t1, t2, t3, t4, 및 t5)을 포함한다. 이러한 순간은 대칭적으로 도시되지만, 실제로는 순간 사이의 간격이 상당히 다양할 수 있다. 파형은 사각파로 표시되지만 실제로 파형은 고려할 필요가 있는 무시할 수 없는 상승 및 하강 시간을 갖는다.
상부 파형(500)은 도 5에 도시된 것과 동일한 방식으로 양성자 빔 펄스(145)를 도시한다.
제 1 결합 RF 제어 구성 그래프(601)는 동일한 기간에 걸쳐 가속 유닛(130)에 제공되는 RF 에너지를 표시한다. 제 1 작동 사이클(190)의 시작에서, 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터의 RF 에너지는 t1에서 0에서 기준 가속 피크(255) 값으로 상승하고 t3에서 다시 0으로 하강하고, RF 에너지 펄스(255)는 대략 균일한 진폭을 갖는다. 순간 t4 및 t5를 포함하는 이러한 제 1 작동 사이클(190)의 나머지 동안, RF 에너지는 0 또는 대략 0이다. 파형은 제 2 작동 사이클(190) 동안 반복된다.
t1에서 t3까지의 RF 에너지 펄스(255)의 지속 시간 및 기준 가속도 피크(255) 값은 양성자 빔 온-타임 동안 RF 에너지에 의해 양성자 빔의 원하는 가속을 제공하도록 미리 결정 및/또는 제어된다. 가속은 tl과 t3 사이에서 발생한다. 이 RF 제어 구성은 다른 세 개의 602, 603, 604에 대한 기준이므로, 기준 가속 피크(255) 값은 여기서 명목상 100%로 고려된다. 601에 따른 동작 동안, RF 에너지는 양성자 빔의 온-타임(145)과 실질적으로 동시에 양성자 빔 작동 사이클(190) 당 단일 펄스로 공동에 제공된다. 양성자 빔 오프-타임 동안에는 상당한 RF 에너지가 제공되지 않으므로, RF 보상 펄스가 제공되지 않는다.
도 5의 501에 도시된 파형에 비해, 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터의 전체 펄스 폭은 가속에 사용되는 반면, 501에서는 이용 가능한 펄스 폭의 반부만이 사용되었다. 이것은 제 1 RF 에너지 소스(132)의 전체 펄스가 빔 가속에 사용될 수 있기 때문에 효율을 증가시켜, 작동 사이클(190) 당 양성자 빔(115)의 더 긴 펄스를 허용한다. 이것은 유리하게 환자에게 전달되는 선량의 증가를 제공할 수 있고 이는 치료 시간을 줄일 수 있다. 대안적으로, 빔 펄스 길이는 짧게 유지될 수 있고, 제 1 RF 에너지 소스(132)에 대한 펄스 길이 측면의 요건이 완화될 수 있다.
제 2 RF 제어 구성 그래프(602)는 동일한 기간 동안 가속 유닛(130)에 제공된 RF 에너지를 표시한다. 제 1 작동 사이클(190)의 시작에서, 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터의 RF 에너지는 t1에서 0에서 가속 피크(255) 값으로 상승하고 t3에서 다시 하강하고, RF 에너지 펄스(255)는 대략 균일한 진폭을 갖는다. 이러한 가속 피크(255) 값은 기준 가속 피크 값(601)의 약 90%이다. 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터의 RF 에너지는 t3에서 0으로 하강한다.
대략 t3에서, 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터의 RF 에너지는 0에서 보상 피크(355) 값까지 상승하고 다음 작동 사이클(190)의 대략 tl에서 다시 하강한다. 명확성을 위해, 가속 피크(255)와 보상 피크(355) 사이에 갭이 도시되지만, 실제로 이러한 갭은 매우 작거나 심지어 0일 수 있으며, 각각의 펄스는 별개의 RF 에너지 소스에서 시작된다. 펄스가 심지어 겹칠 수도 있다.
파형은 제 2 작동 사이클(190) 동안 반복된다. t1에서 t3까지의 RF 에너지 펄스(255)의 지속 시간 및 가속도 피크(255) 값 90%는 미리 결정되고 및/또는 제어되어 양성자 빔 온-타임 동안 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터의 RF 에너지에 의해 양성자 빔의 원하는 가속도를 제공한다. 가속은 각 작동 사이클(190)의 t1과 t3 사이에서 발생한다.
일반적으로, 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 t3에서 t1까지의 RF 에너지 펄스(355)의 지속 시간 및 보상 피크 값(355)은 가속 유닛이 601과 같은 이전 작동 사이클에 비해 더 낮은 가속 피크 (55) 값으로 작동될 때 예상되는 온도 변화를 보상하도록 미리 결정 및/또는 제어된다.
따라서 작동 중에, RF 에너지는 양성자 빔 작동 사이클(190) 당 2 개의 펄스로 공동에 제공되고, 양성자 빔의 온-타임과 실질적으로 동시에 제 1 RF 에너지 소스로부터 제 1 펄스(255) 및 양성자 빔의 오프-타임과 실질적으로 동시에 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 제 2 펄스(355)가 제공된다.
제 1 RF 에너지 소스(132)에 대해, 전체 이용 가능한 펄스 길이, 예를 들어 5 마이크로초가 유리하게 사용될 수 있다. 제 2 RF 에너지 소스(232)의 경우, 가속 펄스(155)들 사이의 전체 시간, 예를 들어 5 밀리 초는 유리하게는 도 5의 502에 도시된 제어 방식에 비해 상당히 낮은 피크 전력으로 사용될 수 있다. 이것은 천 배 더 작을 수 있다. RF 에너지 제어기(180)는 가속을 위해 제 1 펄스(255)를 제공하고 보상을 위해 제 2 펄스(355)를 제공하도록 구성된다.
제 3 RF 제어 구성 그래프(603)는 동일한 기간 동안 가속 유닛(130)에 제공된 RF 에너지를 표시한다. 제 1 작동 사이클(190)의 시작에서, 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터의 RF 에너지는 t1에서 0에서 가속 피크(255) 값으로 상승하고 t3에서 다시 하강하며, RF 에너지 펄스(255)는 대략 균일한 진폭을 갖는다. 이러한 가속 피크(255) 값은 기준 가속 피크 값(601)의 대략 75%이다. 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터의 RF 에너지는 t3에서 0으로 하강한다.
대략 t3에서, 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터의 RF 에너지는 0에서 보상 피크(355) 값까지 상승하고 다음 작동 사이클(190)의 대략 tl에서 다시 하강한다. 다시, 명확성을 위해, 갭이 가속 피크(255)와 보상 피크(355) 사이에 도시되지만, 실젤 이러한 갭은 매우 작거나 심지어 0일 수 있다. 다시, 피크는 별개의 RF 소스에서 발생하므로, 피크가 겹칠 수도 있다.
파형은 제 2 작동 사이클(190) 동안 반복된다. t1에서 t3까지의 RF 에너지 펄스(255)의 지속 기간 및 가속 피크(55) 값 75%은 양성자 빔 온-타임 동안 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터 RF 에너지에 의해 양성자 빔의 원하는 가속을 제공하도록 미리 결정 및/또는 제어된다. 가속은 각각의 작동 사이클(190)의 t1과 t3 사이에서 발생한다.
일반적으로, 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 t3에서 t1까지의 RF 에너지 펄스(355)의 지속 시간 및 보상 피크 값(355)은 가속 유닛이 601과 같은 이전 작동 사이클에 비해 더 낮은 가속 피크 (55) 값으로 작동될 때 예상되는 온도 변화를 보상하도록 미리 결정 및/또는 제어된다.
제 2 RF 에너지 소스(232)의 경우, 가속 펄스(155) 사이의 전체 시간, 예를 들어 5 밀리 초는 유리하게는 도 5의 503에 도시된 제어 방식에 비해 상당히 낮은 피크 전력으로 사용될 수 있다. RF 에너지 제어기(180)는 가속을 위해 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터의 제 1 펄스(255)를 제공하고 보상을 위해 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터의 제 2 펄스(355)를 제공하도록 구성된다.
제 4 RF 제어 구성 그래프(604)는 동일한 기간에 걸쳐 가속 유닛(130)에 제공되는 RF 에너지를 표시한다. 제 1 작동 사이클(190)의 시작에서, 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터의 RF 에너지는 t1에서 0에서 가속 피크(255) 값으로 상승하고 t3에서 다시 하강하고, RF 에너지 펄스(255)는 대략 균일한 진폭을 갖는다. 이러한 가속 피크(255) 값은 기준 가속 피크 값(601)의 약 25%이다. 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터의 RF 에너지는 t3에서 0으로 하강한다.
대략 t3에서, 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터의 RF 에너지는 0에서 보상 피크(355) 값까지 상승하고 다음 작동 사이클(190)의 대략 tl에서 다시 하강한다. 다시, 명확성을 위해, 갭이 가속 피크(255)와 보상 피크(355) 사이에 도시되지만, 실제로 이러한 갭은 매우 작거나 심지어 0일 수 있다. 다시, 피크는 별개의 RF 소스에서 발생하므로, 피크가 겹칠 수도 있다.
파형은 제 2 작동 사이클(190) 동안 반복된다. t1에서 t3까지의 RF 에너지 펄스(255)의 지속 시간 및 가속도 피크 (55) 값 25%는 양성자 빔 온-타임 동안 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터 RF 에너지에 의해 양성자 빔의 원하는 가속을 제공하도록 미리 결정 및/또는 제어된다. 가속은 각각의 작동 사이클(190)의 t1과 t3 사이에서 발생한다.
일반적으로, 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 t3에서 t1까지의 RF 에너지 펄스(355)의 지속 시간 및 보상 피크 값(355)은 가속 유닛이 601에서와 같은 이전 작동 사이클에 비해 더 낮은 가속 피크 (55) 값으로 작동될 때, 예상되는 온도 변화를 보상하도록 미리 결정 및/또는 제어된다.
제 2 RF 에너지 소스(232)의 경우, 가속 펄스(155)들 사이의 전체 시간, 예를 들어 5 밀리초는 단일 RF 전원(도 5에 도시되지 않음)을 사용하는 유사한 구성에 비해 상당히 낮은 피크 전력으로 유리하게 사용될 수 있다. RF 에너지 제어기(180)는 가속을 위해 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터의 제 1 펄스(255)를 제공하고 보상을 위해 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터의 제 2 펄스(355)를 제공하도록 구성된다.
따라서 실질적으로 일정한 평균 전력은 양성자 빔 온-타임(145) 동안, 가속 펄스(255) 사이, 양성자 빔 오프-타임 동안, 보상 펄스(355)를 산재시킴으로써 달성될 수 있다. RF 에너지 펄스들 사이의 시간은 바람직하게는 공동의 열 시간 응답에 비해 짧다. 가속 펄스(255)의 진폭은 최대 전력에서 거의 0의 전력까지 전체 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 마찬가지로, 보상 펄스(355)의 전력은 평균 전력을 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 최대 전력에서 거의 0의 전력으로 변할 수 있다.
바람직하게는, 예상되는 온도 변화는 완전히 보상되지만, 온도 변화가 작동 제약으로 인해 가능하지 않은 경우, 온도 변화를 부분적으로 보상하는 것은 종래 기술에 공지된 상황에 비해 여전히 유리하다.
일반적으로, 제 2 RF 에너지 소스(232)를 사용하는 것은 제 1 RF 에너지 소스(132)와 독립적으로 제어 및 작동될 수 있기 때문에 더 많은 유연성을 제공한다.
당업자는 묘사된 파형이 개략적이고 실제 파형은 사용되는 제어 매개 변수를 결정할 때 고려되어야 하는 무시할 수 없는 상승 및 하강 시간을 가질 수 있음을 인식할 것이다. 마찬가지로, 약간의 빔 전류 변화도 고려할 필요가 있을 수 있다.
당업자는 또한 도시된 구형파 펄스뿐만 아니라 임의의 RF 에너지 파형 형태가 가능하다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 삼각형 또는 램프 모양 또는 이들의 임의의 조합도 가능하다.
에너지 제어기(180)는 특별한 양성자 빔 작동 사이클(190) 동안 각각의 가속기 유닛에 실질적으로 동일하거나 실질적으로 상이한 RF 펄스를 제공하도록 구성될 수 있다. 가속기 유닛은 개별적으로 또는 그룹으로 작동될 수 있다. 개별 가속기 유닛에 대한 RF 펄스는 또한 하나 초과의 양성자 빔 작동 사이클(190)에 걸쳐 시스템(100)의 작동 동안 변할 수 있다. 이것은 가속기 시스템(100) 자체 또는 외부 방해 요소에 의해 야기되는 빔 에너지 변화를 제어하고 안정화하기 위한 매우 유연하고 정확한 시스템을 제공한다.
클라이스트론과 같은 RF 에너지 소스에 의해 생성 된 피크 RF 전력은 두 가지 메커니즘, 공동에서 소비되는 전력과 빔으로 전달되는 전력에 의해 소비된다. 빔이 공동에 없는 경우, 전력의 해당 부분은 공동에서 소멸되어야 한다. 의료 응용 분야에서 피크 빔 전류는 일반적으로 300μA(마이크로암페어)로 낮지만 공동을 과냉각하여 이를 설명하는 것이 유리할 수 있다.
최대 에너지에서 공동에서 소멸된 전력이 P_cav_max이고 감소된 전력에서 소멸된 전력이 P_cavl이면, 최대 에너지에서 공동에 축적된 에너지(U0)는, 공동 충전 및 감쇠 시간 동안 손실된 전력에 대한 적합한 보정으로,
U0=P_cav_max x 펄스 폭 t(사각 펄스의 경우) 및 또는
U0=∫P(t) cav_max dt(일반적인 펄스의 경우)이다. 감소된 진폭 펄스 동안의 에너지 침착은 Ul이다.
공동 온도의 상당한 변화를 방지하려면, 공동의 열 응답 시간에 비해 짧은 시간 내에 추가 양의 에너지가 공급되어야 한다. 이것은 펄스 단위로 수행되거나, 공동 주파수 변동이 가속기의 성능에 크게 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 작다는 제약에 따라 추가 에너지가 더 긴 시간 규모로 공급될 수 있다.
활성 빔 펄스 중에 공급되는 공동 에너지가
Ul=P_cavl * t (사각 펄스의 경우) 및/또는
Ul=∫P(t) cavl dt (일반적인 펄스의 경우)인 경우,
공급해야 하는 추가 에너지는
U2=(P_cav_max-P_cavl) * t (사각 펄스의 경우) 및/또는
U2=∫(P(t)cay_max-P(t)cavl) dt (일반적인 펄스의 경우)이다.
이 에너지(U2)는 임의의 피크 전력 및 펄스 길이가 제공될 수 있으며, 바람직하게는 총 에너지는 U2이며, 따라서 공동의 열 응답 시간에 비해 짧은 평균화된 오버 타임, 총 전력 손실, 및 이에 따른 공동 온도가 실질적으로 일정하다, 즉 허용 가능한 공차 내에서 일정하며, 바람직하게는 수십 도이다.
완전한 에너지 보상을 위해, 제 2 RF 에너지 소스(232)는 바람직하게는 제 1 RF 에너지 소스(132)와 적어도 동일한 평균 전력을 전달해야 한다. 제 1 RF 에너지 소스(132)가 전달할 수 있는 최대 전력을 안다면, 제 2 RF 에너지 소스(232)의 전력은 이 최대 값에 대해 제 1 RF 에너지 소스(132)에 의해 전달되는 펄스의 전력의 차이를 보상하기 위해 펄스 대 펄스로 결정 및/또는 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 2개의 펄스(제 1 RF 에너지 소스(132)로부터 하나 및 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 하나) 마다의 평균 에너지가 실질적으로 일정하게 유지되고, 에너지 차이로 인한 온도 변화가 억제된다. 이 실시예에서 수학적 기준은 제 1 RF 에너지 소스(132)의 동작의 임의의 변화를 따르도록 제 2 RF 에너지 소스(232)를 결정 및/또는 제어함으로써 시간(에너지)에 걸쳐 적분을 실질적으로 일정하게 유지하는 것이다.
또한, 각각의 연속적인 양성자 빔 작동 사이클(190)에 대해 실질적으로 동일한 RF 에너지(132)를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 이것은 작동 중에 공동(131)에 실질적으로 일정한 평균 RF 전력을 제공하여 하나 초과의 작동 사이클(190)에 걸쳐 양성자 빔 에너지 안정성을 증가시킨다. 제 1 (132)로부터의 RF 에너지만 제공되거나 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터의 RF 에너지만 제공되는 작동 사이클(190)이 사용될 수 있지만, 제 1 RF 에너지 소스(132) 및 제 2 RF 에너지 소스(232) 모두로부터의 RF 에너지는 이 일정한 평균 RF 전력에 기여한다.
도 2 및 도 3은 각각의 가속기 유닛(130)에 대한 RF 에너지 소스 세트의 사용을 개략적으로 도시한다. 그러나, 이것은 각각의 가속기 유닛(130)에 대해 2개의 물리적 유닛을 필요로하는 것으로 해석되어서는 안되며, 도면들은 기능적 요건만을 나타낸다. 당업자는 RF 조합기 및 커플러의 적합한 사용으로 RF 에너지가 하나 이상의 에너지 소스를 사용하여 임의의 수의 가속기 유닛(130)에 제공될 수 있음을 인식할 것이다. 유사하게 각각의 가속기 유닛(130)은 하나 이상의 공동(131)을 포함할 수 있다.
도 4는 수정된 도 3을 도시하며 도 4에는 RF 에너지가 작동 중에 제 1 RF 에너지 소스(132) 및/또는 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 2 개의 가속기 유닛(130)에 제공된다.
RF 커플러 또는 조합기(400)의 추가 예가 도시되어 있으며, RF 에너지를 제 1 RF 에너지 소스(132) 및/또는 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 적어도 하나의 공동(131)를 갖는 적어도 2개의 가속기 유닛(130)으로 전달하도록 구성 및 배열된다. RF 커플러 또는 조합기(400)는 제 1 RF 소스(132)로부터 RF 에너지를 수신하기 위한 제 1 RF 입력부(310), 제 2 RF 소스(232)로부터 RF 에너지를 수신하기 위한 제 2 RF 입력부(320), 및 각각 적어도 하나의 공동(131)에 RF 에너지를 제공하기 위한 2개의 RF 출력부(330)를 포함한다.
적합한 커플러(400)는 소위 매직 티(Magic T) 또는 하이브리드 티(hybrid tee)일 수 있으며, H-평면 암은 제 2 RF 입력부(320)로서 구성 및 배열되고, E-평면 암은 제 1 RF 입력부(310)로 구성 및 배열된다. 매직 티의 장점은 제 1 RF 입력부(310) 또는 제 2 RF 입력부(320)로부터 입력되는 전력이 2개의 RF 출력부(330)들 사이에서 실질적으로 균등하게 나누어지도록 구성 및 배열될 수 있다는 점이다. 또한, 매직 티는 2개의 RF 출력부(330)가 서로 실질적으로 격리되도록 구성 및 배열된다.
대안적으로, 랫-레이스 커플러(rat-race coupler)와 같은 임의의 다른 적합한 커플러 또는 조합기(400)가 사용될 수 있다.
선택적으로, 도 4의 가속기 유닛은 반사된 RF 전력으로부터 RF 에너지 소스를 보호하기 위해 제 1 RF 아이솔레이터(410) 및 제 2 RF 아이솔레이터(420)를 포함할 수 있고:
-제 1 아이솔레이터(410)는 RF 에너지를 제 1 RF 소스(132)로부터 RF 커플러(300, 400)의 제 1 RF 입력부(310)로 전달하도록 구성 및 배열되고, 또한 상기 제 1 RF 입력부(310)로부터 상기 제 1 RF 소스(132)로 RF 에너지 전달을 감쇠시키도록 구성 및 배열되고,
-제 2 아이솔레이터(420)는 제 2 RF 소스(232)로부터 RF 커플러(300, 400)의 제 2 RF 입력부(320)로 RF 에너지를 전달하도록 구성 및 배열되고, 또한 상기 제 2 RF 입력부(320)로부터 상기 제 1 RF 소스(232)로의 RF 에너지 전달을 감쇠하도록 구성 및 배열된다.
2개의 RF 에너지 출력부(330)를 갖는 커플러와 결합하여 여기에 도시되어 있지만, 이러한 아이솔레이터(410, 420)는 필요한 경우 제 1(132) 또는 제 2(232) RF 에너지 소스의 하류에 사용될 수 있다. 아이솔레이터(410, 420)는 또한 RF 에너지 소스 내에 포함될 수 있다. 실제로, 아이솔레이터는 반사된 에너지를 완전히 감쇠시키지 못할 수 있으며,-실제로는 약 1/1000(30dB)이 여전히 전송될 수 있다.
본 개시는 제 1 RF 에너지 소스(132) 및 제 2 RF 에너지 소스(232)를 언급하지만, 당업자는 제 1 RF 에너지 소스(132) 및/또는 제 2 RF 에너지 소스(232)의 기능을 제공하기 위해 하나 초과의 RF 유닛이 제공될 수 있음을 인식할 것이다. 단일 RF 소스로서 기능적으로 작동되는 복수의 물리적 RF 유닛을 갖는 것이 본 발명의 범위 내에 속한다, 즉, 복수의 물리적 RF 유닛은 모두 실질적으로 동시에 RF 펄스를 생성하도록 지시된다.
필요한 에너지 소스의 수는 에너지가 제공되는 공동의 수와 선택된 RF 에너지 소스의 실제 제한에 따라 다르다. RF 에너지 제어기(180)는 복수의 RF 에너지 소스를 제 1 RF 에너지 소스(132)로서, 및/또는 복수의 RF 에너지 소스를 제 2 RF 에너지 소스(232)로서 작동하도록 구성 및 배열될 수 있다.
가속기 유닛은 결합형 공동 선형 가속기(CCL), 드리프트 튜브 선형 가속기(DTL), 분리형 드리프트-튜브 선형 가속기(SDTL), 사이드-결합형 선형 가속기(SCL), 또는 사이드-결합형 드리프트 튜브 선형 가속기(SCDTL)과 같은 적합한 RF 선형 가속기(또는 리낙(Linac)) 일 수 있다. 가속기 유닛은 모두 동일한 유형이거나 다른 유형이 캐스케이드로 조합될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 액체-기반 온도 제어 시스템(700)은 제 2 RF 소스(232)와 조합하여 사용될 수 있으며, 이에 대한 예가 도 7에 도시되어 있다. 액체-기반 온도 제어 시스템은 제 1 에너지 소스(132) 및 제 2 에너지 소스(232)를 구비한, 도 1 내지 도 6과 관련하여 전술된, 가속기 유닛(130)을 포함한다.
그러나, 이 예에는 또한 온도 제어 시스템(700)을 포함하며, 상기 온도 제어 시스템(700)은
-액체를 보유하고 액체를 에너지 소스(210)과 열 접촉시키도록 구성 및 배열된, 히터(710);
-적어도 하나의 공동(131)의 벽의 적어도 일 부분의 온도가 유지되거나 증가될 수 있도록 적어도 하나의 공동(131)의 벽에 근접하게 배치된, 히터(710)와 유체 연통하는, 하나 이상의 공동 벽 채널(731); 및
-하나 이상의 공동 벽 채널(731)과 유체 연통하는, 하나 이상의 액체 출구(740)를 포함한다.
온도 제어 시스템(700)은 예를 들어 하나 이상의 액체 펌프(도시되지 않음)를 사용하여 히터(710)로부터 하나 이상의 공동 벽 채널(731)로 액체의 흐름을 생성하도록 추가로 구성 및 배열된다.
일반적으로, 가속기 유닛에는 정상 작동 중에 공동을 냉각하기 위한 냉각 회로가 제공되며, 이러한 냉각이 없으면, 공동이 과열되어 매우 높은 온도에 도달할 수 있다. 물 또는 물-기반이 가장 일반적인 냉각수 또는 유체이며 하나 이상의 냉각 채널이 공동 벽 가까이 및/또는 최고 온도 지점 가까이에 제공된다.
따라서, 본 발명에 따른 온도 제어 시스템(700)은 종래의 냉각 시스템의 하나 이상의 구성 요소를 포함할 수 있고, 종래의 냉각 시스템에 포함될 수 있거나, 종래의 냉각 시스템과 병렬로 작동되는 별도의 시스템을 형성할 수 있다. 이러한 개별 시스템은 공동 내 및/또는 공동 벽에 근접한 하나 이상의 냉각 채널을 공유할 수 있다.
유리하게는, 본 발명에 따른 온도 제어 시스템(700)은 공동에서 전형적으로 발견되는 하나 이상의 공동 냉각 채널을 포함할 수 있다(사용할 수 있다).
온도 제어 시스템(700)은 양성자 빔 작동 사이클(190)의 오프-타임 동안 적어도 하나의 공동(131)의 온도를 증가시키거나 유지하도록 구성 및 배열된다. 에너지 소스(210)는 전기 열원 및/또는 RF 에너지 소스와 같은 양성자 빔 오프-타임과 적어도 부분적으로 동기화될 수 있는 임의의 적합한 유형일 수 있다. 도시된 바와 같이, 에너지 소스는 RF 에너지 제어기(180)에 연결된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 빔 출력 제어기(120)에 연결될 수 있다.
본 발명의 한 측면의 기초가 되는 통찰 중 하나는 공동의 냉각이 안정성 문제를 야기할 수 있고, 양성자 빔 오프-타임 동안 적어도 하나의 공동(131)이 가열되면 개선이 제공된다는 것이다.
이것은 적어도 하나의 공동을 가열하는 보다 간접적인 방법이기 때문에, 양성자 빔 오프-타임을 예상하면서 양성자 빔 온-타임 동안 약간의 열을 인가하는 것이 유리할 수 있다. 이것은 부분 동기화이다.
이러한 간접적인 가열 방식을 사용하는 것은 더 긴 비활성 기간 및/또는 더 긴 양성자 빔 오프-타임기간 (예를 들어, 여러 빔 듀티 사이클 초과) 동안 유리할 수 있다.
온도 제어 시스템(700)과 적어도 하나의 공동(131) 사이의 정상 상태의 열 전달에서, 열 유속은 온도 제어 시스템(700)의 설계와 액체와 적어도 하나의 공동(131) 사이의 온도 차이에 의해 실질적으로 결정된다.
Q=cte(TCav-TLiq)
여기서 Q는 열 유속, TCav는 공동 온도, TLiq는 액체 온도, 및 cte는 열 전달 계수 및 액체와의 접촉 표면에 따라 달라지는 상수이다.
에너지 소스(210)를 사용하여 액체 온도를 변경함으로써, 열 유속을 실질적으로 일정하게 유지하도록 적어도 하나의 공동(131) 벽의 적어도 일부의 온도가 변경된다.
에너지 소스(210)는 침지 히터(710)에서 사용되는 전기 열 소스일 수 있다. 또한 RF 에너지 소스일 수 있으며, 이것은 아래의 도 9와 관련하여 더 상세히 설명된다.
도 8은 본 발명에 따른 추가 예를 도시한다. 이는 도 1 내지 도 6과 관련하여 전술한 가속기 유닛(130)과 유사한 변형된 가속기 유닛(1130)을 포함한다. 가속기 유닛은 또한 제 1(132) 및 제 2(232) 에너지 소스를 포함한다. 그러나 아래와 같이 상이하다.
-변형된 가속기 유닛(1130)은 수정된 공동(1131)을 포함하고;
-액체와 함께 사용하기 위한 종래의 냉각 시스템(도시되지 않음)과 유체 연통하는 하나 이상의 수정된 공동 벽 채널(1731)은 적어도 하나의 수정된 공동(1131)의 벽에 근접하게 배치되어 적어도 하나의 수정된 공동(1131)의 벽의 적어도 일 부분의 온도가 냉각될 수 있고;
-하나 이상의 수정된 공동 벽 채널(1731)은 하나 이상의 공동 채널 창(1750) 및/또는 하나 이상의 공동 채널 돌출부(1760)와 유체 연통한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 수정된 공동 벽 채널(1731)은 도 7과 관련하여 전술한 바와 같이 온도 제어 시스템(700)과 유체 연통할 수 있다.
하나 이상의 공동 채널 창(1750) 및/또는 하나 이상의 공동 채널 돌출부(1760)는 공동 벽 채널(1731)의 하나 이상의 부분이 되도록 구성되며, 액체의 온도를 높이거나 유지하기 위하여, 적어도 하나의 수정된 공동(1131)으로부터 RF 에너지를 허용하도록 구성 및 배열된다.
수정된 공동(1131)과 채널 내의 액체 사이의 에너지 전달은 적어도 하나의 공동으로부터 액체로 RF 에너지의 적어도 일부를 실질적으로 흡수 및/또는 실질적으로 전달하도록 구성된, 벽을 갖는 하나 이상의 채널부에 의해 제공될 수 있다. 이러한 특성은 하나 이상의 적합한 재료 및/또는 코팅을 사용하여 제공될 수 있다. 예를 들면:
-적합한 탄소 또는 페라이트가 RF를 흡수하고 벽을 국부적으로 가열하기 위해 사용될 수 있고,
-PTFE 또는 붕규산 유리와 같은 적합한 플라스틱 또는 유리를 사용하여 RF를 전송하기 위해 사용될 수 있다. 세라믹, 특히 알루미나 세라믹도 RF가 침투하도록 허용하지만 챔버를 액체로 밀봉을 허용하도록 이용가능하다. 물 또는 수계와 같이 상대적으로 높은 RF 흡수를 가진 액체 또는 유체를 사용하는 것도 유리할 수 있다.
하나 이상의 공동 채널 돌출부(1760)는 돌출부로 도시되어 있지만, 유사한 구조가 수정된 공동(1131)의 벽으로 리세스될 수도 있다.
당업자는 이러한 창(1750) 및/또는 돌출부(1760)의 존재가 공동 메트릭 및 특성을 변경할 수 있음을 인식할 것이다,-이러한 변경은 수정된 가속 유닛(1130)의 설계에서 고려될 수 있다. 모든 효율성 손실은 더 높은 RF 에너지를 사용하여 보상될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 창(1760) 및/또는 돌출부(1760)의 치수 및/또는 배치는 이러한 효과를 감소시키기 위해 선택될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, RF 커플러(300)는 하나 이상의 창(1750) 및/또는 돌출부(1760)를 포함하도록 수정될 수 있다. 이들은 에너지의 미리 결정된 부분을 흡수하도록 구성되거나 하나 이상의 냉각 채널에 포함될 수 있다. 수정된 물 부하가 사용될 수도 있다.
냉각 시스템 또는 온도 제어 시스템(700)은 적어도 하나의 공동(1131)으로부터의 RF 에너지가 양성자 빔 작동 사이클(190)의 오프-타임 동안 액체의 온도를 증가시키거나 유지하도록 구성 및 배열된다.
예를 들면:
-하나 이상의 창(1750) 및/또는 돌출부(1760)는 커플러 또는 조합기(300)의 하나 이상의 분기부(branch)에서와 같이 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터의 RF 에너지에만 노출되는 영역에 배치될 수 있거나, RF 에너지가 적어도 하나의 공동에 유입하는 포인트에 근접할 수 있다.
-냉각 시스템 또는 온도 제어 시스템(700)은 양성자 빔의 온-타임 동안 수정된 공동 벽 채널(1731)을 통한 액체의 흐름을 방지하거나 제한하도록 구성 및 배열 될 수 있으며, 오프-타임 동안, 예를 들면, 적합한 밸브 세트를 이용함으로써 액체가 흐르는 것(또는 액체를 덜 제한하는 것)을 허용한다.
도 9는 본 발명에 따른 추가 예를 도시하며-도 7과 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 액체-기반 온도 제어 시스템(700)이 독립적으로 사용될 수 있으며,
-동작 중에 적어도 하나의 공동(131)에 RF 에너지를 제공하기 위한 제 1 소스(132)와는 다른 제 2 RF 에너지 소스가 없고;
-적어도 하나의 공동(131)은 제 2 에너지 소스(232)로부터 RF 에너지를 수신하도록 구성되지 않는다.
도 9는 조직을 조사하기 위한 양성자 선형 가속기 시스템을 도시하며, 상기 가속기 시스템은
작동 중에 펄스형 양성자 빔(도시되지 않음)을 제공하기 위한 양성자 소스(도시되지 않음);
소스를 빠져나가는 양성자 빔의 빔 전류를 조정하기 위한 빔 출력 제어기(도시되지 않음);
가속기 유닛(130)으로서,
-양성자 빔을 수신하기 위한 양성자 빔 입력부(도시되지 않음);
-양성자 빔이 빠져나가기 위한 양성자 빔 출력부(도시되지 않음);
-작동 중에 RF 에너지를 제공하기 위한 제 1 RF 에너지 소스(132); 및
동작 동안 RF 에너지를 제공하기 위한 제 1 RF 에너지 소스(132)와는 별개인 제 2 RF 에너지 소스(232)를 갖는, 가속기 유닛;
-양성자 빔 입력부에서 양성자 빔 출력부로 연장하고, 제 1 에너지 소스(132)로부터 RF 에너지를 수신하고, RF 에너지를 빔 입력부에서 빔 출력부로 통과할 때 양성자 빔에 RF 에너지를 결합하기 위한, 적어도 하나의 공동(131)을 포함하고,
상기 시스템은;
액체를 사용하여 적어도 하나의 공동(131)의 온도를 조정하기 위한 에너지 소스로서 제 2 RF 소스(232)를 포함하는, 온도 제어 시스템(700);
가속기 시스템에 제공되는 RF 에너지를 조정하기 위해 제 1(132) 및 제 2(232) RF 에너지 소스에 연결된, RF 에너지 제어기(180)를 더 포함하고;
빔 출력 제어기(120)는 미리 결정된 및/또는 제어된 빔 작동 사이클(도시되지 않음)을 갖는 양성자 빔 펄스를 제공하도록 구성되고;
RF 에너지 제어기(180)가 구성되어
-양성자 빔의 에너지를 변경하기 위해 양성자 빔 작동 사이클의 온-타임 동안 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터 RF 에너지를 제공하고,
-적어도 하나의 공동(131)의 온도를 증가시키거나 유지하기 위해 양성자 빔 작동 사이클의 오프-타임 동안 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 RF 에너지를 제공한다.
232, 732로 도시된 에너지 소스가 RF 전원 히터에 포함된 제 2 RF 에너지 소스(232)이지만, 에너지 소스 및 히터는 도 7과 관련하여 상술된 에너지 소스(210) 및 히터(710)와 같이 양성자 빔 오프-타임과 적어도 부분적으로 동기화될 수 있는 임의의 적합한 유형일 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제 2 RF 에너지 소스(232)는 RF 에너지 제어기(180)에 연결된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제 2 RF 에너지 소스(232)는 빔 출력 제어기(120)에 연결될 수 있다.
종래의 전기 침지식 히터 대신에 RF 구동식 히터(732)의 사용은 접촉 표면을 통한 액체로의 열전달에서 RF 가열이 전기 구동식 히터보다 실질적으로 더 빠를 수 있다는 이점을 갖는다. RF 전원 히터를 사용하면, 에너지가 액체에 의해 체적으로 흡수된다.
이것은 예를 들어 히터(731, 732)의 벽을 먼저 가열할 필요 없이 액체로의 보다 직접적인 열 흡수를 제공할 수 있다.
이 실시예는 (예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이) 적어도 하나의 공동(131)에 RF 에너지를 제공하기 위해 사용되는 제 2 RF 에너지 소스(232)를 사용하는 실시예와 비교하여 특정 구성에서 덜 효율적일 수 있다. 그러나, 제 2 RF 에너지 소스(232)를 사용하는 실시예가 전기 히터(731)를 사용하는 것보다 더 효율적이다. 이 실시예는 RF 소스와 액체의 폭 넓은 조합이 사용될 수 있도록 할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 위에서 설명된 하나 이상의 히터는 적어도 하나의 공동의 액체 입구에 근접하게 구성되고 배열될 수 있다. 하나 이상의 히터는 액체를 가열하고 적어도 하나의 공동에 매우 빠르게 에너지를 제공할 수 있다. 기존 수단에 비해 이미 더 빠른 가열을 제공하는 RF 히터 및 RF 에너지 소스를 사용하면 훨씬 더 유리하다.
대안적으로 또는 추가적으로, 전술한 RF 히터 중 하나 또는 그 초과는 액체를 가열하고 양성자 빔 듀티 사이클과 무관한 경우에 즉, 빔이 꺼져있는 하나 이상의 기간 동안 및/또는 빔이 켜져 있는 하나 이상의 기간 동안, 에너지를 적어도 하나의 공동에 제공하도록 구성 및 배열될 수 있다. 이어서, RF 히터는 상대적으로 독립적으로 작동할 수 있고, 빔 출력 제어기(120) 또는 RF 에너지 제어기(180)에 대한 연결이 더 이상 필요하지 않다. 이것은 기존의 수단에 비해 더 빠른 가열을 제공한다. 사용되는 RF 에너지 소스는 상대적으로 저렴할 수도 있다.
본 발명, 특히 위에서 언급한 많은 방법 단계는 본 발명을 실행하기 위해 적응된 컴퓨터 프로그램, 특히 캐리어상의 또는 캐리어 내의 컴퓨터 프로그램으로 확장된다는 것을 이해할 것이다. 프로그램은 소스 코드, 객체 코드, 코드 중간 소스, 및 부분적으로 컴파일된 형태와 같은 객체 코드의 형태, 또는 본 발명에 따른 방법의 구현에 사용하기에 적합한 임의의 다른 형태일 수 있다.
상기 언급된 실시예는 본 발명을 제한하기보다는 예시하며, 당업자는 첨부된 청구 범위의 범위를 벗어나지 않고 많은 대안적인 실시예를 설계할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 청구 범위에서, 괄호 안에 있는 참조 기호는 청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 동사 "포함하다(comprise)"와 그 활용의 사용은 청구범위에 명시된 것 이외의 구성요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 구성요소 앞의 관사 하나의("a" 또는 "an")는 그러한 복수의 구성요소의 존재를 배제하지 않는다. 본 발명은 몇 가지 별개의 구성요소를 포함하는 하드웨어 및 적절하게 프로그래밍된 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다. 여러 수단을 열거하는 시스템 청구범위에서, 이러한 수단 중 몇몇이 하나의 동일한 하드웨어 항목에 의해 구현될 수 있다. 특정 방안이 서로 다른 종속 청구항에서 인용된다는 단순한 사실이 이러한 방안의 조합을 사용하여 이점을 얻을 수 없음을 나타내는 것은 아니다.
55 제 1 RF 소스를 갖는 RF 에너지 가속 펄스
100 양성자 선형 가속기 시스템
102 제 1 가속 스테이지, 예를 들면, 무선-주파수 사중극(RFQ)
104 제 2 가속 스테이지, 예를 들면, 사이드-결합형 드리프트 튜브 선형 가속기(Linac)(SCDTL)
106 제 3 가속 스테이지, 예를 들면, 결합형 공동 선형 가속기(CCL)
110 양성자 소스
115 양성자 빔
120 빔 출력 제어기
130 가속기 유닛
131 공동
132 제 1 RF 에너지 소스
135 양성자 빔 입력부
137 양성자 빔 출력부
140 축선: 빔 전류(도 4)
145 양성자 빔 작동 사이클
150 축선: 기간(도 4)
155 제 2 RF 소스를 갖는 RF 에너지 보상 펄스
160 축선: RF 에너지(도 4)
180 RF 에너지 제어기
190 양성자 빔 작동 사이클 [도 5 및 도 6]
210 에너지 소스
232 제 2 RF 에너지 소스
255 제 1 RF 소스를 갖는 RF 에너지 가속 펄스
300 RF 커플러 또는 조합기
310 제 1 RF 입력부
320 제 2 RF 입력부
330 RF 출력부
355 제 2 RF 소스를 갖는 RF 에너지 보상 펄스
400 RF 커플러 또는 조합기
410 제 1 RF 아이솔레이터
420 제 2 RE 아이솔레이터
500 두 작동 사이클 동안 양성자 빔 펄스
501 제 1 RF 에너지 소스만을 사용하는 제 1 RF 제어 구성
502 제 1 RF 에너지 소스만을 사용하는 제 2 RF 제어 구성
503 제 1 RF 에너지 소스만을 사용하는 제 3 RF 제어 구성
504 제 1 RF 에너지 소스만을 사용하는 제 4 RF 제어 구성
601 제 1 및 제 2 RF 에너지 소스를 사용하는 제 1 RF 제어 구성
602 제 1 및 제 2 RF 에너지 소스를 사용하는 제 2 RF 제어 구성
603 제 1 및 제 2 RF 에너지 소스를 사용하는 제 3 RF 제어 구성
604 제 1 및 제 2 RF 에너지 소스를 사용한 제 4 RF 제어 구성
700 온도 제어 시스템
710 히터
731 하나 이상의 공동 벽 채널
732 RF-동력식 히터
740 액체 출구
1130 수정된 가속기 유닛
1131 수정된 공동
1731 하나 이상의 수정된 공동 벽 채널
1750 공동 채널 창
1760 공동 채널 돌출부
100 양성자 선형 가속기 시스템
102 제 1 가속 스테이지, 예를 들면, 무선-주파수 사중극(RFQ)
104 제 2 가속 스테이지, 예를 들면, 사이드-결합형 드리프트 튜브 선형 가속기(Linac)(SCDTL)
106 제 3 가속 스테이지, 예를 들면, 결합형 공동 선형 가속기(CCL)
110 양성자 소스
115 양성자 빔
120 빔 출력 제어기
130 가속기 유닛
131 공동
132 제 1 RF 에너지 소스
135 양성자 빔 입력부
137 양성자 빔 출력부
140 축선: 빔 전류(도 4)
145 양성자 빔 작동 사이클
150 축선: 기간(도 4)
155 제 2 RF 소스를 갖는 RF 에너지 보상 펄스
160 축선: RF 에너지(도 4)
180 RF 에너지 제어기
190 양성자 빔 작동 사이클 [도 5 및 도 6]
210 에너지 소스
232 제 2 RF 에너지 소스
255 제 1 RF 소스를 갖는 RF 에너지 가속 펄스
300 RF 커플러 또는 조합기
310 제 1 RF 입력부
320 제 2 RF 입력부
330 RF 출력부
355 제 2 RF 소스를 갖는 RF 에너지 보상 펄스
400 RF 커플러 또는 조합기
410 제 1 RF 아이솔레이터
420 제 2 RE 아이솔레이터
500 두 작동 사이클 동안 양성자 빔 펄스
501 제 1 RF 에너지 소스만을 사용하는 제 1 RF 제어 구성
502 제 1 RF 에너지 소스만을 사용하는 제 2 RF 제어 구성
503 제 1 RF 에너지 소스만을 사용하는 제 3 RF 제어 구성
504 제 1 RF 에너지 소스만을 사용하는 제 4 RF 제어 구성
601 제 1 및 제 2 RF 에너지 소스를 사용하는 제 1 RF 제어 구성
602 제 1 및 제 2 RF 에너지 소스를 사용하는 제 2 RF 제어 구성
603 제 1 및 제 2 RF 에너지 소스를 사용하는 제 3 RF 제어 구성
604 제 1 및 제 2 RF 에너지 소스를 사용한 제 4 RF 제어 구성
700 온도 제어 시스템
710 히터
731 하나 이상의 공동 벽 채널
732 RF-동력식 히터
740 액체 출구
1130 수정된 가속기 유닛
1131 수정된 공동
1731 하나 이상의 수정된 공동 벽 채널
1750 공동 채널 창
1760 공동 채널 돌출부
Claims (15)
- 조직을 조사하기(irradiating) 위한 양성자 선형 가속기 시스템(100)에 있어서,
상기 가속기 시스템(100)은:
작동 동안 펄스형 양성자 빔(115)을 제공하기 위한 양성자 소스(110);
상기 소스(110)에서 빠져나가는 상기 양성자 빔(115)의 빔 전류를 조정하기 위한 빔 출력 제어기(120);
가속기 유닛(130, 1130)으로서,
- 상기 양성자 빔(115)을 수신하기 위한 양성자 빔 입력부(135);
- 상기 양성자 빔(115)이 빠져나가기 위한 양성자 빔 출력부(137);
- 작동 동안 RF 에너지를 제공하기 위한 제 1 RF 에너지 소스(132);
- 작동 동안 RF 에너지를 제공하기 위한 상기 제 1 RF 에너지 소스(132)와 별개인, 제 2 RF 에너지 소스(232);
- 상기 제 1 RF 에너지 소스(132) 및/또는 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 RF 에너지를 수신하기 위해 그리고 상기 빔 입력부(135)로부터 상기 빔 출력부(137)로 통과할 때 상기 RF 에너지를 상기 양성자 빔(115)에 결합하기 위해 상기 양성자 빔 입력부(135)로부터 상기 양성자 빔 출력부(137)로 연장하는 적어도 하나의 공동(131, 1131)을 갖는, 가속기 유닛(130, 1130);을 포함하며,
상기 시스템(100)은:
상기 적어도 하나의 공동(131, 1131)에 제공되는 RF 에너지를 조정하기 위한 상기 제 1 RF 에너지 소스(132) 및 제 2 RF 에너지 소스(232)에 연결되고, 상기 빔 출력 제어기(120)에 추가로 연결되는, RF 에너지 제어기(180);
양성자 빔(115) 펄스에 미리 결정 및/또는 제어된 빔 작동 사이클(190)을 제공하도록 구성되는, 상기 빔 출력 제어기(120);
상기 RF 에너지 제어기(180)로서,
- 상기 양성자 빔(115)의 에너지를 변경하기 위한 상기 양성자 빔 작동 사이클(190)의 온-타임(on-time) 동안 상기 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터 RF 에너지를 제공하도록, 그리고
- 상기 적어도 하나의 공동(131, 1131)의 온도를 증가시키거나 유지하기 위해 상기 양성자 빔 작동 사이클(190)의 오프-타임(off-time) 동안 상기 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 RF 에너지를 제공하도록 구성되는, 상기 RF 에너지 제어기(180);를 더 포함하는, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 1 항에 있어서,
RF 에너지를 상기 제 1 RF 에너지 소스(132) 및/또는 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 상기 적어도 하나의 공동(131, 1131)으로 전달하기 위한 RF 커플러(300)를 더 포함하고,
상기 RF 커플러(300, 400)는:
- RF 에너지를 상기 제 1 RF 소스(132)로부터 수신하기 위한 제 1 RF 입력부(310);
- RF 에너지를 상기 제 2 RF 소스(232)로부터 수신하기 위한 제 2 RF 입력부(320); 및
- RF 에너지를 상기 적어도 하나의 공동(131, 1131)에 제공하기 위한 RF 출력부(330)를 갖는, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 2 항에 있어서,
- 상기 제 1 RF 입력부(310)로부터 상기 제 1 RF 소스(132)로의 RF 에너지 전달을 감쇄하도록 구성 및 배열된, 상기 제 1 RF 소스(132)로부터 상기 RF 커플러(300, 400)의 제 1 RF 입력부(310)로 RF 에너지를 전달하기 위한 제 1 아이솔레이터(410); 및
- 상기 제 2 RF 입력부(320)로부터 상기 제 1 RF 소스(232)로의 RF 에너지 전달을 감쇄하도록 구성 및 배열된, 상기 제 2 RF 소스(232)로부터 상기 RF 커플러(300, 400)의 제 2 RF 입력부(320)에 RF 에너지를 전달하기 위한 제 2 아이솔레이터(420)를 더 포함하는, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 RF 에너지 제어기(180)가 피크 전력으로서 상기 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성되고, 평균 전력으로서 상기 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 RF 에너지(132)를 제공하도록 추가로 구성된, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 RF 에너지 제어기(180)는 각각의 연속적인 양성자 빔 작동 사이클(190)을 위해 실질적으로 동일한 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성되는, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 RF 에너지 제어기(180)는 제 1 피크 전력을 구비한 상기 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성되고, 제 2 피크 전력을 구비한 상기 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 연속적인 RF 에너지(132)를 제공하도록 추가로 구성되며, 상기 제 2 피크 전력은 상기 제 1 피크 전력보다 실질적으로 작은, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 RF 에너지 제어기(180)는 제 1 펄스 폭을 구비한 상기 제 1 RF 에너지 소스(132)로부터 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성되고, 제 2 펄스 폭을 구비한 상기 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 연속적인 RF 에너지(132)를 제공하도록 추가로 구성되며, 상기 제 2 펄스 폭은 상기 제 1 펄스 폭보다 실질적으로 더 큰, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 RF 에너지 제어기(180)는 상기 제 1 RF 에너지 소스(132) 및/또는 제 2 RF 에너지 소스(232)의 아래의 특성 중 하나 이상을 수정함으로써 미리 결정 및/또는 제어된 에너지를 제공하도록 구성되며:
상기 특성은 RF 진폭, RF 에너지 온-타임, RF 에너지 오프-타임, RF 에너지 펄스 형상, 또는 이들의 임의의 조합인, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 RF 에너지 제어기(180)는 상기 제 1 RF 에너지 소스(132) 및 제 2 RF 에너지 소스(232)로부터 실질적으로 동일한 RF 주파수로 RF 에너지를 제공하도록 추가로 구성되는, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 양성자 빔 작동 사이클(190)의 오프-타임 동안 적어도 하나의 공동(131, 1131)의 온도를 증가 또는 유지하도록 구성 및 배열된, 액체를 사용하여 적어도 하나의 공동(131, 1131)의 온도를 적응시키기 위한 온도 제어 시스템(700)을 더 포함하는, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 10 항에 있어서,
상기 온도 제어 시스템(700)은 상기 양성자 빔 작동 사이클(190)의 오프-타임 동안 상기 액체의 온도를 증가하거나 유지하도록 구성 및 배열된, 에너지 소스(210, 232)를 포함하는, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 11 항에 있어서,
상기 에너지 소스(210, 232)는 전기-가열식 소스(710) 및/또는 RF-가열식 소스(732)인, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 10 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공동(1131)은 상기 적어도 하나의 공동(1131)으로부터의 RF 에너지가 상기 양성자 빔 동작 사이클(190)의 오프-타임 동안 상기 액체의 온도를 증가시키거나 유지하게 하도록 구성 및 배열된, 온도 제어 시스템(700)과 유체 연통되는, 적어도 하나의 채널부(1750, 1760)를 더 포함하는, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 13 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 채널부(1750, 1760)는 상기 적어도 하나의 공동(1131)으로부터 상기 액체로 RF 에너지의 적어도 일부를 실질적으로 흡수하고 및/또는 실질적으로 전달하도록 구성된 벽을 포함하는, 양성자 선형 가속기 시스템(100). - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가속기 유닛(130, 1130)은:
결합형 공동 선형 가속기(Coupled Cavity Linac; CCL), 드리프트 튜브 선형 가속기(Drift Tube Linac; DTL), 분리형 드리프트-튜브 선형 가속기(Separated Drift-Tube Linac; SDTL), 사이드-결합형 선형 가속기(Side-Coupled Linac; SCL), 사이드-결합형 드리프트 튜브 선형 가속기(Side-Coupled Drift Tube Linac; SCDTL)의 유형들 중 하나인, 양성자 선형 가속기 시스템(100).
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| EP18169363.1 | 2018-04-25 | ||
| EP18169363 | 2018-04-25 | ||
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ID=62063460
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| KR1020207030021A KR20210003749A (ko) | 2018-04-25 | 2019-04-24 | 두 개 이상의 rf 소스로 조직을 조사하기 위한 양성자 선형 가속기 시스템 |
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