(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子ビーム軸線にそって配置された複数の共鳴キャビティを含み、その少なくとも一対の共鳴キャビティが連結キャビティを通して電磁的に連結され、前記連結キャビティは実質的に回転対称であり、前記連結キャビティ内には連結キャビティの中で回転自在である要素が設けられ、前記要素の回転軸線は、連結キャビティの回転対称の対称軸となる軸線に対して実質的に平行である事を特徴とする定常波線形加速器。
【請求項２】
連結キャビティと２つの共鳴キャビティとの間の連通点は連結キャビティの表面の２点にあることを特徴とする請求項１に記載の線形加速器。
【請求項３】
前記要素は円筒形の連結キャビティの内部を回転自在であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の線形加速器。
【請求項４】
前記要素は対称軸線にそって配置された仕切り板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の線形加速器。
【請求項５】
連結キャビティは円筒形であり、
前記仕切り板は、円筒形の直径の半分以上四分の三以下の範囲内を占めることを特徴とする請求項４に記載の線形加速器。
【請求項６】
共鳴キャビティは粒子ビーム軸線を横切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】
共鳴キャビティが連結キャビティの表面上に設定されたポートを通して連通することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の線形加速器。
【請求項８】
連結キャビティは円筒形であり、
前記ポートはキャビティの端面上に配置されることを特徴とする請求項２に記載の線形加速器。
【請求項９】
連結キャビティは円筒形であり、
前記ポートはキャビティの円筒面上に配置されることを特徴とする請求項２に記載の線形加速器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は線形加速器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
特に定常波設計の線形加速器は、例えばＸ線の発生に使用するための電子ビーム源として知られている。この電子ビームがＸ線ターゲットに対して送られ、このターゲットが適当な放射線を放射する。このようなＸ線または電子ビームの通常の用途は医学的癌治療などである。
【０００３】
Ｘ線ターゲットに対する電子ビームの入射エネルギーを変更することがしばしば必要となる。これは、特に治療プロフィルによって特定のエネルギーが要求されるような医療上のケースである。線形定常波加速器は一連の加速キャビティを含み、これらのキャビティが連結キャビティによって相互に連結され、これらの連結キャビティが隣接の加速キャビティ対と連通する。US-A-4382208 によれば、電子ビームのエネルギーは隣接加速キャビティ間のｒｆ連結の程度を調整することによって変動される。これは原則的に連結キャビティの幾何学的形状を変更することによって達成される。
【０００４】
この幾何学的形状の変動は代表的には連結キャビティの中に１つまたは複数の位置に挿入することのできる滑り要素を使用してキャビティの内部形状を変更することによって実施される。このアプローチについては、キャビティの寸法によって決定される他の種々の共鳴パラメータから生じる多数の深刻な問題点がある。キャビティ間の位相ずれを正確に確定された値に保持するため、このような１つ以上の滑り要素を動かさなければならない場合がしばしばである。滑り要素の運動は通常同等でないので、これらの滑り要素は個別に運動させなければならないが、所望の位相関係が保持されるようにこれらの要素が相互にまたキャビティに対して非常に精密に配置されなければならない。通常、±0.2mmの精度が要求される。これは、実際上加工することの困難な複雑で高精密の位置づけシステムを必要とする。（米国特許第4,286,192号に記載のような）２以下の可動部分を有する設計においては、装置は入力と出力との間に一定位相を保持する事ができないので、このような装置はＲＦ電場を連続的に変動させる事ができず、従って単一スイッチの機能に帰着する。これらの装置は実際上しばしばエネルギースイッチと呼ばれる。
【０００５】
またこれらの設計の多くは、大振幅のＲＦ電流を搬送しなければならない複数の滑り接点を提案している。このような接点は溶接によって誘導される焼き付きによって故障する傾向があり、また滑り面は超高真空システムの品質にとって有害である。このような問題点が長寿命にわたって確実に作動することのできる装置を製造するための手がかりとなる。
【０００６】
先行技術において提案された方法の本質は１つの入力孔と１つの出力孔とを有するキャビティ連結手段と要約され、この組立体全体が電気的に変圧器と同様に作動する。可変的連結値を得るために、キャビティの形状がなんらかの方法でベロー、チョーク、およびフランジを使用して変更されなければならなかった。しかし先行技術は、位相を一定値に保持しながら、単一の制御軸によって連結のマグニチュードを広い範囲内で連続的に変動させることのできる装置を提供していない。
【０００７】
従って現在の技術水準においては、２つの所定エネルギー間の有効な切り替え法を提供するものとしてこのような装置が受け入れられる。しかし、このような設計を使用して真に可変的なエネルギー出力を提供する信頼できる加速器を得ることが非常に困難である。
【０００８】
先行技術のすぐれた要約が米国特許第4,746,839号に記載されている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従って本発明は、粒子ビーム軸線にそって配置された複数の共鳴キャビティを含み、少なくとも一対の共鳴キャビティが連結キャビティを通して電磁的に連結され、前記連結キャビティはその軸線回りに実質的に回転対称であるがこの対称を破るように成された非回転対称要素を含み、前記要素は連結キャビティの中を回転自在であって、その回転が連結キャビティの対称軸線に対して実質的に平行であるように成された定常波線形加速器を提供する。
【００１０】
このような装置においては、加速キャビティ中の共鳴に対して横方向の共鳴が連結キャビティの中において成立される。加速キャビティについてはＴＭモードの共鳴を使用するのが通常であり、これは連結キャビティ中においてＴＥ111などのＴＥモードが成立することを意味する。連結キャビティは実質的に回転対称であるので、この電界の配向は連結キャビティによっては確定されない。その代わりに、電界配向は回転要素によって確定される。連結キャビティと２つの加速キャビティ間の連通は連結キャビティの表面上の２点において生じ、これらの点がＴＥ定常波の配向に依存して相異なる磁界を「見る」であろう。従って単に回転要素を回転させる事によって、連結の程度が変更される。
【００１１】
真空キャビティ中の回転要素の回転は公知の技術であって、この回転をなすために多くの方法が存在する。従ってこれは深刻な技術的困難を提示しない。さらに渦電流は回転要素そのものに閉じ込められ、一般に回転要素と周囲構造とを橋かけ結合することを必要としない。従って溶接は困難を生じない。
【００１２】
またその設計は技術的公差に対して柔軟である。予備的テストは、４０゜の連結レンジにわたって２％の位相安定性を得るためには２ｄＢの精度で十分であることが示された。この程度の回転精度を得るのは困難ではない。
【００１３】
回転要素が無限回転対称の連結キャビティの中で自由に回転する事が好ましい。このような構造によって、最大適応性を有する装置が得られる。
【００１４】
適当な回転要素は対称軸線にそって配置されたパドルである。パドルがキャビティ幅の半分と四分の三の範囲内を占める事が好ましく、キャビティ幅の約２／３が適当である。このような限度内にあればパドルとキャビティ表面との間の縁部相互作用が最小限となる。
【００１５】
共鳴キャビティの軸線は好ましくは粒子ビーム軸線に対して横方向とする。これはｒｆ相互作用を簡単化する。
【００１６】
加速キャビティは好ましくは連結キャビティ上に設定されたポートを通して相互に連通する。前記ポートは４０゜乃至１４０゜の範囲内の角度で離間された連結キャビティの半径上に配置される事が好ましい。さらに好ましい範囲は６０゜乃至１２０゜である。特に好ましい範囲は８０乃至１００゜の範囲内である。すなわち約９０゜である。
【００１７】
これらのポートはキャビティ端面上に、すなわち対称軸線に対して横方向に配置され、またはキャビティの円筒面上に配置されることができる。後者の構造はよりコンパクトな構造を与え、より大きな連結を生じる可能性がある。
【００１８】
従って本発明は、ＴＥモードで、特にＴＥIIIモードで作動する特殊キャビティを通して隣接セルを連結する新規な方法を提供する。入力孔と出力孔の連結位置をキャビティの一方の端壁を成す円の弦に沿うように選択する事によって、ＴＥIIIモードの特殊フィーチャを利用して独特の利点を有する連結装置を構成することができる。本発明はキャビティの形状を変更する代わりに、簡単なパドルを使用してキャビティ内部でＴＥIIIモードの偏極を回転させることを提案する。ＴＥIIIモードの周波数は電界パタンがキャビティに対して成す角度（偏極角度）には依存しないので、２点の中に連結されるＲＦの相対位相はこの回転に対して少なくとも１８０゜にわたって不変である。同時に、１つの弦にそって位置する２つの連結孔におけるＲＦ磁界の相対マグニチュードは２位数のマグニチュードまで変動する。このＲＦ磁界の特性が本発明の可変ＲＦカプラーの基礎である。
【００１９】
本発明の理解の手がかりは、可動パドルが先行技術の場合のようにキャビティの形状を変動させる手段ではなく、単に円筒形キャビティの円形対称を破る手段であることにある。パドルそのものはキャビティの壁面と接触する必要がなく、またパドルとキャビティ壁体との間にＲＦ電流そのものは流れない。これは装置の真空中製造を簡単化し、回転フィード・スルーのみを必要とし、これは公知の技術である。さもなければ、パドルを外部磁界によって回転させて真空フィード・スルーを完全に排除することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
定常波加速器においては、装置は図２および図３に図示の第１実施態様のように構成されることができよう。これらの図は、長い加速キャビティ連鎖の一部として軸線上に配置された３加速セルを示す。第１および第２加速セル１０，１２はそれ自体公知の固定ゼオメトリー連結セル１６と相互に連結されている。第２および第３軸線キャビティ１２と１４との間においては、固定ゼオメトリーセルの代わりに本発明によるセル１８が配置されている。このセル１８は、その円筒体が加速セル１２，１４のアーチの上端と交差して２つの任意形状の連結孔２６，２８を形成されている。所望のように機能するために、これらの孔が理想的には軸線からそれた円筒体の（非直径）弦にそっていなければならない。これは、図３に図示のように円筒体の中心線が加速器の中心線から片寄ってることを意味する。これらの連結孔は磁界が支配するキャビティ区域の中にあるので、セル間の連結は磁性となる。しかし固定ゼオメトリーセルと相違し、この場合にはセル間の連結、従って第２および第３軸線セルにおけるＲＦ電界の比率を変動させる簡単な手段が存在する。連結強さ（ｋ）は孔の形状と孔の位置におけるＲＦ磁界の局所的値とに依存している。軸線上の電界はｋ値の比率と逆比例的に変動する。従って、下記の式が得られる。
【００２１】
（Ｅ１/Ｅ２）＝（ｋ２/ｋ１）
端壁に近い磁界パタンは、連結が弦にそって配置されていれば、ｋ1がｋ2の減少に従って増大することを意味する。
【００２２】
回転自在のパドル（仕切り板とも呼ぶ）２０がキャビティ１８の中に軸２２によって保持され、この軸２２が円筒形キャビティ１８の外部に延在している。図２に図示のように、軸２２はハンドル２４を有してパドル２０を回転させるが、ハンドルの代わりに他の適当なアクチュエータを使用できることは明かである。
【００２３】
パドル２０はキャビティ１８の対称性を破って電界の電気線をパドル面に対して垂直に配置させる。
【００２４】
このようにして得られる結果は単一の可動部分を有する装置であって、この可動部分が回転に際してセル間の連結を直接に制御することができ、同時に入力と出力間の相対位相シフトを固定的に、すなわち呼びπラジアンに保持することができる。このシステム中の唯一の自由度はパドルの回転角度である。代表的な定常波加速器用途においては、このパドル回転角度は数度の精度で配置されればよい。このような制御により、線形加速器のエネルギーを広いエネルギー範囲にわたって連続的に調整することができよう。
【００２５】
図４と図５による第２実施態様によれば、連結キャビティ３０は前記の実施態様と同様に加速キャビティの縦方向軸線に対して横方向にあるが、その円筒形面によって加速キャビティ１２，１４と交差する。従って加速器の軸線と連結キャビティの軸線は交差することなく、相互に横方向に延在する。パドル２０などは不変である。他の点ではこの実施態様の動作は第１実施態様と同様である。
【００２６】
図６乃至図１０は本発明の第３実施態様を示す。これらの図において、２つの加速キャビティと両側の２つの連結キャビティの半体とからなる線形加速器の短いサブ要素を示す。さらにこのサブ要素は、２つの加速キャビティを連結した本発明による単一連結キャビティを含む。加速器全体は軸方向に接合されたこのような数個のサブ要素からなるであろう。
【００２７】
図６において、加速キャビティの軸線１００は小さい開口１０２を通して第１加速キャビティ１０４（図６において図示されず）の中に入る。他の加速キャビティ１０８は開口１０６を通して第１加速キャビティ１０４と連通する。第２キャビティ１０８は反対側面に他のアパチュア１１０を有し、この実施態様のサブ要素が軸線１００にそって反復配置された時に形成される後続の加速キャビティと連通する。従って加速されるビームはアパチュア１０２，１０６，１１０などを通して順次に通過する。
【００２８】
図示のサブ要素の中に一対の連結半キャビティが形成される。第１半キャビティ１１２が、第１加速キャビティ１０４と隣接サブ要素によって形成される隣接加速キャビティとの間に固定強さの連結を成す。この隣接サブ要素が連結キャビティ１１２の残余の半体を成す。同様に第２連結キャビティ１１４が第２加速キャビティ１０８を隣接要素によって形成される隣接加速キャビティに連結する。各連結半キャビティは直立ポスト１１６，１１８を含み、これらのポストは所望の適当レベルの連結を生じるように各キャビティを調整する。各連結キャビティ１１２，１１４はその構造において通常のものである。
【００２９】
第１加速キャビティ１０４は第２加速キャビティ１０８に対して調整自在連結キャビティ１２０を介して連結される。この連結キャビティは要素中の円筒形スペースからなり、この円筒形の軸線は加速器軸線１００から横方向にあってこの軸線から離間されている。これら２つの軸線の最接近点における間隔と円筒形の半径は、円筒形が加速キャビティ１０４，１０８と交差してアパチュア１２２，１２４を生じるように調整される。この実施態様に図示のように、円筒形１２０は第２加速キャビティ１０８の方に少し近く配置されて、アパチュア１２４をアパチュア１２２より大きく成している。加速器の他の部分の設計によってはこれは場合によっては有利でありうるが、これは本質的なことではなく、他の設計においては望ましくない場合がある。
【００３０】
調整自在連結キャビティ１２０の一端に、アパチュア１２６が形成されて軸１２８をキャビティ内部に入らせる。軸１２８はアパチュア１２６において公知の方法で回転自在に密封される。調整自在キャビティ１２０の中において、軸１２８はパドル１３０を支持し、従ってこのパドルは回転自在に配置されて、調整自在連結キャビティ１２０中のＴＥ111電界の配向を確定し、従って第１キャビティ１０４と第２キャビティ１０８との間の連結量を決定する。
【００３１】
構造全体に冷却水を導入できるように、サブ要素中に冷却チャンネルが形成されている。この実施例において、加速チャンネルの回りに等間隔で配置された全部で４冷却チャンネルが備えられている。２つの冷却チャンネル１３２，１３４は固定連結キャビティ１１２，１１４の上下を走り装置全体をまっすぐに通る。他の２つの冷却チャンネル１３６，１３８は可変キャビティ１２０と同一側面にそって走る。これらの冷却チャンネルが加速キャビティ１０４，１０８または調整自在連結キャビティ１２０と衝突することを防止するため、図７と図８において最もよく見られるように、一対のドッグ・レッグ１４０が形成されている。
【００３２】
図８は実施例の構成法を示す分解斜視図である。中心ベース・ユニット１５０は連結キャビティと第１および第２加速キャビティ１０４，１０８の２つの半体とを収容する。２つの加速キャビティは、銅基板上に適当な旋削を実施し、これに続いてこれら２つのキャビティ間の中心連通アパチュア１０６を穿孔し、同時に冷媒チャンネル１３２，１３４，１３６，１３８と、チャンネル１３６，１３８のドッグ・レッグとを形成する。次に調整自在連結キャビティ１２０を穿孔し、このようにして連結キャビティ１２０と２つの加速キャビティ１０４，１０８との間のアパチュア１２２，１２４を形成する。次にキャップ１５２，１５４を調整自在連結キャビティ１２０の上端と下端にロウ付けし、密封する。
【００３３】
次に中心ユニット１５０の両側面にロウ付け段階によって取付けるためのエンドピース１５６，１５８を形成することができる。この場合には、連結キャビティ１０４，１０８の他方の半体を前記の半キャビティ１１２，１１４と同様にしてこれらのユニット１５６，１５８の中に切削することができる。冷媒チャンネル１３２，１３４，１３６および１３８を軸方向連通通路１０２，１１０と同様にして穿孔することができる。次にエンドピースを中心ユニットの両側にロウ付け配置し、加速キャビティを密封して単一ユニットを形成する。
【００３４】
複数の同様のユニットを端−端ロウ付けして加速キャビティ連鎖を形成することができる。隣接対の加速キャビティが固定連結キャビティを介して連結され、またこのような加速キャビティ対の各部材が調整自在連結キャビティ１２０を介して隣接キャビティ対の部材に連結される。
【００３５】
このようなユニットのロウ付けは業界公知であって、単に各部分の間に適当な共融ロウ付け合金のホイルを挟持して締付け、この組立体を適当な高温まで加熱する段階を含む。冷却後に隣接キャビティは確実に接合される。
【００３６】
図１１乃至図１４は本発明の第４実施例を示す。第３実施例と同様にこの実施例は２つの加速キャビティを含む線形加速器のサブ要素を示す。図示のような複数のサブ要素を端−端接合して作動加速器を形成することができる。
【００３７】
一対の加速セル２０４，２０８が加速軸線２００にそって配列されている。アパチュア２０２が加速ビームを隣接要素から加速キャビティ２０４の中に入らせ、さらにアパチュア２０６がビームを連続的に加速キャビティ２０８の中に入らせ、次にアパチュア２１０がビームを軸線２００にそって加速キャビティ２０８から他のキャビティの中に入らせる。
【００３８】
２つの加速キャビティ２０４，２０８を相互に接続する調整自在連結キャビティ２２０が形成されている。この連結キャビティ２２０は円筒体からなり、その軸線は加速器軸線２００に対して横方向に延在しこの軸線から離間されている。円筒体の半径とその軸線の位置は、円筒体が加速キャビティ２０４，２０８と交差して連通アパチュア２２２，２２４を成すように成されている。図示のように、調整自在連結キャビティ２２０は加速キャビティ２０４に近く配置されているので、アパチュア２２２はアパチュア２２４より少し大である。しかしこれはすべての状況において本質的なのではなく、加速器の残余部分の構成に依存している。
【００３９】
調整自在連結キャビティ２２０を形成する円筒体は端面２６０，２６２を有し、これらの端面は円筒体２２０の軸線にそって線形に調整自在である。従って連結キャビティの長さは加速器の外部設計に対応するように変動させることができる。この長さは加速器の共鳴周波数に従って設定される必要がある。しかし実験的研究は、この設定が特に正確である必要のないことを示している。
【００４０】
端壁２６２は軸方向アパチュア２２６を有し、このアパチュアを通して軸２２８が延在する。端壁２６２の外側面にハンドル２６４が形成され、また端壁の内側面にパドル２３０が形成されている。このパドル２３０は調整自在連結キャビティ２２０の回転対称を破ってＴＥ111電界の配向を固定するのに役立つ。このようにして電界の配向、従って連結のマグニチュードがハンドル２６４の調整によって変動させられる。手動調整ハンドルの代わりに適当な機械的アクチュエータを使用できることは明かである。
【００４１】
第３実施態様および第４実施態様に記載のような調整自在連結キャビティは２つの加速キャビティの間に０％乃至６％の範囲内の連結係数を生じうることが発見された。大部分の加速器設計は４％までの連結係数を必要とするので、この設計は実質的にすべての事態に対して必要な連結レベルを生じることができる。
【００４２】
本発明によれば、加速キャビティ間の位相ずれを乱すことなく、連続的連結定数範囲を得ることができる。さらに第３実施態様は、製造容易な要素から成長性のある加速器を構築することを可能とする。
【００４３】
本発明は前記の説明のみに限定されるものでなく、その趣旨の範囲内において任意に変更実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＴＥ１１１円筒形キャビティモードの電界線を示す図。
【図２】  本発明の第１実施態様による定常波線形加速器の縦方向断面図。
【図３】  図２のIII-III線にそった断面図。
【図４】  本発明の第２実施態様による定常波線形加速器の縦方向断面図。
【図５】  図４のＶ−Ｖ断面図。
【図６】  本発明の第３実施態様の線形加速器の斜視図。
【図７】  図６の実施態様の軸方向断面図。
【図８】  図６の実施態様の分解斜視図。
【図９】  図７のＩＸ−ＩＸ断面図。
【図１０】  図７のＸ−Ｘ断面図。
【図１１】  本発明の第４実施態様の斜視図。
【図１２】  図１１の実施態様の加速器軸線にそった断面図。
【図１３】  図１２のXIII-XIII断面図。
【図１４】  図１２のXIV-XIV断面図。
【図１】
0004326694.tif 000002
【図２】
0004326694.tif 000003
【図３】
0004326694.tif 000004
【図４】
0004326694.tif 000005
【図５】
0004326694.tif 000006
【図６】
0004326694.tif 000007
【図７】
0004326694.tif 000008
【図８】
0004326694.tif 000009
【図９】
0004326694.tif 000010
【図１０】
0004326694.tif 000011
【図１１】
0004326694.tif 000012
【図１２】
0004326694.tif 000013
【図１３】
0004326694.tif 000014
【図１４】
0004326694.tif 000015