(57)【要約】      （修正有）【課題】エネルギーを連続調整でき、出力する電子エネルギーが所定エネルギー区間（例；０．５ＭｅＶから２ＭｅＶまで）をカバーする定在波電子線形加速器装置及びその動作方法の提供。【解決手段】電子ビームを発生する直流高圧銃５と、主パルスパワー信号９を供給するパルスパワー源１と、パルスパワー源１に接続され、パルスパワー源１から供給される主パルスパワー信号９を、第１のパルスパワー信号と第２のパルスパワー信号とに分割する電力分配器２と、直流高圧銃５の下流側に配置され、電力分配器２に接続され、第１のパルスパワー信号が入力されて電子ビームを加速する第１の加速管６と、第１の加速管の下流側に配置され、第２のパルスパワー信号に基づいて電子ビームを加速する第２の加速管７と、電力分配器２と第２の加速管７との間に接続され、第１のパルスパワー信号と第２のパルスパワー信号と間の位相差を連続的に調整する移相器３とを備える。【選択図】図１
2014130816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを発生する電子銃と、
主パルスパワー信号を供給するパルスパワー源と、
前記パルスパワー源に接続され、前記パルスパワー源から供給される前記主パルスパワー信号を、第１のパルスパワー信号と第２のパルスパワー信号とに分割する電力分配器と、
前記電子銃の下流側に配置され、前記電力分配器に接続され、前記第１のパルスパワー信号が入力されて前記電子ビームを加速する第１の加速管と、
前記第１の加速管の下流側に配置され、前記第２のパルスパワー信号に基づいて前記電子ビームを加速する第２の加速管と、
前記電力分配器と前記第２の加速管との間に接続され、前記第１のパルスパワー信号と前記第２のパルスパワー信号と間の位相差を連続的に調整する移相器と
を備え、
前記第２の加速管の出力において、所定のエネルギー範囲内でエネルギーを連続的に調整可能な加速電子ビームが生成されることを特徴とする定在波電子線形加速器装置。
【請求項２】
前記第２の加速管の下流側に配置され、前記加速電子ビームが衝突してＸ線を発生するターゲットを更に備える請求項１に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項３】
前記電力分配器と前記移相器との間に接続され、前記第１のパルスパワー信号および／または前記第２のパルスパワー信号を減衰する減衰器を更に備える請求項１または２に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項４】
前記移相器は、前記第１の加速管の加速キャビティおよび前記第２の加速管の加速キャビティが加速位相モードで動作するように、前記位相差を調整する請求項１から３のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項５】
前記移相器は、前記第１の加速管の加速キャビティが加速位相モードで動作し、前記第２の加速管の加速キャビティが減速位相モードで動作するように、前記位相差を調整する請求項１から４のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項６】
前記第１の加速管および前記第２の加速管は、加速キャビティどうしを磁気結合するための結合孔を有し、前記結合孔は前記加速キャビティの壁の磁場の比較的強い位置に開口される請求項１から５のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項７】
前記第１のパルスパワーおよび前記第２のパルスパワーを前記第１の加速管および前記第２の加速管のそれぞれに供給するパワーカプラを更に備える請求項１から６のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項８】
前記電子銃は、前記電子ビームを負角度で前記第１の加速管に入射する請求項１から７のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項９】
前記ターゲットは、回転可能なベースに載置され、
前記加速電子ビームの進行方向と、前記ターゲットのターゲット面とがなす角度は、前記電子ビームのエネルギーに応じて可変である請求項２に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項１０】
前記ターゲットは、真空ボックスに配置され、
前記真空ボックスは、回転可能な前記ベースに固定され、
前記真空ボックスの壁にはＸ線ウィンドウが実装され、
前記第２の加速管は波形管を介して前記真空ボックスに接続される請求項９に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項１１】
前記所定のエネルギー範囲は、０．５０ＭｅＶから２．００ＭｅＶである請求項１から１０のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項１２】
電子ビームを発生するよう電子銃と、
第１のパルスパワー信号を供給する第１のパルスパワー源と、
第２のパルスパワー信号を供給する第２のパルスパワー源と、
前記電子銃の下流側に配置され、且つ、前記第１のパルスパワー源に接続され、前記第１のパルスパワー信号を受信して前記電子ビームを加速する第１の加速管と、
前記第１の加速管の下流側に配置され、前記第２のパルスパワー信号に基づいて前記電子ビームを加速する第２の加速管と、
前記第１のパルスパワー源の出力及び／又は前記第２のパルスパワー源の出力と、前記第１の加速管および／または前記第２の加速管との間に接続され、前記第１のパルスパワー信号と前記第２のパルスパワー信号との間の位相差を連続的に調整する移相器と、
を備え、
前記第２の加速管の出力において、所定のエネルギー範囲内でエネルギーを連続的に調整可能な加速電子ビームが生成されることを特徴とする定在波電子線形加速器装置。
【請求項１３】
前記第２の加速管の下流側に配置され、前記加速電子ビームが衝突してＸ線を発生するターゲットを更に備える請求項１２に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項１４】
前記第１のパルスパワー源の出力及び／又は前記第２のパルスパワー源の出力と、前記移相器との間に接続され、前記第１のパルスパワー信号及び／又は前記第２のパルスパワー信号を減衰する減衰器を更に備える請求項１２または１３に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項１５】
前記移相器は、前記第１の加速管のキャビティおよび前記第２の加速管のキャビティが加速位相モードで動作するように、前記位相差を調整する請求項１２から１４のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項１６】
前記移相器は、前記第１の加速管のキャビティが加速位相モードで動作し、前記第２の加速管のキャビティが減速位相モードで動作するように、前記位相差を調整する請求項１２から１５のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項１７】
前記第１の加速管および前記第２の加速管は、加速キャビティどうしを磁気結合するための結合孔を有し、前記結合孔は前記加速キャビティの壁の磁場の比較的強い位置に開口される請求項１２から１６のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項１８】
前記第１のパルスパワーおよび前記第２のパルスパワーを前記第１の加速管および前記第２の加速管のそれぞれに供給するパワーカプラを更に備える請求項１２から１７のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項１９】
前記電子銃は、前記電子ビームを負角度で前記第１の加速管に入射する請求項１２から１８のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項２０】
前記ターゲットは、回転可能なベースに載置され、
前記加速電子ビームの進行方向と、前記ターゲットのターゲット面とがなす角度は、前記電子ビームのエネルギーに応じて可変である請求項１３に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項２１】
前記ターゲットは、真空ボックスに配置され、
前記真空ボックスは、回転可能な前記ベース上に固定され、
前記真空ボックスの壁にはＸ線ウィンドウが実装され、
前記第２の加速管は波形管を介して前記真空ボックスに接続される請求項２０に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項２２】
前記所定のエネルギー範囲は、０．５０ＭｅＶから２．００ＭｅＶである請求項１２から２１のいずれか一項に記載の定在波電子線形加速器装置。
【請求項２３】
電子ビームを発生させるステップと、
第１の加速管において、第１のパルスパワー信号によって前記電子ビームを加速する第１の加速ステップと、
前記第１の加速管の下流側に配置された第２の加速管において、第２のパルスパワー信号によって前記電子ビームを加速する第２の加速ステップと、
前記第１のパルスパワー信号と前記第２のパルスパワー信号との間の位相差を連続的に調整するステップと、
を備え、
前記第２の加速管の出力において、所定のエネルギー範囲でエネルギーを連続的に調整可能な加速電子ビームを生成することを特徴とする定在波電子線形加速器装置の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、定在波電子線形加速器の技術分野に関し、特に、加速器を放射源とする医学撮像及び照射などの分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現代医学において、診断及び治療でＸ線が広く利用されている。従来の医学撮像システムにおいて、エネルギーが５００ｋｅＶより低いＸ線（ここのエネルギーとは、ターゲットに衝突する前の電子ビームのエネルギーである）を発生するには、主にＸ線管を用い、エネルギーが２ＭｅＶより高いＸ線を発生するには、主に低エネルギー電子線形加速器を用いている。エネルギーが０．５ＭｅＶと２ＭｅＶの間になるＸ線源は、無いに等しい（６００ｋｅＶのＸ線管はあるが、非常に高価なものである）。それは、このエネルギー区間において、Ｘ線管の性能がほぼ限界に達しており、エネルギーが高くなることに伴い、その発生するコストが急上昇することと、電子線形加速器の製造原価が高い（Ｘ線管に比べ、加速器は単一エネルギーのＸ線しか提供できない）ため、実用に導入することができないからである。但し、医学撮像において、０．５ＭｅＶから２ＭｅＶまでのエネルギー区間のＸ線は非常に重要である。
【０００３】
医学撮像の対象物の多くは、Ｚ値（平均原子番号）が１０程度の生体原子である。この場合、明らかな撮像品質を確保するために、光子と対象物が相互作用する際のコンプトン散乱を抑制しなければならない。入射光子のエネルギーが高い時はコンプトン効果が支配的で、撮像品質を損なうため、Ｘ線のエネルギーが約０．６ＭｅＶである時が最適な撮像エネルギーであると考えられ、丁度上記のエネルギーの区間に入る。さらに、撮像対象物のＺ値が異なれば、撮像の最適なエネルギーも異なるため、医学撮像において、０．５ＭｅＶから２ＭｅＶまでのエネルギー区間が必要とされている。
【０００４】
Ｘ線管が該エネルギーの区間をカバーできなければ、エネルギーを連続的に調整可能な加速器を用いる方法がある。加速器のエネルギーの連続的な調整を実現する方法としては、パワー源に送るパワーの大きさを変更することよって、加速器の加速勾配を変化させて、エネルギーゲインを変化させる方法がある。この方法の主なデメリットは、加速管の低エネルギー領域勾配の変化によりエネルギーの分散が大きくなり、ビームの品質が劣化してしまうことである。エネルギーの分散が大きくなる課題を解決するために、米国特許第２，９２０，２２８号と第３，０７０，７２６号には、第１段目の進行波管が電子を光速に近くまで加速し、第２段目の進行波管がＲＦの位相を変化させることによってエネルギーの調整を実現する２段構成の進行波管を用いて電子を加速させる加速器が開示されている。この方法の主なデメリットは、進行波加速構成を用いるため、加速効率が低下してしまうことである。効率が低いという課題を解決するために、米国特許第４，１１８，６５３号には、進行波と定在波とを結合する加速構成が提案されている。この方法の主なデメリットは、２種類の加速構成を必要し、構成が分散し、周辺回路が複雑になってしまうことである。コンパクトな加速構成を得るために、米国特許第４，０２４，４２６号には、加速管の間におけるマイクロ波の位相を変化させることでエネルギーの調整を実現する交替式のサイド結合型定在波加速器が提案されている。この方法の主なデメリットは、加速管の構成が複雑で、工程の難度が非常に大きく、実現が困難であることである。簡単な加速構成と高い加速効率を得るために、米国特許第４，２８６，１９２号と第４，３８２，２０８号には、それぞれサイド結合型線形加速器の結合キャビティの上に挿入深さの調整で位相を調整する幾つか（１本又は２本）の摂動棒を追加した加速器が開示されている。この方法の主なデメリットは、エネルギーの調整可能な範囲が小さく、かつ摂動棒の調整は専門技能を必要することである。上記課題を解決するために、中国特許第２０２，０１９，４９１号には、２段の加速管のそれぞれの加速勾配を調整することによって、エネルギーを調整するサイド結合型定在波加速器が開示されている。該方法の主なデメリットは、加速器の横方向のサイズが大きく、マイクロ波の送り込みシステムが複雑で、低エネルギー（〜１ＭｅＶ）の電子ビームを供給することができないことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２，９２０，２２８号明細書
【特許文献２】米国特許第３，０７０，７２６号明細書
【特許文献３】米国特許第４，１１８，６５３号明細書
【特許文献４】米国特許第４，０２４，４２６号明細書
【特許文献５】米国特許第４，２８６，１９２号明細書
【特許文献６】米国特許第４，３８２，２０８号明細書
【特許文献７】中国特許第２０２，０１９，４９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、従来のＸ線管および線形加速器は、０．５ＭｅＶから２ＭｅＶまでのエネルギー区間をカバーすることができず、又は構成の複雑さで実現が困難である。したがって、０．５ＭｅＶから２ＭｅＶまでのエネルギー区間をカバーする電子エネルギーを出力することができる、構成が簡単で、実現可能で、かつ、製造コストが低い加速器が望まれる。
【０００７】
本発明は、エネルギーを連続的に調整でき、出力する電子のエネルギーが所定のエネルギー区間（例えば、０．５ＭｅＶから２ＭｅＶまでのエネルギー区間）をカバーする定在波電子線形加速器装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態にかかるひとつの態様において、定在波電子線形加速器装置が提供される。当該定在波電子線形加速器装置は、電子ビームを発生する電子銃と、主パルスパワー信号を供給するパルスパワー源と、パルスパワー源に接続され、パルスパワー源から供給される主パルスパワー信号を、第１のパルスパワー信号と第２のパルスパワー信号とに分割する電力分配器と、電子銃の下流側に配置され、電力分配器に接続され、第１のパルスパワー信号が入力されて電子ビームを加速する第１の加速管と、第１の加速管の下流側に配置され、第２のパルスパワー信号に基づいて電子ビームを加速する第２の加速管と、電力分配器と第２の加速管との間に接続され、第１のパルスパワー信号と第２のパルスパワー信号と間の位相差を連続的に調整する移相器とを備え、第２の加速管の出力において、所定のエネルギー範囲内でエネルギーを連続的に調整可能な加速電子ビームが生成されることを特徴とする。
【０００９】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、他の定在波電子線形加速器装置が提供される。当該他の定在波電子線形加速器装置は、電子ビームを発生するよう電子銃と、第１のパルスパワー信号を供給する第１のパルスパワー源と、第２のパルスパワー信号を供給する第２のパルスパワー源と、電子銃の下流側に配置され、且つ、第１のパルスパワー源に接続され、第１のパルスパワー信号を受信して電子ビームを加速する第１の加速管と、第１の加速管の下流側に配置され、第２のパルスパワー信号に基づいて電子ビームを加速する第２の加速管と、第１のパルスパワー源の出力及び／又は第２のパルスパワー源の出力と、第１の加速管および／または第２の加速管との間に接続され、第１のパルスパワー信号と第２のパルスパワー信号との間の位相差を連続的に調整する移相器とを備え、第２の加速管の出力において、所定のエネルギー範囲内でエネルギーを連続的に調整可能な加速電子ビームが生成されることを特徴とする。
【００１０】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、定在波電子線形加速器装置の動作方法が提供される。当該方法は、電子ビームを発生させるステップと、第１の加速管において、第１のパルスパワー信号によって前記電子ビームを加速する第１の加速ステップと、前記第１の加速管の下流側に配置された第２の加速管において、第２のパルスパワー信号によって前記電子ビームを加速する第２の加速ステップと、前記第１のパルスパワー信号と前記第２のパルスパワー信号との間の位相差を連続的に調整するステップとを備え、前記第２の加速管の出力において、所定のエネルギー範囲でエネルギーを連続的に調整可能な加速電子ビームを生成することを特徴とする。
【００１１】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、定在波電子線形加速器装置は、第２の加速管の下流側に配置され、加速電子ビームが衝突してＸ線を発生するターゲットを更に備える。
【００１２】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、定在波電子線形加速器装置は、電力分配器と移相器との間に接続され、第２のパルスパワー信号を減衰する減衰器を更に備える。
【００１３】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、移相器は、第１の加速管の加速キャビティおよび第２の加速管の加速キャビティが加速位相モードで動作するように、位相差を調整する。
【００１４】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、移相器は、第１の加速管の加速キャビティが加速位相モードで動作し、第２の加速管の加速キャビティが減速位相モードで動作するように、位相差を調整する。
【００１５】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、第１の加速管および第２の加速管は、加速キャビティどうしを磁気結合するための結合孔を有し、結合孔は加速キャビティの壁の磁場の比較的強い位置に開口される。
【００１６】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、定在波電子線形加速器装置は、第１のパルスパワーおよび第２のパルスパワーを第１の加速管および第２の加速管のそれぞれに供給するパワーカプラを更に備える。
【００１７】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、電子銃は、電子ビームを負角度で第１の加速管に入射する。
【００１８】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、ターゲットは、回転可能なベースに載置され、加速電子ビームの進行方向と、ターゲットのターゲット面とがなす角度は、電子ビームのエネルギーに応じて可変である。
【００１９】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、ターゲットは、真空ボックスに配置され、真空ボックスは、回転可能なベースに固定され、真空ボックスの壁にはＸ線ウィンドウが実装され、第２の加速管は波形管を介して真空ボックスに接続される。
【００２０】
本発明の実施形態にかかる他の態様において、所定のエネルギー範囲は、０．５０ＭｅＶから２．００ＭｅＶである。
【００２１】
以下の図面は本発明の実施形態を示す。これらの図面は、本発明の実施形態に過ぎず、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る定在波電子線形加速器装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る定在波電子線形加速器装置における加速管と結合器の構成を説明する模式図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る定在波電子線形加速器装置における第１の加速管と第２の加速管の位相間の関係を説明する模式図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態に係る定在波電子線形加速器装置における第１の加速管と第２の加速管の位相間の関係を説明する模式図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態に係る定在波電子線形加速器装置においてエネルギーと電流とが位相差の変化に伴って変化する様子を説明する模式図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態に係る定在波電子線形加速器装置においてエネルギーとビーム半径とが位相差の変化に伴って変化する様子を説明する模式図である。
【図５】本発明の実施形態に係る定在波電子線形加速器装置における直流高圧電子銃のビーム入射を説明する模式図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態に係る定在波電子線形加速器装置におけるターゲットの構成及び動作原理を説明する模式図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態に係る定在波電子線形加速器装置におけるターゲットの構成及び動作原理を説明する模式図である。
【図６Ｃ】本発明の実施形態に係る定在波電子線形加速器装置におけるターゲットの構成及び動作原理を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について詳しく説明する。なお、ここで説明する実施形態は、例示のためのものであり、本発明はそれらに限定されない。以下の説明において、本発明を明瞭に理解するために、複数の特定の細部を記載したが、当業者にとって、本発明の実現についてこれらの特定の細部の使用が必須ではないことは言うまでも無い。他の実施形態においては、重複説明を避けるために、周知の回路、材料または方法に対する具体的な説明を省略した。
【００２４】
本明細書の全体において、「一実施形態」、「実施形態」、「一例示」または「例示」は、該実施形態または例示と関連して説明した特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。従って、明細書全体に記載された「一実施形態において」、「実施形態において」、「一例示」または「例示」は、必ず同一の実施形態または例示を指すものではない。また、何らかの適宜な組合せ及び/又は準組合せで、特定の特徴、構成または特性を一つまたは複数の実施形態または例示に組合せることは勿論可能である。また、当業者は、この「及び／又は」という用語が一つ又は複数の関連する項目の任意及び全ての組合せを含むことを理解する。
【００２５】
従来技術の電子線形加速器が所定のエネルギー区間（例えば、０．５ＭｅＶから２ＭｅＶまでのエネルギー区間）内において連続的に調整することができないという課題を解決するべく、本発明の実施形態は、定在波電子線形加速器装置を提案する。当該装置において、直列接続された第１の加速管および第２の加速器は、電子銃の発生した電子ビームを加速する。第１の加速管および第２の加速管に、対応する第１のパルスパワー信号および第２のパルスパワー信号をそれぞれ供給して、加速操作を行う。また、当該装置は、第２の加速管の出力でエネルギーが連続的に調整された加速電子ビームを生成するように、第１のパルスパワー信号と第２のパルスパワーとの間の位相差を連続的に調整する移相器を備える。
【００２６】
ある実施形態において、同一のパルスパワー源を用いてもよいが、パワー源から出力されたマイクロ波パワーは電力分配器を通じて２つに分割される。一つは、加速管の組合せ（２つの加速器と、２つの加速器間を接続するドリフト段とからなる）における第１の加速管に供給され、直流高圧銃の発生した連続的な電子ビームを集束して、第１の高エネルギー（例えば、１．２５ＭｅＶ）まで加速する。もう一つは、減衰器により減衰されてから、３６０°の位相シフト量を調整可能な移相器を介して、第２の加速管に供給される。移相器がある適当な移相量φに調整されると、第２の加速管と第１の加速管とは同じ位相になり、第１の加速管から出力された電子ビームは最大エネルギーである第２の高エネルギー（例えば、２．００ＭｅＶ）まで調整される。移相器の移相量が１８０°＋φ付近に調整されると、第２の加速管および第１の加速管が逆位相になり、第１の加速管から出力される電子ビームは最小エネルギー（例えば、０．５０ＭｅＶ）まで減速される。移相器の移相量がφと１８０°＋φとの間で連続的に変化する場合、第２の加速管から出力される電子ビームのエネルギーは、第２の高エネルギー（例えば、２．００ＭｅＶ）と最小エネルギー（例えば、０．５０ＭｅＶ）との間で連続的に変化する。
【００２７】
ある実施形態において、回転可能なターゲットを利用してもよい。適宜にターゲット及びウィンドウを平行に回転することによって、各エネルギーの電子ビームがターゲットに衝突した後、Ｘ線の最大出力パワーを取得することができる。
【００２８】
図１は、本発明の実施形態に係る定在波電子線形加速器装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態にエネルギーを連続的に調整可能な定在波電子線形加速器装置は、マイクロ波パワーシステム（パルスパワー源１、電力分配器２、移相器３、減衰器１６、及び図２に示す導波管およびカップラ１２）と、電子銃パワーシステム（高圧電源４及び伝送線）と、直流高圧電子銃５と、加速管の組合せ（加速管６、加速管７及び図２に示す両者を接続するドリフト段１５）と、回転可能なターゲット構造（ターゲット８、図６Ａ〜Ｃに示す波形管１７、真空ボックス１８、Ｘ線ウィンドウ１９及び回転可能なベース２０）とを備える。
【００２９】
装置が動作する時、パルスパワー源１（一般的に、マグネトロン）から出力されるマイクロ波パワー９は、電力分配器２を通じて２路に分割される。１路のパワーは、そのまま図２に示すパワーカップラ１２（左側）を通して加速管６に入力される。もう１路のパワーは、減衰器１６を介して減衰されて、移相器３によって位相がシフトされてから加速管７に入力される。加速管６および加速管７は、極めて短い時間（１００ｎｓ程度）を経過して、フィールドタイプがＴＭ０１０モードである加速場を形成する。この時に、高圧電源４がトリガーされ、直流高圧銃５に電力が供給され、直流高圧銃５は電子ビーム１０を射出する。電子ビーム１０は、加速管６による集束及び加速を経て、ビームバンチ中心の縦方向における間隔が１マイクロ波長（Ｘ線波長帯域で動作する場合、間隔は３．２２ｃｍ）の電子ビームバンチシーケンスを形成する。操作者１１が、リアルタイムで移相器３の位相シフト量（即ち、加速管６と加速管７との間の位相差）を変化させることで、電子ビームバンチは、加速管７によって、異なる最終エネルギーを取得する。これによって、電子ビームバンチがターゲット８に衝突すると、異なるエネルギーのＸ線を取得することができる。移相器３の位相シフト量を連続的に調整できるため、Ｘ線のエネルギーも連続的に変化させることができる。電子がターゲットに衝突して発生するＸ線のパワー角度分布は電子エネルギーに応じて異なる。ターゲット８を固定するためのベース２０（図６Ａ〜Ｃ参照）を回転させることによって最大パワー角度近傍のＸ線を出力することができる。
【００３０】
２段の加速管の間の位相差を調整して電子ビームバンチのエネルギーを変化させる原理を説明する前に、先ず他の必要な説明を行う。図３Ａ、Ｂは、加速管６、７の軸線方向における加速電場の分布を示している。図３Ａ、Ｂに示す実線において、２つ毎の隣接する零点間はいずれも１つのキャビティを表している。図２に示すように、加速管６は６つのキャビティを含み、加速管７は２つのキャビティを含む。図３Ａ、Ｂから、対応する加速電場の分布がわかる。加速効率を最大限にするために、２段の加速管６、７が共にπモードで動作し、隣接する２つのキャビティ間のマイクロ波の位相差は１８０°であるため、図３Ａ、Ｂにおいて、加速電場はプラス方向とマイナス方向とが交互に分布している。図２および図３Ａ、Ｂに示すように、キャビティの長さが次第に大きくなるが、これは、加速中の電子の相対速度βが増大するので、電子が加速管中で加速されている全過程において、ほぼ常に加速位相を感じるようにするためである。加速キャビティのチャンバの長さは電子の相対速度βの増大に伴って増大する。加速管６の最大加速エネルギーが１．２５ＭｅＶで、加速管７の最大加速エネルギーが０．７５ＭｅＶであってよい。
【００３１】
以下、図２および図３Ａ、Ｂを参照して２段の加速管６，７の間の位相差を調整することによって電子ビームバンチエネルギーを変化させる原理を説明する。電子ビーム１０が加速管６に入ると、そのエネルギーは１５ｋｅＶ（直流高圧キャビティ５から供給された電子ビームの初期エネルギー）である。加速管６を通じた電子ビームの集束及び加速によって、エネルギーが約１．２５ＭｅＶの電子ビームバンチシーケンスが、加速管６の出口で形成される。その場合、図３Ａに示すように、移相器３の位相シフト量は、丁度加速管７におけるマイクロ波場に対して、加速管６のキャビティと加速管７のキャビティの全体が準πモードで動作するように調整される（点線は現実の電場ではなく、直観的に理解しやくするために作成した参照フィールドであることに注意されたい）。電子ビームバンチは、ドリフト段１５を通過後も、加速管７内での全過程において依然として加速位相を感じることができる。電子ビームのエネルギーが０．７５ＭｅＶ高くなって、最大エネルギーである２．００ＭｅＶとなる。図３Ｂに示すように、移相器３の位相シフト量を調整して、加速管７の位相を図３Ａの場合と逆になるようにすると、電子ビームバンチは、ドリフト段１５を通過した後でも、加速管７での全過程において減速位相を感じることができる。電子ビームのエネルギーが０．７５ＭｅＶ低くなって、最小エネルギーである０．５ＭｅＶとなる。移相器３の位相シフト量を調整すると、電子ビームバンチは加速管７中を通過する間に、ある時間帯で加速位相を感じ、ある時間帯で減速位相を感じることができる。したがって、加速管７で取得された電子ビームエネルギーは±０．７５ＭｅＶの範囲内で変化する。これによって、装置の出口において、０．５０ＭｅＶから２．００ＭｅＶまでのエネルギー区間をカバーするエネルギーを有する電子ビームバンチを得ることができる。
【００３２】
電子ビームバンチの最終エネルギーは、以下の数式で表される。
Ｅ＝Ｅ１+Ｅ２ｃｏｓ(ΔΦ)                        ・・・ (１)
Ｅ＝電子ビームバンチの最終エネルギーＭｅＶ
Ｅ１＝第１の加速管の最大加速エネルギーＭｅＶ
Ｅ２＝第２の加速管の最大加速エネルギーＭｅＶ
ΔΦ＝移相器の相対（最大加速時の位相シフト量に対する）位相シフト量ｄｅｇ
【００３３】
本実施形態において、Ｅ１＝１．２５ＭｅＶ、Ｅ２＝０．７５ＭｅＶであるため、最終のエネルギー変化範囲は、０．５０ＭｅＶから２．００ＭｅＶまでとなる。
【００３４】
加速器の構成をよりコンパクトにするために、加速キャビティ間に磁気結合（図２を参照）を用いた。結合孔１３は、加速キャビティの壁における磁場の比較的強い場所に開口される。図２には、奇数番目のキャビティとその右側に隣接するキャビティとの結合孔のみが示されている。偶数番目のキャビティとその右側に隣接するキャビティとの結合孔は、図示されていないが、横方向に結合孔１３の方位となす角度が９０°である位置に開口されている。この結合孔は、キャビティ内にダイポールモード（ビームに対して偏向効果が生じる）が発生することを抑制する。ドリフト段１５は、加速管６および加速管７のカップリングを妨げ、２つの加速管６、７の間における位相差の自由調整を実現する。カップラ１２は、２段の加速管６、７にそれぞれ異なる電力を供給する。加速キャビティは、鼻錐体構造１４を含む。この鼻錐体構造１４は、通過時間をより長くし、有効シャント抵抗をより大きくする。
【００３５】
図４Ａは、移相器３が位相シフト量を調整する際、重要なパラメータである、装置の出口における電子ビームバンチの平均エネルギーＥおよびピーク電流Ｉが、相対位相シフト量ΔΦに伴ってどのように変化するかを示している。図４Ｂは、移相器３が位相シフト量を調整する際、重要なパラメータである、装置の出口における電子ビームバンチの平均エネルギーＥおよび二乗平均平方根半径ｒｒｍｓが、相対位相シフト量ΔΦに伴ってどのように変化するかを示している。図４Ａおよび図４Ｂから、平均エネルギーＥの変化は、数式１で表した余弦関数に適合し、他のパラメータ（Ｉおよびｒｒｍｓ）の変化は安定していることがわかる。これは、実施形態にかかる装置が、エネルギーを連続的に調整可能な、医学撮像の要求を満たした電子ビームバンチを確実に提供していることを示す。
【００３６】
装置の出口においてビームスポットを十分に小さくするために、直流高圧銃５から電子ビーム１０を入射する際に、負角度の入射を用いるのが好ましい。図５は、負角度の入射について直観的に説明する模式図である。図５を参照すると、電子ビーム１０は、入射時の包絡角度が負の値であることを確保しつつ、加速管６内で横方向によりよくフォーカスすることで、装置の出口におけるビームスポットを小さくすることができる。同時に、負角度の入射を用いると、装置の捕捉率を向上させ、出口においてより大きな電流を得ることができる。
【００３７】
電子ビームがターゲットに衝突して発生するＸ線のパワー角度分布は、電子ビームのエネルギーに応じて異なる（高エネルギーの電子ビームが反射ターゲットに衝突すると、パワーが主に電子ビームの進行方向に集中する。一方、低エネルギーの電子ビームが反射ターゲットに衝突すると、パワーが主に電子ビームの進行方向に対して垂直方向に集中する）ため、電子ビームのエネルギーを調整する際に、電子がターゲットに衝突して発生するＸ線の出力方向を同時に調整すれば、常に最大パワーのＸ線を出力することができる。実施形態は、ターゲットの構成を新たにデザインすることで、この要求を実現している。
【００３８】
以下、最大パワーのＸ線を出力可能なターゲット構造と原理について詳しく説明する。図６Ａ〜Ｃを参照し、加速管７は、波形管１７を介して真空ボックス１８に接続されている（システムを真空に封止すると共に、真空ボックス１８を一定の角度範囲内で水平に回転させるために、波形管１７が用いられる）。ターゲット８は真空ボックス１８内に置かれ、真空ボックス１８は回転可能なベース２０に固定され、真空ボックス１８の壁にＸ線ウィンドウ１９が実装されている。ターゲット８の寿命と電子ビームの品質を確保するために、システム全体（加速管７、波形管１７、真空ボックス１８）は、真空引きされる。システムが動作する際、電子ビーム１０は、加速管７により加速された後、波形管１７に入り、その中でドリフトする。電子ビーム１０は、真空ボックス１８に入り、ターゲット８に衝突して、Ｘ線２１を発生させる。Ｘ線２１は、真空ボックス１８の壁に設けられたＸ線ウィンドウを通って出力され、下流側の撮像システムによって収集されて利用される。電子ビーム１０のエネルギーが比較的低いと（〜４５０ｋｅＶ）、図６Ａに示すように、ベース２０は、電子ビーム１０に対して小さい角度で配置される。その時、Ｘ線ウィンドウ１９は、最大パワー角度分布近傍のＸ線を出力する。電子ビーム１０のエネルギーが高くなると（〜１ＭｅＶ）、最大パワー角度分布の方向と電子ビーム１０の進行方向との角度が小さくなり、図６Ａに示すＸ線ウィンドウの位置ではＸ線の最大パワーを出力することができなくなる。この時、ベース２０を回転してターゲット８およびＸ線ウィンドウ１９を適宜回転させることで、図６Ｂに示すように、最大パワー角度分布のＸ線を、再びＸ線ウィンドウ１９を通じて出力することができる。実施形態にかかる電子ビーム１０のエネルギー範囲は０．５ＭｅＶから２ＭｅＶまでであるが、電子ビームのエネルギーがさらに高くなっても（〜１０ＭｅＶ）、実施形態にかかるターゲット８の構造は、依然として有効である。この場合、図６Ｃに示すように、反射ターゲット８を透過ターゲットに代え、且つＸ線ウィンドウ１９を真空ボックス１８の後壁に配置すればよい。
【００３９】
本発明の幾つかの実施形態によれば、エネルギーを連続的に変化させることが可能な定在波電子線形加速器装置が提供される。加速管の間の位相差を調整することで、電子ビームのエネルギーを連続的に調整した結果、安定なビームスポットが得られる。また、実施形態にかかる加速管は、単一周期構成を用いており、πモードで動作し、加速効率が高い。また、実施形態では、回転可能なターゲット構造を用いており、ターゲットに衝突する電子ビームのエネルギーが変化しても、最大パワー角度分布のＸ線の出力を確保することができる。
【００４０】
本発明の他の実施形態によれば、エネルギーを連続的に変化することが可能な定在波電子線形加速器装置の動作方法が提供される。当該方法は、電子ビームを発生するステップと、第１の加速管で第１のパルスパワー信号を利用して電子ビームを加速する第１の加速ステップと、第１の加速管の下流側に配置された第２の加速管で第２のパルスパワー信号を利用して電子ビームをさらに加速する第２の加速ステップと、第１のパルスパワー信号と第２のパルスパワー信号との間の位相差を連続的に調整するステップを備える。当該方法によれば、第２の加速管の出力において、エネルギーが連続的に調整された加速電子ビームを生成することができる。
【００４１】
具体的に、定在波電子線形加速器装置は、２段の加速管６、７および両者を仲介し、両者の連結を妨げるドリフト段１５を含む加速管の組合せと、パワーを２路に分けて２段の加速管にそれぞれ供給する電力分配器２と、加速管７へのパワー供給路に実装された減衰器１６及び移相器３を含むパワー制御システムと、回転可能なベース２０に固定された真空ボックス１８、真空ボックス１８内に実装されたターゲット８及びＸ線ウィンドウ１９、加速管７と真空ボックス１８を接続する波形管１７を含む回転可能なターゲット構造とを備える。２段の加速管６、７は、共通のパルスパワー源１を使用しているが、電力分配器２によって分配されたエネルギーがそれぞれの加速管６、７に入力される。加速管のキャビティは単一周期構成であり、キャビティ間は磁気結合され、πモードで動作する。直流高圧銃５は、電子ビームを負角度の入射方式で加速管の組合せへ入射する。移相器３で２段の加速管の間におけるマイクロ波の位相差を連続的に調整して、電子ビームバンチのエネルギーを連続的に調整する。それによって、装置の出力する電子ビームバンチは、ビームスポットの二乗平均平方根半径が小さく、医学撮像の要求を満たすものになる。ビームバンチのエネルギーの調整範囲は、０．５ＭｅＶから２ＭｅＶまでであり、これは医学撮像に適合する。マイクロ波パワー９に対する減衰器１６の減衰量を調整することによってエネルギーの変化範囲を変化させてもよく、移相器３の位相シフト量の大きさを制限することによってエネルギーの調整範囲を制限してもよい。同時に、パルスパワー源１のパワーを向上させることによってエネルギーの調整範囲の上限を増大させてもよいので、０．５ＭｅＶから２ＭｅＶまでのエネルギー範囲の電子ビームを発生することに限定することなく、エネルギーのレベルがより高い電子ビームの生成も可能である。回転可能なターゲット構造を導入し、異なるエネルギーの電子ビームバンチがターゲットに衝突する際、いつでも最大パワーのＸ線を出力するようにできる。ここで、回転可能なターゲット構造は、０．５ＭｅＶから２ＭｅＶまでのエネルギー範囲の電子ビームがターゲットに衝突する場合のみに限定されず、ターゲットを代えて高エネルギー電子ビームがターゲットに衝突する場合に応用してもよい。
【００４２】
実施形態によれば、２段の加速管のキャビティ間において、定在波線形加速器が常用するサイド結合ではなく、磁気結合を用いて、加速管の横方向のサイズを小さくしている。また、加速管は、単一周期構成を用い、結合キャビティを取り除いたので、キャビティの壁が厚くなり、キャビティ本体の加工が容易である。また、２段の加速管は、いずれもπモードで動作しているため、加速効率が最高であり、低エネルギーの場合に適用されるため、キャビティの数が少なく、モードの間隔が十分に大きく、加速システムの動作状態の安定を確保することができ、かつ加速器の縦方向の寸法がコンパクトになる。また、加速管は、ＲＦ交替位相集束技術を用いており、加速管におけるマイクロ波場を利用して、電子ビームバンチに対して横方向に自己フォーカスを行い、加速器の出口においてビームスポットが十分小さく（二乗平均平方根半径が、例えば０．５ｍｍ）、高い撮像品質を確保すると共に、フォーカスコイルを省略できるので加速管の横方向のサイズをさらに小さくすることができる。
【００４３】
また、装置の出力するＸ線のパワーと品質をさらに向上させるために、実施形態では、ターゲット構造を新たにデザインし、波形管と回転可能なベースを用いて、ターゲットの回転メカニズムを導入することによって、電子ビームのエネルギーが変化しても常に最大パワーのＸ線を出力することができる。
【００４４】
上述した実施形態において、パルスパワー信号は、単一のパルスパワー源１によって供給され、電力分配器２によって第１のパルスパワー信号と第２のパルスパワー信号に分割されて、それぞれ加速管６、７に供給されている。他の実施形態において、パルスパワー信号は、２つのパルスパワー源によって加速管６、７のそれぞれに供給されてもよい。
【００４５】
また、上述した実施形態において、減衰器１６および移相器３は、第２のパルスパワー信号の経路に配置されている。他の実施形態において、それらは、第１のパルスパワー信号の経路に配置されてもよく、又は、第１及び第２のパルスパワー信号の双方の経路に配置されてもよい。
【００４６】
また、上述した実施形態において、加速された電子ビームがターゲットに衝突してＸ線を発生する。他の実施形態において、電子ビームをターゲットに衝突させることなく、所定のエネルギーの電子ビームをそのまま用いることも可能である。
【００４７】
また、上述した実施形態において、直流高圧電子銃を電子ビーム源として使用したが、異なる適用環境及びシーンに応じて、他の電子銃を用いて電子ビームを発生させることは当業者にとって自明である。
【００４８】
以上、詳細な説明は、ブロック図、フローチャット及び/又は例を使用することによって、定在波電子線形加速器に係る複数の実施形態を説明した。このようなブロック図、フローチャット及び/又は例が、１つまたは複数の機能及び/又は操作を含む場合、このようなブロック図、フローチャットまたは例における各機能及び/又は操作が、各種のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの任意の組合せによって、個別及び/又は共同で実現できることは当業者の知るところである。実施形態において、本発明の実施形態の主題の幾つかの部分は、カスタム集積回路（ＡＳＩＣ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、またはその他の集積フォーマットで実現できる。しかしながら、当業者にとって、ここに開示した実施形態の一部が、全体または部分的に集積回路において同様に実現可能であり、例えば、１台または複数台のコンピュータで実行される１つまたは複数のコンピュータプログラム（例えば、１台または複数台のコンピュータシステム上で実行される１つまたは複数のプログラム）のように実現されてもよいし、１つまたは複数のプロセッサで実行される１つまたは複数のプログラム（例えば、１つまたは複数のマイクロプロセッサで実行される１つまたは複数のプログラム）のように実現されてもよく、ファームウェアのように実現されても良いし、または、実施形態の任意の組合せとして実現してもよいことは当業者の知るところである。また、当業者は、本開示に基づいて、回路の設計及び/又はソフトウェア及び/又はファームウェアへの書き込みの能力を備えることになる。また、当業者は、本開示の主題のメカニズムが、多種形式のプログラム製品として配布できると共に、実際に配布される信号記憶媒体の具体的なタイプが何であっても、本開示の主題の例示的な実施形態は全て適用できることを認識する。信号記憶媒体は、例えば、ソフトディスク、ハートディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル汎用ディスク（ＤＶＤ）、デジタルテープ、コンピュータメモリ等の記録可能な記録型媒体、及び例えば、デジタル及び/又はアナログ通信媒体（例えば、光ファイバ、導波管、有線通信リンク、無線通信リンクなど）の伝送型媒体を含むが、これらに限定されない。
【００４９】
以上、本発明の典型的な実施形態に基づいて本発明を説明したが、当業者は、使用された用語が、説明のための例示的なもので、本発明を限定するものではないことを理解する。また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の思想および態様から逸脱することなく、種々の形態で具体的に実施できるので、実施形態は、詳細な説明に記載されたものに限定されない。あらゆる変更および改良が、特許請求の範囲およびその均等の範囲でカバーされることは言うまでもない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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