Molded dielectric composite linear accelerator

米国政府は、ローレンスリバーモア国立研究所の業務における米国エネルギ省とカリフォルニア大学との間の規約Ｗ−７４０５−ＥＮＧ−４８にしたがってこの発明の権利を有する。

Ｉ． 従来出願に対する参照
この出願は、参照することにより本願に組み入れられる２００５年１１月１４日に出願された米国仮出願第６０／７３７，０２８号の利益を主張する。

ＩＩ． 発明の分野
本発明は、線形加速器に関し、特に、加速器伝送ラインにおける導体電極間の空間を満たすように成型される誘電複合体であって、成型誘電複合体の誘電定数が、高電圧パルス勾配を粒子加速軸に沿ってもたらすことができるように高い線形加速器に関する。

ＩＩＩ． 発明の背景
粒子加速器は、帯電した原子粒子、例えば電子、陽子、または、帯電した原子核のエネルギを増大させ、それにより、それらを原子物理学者および粒子物理学者が研究できるようにするために使用される。 高エネルギ帯電原子粒子は、ターゲット原子と衝突するように加速され、また、結果として得られる生成物は検出器を用いて観察される。 非常に高いエネルギにおいて、荷電粒子は、ターゲット原子の原子核を破壊でき、他の粒子と相互に作用することができる。 物質の基本単位の性質および挙動の手がかりとなる変換が引き起こされる。 また、粒子加速器は、核融合装置を開発する上でも、また、癌治療などの医学的用途においても重要なツールである。

コンパクトな構造中で高電圧パルス勾配を生み出してコンパクトユニットでの加速粒子の生成、加速および制御を可能にする改良された線形加速器アーキテクチャおよび構造の必要性が存在する。 特に、電気的な波面の伝搬を可能にする高誘電定数材料をコンパクトブルームラインベースの線形加速器内で組み込んで、高電圧パルス勾配を形成することが非常に望ましい。

本発明の１つの態様は、横方向加速軸に沿ってパルス状の勾配を与えるべく電気的な波面を伝搬して通すための、第１の端部から第２の端部へと横方向加速軸へ向かって延びる少なくとも１つの伝送ラインを備え、各伝送ラインは、第１および第２の端部を有し且つ第２の端部が加速軸に隣接する第１の導体と、第１の導体に隣接するとともに第１および第２の端部を有し且つ第２の端部が加速軸に隣接する第２の導体と、第１の導体と第２の導体との間の空間を満たし且つ少なくとも１つの有機高分子と有機高分子の誘電定数よりも誘電定数が大きい少なくとも１つの粒子充填材とを備える成型誘電複合体と、を備えるコンパクト線形加速器を含んでいる。

本発明の他の態様は、線形加速器を製造する方法であって、少なくとも１つの有機高分子と、有機高分子の誘電定数よりも誘電定数が大きい少なくとも１つの粒子充填材とを含む少なくとも１つの誘電複合スラブを成型し、成型誘電スラブの誘電定数よりも誘電定数が大きい第２の誘電複合材料によって、成型誘電複合スラブをコーティングし、第２の誘電複合材料でコーティングされた成型誘電複合スラブのそれぞれに対して２つの導体を押し付けて、第２の誘電複合材料を前記導体間から押し出すことにより、三重点領域を第２の誘電複合材料で完全に満たすことを備える方法を含んでいる。

また、本発明の他の態様は、線形加速器を製造する方法であって、モールドキャビティ内に少なくとも１つの導体を位置決めし、少なくとも１つの有機高分子と、有機高分子の誘電定数よりも誘電定数が大きい少なくとも１つの粒子充填材とを含む誘電複合体でモールドキャビティを満たして、当該複合体内に当該導体を少なくとも部分的に浸し、誘電複合体を硬化させて、誘電複合体を当該導体と一体成型することを備える方法を含んでいる。

開示内容に組み入れら且つ開示内容の一部を形成する添付図面は以下の通りである。

ここで、図面を参照すると、図１−２は、参照符号１０で全体的に示される本発明の線形加速器の典型的な伝送ラインを示しており、線形加速器は一般にそのような伝送ラインの少なくとも１つを備えている。 伝送ライン構造は、第１の導体１３と、第１の導体に隣接する第２の導体１４と、導体間の空間を満たし且つ本明細書中で説明される態様で成型される誘電複合材料１５とを含んでいる。

図示のように、伝送ライン１０は、典型的には均一な幅であるが必ずしもそうである必要はない平行板ストリップ状に構成されていること、すなわち、長くて狭い幾何学的形状であることが好ましい。 図１および図２に示される特定の伝送ラインは、第１の端部１１と第２の端部１２との間に延び、且つ長さｌと比べて比較的狭い幅ｗ _ｎである細長いビームまたは板状の直線形態を成している。 伝送ラインのこのストリップ状の形態は、第１の端部１１から第２の端部１２へと伝搬電気信号波を案内し、それにより、第２の端部で出力パルスを制御するように作用する。 具体的には、波面の形状は、モジュールの幅を適切に設定することにより、例えば幅を次第に細くする（図示せず）ことにより制御されてもよい。 ストリップ形状の形態により、コンパクト加速器は、パルスを歪めることなく平坦な出力（電圧）パルスを生成することができ、それにより、粒子ビームが経時変化するエネルギ利得を受けないようにすることができる。 本明細書中および請求項中で使用されるように、第１の端部１１は、スイッチ（例えば、図３における２８）に接続される端部として特徴付けられ、また、第２の端部１２は、粒子加速のための加速軸１６に隣接する出力パルス領域などの負荷領域に隣接する端部として特徴付けられる。

図３および図４は、非対称ブルームライン動作および対称ブルームライン動作のための本発明の成型誘電複合線形加速器の２つの典型的な実施形態を示している。 典型的なブルームラインモジュールは、第１、第２および第３の導体を備える２つの伝送ラインを有しており、第１の導体と第２の導体との間の空間を満たす第１の誘電体と、第２の導体と第３の導体との間の空間を満たす第２の誘電体とを伴っている。 図３および図４に示されていないが、線形加速器は、第２の導体ストリップを高電位まで帯電させるために接続された高電圧電源と、第２の導体ストリップにおける高電位を第１および第３の導体ストリップのうちの少なくとも一方へ切り換えて対応する誘電層において伝搬逆極性波面を起こすスイッチ（例えば、図３における２８）とを含んでいることは言うまでもない。

図３は、特に、全体的に参照符号２０で示され且つスイッチ２８に接続される単一の非対称ブルームラインモジュール（すなわち、２つの伝送ライン）を備えるコンパクト線形加速器の第１の典型的な実施形態を示している。 図３に示されるように、好ましい非対称ブルームラインモジュールの狭いビーム状構造は、薄いストリップの状態に形成され、こちらも細長いが、より厚いストリップとして示される誘電複合材料によって分離される３つの平面導体を含んでいる。 具体的には、第１の平面導体ストリップ２３および真ん中の第２の平面導体ストリップ２５は、それらの間の空間を満たす第１の誘電体材料２４によって分離される。 また、第２の平面導体ストリップ２５および第３の平面導体ストリップ２６は、それらの間の空間を満たす第２の誘電体材料２７によって分離される。 誘電体材料によって成される分離は、図示のように平面導体ストリップ２３，２５，２６を互いに平行となるように位置決めすることが好ましい。

平面導体ストリップおよび誘電複合ストリップ２３−２７に接続されてこれらの端部を覆う随意的な第３の誘電体材料２９も示されている。 このように第３の誘電体材料２９は、誘電スリーブ若しくは当該技術分野において、“誘電壁加速器”すなわち“ＤＷＡ”として知られるこのタイプの加速器の壁特性である。 この第３の誘電体材料２９は、波を組み合わせてパルス電圧のみが真空壁の両端間にかけられるようにする役目を果たし、それにより、その壁に対して応力が加えられる時間が減少され、更に高い勾配が可能になる。 また、第３の誘電体材料は、波を加速器に対して加える前に波を変形させる、すなわち、電圧を上げ、インピーダンスを変化させるなどする領域として使用することもできる。 したがって、第３の誘電体材料２９および第２の端部２２は、一般に、矢印１６により示される負荷領域に隣接して示されている。 具体的には、矢印１６は、粒子加速の方向を向く粒子加速器の加速軸を表わしている。 加速の方向が２つの誘電体ストリップを通る速い伝送ラインおよび遅い伝送ラインの経路に依存していることは言うまでもない。

図３において、スイッチ２８は、第１の端部において、すなわち、ブルームラインモジュールの第１の端部２１において、平面導体ストリップ２３，２５，２６のそれぞれに接続されて示されている。 スイッチは、最初に、外側の平面導体ストリップ２３，２６をグランド電位に接続し且つ真ん中の導体ストリップ２５を高電圧源（図示せず）に接続する働きをする。 その後、スイッチ２８は、第１の端部で短絡させるように動作し、それによってブルームラインモジュールを通って伝搬する電圧波面を起こし、第２の端部で出力パルスを生成する。 具体的には、スイッチ２８は、ブルームラインモジュールが対称動作のために構成されているか或いは非対称動作のために構成されているかに応じて、誘電体のうちの少なくとも１つにおいて伝搬逆極性波面を第１の端部から第２の端部へと起こすことができる。

図３に示されるように非対称動作のために構成される場合、ブルームラインモジュールは、誘電複合層２４，２７の誘電定数および厚さ（ｄ _１ ≠ｄ _２ ）が異なる。 ブルームラインの非対称動作は、誘電層を通る伝搬波速度を異なるものとする。 また、好ましくは、第２の誘電複合ストリップ２７は、例えば３：１など、第１の誘電ストリップ２４よりもかなり伝搬速度が低い。 この場合、伝搬速度はｖ _２およびｖ _１のそれぞれによって規定される。 ここで、ｖ _２ ＝（μ _２ ε _２ ） ^−０．５ 、ｖ _１ ＝（μ _１ ε _１ ） ^−０．５であり、透過率μ _１および誘電率ε _１は第１の誘電体材料の材料定数であり、また、透過率μ _２および誘電率ε _２は第２の誘電体材料の材料定数である。 これは、第１の誘電ストリップの誘電定数すなわちμ _２ ε _２よりも大きい誘電定数すなわちμ _１ ε _１を有する材料を第２の誘電ストリップのために選択することによって得ることができる。 図３に示されるように、例えば、第１の誘電ストリップの厚さがｄ _１として示され、第２の誘電ストリップの厚さがｄ _２として示され、ｄ _２がｄ _１よりも大きくなるように示されている。 ｄ _２をｄ _１よりも大きく設定することにより、異なる配置と異なる誘電定数との組み合わせが第２の平面導体ストリップ２５の両側に同じ特性インピーダンスＺをもたらす。 なお、特性インピーダンスは両方の半体において同じであってもよいが、各半体を通る信号の伝搬速度は必ずしも同じではなくてもよい。

図４は、全体的に参照符号３０で示され且つ第１および第２の成型誘電複合体３４，３７と交互に積層配置される第１の導体３４と第２の導体３５と第３の導体３６とを有する対称ブルームライン構造の線形加速器を示している。 しかしながら、ブルームラインモジュールが対称動作のために構成される場合には、誘電複合ストリップ３４，３５の誘電定数が等しく、幅および厚さ（ｄ _１ ＝ｄ _２ ）も等しくなる。 また、図４に示されるように、磁性材料４０も第２の誘電複合ストリップ３７に極めて接近して配置され、それにより、そのストリップ内では波面の伝搬が妨げられる。 このようにして、スイッチは、第１の誘電複合ストリップ３４においてのみ伝搬逆極性波面を起こすようになっている。

スイッチ２８，３８が例えばガス放電閉塞スイッチ、表面フラッシュオーバー閉塞スイッチ、固体スイッチ、光伝導スイッチなどの非対称または対称ブルームラインモジュール動作に適したスイッチであることは言うまでもない。 また、スイッチおよび誘電体材料のタイプ／寸法の選択は、例えば２０メガボルト／ｍを越える勾配を含む様々な加速勾配でコンパクト加速器が動作できるように適切に選択できることもまた、言うまでもない。 しかしながら、設計の問題として更に低い勾配を達成することもできる。 また、この発明の誘電複合材料を使用して形成されるブルームラインモジュールは、単一の加速セル、すなわち、第１のブルームラインモジュールと位置合わせされて積み重ねられる少なくとも１つの更なるブルームラインモジュールを備える加速セルを形成するように積層できることは言うまでもない。 積層体の層は、誘電定数および厚さが異なってもよい。

一般に、図１の層１５、図３の層２４，２７、および、図４の層３４，３７のために使用される成型誘電複合材料は、参照することにより本願に組み入れられる米国特許第６，６０８，７６０号に概ね記載されるタイプのものであるが、誘電定数を高く、好ましくは高エネルギ粒子加速においては２〜４０の誘電定数にするように成型プロセスを使用して製造され、ロール成形によって製造されるものではない。 このように、成型誘電複合体は、複合材料マトリクスの状態で一緒に成型される少なくとも１つの有機高分子と少なくとも１つの粒子充填材とを備えている。 粒子充填材は、有機高分子よりも誘電定数が大きい。 また、好ましくは、少なくとも１つの有機高分子はＴ _ｇが１４０℃よりも高く、成型誘電複合体は誘電定数が−５５〜１２５Ｃの温度範囲にわたって１５％未満変化する。 そのような誘電複合体を成型することにより、本発明の伝送ラインでは、１００ｋＶ／ｃｍを越える極めて高い絶縁破壊電圧が得られる。

粒子充填材は、幅広い範囲の温度にわたって高い非常に安定した誘電定数を示す、立方晶構造の非耐熱強誘電体粒子であることが好ましい。 用語“非耐熱強誘電体粒子”は、本明細書中では、１つ以上の強誘電体材料から形成される粒子を示すために使用される。 好ましい強誘電体材料としては、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウムネオジム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコン酸マグネシウム、二酸化チタン、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウムマグネシウム、チタン酸ジルコニウム、および、これらの混合物が挙げられる。

また、本発明において有用な強誘電体粒子は、粒径が約２０〜約１５０ナノメートルの範囲であってもよい。 粒子は基本的にすべて、ナノ粒子であることが好ましく、このことは、粒子の粒径が１００ナノメートル未満、好ましくは約５０ナノメートル未満であることを意味する。 また、強誘電体粒子の少なくとも５０％が５０〜１００ナノメートル、好ましくは４０〜６０ナノメートルの範囲のサイズであることも好ましい。 本発明において有用な強誘電体粒子は、例えばＴＰＬ社によって製造される５０ナノメートルのチタン酸バリウムまたはストロンチウムナノ粒子などのように、降下（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ）プロセスなどの非耐熱プロセスによって製造されることが好ましい。

強誘電体粒子は、少なくとも１つの高分子と組み合わされて誘電層を形成する。 強誘電体粒子は、誘電層の好ましくは約１０〜約８０重量％の範囲の量、あるいは、好ましくは約１５〜５０体積％の範囲の量、最も好ましくは約２０〜４０体積％の範囲の量で誘電層中に存在し、誘電層の残りの部分は１つ以上の樹脂系を供えていてもよい。 強誘電体粒子は、誘電プリント回路基板層を形成するために一般に使用される１つ以上の樹脂と組み合わされることが好ましい。 樹脂は、シリコン樹脂、シアン酸エステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、カプトン材料、ビスマレイミドトリアジン樹脂、ウレタン樹脂、これらの樹脂の混合物、および、誘電基板材料を形成するのに有用な任意の他の樹脂などの材料を含んでいてもよい。 樹脂は、高Ｔ _ｇ樹脂であることが好ましい。 高Ｔ _ｇとは、使用される樹脂系の硬化Ｔ _ｇが約１４０℃を上回ることを意味している。 樹脂Ｔ _ｇは、１６０℃を超えることがより好ましく、１８０℃を超えることが最も好ましい。 好ましい樹脂系は、ＡｌｌｉｅｄＳｉｇｎａｌ社により製造される４０６−Ｎ Ｒｅｓｉｎである。

本発明で使用される誘電複合材料は米国特許第６，６０８，７６０号に開示される材料とほぼ同じであるが、本発明における製造方法は、線形加速器で用いる成型誘電複合体のスラブ層を形成するために成型方法を利用する。

図５〜図７には、線形加速器を製造する第１の典型的な方法が示されている。 モールドキャビティ５１を有する型枠５０が設けられ、モールドキャビティ５１内には、導体スラブ／ストリップ５２などの導体が間隔を空けて配置されている。 図６においては、導体を少なくとも部分的に浸すため、未だ硬化されていない流状誘電複合スラリーがモールドキャビティ内に注がれ或いは導入される。 その後、誘電複合体は、適切な温度および圧力で硬化される。 硬化温度および圧力は例えば約５０〜約１５０℃の範囲をとることができ、また、圧力は約１００から約１５００ｐｓｉまで変化可能である。 硬化後、図７に示されるように、ほぼモールドキャビティの形状を成す成型モノリシック体５４が生成される。 ここで、縁部における電界を最小にするために成型誘電複合体が導体電極を取り囲んでいる。

図８〜図１１は、本発明の線形加速器を製造する第２の典型的な方法を示している。 図８においては、型枠６０が設けられ、この型枠内に誘電複合スラリー６１が注がれ或いは導入され、これにより、図９の誘電複合スラブ６１が型枠の形状を成すように成型される。 図１０において、成型誘電複合体６１は、導体電極７１，７２，７３と交互に配置された状態の更なる成型誘電複合体（参照符号６２，６３，６４）と積層されて示されている。 しかしながら、層を組み合わせる前に、図１０は、誘電スラブの接触面上にコーティングされ、誘電定数が、より高い第２の材料（参照符号６５，６６，６７，６８，６９）も示している。 また、第２の誘電体材料は、本明細書中で説明されるタイプの誘電複合体あるが、更に高い濃度の高誘電定数ナノ粒子を有していることが好ましい。 導体７１，７２，７３は、その後、矢印７４，７５で示されるように、第２の誘電体コーティングされた誘電スラブ６１，６２，６３，６４に対して押し付けられ、それにより、第２の誘電体材料が導体と誘電複合スラブとの間から押し出される。 導体電極は、導電層、半導電層、絶縁層、または、半絶縁層のうちの１つでコーティングされることが好ましい。 図１１は、このようにして形成された線形加速器の最終形態８０であって、第２の誘電体材料８１−８３が、導体と誘電複合スラブとの分離部分にある三重点領域（ｔｒｉｐｌｅ ｐｏｉｎｔ ｒｅｇｉｏｎ）を満たしているものを示している。 このようにすると、縁部で電界を減少させることができ、性能が向上する。

誘電層は、誘電層に対して強度を与えるために随意的な第２の充填材料を含んでいてもよい。 第２の充填材料の例としては、石英、シリカグラス、電子グレードガラス、および、セラミックなどの織材料または不織材料、アラミド、液晶高分子、芳香族ポリアミド、または、ポリエステルなどの高分子、セラミックポリマーなどの粒子材料、および、その他、プリント配線基板を製造するために一般に使用される充填材および補強材料が挙げられる。 随意的に、約２０〜７０ｗｔ％の範囲の量、好ましくは約３５〜約６５ｗｔ％の範囲の量の第２の充填材料が、誘電層中に存在してもよい。

この発明の誘電体材料は随意的に、誘電層の形成で一般に使用される他の材料を含んでいてもよい。 例えば、誘電体粒子及び／又は第２の充填材料は、充填材と樹脂材料との間を結合して誘電層を補強するために結合剤を含むことができる。 また、この発明において有用な樹脂組成は、シラン結合剤などの結合剤、ジルコン酸塩、チタン酸塩を含んでもよい。 更に、この発明において有用な樹脂組成は、粒子凝集度またはコーティングされた外観を制御するために界面活性剤および湿潤剤を含んでいてもよい。 この発明の樹脂／強誘電体粒子を使用して形成される誘電層は、０．００５インチよりも大きい厚さであることが好ましい。

特定の動作シーケンス、材料、温度、パラメータ、および、特定の実施形態を説明し或いは図示してきたが、そのようなものは限定を意図するものではない。 改良および変更は当業者にとって明らかであり、また、本発明は添付の請求項の範囲によってのみ限定されるものである。

本発明の線形加速器の単一の伝送ラインの側断面図である。

図１の伝送ラインの平面図である。

第１および第２の成型誘電複合層の誘電定数および厚さが異なる、本発明の線形加速器の単一の非対称ブルームラインモジュールの第１の例示的実施形態の側断面図である。

第１および第２の成型誘電複合体の誘電定数および同じ厚さが等しい、本発明の単一の対称ブルームラインモジュールの第２の例示的実施形態の側断面図である。

本発明の第１の典型的な加速器製造方法における、導体が内部に位置決めされて成る型枠の平面図である。

型枠のモールドキャビティ内に誘電複合材料を導入した後における図５に続く平面図である。

一体成形された誘電複合体および導体を型枠から取り出した後における図６に続く平面図である。

本発明の第２の典型的な加速器製造方法における、誘電複合材料を内部に有する型枠の側面図である。

型枠からの成型された誘電複合生成物の、図８に続く側面図である。

押圧されて多層状になるように、第２の誘電体材料でコーティングされ且つ導体電極と交互に配列された状態で位置決めされる２つの成型誘電複合層の図９に続く側面図である。

第２の誘電体が三重点の領域を満たすように押し出される最終形態すなわち線形加速器を示す図１０に続く側面図である。