(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を入力されて高周波電界をつくる加速空胴を一様磁界内に配置し、上記磁界と高周波電界により電子を円軌道運動させて加速するマイクロトロン電子加速器において、カソードとカソードから引き出された電子を通過させる孔を有するアノードからなり、上記加速空胴の外壁に設けた電子源と、上記アノードと上記カソードの間にカソード・アノード間電圧を印加する電源と、上記マイクロトロン電子加速器からの上記電子の取り出し時のエネルギー値に対応して上記アノード及びカソードの位置角度を変化させる位置角度調節手段とをもつことを特徴とするマイクロトロン電子加速器。
【請求項２】
マイクロ波を入力されて高周波電界をつくる加速空胴を一様磁界内に配置し、上記磁界と高周波電界により電子を円軌道運動させて加速するマイクロトロン電子加速器において、カソードとカソードから引き出された電子を通過させる孔を有するアノードからなり、上記加速空胴の外壁に設けた電子源と、上記アノードと上記カソードの間にカソード・アノード間電圧を印加する電源と、上記マイクロトロン電子加速器からの上記電子の取り出し時のエネルギー値に対応して上記アノード及びカソードの位置を変化させる位置角度調節手段並びに上記カソード・アノード間電圧を変化させる電圧調節手段とをもつことを特徴とするマイクロトロン電子加速器。
【請求項３】
位置角度調節手段が上記アノード及びカソードの位置角度の可変機構と、上記電子の取り出しエネルギーに対応して上記可変機構の制御データをあらかじめ記憶した記憶装置と、上記電子の取り出しエネルギーを選択することによって上記記憶装置から制御データを選択する取り出しエネルギー選択手段とをもつことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロトロン電子加速器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はマイクロトロン電子加速器に係わり、特に低エネルギーから高エネルギーまで電子を安定して得るのに好適なマイクロトロン電子加速器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロトロン電子加速器とはマイクロ波で電子を加速する加速器である。マイクロトロンの加速原理は図１０に一例を示すように、マイクロ波電力３の入力により高周波加速電界Ｅをつくる加速空胴１を一様磁界Ｂを作る電磁石２内に配置し、これらの電界Ｅと磁界Ｂにより電子ｅを円軌道運動させて加速するものである。加速空胴１の近傍には、電子ｅを放出するカソード４と、その電子ｅを通過させる微細な孔を持つアノード５とをもつ電子源を設ける。一様磁界Ｂ内には、加速された円形軌道９０Ｂ、９１、９２、９３…９５等の電子ビームを直線状に導く偏向パイプ７と、偏向パイプ７からの電子ビームを磁石２外へ取り出すための取り出しパイプ８を設けている。カソード４から放出された電子ｅはカソード・アノード間電圧をかけられることによってアノード５へ引き出され、アノード５の微細孔を通過して電子源を出る。電子源を出た電子ｅは円軌道９０Ａを描いた後、加速空胴１に設けられた第１の電子ビーム通過孔１１を経て加速空胴１内に導かれて加速され、第２の電子ビーム通過孔１２を経て空胴１外へ出る。空胴１外へ導かれた電子ｅは一様磁界Ｂ内で円軌道９０Ｂを描いて加速空胴１へ再入射する。この後加速空胴１による加速と一様磁界Ｂ内での円軌道運動が繰り返され、電子ｅは所望のエネルギーになるまで加速される。加速された電子ｅの円軌道は一回加速されるごとに軌道直径がλ／π（λ：マイクロ波３の自由空間波長）ずつ大きくなる。所望のエネルギーになるまで加速された電子ｅは円軌道上に設置された移動可能な偏向パイプ７を通って接線方向へ導かれる。偏向パイプ７を出た電子ｅは一様磁界Ｂによってエネルギーによらない一点に向かって円偏向され、固定された取り出しパイプ８によって一様磁界Ｂの外部へ取り出される。この種の従来技術が記載された例として、医用画像・放射線機器ハンドブック（日本放射線機器工業会編、１９８９）、２００−２０５ページがあげられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のマイクロトロン電子加速器では、カソード・アノード間電圧やカソード４とアノード５の位置を取り出しエネルギーによらず固定していた。しかし、マイクロトロンの性能と構成要素の関係の詳細な検討から、実際には最適なカソード・アノード間電圧やカソード、アノードの位置は取り出すエネルギーによって異なることがわかってきた。上記従来マイクロトロン電子加速器では、取り出しエネルギーの最大値及び最小値の場合において両者ともにバランスよく高電流の電子ビームが得られるように初期調整して固定しているので、任意の取り出しエネルギーにおける最適値にはなっていない。従って、各取り出しエネルギー値に対して得られる取り出しビームの電流量には限界があるという問題点があった。
【０００４】
本発明の目的は、従来技術における上記問題を解決し、離散的エネルギーのそれぞれにおいて大電流の電子ビームを得られるマイクロトロン電子加速器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、マイクロ波を入力されて高周波電界をつくる加速空胴を一様磁界内に配置し、上記磁界と高周波電界により電子を円軌道運動させて加速するマイクロトロン電子加速器において、カソードとカソードから引き出された電子を通過させる孔を有するアノードをもつ電子源を上記加速空胴外壁近傍に設け、上記電子を引き出すために上記アノードと上記カソードの間にカソード・アノード間電圧を印加する電源を設け、上記マイクロトロン電子加速器からの電子の取り出し時のエネルギー値に応じて上記カソード・アノード間電圧を変化させるカソード・アノード間電圧調節手段及びカソードとアノードの位置を調整する位置角度調節手段の少なくとも一方を設けて構成した。上記取り出しエネルギーの値に対応して行うカソード・アノード間電圧調節及びカソードとアノードの位置の調節は、各離散的な各取り出しエネルギー毎に行うほかに、複数のエネルギー値を群に分けて、群ごとに最適値を設定する場合も含む。
【０００６】
【作用】
前述のように、マイクロトロン電子加速器の一様磁界Ｂ内での電子ビームの円軌道運動は加速空胴で一回加速されるごとに軌道直径がλ／π（λ：マイクロ波３の自由空間波長）ずつ大きくなる。一方加速空胴の形状及び電子を通過させる孔の大きさには制約があり、また、電子ビームを構成する複数の電子が描く円軌道は厳密には一致していない。そのため従来の電子源の電圧及びカソードとアノードの位置を固定したものでは、ある特定のエネルギレベルにおいて最大の電流を得られるようにしても、他のエネルギレベルの電子ビームの電流は最大にすることができず、全てのエネルギレベルにおいて、電子ビームから得られる電流を最適にすることは困難であった。
【０００７】
本発明のマイクロトロン電子加速器では、離散的な取り出しエネルギーのそれぞれに対応して、カソード・アノード間電圧やカソード、アノードの位置を調整することによって、カソードから出射した電子は取り出しエネルギーに応じて、加速空胴の電子通過孔を通過する割合を高める。その結果、離散的な取り出しエネルギーのそれぞれに対して最大に近い取り出し電流量の電子ビームを得ることができる。従って、エネルギーによらず大電流の電子ビームを得られるマイクロトロン電子加速器が得られる。もちろん、必要によっては、取り出し電流量を少なくすることもできる。
【０００８】
【実施例】
以下、図面により本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明によるマイクロトロン電子加速器の第１の実施例の構成を示す図である。本実施例では、３ＧＨｚのマイクロ波３で共振する加速空胴１を一様磁界Ｂを作る電磁石２内に設けた。電磁石２の周囲には電磁石２をおおう真空槽６と真空ポンプ６１を設けた。加速空胴１内には、マイクロ波電力３の入力によって３ＧＨｚの高周波加速電界Ｅが作られる。加速空胴１には一方の壁面に第１の電子ビーム通過孔１１、上記一方の壁面に対向する壁面に第２の電子ビーム通過孔１２を設けてある。また、加速空胴１の壁面外側には、第１の電子ビーム通過孔１１の近くに同軸状（中心軸は紙面に垂直方向）に形成されたカソード４とアノード５をもつ電子源を設けた。一様磁界Ｂ内には、移動可能な偏向パイプ７と固定した取り出しパイプ８を設けた。
【０００９】
図２は電子源部の構成を示す概略図で、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれアノード、カソード部の斜視図、同軸方向に平行な断面図及び同軸方向に垂直な断面図を示す。（ａ）のように、電子源は、ＬａＢ６のようなカソード材４１を支持体４４とともに円筒状カソード４内の一部に埋込み、カソード材４１に対向する位置にカソード４１から発生した電子ビーム４２が通過する微細な孔５１（アノードスリット）をもつように円筒状アノード５を設置する構成である。
（ｂ）に示すように、補助電子銃４３から放出された電子線４５の照射によりカソード材４１が加熱され、熱電子４２が放出される。熱電子４２は、カソード・アノード間電圧によってカソード４からアノード５へ導かれ、アノードスリット５１を通過して一様磁界Ｂ内へ出射する。なお、カソード材４１の設置場所は（ｃ）に示すカソード角度で表される。以上の部分は従来のマイクロトロン電子加速器と同じである。
【００１０】
さらに、カソード４とアノード５の間にはカソード・アノード間電圧をかけるカソード・アノード間電圧電源１０１と、電圧電源１０１の発生電圧を調節する電圧調節器１０２を設置した。電圧調節器１０２はメモリ１０４に格納された電圧制御データをエネルギー選択手段１０３によって選択して加えられる。メモリ１０４は複数の取り出しエネルギ毎に電圧制御データが記録されている。なお、カソード・アノード間電圧は、高さが数十ｋＶ、幅が数μｓ、周期ｍｓのパルス電圧である。また、カソード４、アノード５は軸方向に長く形成し、真空槽６外部からカソード４、アノード５の位置わせ、カソードの回転角度を可変にする構成とした。
【００１１】
本実施例の動作を説明する。アノードスリット５１を出た電子ｅは一様磁界Ｂによって円軌道９０Ａを描いて第１の電子ビーム通過孔１１から加速空胴１へ入射する。加速空胴１内では一様磁界Ｂに加えて３ＧＨｚの高周波加速電界Ｅが存在しており、電子ｅは一様磁界Ｂにより偏向されるとともに高周波加速電界Ｅにより加速される。そして、第２の電子ビーム通過孔１２から一様磁界Ｂ領域へ出射する。出射した電子ｅは円軌道９０Ｂを描いて第１の電子ビーム通過孔１１から加速空胴１へ再度入射する。加速空胴１内で電子ｅは再加速され、第２の電子ビーム通過孔１２から空胴１外部へ出射する。一様磁界Ｂ領域で、電子ｅはより大きな円軌道９１を描き、第１の電子ビーム通過孔１１から加速空胴１へ入射する。加速空胴１での加速と一様磁界Ｂ領域での円軌道運動９１、９２…９５を繰り返し、電子ｅは所望のエネルギーに達する。所望のエネルギーに達した電子ｅは、一様磁界Ｂ領域内の円軌道上に移動して設置した偏向パイプ７により偏向され、取り出しパイプ８によって外部へ取り出される。
【００１２】
マイクロトロン電子加速器では電子ｅは１回の加速で
Ｂｚ＊ｃ２／（２πｆ）    ［ｅＶ］
のエネルギーを得る（ただし、Ｂｚ：一様磁界Ｂの磁束密度［Ｔ］、ｃ：光速［ｍ／ｓ］、ｆ：マイクロ波周波数［Ｈｚ］である）。本実施例では０．１１Ｔの一様磁界Ｂをかけ、１回の加速で０．５２５ＭｅＶのエネルギーを得た。この加速を８回〜４４回行うことにより、４．２ＭｅＶ〜２３．１ＭｅＶの運動エネルギーの電子ｅを０．５２５ＭｅＶごとに得ることができた。
【００１３】
なお、電子ビームを構成する複数の電子はカソード・アノード間電圧を変えることによって異なる軌道へ導かれる。より多くの電子を安定に加速して大電流ビームを得るためにはカソード・アノード間電圧を最適値に設定することが必要になる。また、電子ビームのマイクロトロンからの取り出しエネルギー値を変えるとカソード・アノード間電圧の最適値は変化する。そこで、電子ｅの入射に際しては、カソード・アノード間電圧が取り出しエネルギーに応じて最適値が異なることを考慮して、それぞれの取り出しエネルギーに対して最適なカソード・アノード間電圧を与える構成とした。
【００１４】
取り出しエネルギーを変える際には、操作者が取り出しエネルギー選択手段１０３で所望のエネルギーを選択する。選択された取り出しエネルギーに応じての変更は、メモリ１０４の該当アドレスから記憶値をカソード・アノード間電圧調節器１０２に入力させ、カソード・アノード間電圧を最適値に自動的に変更させる。なおメモリ１０４にはマイクロトロンの初期調整時に最適値を探索し、あらかじめ記憶させておく。
【００１５】
図３及び図４はそれぞれ上記実施例における取り出しエネルギーとカソード・アノード電圧の関係及び取り出しエネルギーと取り出し電流の計測結果を示すグラフである。図３に示すように、例えば、カソード・アノード間電圧として取り出しエネルギー４．２ＭｅＶの場合に６５ｋＶ、１０．５ＭｅＶの場合には６０ｋＶ、２３．１ＭｅＶの場合には５５ｋＶの電圧を加えた。その結果、図４の実線で示す取り出し電流量の電子ビームが得られた。なお、点線は他の条件は同じにし、カソード・アノード間電圧を６０ｋＶの一定の電圧（図３で点線で示した）とした場合を示している。図４から明らかなように、カソード・アノード間電圧を一定とした場合に比べてエネルギーレベル４．２ＭｅＶで約１０％、エネルギーレベルで２３．１ＭｅＶで約２０％取り出し電流量が増加している。
【００１６】
本実施例によれば、取り出しエネルギーの変更に伴って自動的に最適なカソード・アノード間電圧を与えることができ、その結果、所望のエネルギーに対して従来の限界値（図４に破線で示す）以上の取り出し電流量をもつ電子ビームを得ることができた。
【００１７】
図５及び図６は、それぞれ第２の実施例における取り出しエネルギーとカソード・アノード電圧の関係及び取り出しエネルギーと取り出し電流の計測結果を示すグラフである。第２の実施例は第１の実施例におけるカソード・アノード間電圧の最適値を変えたものを実施したものである。
図５に示すように、取り出しエネルギー４．２ＭｅＶ〜１０．５ＭｅＶの場合に第１の実施例と同様に６５ｋＶ〜６０ｋＶ、１０．５ＭｅＶ〜２３．１ＭｅＶの場合には６０ｋＶのカソード・アノード電圧とした。その結果、図６に示すように、エネルギーによらず６０ｋＶの一定の電圧をかけていた従来と比べて４．２ＭｅＶで約１０％取り出し電流量が増加し、１０．５ＭｅＶ〜２３．１ＭｅＶでは従来通りの取り出し電流量の電子ビームを得た。カソード・アノード間電圧が増大すると、カソード材４１から同量の放出電流を得るために必要となるカソード４の動作温度は低下する。より低い温度で動作させればカソード材４１の寿命は長くなるため、カソード・アノード間電圧が増大するとカソード材４１の寿命が長くなる。第２の実施例によれば、低エネルギー領域で電流量が増大する上に、カソード・アノード間電圧の増大によってカソード材４１の寿命が平均で約１０％長いという付加価値のついたマイクロトロン電子加速器が得られた。
【００１８】
図７は、本発明によるマイクロトロン電子加速器の第３の実施例の構成を示す構成図である。本実施例は、第１の実施例に加えて、更にアノード５、カソード４の位置合わせ、角度合わせを取り出しエネルギーに応じて自動的に調節するため、電子源位置角度調節器１０５、位置角度調節器１０５によってアノード５、カソード４の位置、角度を機械的に変える可変機構１０６を付加したものである。カソード材４１の位置に相当するカソード角度（図２（ｃ）参照）は取り出しエネルギーに応じて最適値が異なる。この取り出しエネルギー依存性を考慮してカソード角度を調節し、最適な角度で設置する構成とした。
【００１９】
図８は、本発明によるマイクロトロン電子加速器の第４の実施例の構成を示す構成図である。本実施例は、加速空胴１に第１の電子ビーム通過孔１１、第２の電子ビーム通過孔１２、第３の電子ビーム通過孔１３の３個の電子ビーム通過孔を設けたマイクロトロン電子加速器に第１の実施例と同様のカソード・アノード間電圧を調節器１０２を設けたものである。第１の電子ビーム通過孔１１は電子源配置位置の近傍で高周波加速電界Ｅが強い方の壁面に、第２の電子ビーム通過孔１２は同じく高周波加速電界Ｅが弱い方の壁面に、そして第３の電子ビーム通過孔１３は空胴１の空間部を介して第１の電子ビーム通過孔１１と対向する壁面位置に設けられている。その他の構成要素はすべて第１の実施例と同様に設置してある。
【００２０】
本実施例では、第１の実施例と同様にカソード４及びアノード５を出た電子ｅは電磁石２の作る一様磁界Ｂによって円軌道９０Ａを描いて第１の電子ビーム通過孔１１から加速空胴１へ入射する。空胴１内で高周波加速電界Ｅと一様磁界Ｂによって加速された電子ｅは第２の電子ビーム通過孔から空胴１外へ出射する。出射した電子ｅは一様磁界Ｂ領域で円軌道９０Ｂを描き、再度第１の電子ビーム通過孔から空胴１内へ入射する。空胴１内で加速された電子ｅは第３の電子ビーム通過孔１３を通過して空胴１外へ出射し、一様磁界Ｂ内で円軌道９１を描く。この後加速空胴１での加速と一様磁界Ｂ領域での円軌道運動を繰り返し、電子ｅは所望のエネルギーになるまで加速される。なお、図では円軌道９６まで記載したが、実際には本構成で電子を３０回まで加速することができる。所望のエネルギーを持つ電子をより多く得るためにエネルギー値に応じた最適なカソード・アノード間電圧を与える手順は第１の実施例と同様である。本実施例によって、電子が一回に約１ＭｅＶずつ加速される小型のマイクロトロン電子加速器が得られ、従来の限界値より多くの電流量の電子ビームを取り出すことができた。
【００２１】
図９は、本実施例によるマイクロトロン電子加速器を使用した治療用マイクロトロンの構成を示す。同図において、１１１は上記実施例によるマイクロトロン電子加速器である。マイクロトロン電子加速器１１１の取り出しパイプ８で取り出された電子ビームｅはガントリー９８を経て、治療台９８上の患者９７の患部に電子ビーム１１２をそのままあるいはＸ線に変換して照射する。
【００２２】
以上、本発明の実施例について述べたが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、以下に示す種々の構成でも可能である。たとえば、上記実施例ではカソード４とアノード５を同軸状に形成したが、カソード４とアノード５の電位差によってカソード材４１から発生した電子を導き出すものであればどのような構成にしてもよい。また、カソード４は加熱によってカソード材４１から熱電子を発生させるものでなくてもよい。また、上記実施例では、周波数３ＧＨｚのマイクロ波電力３を用いたが、これもマイクロトロンの同期条件を満たしていればどのような周波数であってもよい。加速空胴１の形状は、直方体であっても円筒形であってもその他の形状であってもよい。加速空胴１に設置した電子ビーム通過孔は４個以上であってもかまわない。また、上記実施例で記載を省いたが、従来のマイクロトロン電子加速器で取り出しエネルギーに応じて最適化していたカソード４からの放射電流や偏向パイプの移動等は本発明で新たに設けた調節手段と合成されて従来通り機能しうる構成であることはもちろんである。カソード・アノード間電圧の数値なども、上記実施例に限定されるものではない。カソード・アノード間電圧は従来技術における一定値より大きくても小さくてもよく、より多くの電流を得るのに適した数値であればよい。要は、カソード４及びアノード５の間の電圧又は位置、あるいはその両方が変化可能であるマイクロトロン電子加速器であればよい。また、以上のように構成したマイクロトロン電子加速器を医療以外の用途に使用することももちろん可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、エネルギーによらず大電流ビームが安定に得られるマイクロトロン電子加速器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロトロン電子加速器の第１の実施例の構成を示す図
【図２】図１の電子源部の部分の構成を示す図
【図３】第１の実施例における取り出しエネルギーとカソード・アノード電圧の関係を示すグラフ
【図４】第１の実施例における取り出しエネルギーと取り出し電流の計測結果を示すグラフ
【図５】第２の実施例における取り出しエネルギーとカソード・アノード電圧の関係を示すグラフ
【図６】第２の実施例における取り出しエネルギーと取り出し電流の計測結果を示すグラフ
【図７】本発明によるマイクロトロン電子加速器の第３の実施例の構成を示す図
【図８】本発明によるマイクロトロン電子加速器の第４の実施例の構成を示す図
【図９】本発明によるマイクロトロン電子加速器図を使用した治療用マイクロトロンの構成図
【図１０】従来のマイクロトロン電子加速器の構成を示す図
【符号の説明】
１：加速空胴、１１：第１の電子ビーム通過孔、１２：第２の電子ビーム通過孔、１３：第３の電子ビーム通過孔、２：電磁石、３：マイクロ波電力、
４：カソード、４１：カソード材、４２：熱電子、４３：補助電子銃、
４４：支持体、４５：電子線、５：アノード、５１：アノードスリット、
６：真空槽、６１：真空ポンプ、７：偏向パイプ、８：取り出しパイプ、
９０−９６：電子ビーム軌道、９７：患者、９８：治療台、９９：ガントリー、
１０１：カソード・アノード間電圧電源、
１０２：カソード・アノード間電圧調節器、
１０３：取り出しエネルギー選択手段、１０４：メモリ、
１０５：電子源位置角度調節器、１１１：マイクロトロン電子加速器、
１０６：位置角度可変機構、１１２：電子ビーム又はＸ線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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