A method of operating the accelerator, and the accelerator

本発明は、少なくとも二つの高周波共鳴器を備え、荷電粒子を加速させるのに用いられる加速器、及びこのような加速器を作動させる方法に関する。 このような加速器は、多様な分野において使用される。 このような加速器は、特に、ターゲットボリュームに向けて荷電粒子を加速させて、ターゲットボリュームの定められた領域に放射線量を付与する照射方法においても使用可能である。

荷電粒子を加速させるための多数の異なる加速器構造が存在している。 加速器の具体的なタイプの一つでは、荷電粒子のビームが、高周波共鳴器と称されるものを通過する。 高周波共鳴器内に励起されて粒子ビームに作用してそれに対して調整される電磁高周波場によって、粒子は、高周波共鳴器を通過する際に、加速される。

非特許文献１には、高周波振幅及び高周波位相を互いに独立的に設定可能な１０個の高周波共鳴器の端部に配置された線形加速器が開示されている。

本発明の課題は、異なるタイプの荷電粒子の効率的で柔軟な加速を可能にする加速器を提供することである。 更に、本発明の課題は、そのような加速器を作動させる方法を提供することである。

その課題は、独立項の特徴によって達成される。 有利な実施形態を、従属項の特徴にまとめることができる。

荷電粒子を加速するための本発明に係る加速器は、
‐ ビーム伝播方向に連続的に配置されていて、複数の粒子バンチを備えたパルス列を加速させることができる少なくとも二つの高周波共鳴器と、
‐ 高周波共鳴器を作動させるための制御装置とを備え、パルス列の加速中に、制御装置が、高周波共鳴器内にそれぞれ生成可能な高周波場を互いに独立的に設定することができて、パルス列の加速中に、パルス列の複数の粒子バンチが異なって加速されるようにする。

本発明は、高周波共鳴器を有する従来の加速器において、複数の粒子パケット又は粒子バンチで構成されたパルス列が、実質的にすべての粒子バンチが同じように加速されるように加速されるという事実に基づいている。 これは多くの応用において有利であり、例えば、加速された粒子バンチが、シンクロトロン等の更なる加速器に供給される場合が挙げられる。 しかしながら、粒子バンチを異なって加速させて、加速後のパルス列の粒子が単一のエネルギーではなくて複数のエネルギーを有するようにする場合に、加速器に対して新たな使用機会が生じることがわかっている。 特に、異なるエネルギーの粒子バンチでターゲットボリュームを照射する場合、この方法においては、一回の放射線量で、大きな深度領域を非常に高速にカバーすることができる。

パルス列内の複数の粒子バンチの異なる加速は、パルス列の加速中に高周波加速器を個別に作動させることによって、達成される。 これは、高周波共鳴器内に結合される高周波場が個別に、つまり、その特性に対して互いに独立的に設定されることを意味する。 これは、結合構造を介して、高周波共鳴器内にそれぞれ別々に高周波出力を供給することによって達成され、別々に供給された高周波出力の特性は、個別に制御及び／又は設定される。

これは、従来のｎ‐ステージ加速器の高周波共鳴器（たった一つの高周波共鳴器が高周波トランスミッタによって励起され、他の高周波共鳴器は、例えば過結合用の粒子通路に対して貫通通路を用いることによって、又は特別な結合構造によって、高周波場の過結合に起因して共鳴する）に対する明確な利点を提供することがわかっている。 基本的に、定常波が、共鳴している高周波共鳴器におけるエネルギー輸送に対して縦方向に生じる。 このため、例えば、連続する高周波共鳴器のうち二つの間の各位相差は、１８０°／Ｎの整数倍のみであり、ここで、Ｎは、連続して結合された高周波共鳴器の数である。 これは、使用される粒子のタイプ及び設定される最終エネルギーの選択に対する顕著な制限を意味する。 更に、特に高周波共鳴器は送信電力に対する要求のために非常に高い共鳴Ｑ因子を有するので、このような加速器は、所望の振動モードおよびバランスのとれた振幅分布（振幅が、供給共鳴器からの距離に対する補正処理なしで指数関数的に減少する）を得るのが非常に難しいという欠点を有する。 例えば、個々の振動モードが、互いに非常に近い共鳴振動数を有し得て、その結果として、所望の振動モードを設定及び安定化させることが難しい。 エネルギーは、近くの他のものに流れ得て、使用不能な共鳴モードとなることが多い。

しかしながら、これらの問題の多くは、本発明に係る加速器によって回避可能である。 本加速器は、高周波場を各高周波共鳴器に結合させて、その加速部分を別々に設定することができる。 結果として、各高周波共鳴器を、通過する粒子パケットに対して、最適に調整及び設定することができる。 各粒子パケットに対して、高周波共鳴器間の高周波場のエネルギー伝播を考慮することなく、可能な最良の効果を得ることができる。

高周波共鳴器毎のエネルギー伝播を考慮する必要がないので、本加速器は、非常に柔軟に作動可能である。 粒子の加速に対して悪影響を有する多様な効果に対して、より簡単にバランスをとることができる。 例えば、電源の過渡応答及び／又は電圧降下に起因するパルスの垂下、つまりパルス列中の高周波振幅の増減を、補償することができる。 縦方向安定性、つまり粒子パケット長に対する有効電場の制御を、より簡単に得ることができる。

更に、粒子の達成される最終エネルギーの選択は非常に柔軟なものである。 例えば、粒子エネルギーは、一以上の高周波共鳴器における位相位置を変化させることによって、特に高周波振幅に対して独立に設定可能である。

結果としての他の重要な効果は、高周波出力が一か所に供給されるのではなくて、個々の高周波共鳴器内に分布されて、結合構造における出力密度の減少がもたらされることである。 全体的に、このようにして、加速器内におけるより高い全体的な高周波出力、従ってより高い加速高周波場への結合が可能である。 例えば、より小型の設計を同じ出力で得ることができる。

一実施形態では、これは、パルス列の加速中に、高周波場を特徴付ける変数を高周波共鳴器のうち一つ以上に対して変更するように制御装置を構成することによって、達成可能である。 例えば、パルス列の加速中に、高周波場の高周波振幅、高周波場の高周波振動数、若しくは高周波場の高周波位相、又はこれら三つの変数の所望の組み合わせを変更することができる。 これは、パルス列の加速中に行われるので、パルス列の個々の粒子バンチは、変数が変更されている高周波共鳴器を通過する時に、それぞれ異なって加速される。

上述の実施形態に対して代わりに又は追加的に実施可能な他の実施形態では、異なる加速を、パルス列の加速中において少なくとも二つの高周波共鳴器のうち二つの間の相対的な高周波振幅の相対的な高周波位相を時間に対して変更する制御装置によって、達成することができる。 本実施形態では、相対的な高周波位相の変化を達成するために、加速中に高周波場を特徴付ける変数を変更することは必ずしも必要ではない。 例えば、異なる高周波振動数を有する高周波場を、二つの高周波共鳴器内に誘起することができる。 しかしながら、異なる振動数に起因して、これら二つの高周波共鳴器の高周波場の間の位相差が、時間に対して変化するものとして生じる。 結果として、固定された振動数の差について、位相の変化は、時間に対して線形である。 しかしながら、パルス列の加速中に、各高周波場の設定は、一定のままであることができる。

個々の高周波共鳴器は、互いに電磁気的に分離される。 個々の高周波共鳴器の電磁気的分離は、多様な方法を用いて達成可能であり、例えば、厚い共鳴器壁、小さな開口を備えた長いドリフトチューブ、又は特定の高周波結合器の省略によって達成可能である。 大きく電磁気的に分離された高周波共鳴器にはそれぞれ、専用の高周波トランスミッタが備わる。 高周波トランスミッタ、従って高周波共鳴器は、個別の振動数、位相及び振幅で作動される。 従って、例えば、パルス列中の高周波共鳴器の相対的な位相及び振幅を変更することができるようになる。

特に、低い相対論的速度又はエネルギーに加速されるイオン等の荷電粒子用の加速器では、加速器は、二つよりも多くの高周波加速器を備え、その加速器は、非周期的な共鳴器構造を有する。 非周期性は、粒子速度が加速途中に顕著に増大するという事実に起因する。 これは、例えば、連続的に配置された高周波加速器が周期的構造を形成せず、その結果、例えば、二つの高周波共鳴器の間のそれぞれの距離が非周期的に変化することを意味する。

高周波共鳴器の間の高周波場の共鳴エネルギー伝播が生じる加速器と比較して、このような加速器は、個別に作動可能な高周波共鳴器を備えて比較的単純に実現可能である。 これは、前者の構造では、更なる境界条件に従うこと又は規定を課すことに対して小さな自由度しか許容しないからである。 これは、動作中の柔軟性を制限する。

本発明に係る方法では、ビーム伝播方向に連続的に配置された少なくとも二つの高周波共鳴器を有する荷電粒子を加速するための加速器を作動させて、複数の粒子バンチを備えたパルス列が加速される。 高周波共鳴器にそれぞれ生成可能な高周波場は、パルス列の加速中に互いに独立的に設定されて、パルス列の加速中において、パルス列の複数の粒子バンチが異なって加速されるようにする。

各ケースにおける特徴、動作モード及び利点に関する上記及び下記の説明は、特に断らない限り、装置カテゴリー及び方法カテゴリーの両方に関する。 本願で開示される個々の特徴は、示されている以外の他の組み合わせにおける本発明に対しても本質的であり得る。

従属項の特徴に係る有利な実施形態を備えた本発明の実施形態について、添付図面を参照して以下詳細に説明するが、これに限られるものではない。

複数の独立作動可能な高周波共鳴器を有する加速器構造の構成を示す。

パルス列の加速中の加速器の作動中に実施される方法ステップの概略図を示す。

図１は、加速器を大幅に図式化して示す。 図１は、根本的な原理を説明するために用いられ、明確性のため、大幅に単純化されている。

加速器１１は、複数の粒子バンチ１５を備えた荷電粒子のパルス列１３の加速に役立つ。 パルス列１３は、ソース（図示せず）によって提供される。 パルス列１３は、高周波共鳴器１７にガイドされて、そこで、粒子バンチ１５がそれぞれ加速される。 高周波共鳴器１７は、互いに電磁気的に分離されていて、互いに独立的に制御可能である。 このため、各高周波共鳴器１７に、高周波トランスミッタ１９が割り当てられ、その高周波トランスミッタ１９は、加速高周波場を発生させて、それを高周波共鳴器１７内に結合する。 高周波トランスミッタ１９は、制御ユニット２１によって制御される。

本願で図示される例では、高周波トランスミッタ１９、従って高周波共鳴器１７の作動において可能な最大の自由度が示されていて、つまり、各高周波トランスミッタ１９に対して、振幅Ａ _ｘ 、位相φ _ｘ 、及び振動数ν _ｘを独立的に制御可能である（ｘ＝１…３）。 更に、これらの変数Ａ _ｘ （ｔ）、φ _ｘ （ｔ）、及びν _ｘ （ｔ）は、時間に対して可変であり、つまり、パルス列１３の加速中に変更可能である。

しかしながら、このような実施形態は必ずしも必要ではない。 これらの変数のうちいくつかを、時間に対して一定に保つことも可能であり、また、必ずしも互いに独立的に設定されなければならないものではない。 例えば、振幅Ａ _ｘ （ｔ）＝Ａ及び振動数ν _ｘ （ｔ）＝νを一定に保ち、更にはすべての高周波共鳴器において同一に設定することができ、各粒子バンチ１５に対する異なる加速の結果を、高周波共鳴器１７のうち一つのみにおける時間変動位相φ _ｘ （ｔ）によって得ることができる。

更には、すべての変数が時間に対して一定に保たれる実施形態Ａ _ｘ （ｔ）＝Ａ、φ _ｘ ＝φ、ν（ｔ）＝νも可能である。 各粒子バンチ１５に対して異なる加速を得ることの結果も、高周波共鳴器１７のうち少なくとも二つの振動数ν _ｘを異なるように（例えばν _１ ≠ν _２ ）設定することによって、得ることができる。

加速器１１によって加速されたパルス列１３を、ターゲットボリューム２３に向けることができる。 均一エネルギーの粒子ビームと比較して、このように加速された粒子ビームは、より大きな深度領域においてターゲットボリューム２３に放射線量を付与することができる。 従って、ターゲットボリューム２３における異なる深度の照射を、非常に高速且つ効率的に達成することができて、例えば移動しているターゲットボリュームを照射する際に利点を提供する。

図２は、粒子の加速中における加速器を作動させる方法の一実施形態において実行可能な方法ステップのダイヤグラムを示す。

まず、複数の粒子バンチを備えたパルス列を利用可能にする。 パルス列を加速器ユニットにガイドする（ステップ３１）。

パルス列の加速中において、高周波共鳴器を、少なくとも二つの高周波共鳴器の場合において異なる高周波振動数が設定されるように制御する（ステップ３３）。 結果として、互いに対する高周波共鳴器の相対的な位相位置が、粒子の加速中に変化する。

代わりに及び／又は追加的に、高周波場を特徴付ける変数を、高周波共鳴器のうち少なくとも一つに対して加速中に、時間に対して変更することができる（ステップ３５）。

続いて、異なって加速された粒子バンチを備えた粒子列を、加速器から取り出して、ターゲットボリュームに向ける。 ターゲットボリュームを、パルス列及びその中に含まれる粒子バンチで照射する（ステップ３７）。

１１ 加速器 １３ パルス列 １５ 粒子バンチ １７ 高周波共鳴器 １９ 高周波トランスミッタ ２１ 制御ユニット ２３ ターゲットボリューム ３１ ステップ３１
３３ ステップ３３
３５ ステップ３５
３７ ステップ３７