Accelerator to accelerate charged particles

本発明は荷電粒子を加速する加速器とこの種の加速器を動作させる方法とに関する。 この種の加速器はとりわけ医療技術、特に放射線治療において使用される。 放射線治療では、治療ビームを発生させるために、例えば電子、陽子または他の荷電イオンのような荷電粒子を加速する必要がある。 荷電粒子は、例えば制動Ｘ線を発生させるために使用するか、またはターゲットを直接照射するために使用することができる。

この目的で、いわゆる"dielectric wall accelerator"（誘電体壁加速器）が公知である。 誘電体壁加速器は略してＤＷＡとも呼ばれる。 この種の加速器は一般に空心の誘導粒子加速器である。 この誘導粒子加速器は一般に複数の遅延線からなるパッケージを含んでおり、遅延線の機能は遅延線中の電磁波の伝搬時間がそれぞれ異なることに依っている。 遅延線中の電磁信号の伝播の原理は例えばUS 2,465,840に記載されている。

加速器では、複数の遅延線に電流パルスが通される。 遅延線の幾何学的レイアウトと、電流パルスによって発生する電磁波が、時間的に変化する磁界ないし磁束の変化を生じさせ、この時間的に変化する磁界ないし磁束の変化が（遅延線の幾何学的レイアウトに従って）ある場所に、例えばビーム管の内部に、加速電位を発生させる。 この電位は荷電粒子を加速するために使用される。

この種の粒子加速器は例えばUS 5,757,146から公知である。 ここでは、遅延線のパッケージとして、ディスク状のコンデンサ対の積層体が使用される。 コンデンサ対は２つのディスク状の平面コンデンサから構成されている。 平面コンデンサの高さとコンデンサ極板間の誘電体は、電磁衝撃波がコンデンサ対の一方のコンデンサ内では他方のコンデンサ内でよりも明らかに速く伝播するように選ばれている。 このようなコンデンサ対はAD Blumleinによって公開された遅延線に因んで非対称ブルームラインまたはブルームラインモジュールとも呼ばれる。

ディスク状コンデンサ対の積層体またはブルームラインモジュールは中心管の回りに配置されている。 各対の一方のコンデンサ極板はもう一方のコンデンサ極板に対して正電位にある。 静的なケースでは、コンデンサは交互にそれぞれ逆極性の電界を発生させる。 これらの電界は積層体の内部で、つまり中心管に沿って打ち消される。 ここでコンデンサ極板がその外周で短絡すると、各コンデンサ対の間で電磁衝撃波が半径方向内側へと伝播する。 各対の一方のコンデンサでは中心に向かう衝撃波の伝播速度がより速いため、このコンデンサ内での衝撃波面は、他方のコンデンサ内の衝撃波面がまだ中心管に到達せずに内部に向かう途中である時点にすでに中心管に達する。 このため、ある特定の時間にわたって積層体の中心に管に沿って電位を生じさせる電磁界の配位が生じる。 コンデンサ対により生じる電位は理想的にはコンデンサ極板の充電電位の２倍であり、遅い方の衝撃波が中心管に達するまで存続する。 この中心は荷電粒子を管に沿って加速するために利用することができる。 衝撃波は遅延線の出口（この場合は、内側管）で反射される。 これらの反射も伝播時間の違いに応じて異なる時点に起きる。

Caporaso, GJ et al. "High Gradient Induction Accelerator", Particle Accelerator Conference, June 25-29, 2007では、とりわけ、ディスク状に形成された遅延線において、半径に応じて誘電率を変化させることにより、遅延線がディスク状に形成されている場合の特性インピーダンスを一定に保つという可能性にふれている。

Humphries, S, "Principles of Charged Particle Acceleration", ISBN 0-471-87878-2のpp.317ff.には、半径に従って電極板間の距離を大きくすることにより、均質な誘電体を使用しつつ、半径方向におけるインピーダンスを一定に保つことができることが開示されている。

WO 2008/051358には、中心に向かって内側にビーム管へと延びるストリップ状の遅延線の種々の実施形態、とりわけブルームラインモジュールが開示されている。 ここでは、ストリップ状のブルームラインモジュールは弓なりの輪郭を有するものであってよい。

Caporaso, GJ, "High Gradient Induction Cell", Proceedings of the Workshop on Accelerator Driven High Energy Density Physics, October 26-29, 2004, Lawrence Berkeley National LaboratoryおよびNelson, SD, Poole, BR, "Electromagnetic Simulations of Dielectric Wall Accelerator Structures for Electron Beam Acceleration", Particle Accelerator Conference, 2005, PAC 2005, Proceedings of the, 16-20 May 2005, 2550-2552４にも、平らな直線ストリップ状の遅延線を有するブルームラインモジュールの構造が記載されている。

本発明の課題は、簡単な構造で荷電粒子の効率的な加速を可能にする加速器を提供することである。

この課題は請求項１に係る加速器によって解決される。 有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

荷電粒子を加速する本発明の加速器はビーム軌道に向かって延びる複数の遅延線を含んでおり、これら複数の遅延線はビーム軌道の方向に次々に続けて配置されている。 遅延線のうちの少なくともいくつかはビーム軌道に関して互いに回転された位置にある。 ここで、回転軸はビーム軌道である。

これは、ビーム軌道の方向から見て、遅延線の射影が合同に重なり合わず、捩れているということを意味する。 射影は完全には重なり合わず、部分的にしか交差しない。 遅延線がビーム軌道に向かって延びているため、遅延線に入射した電磁波はビーム軌道に向かって伝播することも、反射して再び戻ることもできる。 遅延線はビーム軌道が延びる方向に連続的に配置されている。 例えば、遅延線をビーム軌道に沿って順に積み上げてもよい。

本発明は、ディスク状に形成した遅延線は電磁界の空間的な伝播に有利であるという考察に基づいている。 環状に内側に向かって入射する衝撃波の場合、磁束は中心にあるビーム管に巻き付くしかない。 というのも、実際、他に漂遊磁界が戻るスペースがないからである。 それゆえ、ほぼ全磁束が加速に使用できる電位を生じさせる。

しかし同時に、ディスク状の遅延線では、電磁衝撃波が歪みがなく伝播するのに必要な一定の特性インピーダンスを達成するのは困難であり、コストがかかることも分かった。

２つのコンデンサが例えば均質な誘電体で満たされており、半径に依存しない厚さを有している場合、半径方向の所望の衝撃波伝播はたしかに不可能である。 つまり、変位電流密度は誘電体の放電によりもたらされる。 半径が小さい場合、衝撃波面の断面が小さいので、放電電流はプレートに沿って一定に保つことができない。

ディスク状遅延線の幾何学的な太さが一定の場合、ディスク状に形成された遅延線の特性インピーダンスを一定に保ち、衝撃波の伝播を可能にするためには、半径方向に不均質な誘電体を使用しなければならない。 しかしそうすると、誘電率が半径方向に可変になるという問題が生じる。 さらに、この種の遅延線では、誘電体のエネルギー蓄積能力は中心ビーム管の近傍でしか完全に発揮されない。 半径が大きくなれば、単位体積当たりの誘電率、ひいてはエネルギー蓄積能力を人為的に下げなければならない。

これに対して、半径方向に誘電率が一定の別の解決手段の場合、遅延線の太さは半径に従って線形に外側に向かって増大し、コンパクトな加速器デザインとは相容れない。 この種の構成で達成される積層体の厚さは比較的小さいが、ビーム軌道近傍の内稜線における加速距離によってではなく、外稜線における高さによって決まる。

さらに本発明の基礎となる考察によれば、直線的なストリップ状の遅延線はたしかに製造が簡単で、不均質な誘電体の場合でも、広範囲にわたって一定の有利な特性インピーダンスを有するが、動作時に電磁界の最適でない空間的配位が生じてしまう。 入射した波は動作時に磁束を発生させるが、この磁束は遅延線から横方向に流出し、好ましくは中心ビーム管にではなく、直接遅延線に巻き付く。 それゆえ、発生した磁束の一部しか荷電粒子の加速に使用することができない。

磁束の案内を磁心により行う解決手段では、磁性材料が極端に急速に飽和するため、または所要断面積が大きいため、往々にして実現不可能または実現が非常に難しい。

本発明による加速器では遅延線が互いに回転配置されているため、遅延線から横方向に流出し遅延線に巻き付く磁束の一部が部分的に別の遅延線に入射する。 なお、この別の遅延線はこのために回転配置されている。 これにより、遅延線がディスク状に形成されている場合の磁束の有利な配位に近い磁束の配位が形成され、磁束の大部分は中心に配置されたビーム管に巻き付く。 これにより、全体として、磁束の大部分がビーム管内の粒子の加速に使用できる。

通常、遅延線はブルームラインモジュール内に配置されている。 なお、ブルームラインモジュールは速い遅延線と遅い遅延線からなる対を含んでいる。 この場合、加速器においてブルームラインモジュールの少なくとも一部はビーム軌道を中心として互いに回転配置されている。

例えば、この種のブルームラインモジュールは、共通する１つの中央電極と２つの外側電極を含んだコンデンサ対により実現することができる。 中央電極と外側電極の間にはそれぞれ１つの誘電体がある。 これにより個々の遅延線からなる２重層が形成される。 なお、個々の遅延線は、誘電体の選択と幾何学的寸法とにより、例えば１：３の比の遅延時間を有するようにすることができる。

特に、遅延線はストリップ状に形成されていてよい。 この場合、遅延線または遅延線の射影はビーム軌道の方向に実質的に縦長の長方形の形状を有しており、この縦長の長方形は実質的にビーム管直径の８倍未満、特にビーム管直径の４倍未満、特に最大でもビーム管直径の２倍未満の一定の幅を有する。

その結果、ストリップ状に形成された遅延線が得られる。 縦長のストリップはWO 2008/051358 A1の場合のようにストリップ平面内に弓なりの輪郭を有するものであってもよいし、ビーム軌道に向かって先細りするものであってもよい。 ストリップ状に形成された遅延線は実質的に一定の高さと実質的に一定の幅を有する。

有利な実施形態では、一部の遅延線が互いに交差している。 これが可能なのは、ビーム軌道からの距離が増大するにつれて遅延線を隙間に配置できるように遅延線を互いに回転配置しているからである。 こうして遅延線の上下の交差が可能である。 これはコンパクトな構造においてまたは遅延線の接続の際にも有利である。

特に、一部の遅延線は半径方向外向きに高さが低くなっていく形状を有するように互いに交差している。 この形状は、とりわけ、半径方向外側に向かって高さが低くなる、ビーム軌道を中心として回転対称な包絡面の内部に配置できるような形状とすることができる。 包絡面は特にビーム軌道を軸として双曲線を回転させることにより形成することができる。

これらの実施形態は、半径方向内側に向かう電磁波の問題をエネルギー密度分布の観点から見た考察に基づいている。 関係式ｗ＝ε _r ε _o Ｅ ² （ε _r …比誘電率、ε _o …自由空間の誘電率、Ｅ…電界の強さ）から、エネルギー密度分布ｗが一定ならば、誘電率ε _rと電界の強さＥがともに一定の場合、半径素ｄＲ当たりの誘電体の質量も同様に一定にとどまることが導かれる。 これは、誘電体の厚さＤと半径方向距離Ｒとの間に反比例の関係Ｄ〜１／Ｒが存在することを意味している。

遅延線の交差と、交差した遅延線の、半径方向外側に向かって高さが低くなる幾何学的形状とにより、上記の理想的な関係は少なくとも近似的に満たされる。 さらに、半径の増大に伴い交差が大きくなることで、磁界の強さＢの磁界容積と電界の強さＥの電界容積とをほぼ同じ大きさにすることができる。 このことが最終的に加速電位の改善または最大化をもたらす。
さらに、環状電極を介して遅延線を互いに接続してもよい。 遅延線は互いに回転配置されているので、これは特に有利である。

特に、一部の遅延線の外端がほぼ同じ平面内にある交差した遅延線では、このような環状電極は接続の手間が簡単である。

以下では、従属請求項に記載されている特徴を備えた本発明の有利な実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。 ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されない。

ビーム軌道に向かって半径方向内側にまっすぐ延びる２重構造を有するブルームラインモジュールの縦断面を示す。

互いに回転配置された８つのストリップ状に形成されたブルームラインモジュールの上面図を示す。

互いに交差した８つのストリップ状に形成されたブルームラインモジュールの透視図を示す。

図３のブルームラインモジュールの詳細図を示す。

ビーム管に沿った双曲線状の包絡線を示す。

図１には、ブルームラインモジュール１１の構造がブルームラインモジュール１１の一部の縦断面により概略的に示されている。 誘導加速器はこの種のブルームラインモジュールから形成されている。 ブルームラインモジュールによりビーム軌道３５に沿って加速電位が形成される。 加速器は通常この種のブルームラインモジュールを多数有している。 これらのブルームラインモジュールは通常層状に配置されている。
ブルームラインモジュール１１は速い遅延線１５と遅い遅延線１３とを含んでいる。 両方の遅延線１３，１５はコンデンサとして形成されている。 ここで、速い遅延線１５のコンデンサは第１の誘電率ε ₁の第１の誘電体を有しており、遅い遅延線のコンデンサは第２の誘電率ε ₂の第２の誘電体を有している。 コンデンサの高さと誘電体の誘電率は、速い遅延線１５内で電磁波が遅い遅延線１３内でよりも明らかに速く伝播するように選ばれている。 このことは細い矢印２９と太い矢印２７によって記号的に示されている。 特に有利な高さ比は誘電率の比ε ₁ ：ε ₂が１：９のときに得られる

２つの外側コンデンサ極板２３、すなわち外側電極はアースされているが、中央コンデンサ極板２５または中央電極は回路に応じて所定の電位に置かれる。 このために、遅延線１３，１５の入力側１９には、中央コンデンサ極板２５を所定の電位に置く回路装置２１がある。 中央電極と外側電極が短絡すると、入力側１９から出力側１７に向かって半径方向内側に伝播する電磁衝撃波が発生する。 出力側１７には真空絶縁体３３によってブルームラインモジュール１１から絶縁されたビーム管３１がある。 電磁波の伝搬時間が異なるため、ビーム管３３の中にはある一定の期間にわたって電位が生じ、この電位が荷電粒子をビーム軌道３５に沿って加速するために利用される。

図２には、ストリップ状に形成された８つのブルームラインモジュール１１の上面図が示されている。 ブルームラインモジュール１１はビーム管３１に沿って積層されて配置されている。 ビーム管３１はストリップ状に形成された各ブルームラインモジュール１１の中心を通る。 ブルームラインモジュール１１は図の紙面に垂直なビーム軌道３５を回転軸として互いに回転配置されている。 ブルームラインモジュール１１のビーム軌道３５方向への射影は捩れにより重なり合っていない。

ブルームラインモジュール１１のうちの１つにおいて、半径方向内側に向かう２つの矢印３７はブルームラインモジュール１１の入力側１７に入射する電磁波の伝播方向を示している。 電磁波はビーム管３１に向かって伝播する。 これにより生じる電磁界の配位は、少なくとも部分的に、ビーム管３１の周りを走る時間的に変化する磁束を発生させる。 この時間的に変化する磁束がビーム管３１の内部でビーム軌道３５に沿って加速電位を生じさせる。

ブルームラインモジュール１１内を伝播する電磁波により生じた磁束は、個々のブルームラインモジュール１から特に横方向に流出する。 このことは点線矢印３９で表されている。 ブルームラインモジュール１１が互いに回転配置されているため、横方向に流出したこの磁束は部分的に他のブルームラインモジュール１１に流入し、それによりビーム管３１に巻き付くように案内される。

ブルームラインモジュール１１の回転がなければ、いまビーム管３１に巻き付くように案内されているこの磁束の一部は、ストリップ状に形成されたブルームラインモジュール１１の長手方向、すなわち電磁波の伝播方向に巻き付くように案内されることになる。 したがって、磁束のこの一部は加速電位に寄与しないことになる。 ブルームラインモジュール１１が互いに回転配置されていることで、生じる加速電位は上昇する。 これは発生した磁束がますますビーム管３１の周りに案内されるからである。

ブルームラインモジュール１１を接続するために、電磁衝撃波をブルームラインモジュール１１に入射させる環状電極４１を設けてもよい。

図３には、ストリップ状に形成されたブルームラインモジュール１１の透視図が示されている。 この透視図では、ブルームラインモジュール１１が互いに交差していることがはっきりと見て取れる。 遅延線を交差させるために、ストリップ状に形成された遅延線はもはや平面内にはなく、曲げられている。 図４には、積層体の一番上の遅延線の拡大図が示されている。 この図からは、中央電極２５と２つの外側電極２３を備えた層状の構造が見て取れる。

ブルームラインモジュール１１はビーム管３１に沿って、つまり層状に、ビーム管３１の周りに配置されているが、周は半径が大きくなるにつれて成長するので、半径が大きくなるにつれて、ブルームラインモジュール１１を並置するために使用できるスペースが多くなる。

並べて配置された交差した遅延線は平面内に配置された環状電極を介して非常に簡単に接続することが可能である。

図５には、ビーム管３１の周りに配置された包絡面４３が示されている。 包絡面４３の高さｈは半径Ｒの増大につれて双曲線状に低くなる。 見やすいように、包絡面４３とビーム管３１は断面で示されている。 図３に示されているストリップ状に形成された互いに交差する遅延線は、これら遅延線が包絡面４３の内部に存在するように、包絡面４３の内部に配置することができる。 これにより上記の利点が達成される。 高い加速電位を発生させることができるように、図３に示されているストリップ状に形成された互いに交差した遅延線のグループをビーム管に沿って繰り返し配置してもよい。