(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の共振空洞を備え、
前記共振空洞の少なくとも１つの組は、それらの共振空洞と開口を介して連通した筒状の連結空洞を通じて、互いに電磁気的に連結され、
前記連結空洞内に、当該空洞の中心軸線と同一又は平行な軸線周りに回転するよう適合された回転非対称要素が設けられ、
前記連結空洞は、その中心軸線に関して不完全な回転対称となっており、
前記連結空洞の回転対称の不完全性は、少なくとも、前記開口と対向した部分において当該空洞内に設けられた突出部により形成される、ことを特徴とする定在波線形加速器。
【請求項２】
前記突出部は、前記筒状の連結空洞の内側面から内側向きに突出する形状を有する、ことを特徴とする請求項１記載の線形加速器。
【請求項３】
前記突出部は、前記筒状の連結空洞の内側面に、中心軸線に沿って設けられ、当該空洞の中心軸線に沿った前記開口の中心軸線方向の両端部間の長さよりも長く延びている、ことを特徴とする請求項２記載の線形加速器。
【請求項４】
前記突出部は、前記筒状の連結空洞の内側面から当該空洞内へ延びるとともに、平坦化された表面をもつ隆起部を有する、ことを特徴とする請求項１記載の線形加速器。
【請求項５】
前記突出部は、前記筒状の連結空洞の中心軸線に沿って、連結空洞の内側面に設けられている、ことを特徴とする請求項４記載の線形加速器。
【請求項６】
寸法の異なる２つの前記開口を有すると共に、
前記突出部は、２つの開口間の中央より大きい開口側へずれて配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の線形加速器。
【請求項７】
前記突出部は、前記開口に隣接して前記連結空洞の内側面に形成された少なくとも１つの凹部によって形成される、
ことを特徴とする請求項１記載の線形加速器。
【請求項８】
寸法の異なる２つの前記開口を有すると共に、
前記少なくとも１つの凹部は、より大きい開口に隣接して配置されている、ことを特徴とする請求項７記載の線形加速器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は線形加速器に関する。
【０００２】
背景技術
線形加速器、中でも定在波型のものは、高エネルギー電子ビーム源として知られている。その一般的な用途は、悪性腫瘍や病変部などの治療である。そのような応用においては、電子が、薄い透過窓を通じて飛び出して患者に直接当てられるか、或いはＸ線ターゲットを叩いて適当な光子放射を生じさせるために用いられる。
【０００３】
いずれの形式の治療前にも、しばしば電子ビームの入射エネルギーを変化させる必要がある。これは、治療プロフィールによって特定のエネルギーが要求されるような医療的な応用の場合である。定在波線形加速器は、一連の加速空洞を備えている。それらの加速空洞は、隣接した一対の加速空洞同士を連通させる連結空洞によって、互いに連結されている。ＵＳ−Ａ−４３８２２０８によれば、電子ビームのエネルギーは、隣接した加速空洞間の連結の程度を調節することで変化させられる。これは通常、連結空洞の幾何学的形状を変化させることで達成される。
【０００４】
このような幾何学的形状の変化は、一般的に、１又は２以上の位置で連結空洞内に挿入可能なスライド部材の使用により、内部形状を変化させることでなされる。このようなアプローチは、多くの深刻な困難を伴う。空洞間の位相シフトを精確に規定された値に保つためには、しばしば２以上のそのような要素を動かさなくてはならない。複数の要素の移動は一般に同じではなく、所望の位相関係を維持するためには、それらを、独立して移動させなくてはならないばかりか、極めて精確に位置決めしなくてならない。通常、±０.２ｍｍの精度が要求される。これには、実際上、技術的に困難な、複雑かつ高精度な位置決めシステムが必要である。それらの（ＵＳＰ４，２８６，１９２で提案されているような）２つ未満の可動部品を有する設計においては、装置は入出力間で一定の位相を維持することができずに、そのような装置によるＲＦ場（高周波電磁界）の連続的な変化を不可能にし、従って単なるスイッチの機能にまで単純化されてしまう。
【０００５】
これらの設計の多くは、大規模なＲＦ電流を担わなくてはならないようなスライド接点をも提案している。そのような接点は、溶着を誘発する焼き付きによって故障しやすく、またスライド面は超高真空システムのクオリティに対して不利である。このような性質の発生は、長期間の寿命に渡って高い信頼性で運用可能な装置を作る上で重要である。
【０００６】
先に提案されている解決手段の性質は、組立体全体が変圧器に類似した電気的動作を行うような、入出力孔を１つずつ有する空洞連結装置として要約され得る。可変の連結値を実現するために、何らかのやり方で空洞の形状を変化させる必要があった。しかし、先行技術は、位相を一定値に維持しながら同時に単軸制御により連結度（magnitude of the coupling）を広範囲に渡って連続的に変化させられるような装置を何ら提案していない。
【０００７】
そのような設計が、２段階の所定エネルギー間での切り換えの有用な手法を提供するものとして受け入れられている、というのが現在の技術状況である。しかし、そのような設計を用いて信頼性の高い可変エネルギー加速器を得ることは極めて困難である。先行技術の適当な要約は、ＵＳＰ４，７４６，８３９に見出すことができる。
【０００８】
本件出願人による先願ＰＣＴ／ＧＢ９９／００１８７は、粒子ビーム軸線に沿って配置される複数の共振空洞を備えた線形加速器の新規な形態を記述している。その少なくとも１組の共振空洞は、連結空洞を介して電磁気的に連結されている。この連結空洞は、自らの軸線に関して実質的に回転対称であるが、その対称性を破るように適合された要素を内蔵している。この要素は、連結空洞内で回転可能であり、その回転は連結空洞の対称軸に対して実質的に平行である。
【０００９】
そのような装置においては、連結空洞の中で加速空洞内のものに対して直交性を有する共振をセットアップすることが可能である。通常は加速空洞にＴＭモード共振を採用するが、これは連結空洞内でＴＥ１１１のようなＴＥモードをセットアップ可能であることを意味する。当該空洞が実質的に回転対称なので、その（電磁）場の方向は当該空洞によっては決定されない。そして、連結空洞と２つの加速空洞との間の連通は、連結空洞表面上の２カ所で行われる。この連結空洞は、ＴＥ定在波の方向によって異なる磁場に「遭遇する（see）」。ゆえに、連結の程度は、回転要素の回転という単純な手段によって変化させられる。
【００１０】
この装置は、製造や維持がより簡単な装置によって、広範囲に渡って真に可変のエネルギー出力を可能とするという、先に述べた加速器を超える大きな利点を提供する。しかし、連結空洞の共振周波数は、図６に示すように、回転要素の角度に対して少し依存性を示している。この共振周波数は、隣接する加速空洞内の共振が抑制されるときに連結空洞が共振する際の周波数であり、当該空洞によって達成される連結度に影響するファクターである。図６は、（ＰＣＴ／ＧＢ９９／００１８７による）要素が回転するにつれて周波数が±４０ＭＨｚの範囲で波状に変化することを示している。この例での平均周波数２９８５ＭＨｚの分数として表せば、これは相対的に僅かな変化でしかない。しかし、できれば、それを減少させるか、或いは完全に取り除くことが望ましいであろう。
【００１１】
この要素としての連結空洞の共振周波数変化を減少ないし除去することの１つの利点は、次のことである。すなわち、許容可能な最小の周波数の乖離が、回転要素の全ての角度において、連結された空洞の組における望ましい動作のπ／２モードと、その連結された組における望まれないモードの隣接した共振周波数との間に保たれる、ということの確保に役立つということである。
【００１２】
発明の概要
従って、本発明は、複数の共振空洞を備え、前記共振空洞の少なくとも１つの組は、それらの共振空洞と開口を介して連通した連結空洞を通じて、互いに電磁気的に連結され、前記連結空洞内に、当該空洞の軸線と略平行な軸線周りに回転するよう適合された回転非対称要素（rotationally asymmetric element）が設けられ、前記連結空洞は、その軸線に関して不完全な回転対称となっており、前記連結空洞の回転対称の不完全性は、少なくとも、前記開口と対向した部分において当該空洞内に配された相対的な材料過剰によるものである、ことを特徴とする定在波線形加速器を提供するものである。
【００１３】
これにより、好適な実施形態において連結空洞は回転対称に近くなるが、以下に説明するように作用すると考えられる相対的な材料過剰によって、正確な回転対称からは離れることとなる。相対的な材料過剰は、概念的な回転対称の輪郭から内側に突出する材料や、他の場所での、それに対応した材料の除去によってもたらされ得る。
【００１４】
この場合、前記相対的な材料過剰は、前記連結空洞の内壁上に内側向きの突出部を含んで成ることが好ましい。最大の効果（および、それ故に突出範囲の最小化）のためには、前記突出部は、前記連結空洞の長さに沿って、当該空洞の軸線に沿った前記開口の長さよりも長く延びていることが好ましい。
【００１５】
これに代えて、前記相対的な材料過剰は、前記連結空洞の端部壁から当該空洞内へ延びる突出部を含んで成ることができる。例えば、前記突出部は、前記連結空洞の軸線に対して直交しない端部壁によって画成されている。
【００１６】
定在波線形加速器の好ましい実施形態においては、寸法の異なる複数の前記開口を有する。その場合、前記相対的な材料過剰は、より大きい開口と対向する位置に向かって偏倚されていることが好ましい。
【００１７】
本発明はＰＣＴ／ＧＢ９９／００１８７に示す発明の発展形であることが明らかであり、従って、その理解は本発明の理解にとって有用である。結果的に、ＰＣＴ／ＧＢ９９／００１８７は、これを参照することによって本願に組み入れられ、本明細書の内容がＰＣＴ／ＧＢ９９／００１８７の内容との関連において読まれるよう意図されていることに注意が払われる。従って、本願に見いだされる特徴とＰＣＴ／ＧＢ９９／００１８７との組み合わせに対して保護が求められ得る。
【００１８】
回転要素の回転に従ってＥおよびＢ場（電磁場）が回転するので、当該装置の周波数依存性を減少させるには、このようなアプローチが有効であると考えられる。そのような連結空洞においては、ＥおよびＢ場（電磁場）が互いに直交して整列し、従って相対的な材料過剰が、主にＥ場（電場）にある位置から主にＢ場（磁場）にある位置へ（或いはその反対に）効果的に移動する。強いＥ場（電場）にあるとき、導体は周波数の減少を生じさせる傾向がある。同様に、強いＢ場（磁場）にあるとき、導体は周波数の増大を生じさせる傾向がある。それゆえ、電磁場の回転につれて変化する補正が周波数に対して加えられる。この変化は、それ自体、回転部材の角度に対して正弦波状の依存性を有するが、（問題となる）周波数依存性に対して逆位相となるよう構成されている。従って、最終的な影響は、減少されるか、或いは完全に取り除かれる。
【００１９】
このことは、相対的な材料過剰の程度と、ＥおよびＢ場（電磁場）内におけるその電磁界パターンに対する配置とが、周波数応答性を減衰させる量を左右するということを意味する。その結果、相対的な材料過剰の適切な寸法は、そのＥおよびＢ場（電磁場）内における配置によって左右される。回転要素の回転につれて電場強度（Ｅ）と磁場強度（Ｂ）とが交互に非常に強くなるような、空洞の両端部壁間の中間位置に配置される場合、突出部は、より強い効果を発揮し、それが空洞の端部付近や縁部付近に配置される場合ほど大きくする必要が無くなる。一般的には、試行錯誤によって適切な寸法および配置に到達することができるであろう。
【００２０】
実施形態の詳細な説明
図１乃至図５は、ＰＣＴ／ＧＢ９９／００１８７に記載された加速器を示している。それらは本発明に包含されるものではないが、本発明およびその背景の十分な理解を助けるためにここに提示されるものである。これらの図は、２つの加速空洞と、両側にある２つの連結空洞の半部とを備えた線形加速器の短い部分要素を示している。また、この要素は、本発明を具体化する、２つの加速空洞同士を結合する単一の連結空洞を含んでいる。加速器の完成品は、そのような部分要素を軸線方向に数個結合して構成される。
【００２１】
図１において、加速空洞の軸線１００が、小さな開口１０２を介して第１の加速空洞１０４（図１には見えず）内へ通じている。もう１つの加速空洞１０８が、開口１０６を通じて第１の加速空洞１０４と連通している。この第２の空洞１０８は、その反対側にもう１つの開口１１０を有し、これにより（本実施形態の部分要素を軸線１００に沿って繰り返し並べたときに形成されるような）それに続く加速空洞と連通する。従って、加速されるビームは、開口１０２，１０６，１１０・・・を順次通過して行くことになる。
【００２２】
図示の部分要素内には、１組の連結空洞半部が形成されている。第１の空洞半部１１２は、第１の加速空洞１０４と、隣り合う部分要素で形成される隣接した加速空洞との間に不変の連結度をもたらす。この隣り合う部分要素は、連結空洞１１２の残りの半部を提供することになる。同様に、第２の連結空洞１１４は、隣り合う要素によって提供される隣接した空洞に対して、第２の加速空洞１０８を連結する。各連結空洞は、所望の連結の適切なレベルをもたらすように当該空洞を調節するような直立した柱体１１６，１１８を含んでいる。連結空洞１１２，１１４は、その構造において従来通りのものである。
【００２３】
第１の加速空洞１０４は、可変連結空洞１２０を介して第２の加速空洞１０８と連結されている。この可変連結空洞１２０は、要素内に円筒形の空間を形成し、その円筒の軸線が加速器の軸線１００から離間してこれを横切っている。これら２本の軸線同士の間の（最近接点における）間隔と、円筒の半径とは、円筒が加速空洞１０４，１０８と交差して（両者間の）開口１２２，１２４に帰結するように調節される。本実施形態において図示するように、円筒１２０は、僅かに第２の加速空洞１０８の方に近く配置され、これにより開口１２４の方が開口１２２よりも大きくなっている。加速器の残部の設計に応じて、一定状況下では、このような非対称が有益となることもある。しかし、それは本質的なものではなく、他の設計においては、むしろ望ましくないこともある。
【００２４】
可変連結空洞１２０の一端には、当該空洞の内部へシャフト１２８を通せるように開口１２６が形成されている。このシャフト１２８は、公知の手法によって、開口１２６内で回転自在に密封されている。可変連結空洞１２０内において、シャフト１２８がパドル１３０を支持している。従って、このパドル１３０は回転方向で位置決め自在となっており、これにより、可変連結空洞１２０内でＴＥ１１１場の方向を決めることで、第１の空洞１０４と第２の空洞１０８との間の連結量を左右することができるようになっている。
【００２５】
この要素内には、構造全体を通じて水を導くことができるように、冷却通路が形成されている。この例においては、合計４つの冷却通路が各加速空洞に対して等間隔で設けられている。そのうち２つの冷却通路１３２，１３４は、不変連結空洞１１２，１１４の上下を通って、ユニットを真っ直ぐ貫通している。他の２つの冷却通路１３６，１３８は、可変空洞１２０と同じ側に沿って延びている。冷却通路が加速空洞１０４，１０８や可変連結空洞１２０とかち合うのを防止するため、図２および図３に最も明確に示されるように、１組の屈曲部（dog legs）１４０が形成されている。
【００２６】
図３は、は、組立可能な状態で示す例の分解図である。中央ベースユニット１５０は、連結空洞と、第１および第２の加速空洞１０４，１０８の各半部とを包含している。これら２つの加速空洞は、銅基板への適当な削り出し加工によって形成することができ、それに続いて、２つの空洞間の中央連通開口１０６を、冷却通路１３２，１３４，１３６，１３８および通路１３６，１３８の屈曲部１４０と共に穿孔することができる。そして、可変連結空洞１２０を穿孔することができ、それにより当該空洞と２つの加速空洞１０４，１０８との間の開口１２２，１２４が形成される。それから、可変連結空洞１２０の上下端部に対してキャップ１５２，１５４をろう付けして、これを密封することができる。
【００２７】
次に、ろう付け工程によって中央ユニット１５０の両側面に取り付けるための端板１５６，１５８を形成することができる。さらに、これらのユニット内に、空洞半部１１２，１１４と共に、加速空洞１０４，１０８の残りの半部を削り出すことができる。軸線方向の連通開口１０２，１１０と共に、冷却通路１３２，１３４，１３６および１３８を穿孔することができる。それから、中央ユニット両側の所定箇所にそれぞれ端板をろう付けすることで、各加速空洞を密封して単一のユニットを形成することができる。
【００２８】
次に、複数の同様のユニットを端部同士でろう付けして、複数の空洞による加速連鎖を形成することができる。隣り合う加速空洞の組は不変連結空洞を介して連結され、そのような組の各部材は、可変連結空洞１２０を介して隣接する組の部材に連結されるであろう。
【００２９】
そのような複数のユニットのろう付けは、よく知られており、単に、両者間に適当な共融ろう付け合金箔を挟んで各部をクランプし、組立体を適当な高温まで加熱するということを含んでいる。冷却後には、隣り合う空洞同士が強固に連結される。
【００３０】
パドルは、空洞１２０の対称性を破るのに役立ち、要するに電気力線をパドル表面に対して直交するように強制する。最終的には、回転によって空洞間の連結の直接制御をもたらす一方で同時に、固定された出力と入力との間の相対的な位相シフトを例えば名目上のπラジアンに保つ単純な可動部を１つだけ有するような装置に帰結する。このシステムにおける自由度は、パドルの回転角度だけである。一般的な定在波加速器の適用においては、パドルの数度の精度での位置決めを要するだけであろう（その精度は選択されたエネルギー次第である）。そのような制御によって、線形加速器のエネルギーを、広いエネルギー範囲に渡って連続的に調節することができる。
【００３１】
図６は、この装置の連結空洞１２０における共振周波数のサンプルを示している。この周波数は非常に安定しているが、選択されたスケールのために明らかに大きな動揺が見られる。すなわち、パドル（ベーン）の回転に従った周波数の明瞭な正弦波振動が存在している。このことは、以下の本発明の実施形態によって対処されるものである。
【００３２】
図７は、全般的に図５に対応した断面を示し、従って同様の部分を表すために同様の参照符号が用いられている。本発明のこの実施形態は、連結空洞１２０の長さの一部分に沿って設けられた内向き隆起部（突出部）２００を備えている点で異なっている。この実施形態においては、隆起部が滑らかな半長円形の断面を有しているが、これは本発明にとって本質的なものではなく、他の形状の方が機械加工が容易であったり、有利な共振特性を提供したりする場合もあり得る。その隆起部は、連結開口１２２，１２４同士の間の中点とほぼ対向して配置されているが、大きい方の開口１２４と対向する位置の方へ僅かにずらされている。正確な位置は、両開口１２２，１２４の寸法によって加重平均された対向位置である。
【００３３】
隆起部２００は、上述したように、すなわち、回転要素（パドル）１３０の回転による装置の周波数依存性を減衰させることで、強いＥ場（電場）にある時には周波数低下を生じさせ、強いＢ場（磁場）にある時には周波数増加を生じさせる傾向があるように作用するものと考えられる。それゆえ、回転要素１３０と共に（電磁）場が回転するに連れて、周波数に対して、既存の周波数依存性とは逆位相で正弦波状に変化する補正が加えられる。従って、最終的な影響は低減されるか、或いは完全に取り除かれる。
【００３４】
図８は、図６と同一の目盛りを用いて結果を示している。連結空洞１２０の周波数依存性が、３０００ＭＨｚのうち±５ＭＨｚの範囲、すなわち０.２％まで大幅に減少させられていることが分かる。結果として、出力ビームのエネルギーを、事実上、当該周波数の変化なしに、極めて広範囲に渡って変化させることが可能となる。
【００３５】
隆起部の寸法は、試行錯誤の問題である。周波数応答に対する隆起部の効果は、その寸法に比例することが予想される。従って、小さな隆起部では、周波数応答を完全に取り除くことができないであろうし、大きすぎる隆起部では、過剰な補償となって逆位相の周波数応答を招いてしまうであろう。周波数応答の度合いが装置残部の寸法によるものとすれば、隆起部の寸法は、それが設けられる共振システムの精密なディテールに従うものである。
【００３６】
図９は、本発明の第２の実施形態を示す。本実施形態においては、円筒形をなす連結空洞１２０の曲面上に、それとは異なる平坦化された領域を構成するような隆起部２０２によって、相対的な材料過剰（excess of material）がもたらされている。
【００３７】
図１０は、第３の実施形態を示す。この場合、相対的な材料過剰は、はじめの２つの実施形態において材料が加えられた部分に対して横方向にあるような２つの部分２０４，２０６で材料を除去することによってもたらされる。補償用の凹部２０４，２０６の組を掘り抜く前や、その後に連結空洞を掘り抜くことができるので、この方が技術者にとっては容易であろう。
【００３８】
図１１は、図２の断面に対応した断面を示す。さらに、同様の部分を表示するのには、同様の参照符号が用いられている。図１１に示す第４の実施形態において、相対的な材料過剰は、円筒形断面の連結空洞１２０の平坦な両端面を傾斜させることによってもたらされている。そして、この空洞の軸線方向の長さは、開口１２２，１２４の加重平均位置とは反対側の位置において相対的に短くなっている。
【００３９】
連結空洞内での電場のピーク強度が中央部にあるので、この装置は第１乃至第３の実施形態よりも小さな効果しか期待できない。しかし、その効果は、生じさせられた追加的な材料体積２０８，２１０の調節を埋め合わせるものであろう。この装置は、より製造が容易であろうから、やはり好ましいものであろう。
【００４０】
図１２は、第５の実施形態を示す。連結空洞１２０の両端部キャップは、棒形状の内向き突出部２１２，２１４を担持している。これらの突出部は、空洞１２０の中央部の中へ延びると共に、第１の実施形態の突出部２００に対応した位置に存してしるが、（図示のように）当該空洞の側壁から僅かに離されている。これらの棒（突出部）は、両端面に設ける必要はないが、この例はより対照的な配置を提案するものである。
【００４１】
もちろん、当業者には、上述した実施形態が本発明の単なる実例であって、それに対する多くの変形が可能であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＰＣＴ／ＧＢ９９／００１８７に示される加速器要素の斜視図。
【図２】  図に１示す実施形態を軸線方向から見た図。
【図３】  図に１示す実施形態の分解図。
【図４】  図２のIV-IV線断面図。
【図５】  図２のＶ-Ｖ線断面図。
【図６】  図１乃至図５に示す装置における、連結空洞の共振周波数のパドル角度への依存性を示すグラフ。
【図７】  本発明の第１実施形態を図５に対応して示す図。
【図８】  図７に示す装置における、連結空洞の共振周波数のパドル角度への依存性を示すグラフ。
【図９】  本発明の第２実施形態を図５に対応して示す図。
【図１０】  本発明の第３実施形態を図５に対応して示す図。
【図１１】  本発明の第４実施形態を図５に対応して示す図。
【図１２】  本発明の第５実施形態を図５に対応して示す図。
【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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【図１１】
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【図１２】
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