荷電粒子を加速する加速器および加速器の作動方法

本発明は、荷電粒子を加速する加速器およびこのような加速器の作動方法に関する。 このような加速器は殊に医療技術、殊に放射療法において使用される。 ここでは、治療ビームを形成するために、荷電粒子、例えば電子、プロトンまたは他の荷電されたイオンを加速する必要がある。 荷電粒子は例えば、Ｘ線制動ビームを形成するために使用される、または直接的に目的対象物を照射するために使用される。

これに対して既知であるのは、いわゆる「誘電体壁加速器（英語でdielectric wall accelerator：誘電体壁を備えた加速器）」である。 これは省略してＤＷＡとも称される。 このような加速器は通常、コアの無い誘導粒子加速器であり、これは通常は多数の遅延線路を備えたパケットを有しており、その作動様式は、これらの遅延線路内の電磁波の異なる伝播時間をベースにしている。 遅延線路内での電磁信号の伝播の原則は例えばＵＳ２４６５８４０号（ADBlumlein著）に開示されている。

加速器では、多数の遅延線路ないしは伝播時間線路内に電流衝突が導入される。 遅延線路の幾何学形状的配置および、この電流衝突によって形成された電磁波によって、時間によって変化する磁界ないしは磁束の変化が生じる。 これは遅延線路の幾何学形状的な配置によって引き起こされ、ある箇所、例えば放射管内部で、加速させる電位差を形成する。 この電位差が、荷電粒子を加速するために使用される。

このような粒子加速器は例えば、ＵＳ５７５７１４６号から公知である。 遅延線路のパケットとしてここでは、ディスク状コンデンサ対の積層体が使用される。 コンデンサ対は、ここで２つのディスク状のプレートコンデンサから成る。 これらのプレートコンデンサの高さおよびこのコンデンサプレート間の誘電体は次のように選択される。 すなわち、このコンデンサ対の一方のコンデンサ内で、電磁的衝撃波が、他方のコンデンサにおけるよりも格段に迅速に伝播するように選択される。 このようなコンデンサ対は、ADBlumleinによって開示された遅延線路に依存して、非対称BlumleinまたはBlumleinモジュールとも称される。

ディスク状のコンデンサ対ないしBlumleinモジュールの積層体はここで、中心管の周りに配置される。 各第２のコンデンサプレートは、別のコンデンサプレートに対向して、正の電位にある。 静的状態ではコンデンサは交互に、それぞれ反対の電界を形成する。 これらの電界は、積層体内部で、すなわち中心管に沿って補償し合う。 ここでこれらのコンデンサプレートが外周で短絡されると、コンデンサプレート対の間で、電磁衝撃波が半径方向で内側へ伝播する。 各第２のコンデンサ内の、中心の方へ向かっている衝撃波の速い伝播速度によって、各第２のコンデンサ内の衝撃波面は中心管に、次のような時点で達する。 すなわち、他方のコンデンサ内の衝撃波面がまだ内方へ向かっている途中にあり、中心管にまだ達していない時点である。 これによって、ある程度の時間の間、管に沿った積層体の中心部において電位差を形成する電磁界の関係が生じる。 コンデンサ対によって形成されたこの電位差は、理想的な場合には、コンデンサプレートの充電電圧の２倍であり、遅い方の衝撃波が同じように中央管に達するまで長く存在している。 この時間期間が、荷電粒子を管に沿って加速するために使用される。 遅延線路の出力側で（この場合では内側管で）、この衝撃波が反射される。 これは、種々異なる伝播時間によって、種々異なる時点でも生じる。

Nunnally等著の文献「High electric field, high current packaging of Sic Photo-Switches」には、シリコンカーバイド半導体スイッチが開示されている。 このスイッチによって、光誘導放電に基づいて半導体内で、スイッチを迅速に閉成することができる。 さらに、この種のスイッチは高い電流強度を可能にし、開放状態において、このスイッチは高い電界を許容する。

本発明の課題は、効果的な作動を可能にし、かつ低コスト製造を可能にする加速器を提供することである。 さらに、本発明の課題は、低コストの加速器の効果的な作動を可能にする加速器の作動方法を提供することである。

上述の課題は、請求項１に記載された加速器によって、並びに請求項８に記載された加速器の作動方法によって解決される。 有利な発展形態は、従属請求項の特徴部分に記載されている。

荷電粒子を加速する本発明の加速器は、異なる遅延を伴った少なくとも２つの遅延線路を有している。 ここでこの少なくとも２つの遅延線路は入力側を有しており、ここに電磁波が導入される。 ここでこの波によって、加速させる電位差が出力側で形成される。 ここでは、加速器は誘導加速器である。 さらに、これらの遅延線路のこの入力側は、電磁波を反射させるために構成されている。 ここで、出力側での加速させる電位差は、少なくとも部分的に、入力側で反射された波によって形成される。

遅延線路内に導入された波は、遅延線路内を伝播し、遅延線路の終端で、出力側に衝突する。 この出力側で、波は反射され、再び入力側へと戻る。 ２つの遅延線路内の異なる遅延によって、同じ時間に一方の遅延線路内に導入された波が、他方の線路におけるよりも早期に反射される。 電磁波のこのような関係によって、出力側で、ある程度の時間にわたって、加速させる電位差が形成される。 これは、荷電粒子を加速するために使用される。

遅延線路とはここでは一般的に、その内部に入力側で電磁波が導入され、この電磁波が出力側の方に向かって伝播する構造体のことである。 殊に遅延線路はコンデンサ状の構造を有しており、複数のコンデンサプレートを備え、これらのコンデンサプレートの間に誘電体が配置されている。 このコンデンサ状の構造体は例えばディスク状の構造、または別の構造を有している。 これは例えば、縦長の矩形、螺旋状に巻かれた縦長の構造等である。 通常は、加速器は多数の遅延線路を有しており、これによって、種々異なる遅延を用いて加速電位差が形成される。

本発明では、出力側で反射された波が、入力側でも反射されることが利用される。 入力側で再度反射された波はここで、少なくとも部分的に、加速させる電位差に寄与する。 従って、導入された電磁波は、出力側でも入力側でも多数回反射され、これによって周期的に電位差に寄与する。

本発明の基となる考えは、入力側での反射を利用することによって、多数の利点が得られるということである。 殊に、加速器が数百ＭＶ、例えば２００ＭＶの大きい総電位差を供給するべき場合に、多数の利点が得られる。 例えば加速器が２０００個の個別遅延線路の導体積層体を有している場合、遅延線路あたり、１００ｋＶの電位差が必要である。 例えば１０オームの電磁界波インピーダンスの場合には、入力側に１０ｋＡの電流が接続されなければならない。 すなわち、２ＴＷ（＝２００ＭＶ ^* １０ｋＡ）の瞬間出力である。 これに加えて、スイッチング時間は、例えば１０ｎｓである伝播時間線路の遅延時間よりも格段に短くなければならない。 スイッチに対するこのような要求は、実現可能なコストを伴い、例えばコストのかかるシリコンカーバイド半導体スイッチによってのみ満たされる。 このスイッチは、Nunnally等著の文献から公知である。

このようなスイッチは、これがトリガーされて閉成されるという利点を有しているが、すぐに再び開放することはできない。 開放は、長い電流零通過後にはじめて可能になる。 しかし、加速器の場合、このことは次のことを意味している。 すなわち、遅延線路内に蓄積される全エネルギー（上述のモデル計算の場合には１０ｋＪを上回る）が一度だけ、すなわち数ナノ秒の間、加速に用いられ、コントロールできずに、回避することのできない損失抵抗になって全滅する、ということを意味している。 高いエネルギー消費は、迅速なパルス反復の妨げとなる。

ここでは、入力側でも反射された波が、電位差を形成するために使用されるので、遅延線路内に導入され、蓄積されたエネルギーの広範囲の取得が可能になる。 従って、ここでは１秒あたりより多くのパルスが形成される。 さらに、電磁波を導入するためのスイッチングパワーへの要求が格段に低減される。 なぜなら、−上述のモデル計算の例を使用するために−、１００ｋＶの代わりに、例えばたった１ｋＶが接続されればよい。 しかしこのようなスイッチングパワーは、通常の、低コストのトランジスタによっても実現される。 これは迅速にオンオフされる。 これによって、波を所期のように入力側で反射させることが可能になる。 従ってもはや、パルスパワーが入力側で失われることはない。

殊に遅延線路は次のように構成される。 すなわち、遅延線路が出力側で終端を有しており、この終端が、入力側での遅延線路の終端よりも高い抵抗を有しているように構成される。 例えば、遅延線路は出力側で開放されているまたは高抵抗であり、入力側には低抵抗の終端が設けられている。

入力側には、波を導入するための回路装置が設けられる。 この回路装置は周期的にスイッチングされる。 ここでこの回路の制御は、制御装置によって行われる。 回路装置がスイッチングされる周期は、遅延線路の伝播時間に合うように調整される。 これによって、入力側で波が反射され、同時に適切な時点でエネルギーが遅延線路内に供給される。 回路装置はこのための切換スイッチ、例えば低抵抗の切換スイッチを有しており、この切換スイッチは、容易に、トランジスタによって実現される。

殊にこの回路装置は、供給電圧を有する電磁波を導入するように構成されている。 ここで電磁波は、遅延線路の共振充電によって形成された供給電圧よりも大きい電圧振幅を有している。 これによって比較的小さい供給電圧によって、最終的に、供給電圧の何倍にもなり、大きい加速電位差を得ることを可能にする電圧振幅が形成される。

上述の計算例にとどまるために、供給電圧は例えば１ｋＶであり、次第に、共振充電によって、１００ｋＶの波が形成される。 従って加速器はまずは充電フェーズにおいて作動される。 ここでは、必要なエネルギーを備えた波が次第に形成される。 この充電フェーズの最後に、回路装置は、１０ｋＡ（＝１００ｋＶ／１０ｏｈｍ）の完全な電流をスイッチングしなければならないが、電圧は１ｋＶである。 充電フェーズの最後に、すなわち、所望の振幅を備えた波が線路内に印加された後に、供給電圧が低減されて、波振幅はこれ以上高くなることはない。 究極の場合には入力側は容易に短絡される。 望まれている場合には、粒子の加速が行われた後で、衝撃波エネルギーをネットワーク機器内にフィードバック供給することによって電圧が低減される。 択一的に、単に衝撃波振動を次第に消すこともできる。

加速器は通常は粒子源を有している。 これはパルス状の作動モードで作動される。 従って、加速器が（場合によっては荷電フェーズを実行した後に）適切な電気的加速電位差を周期的に有している場合には常に、粒子源から粒子パケットが放出および供給される。

本発明の方法では、入力側を備えた少なくとも２つの遅延線路を有している加速器が作動される。 この遅延線路内に、電磁波が、加速電位差を形成するために導入される。 加速器はここで次のように作動される。 すなわち、遅延線路内に導入された電磁波が入力側で反射され、加速電位差が少なくとも部分的に、入力側で反射されたこの波によって形成されるように作動される。 このようにして、入力側で反射された波を使用して加速器が、「準周期的な」作動様式で作動される。

加速器に関して説明された構成は、本発明による方法の構成の際にも考慮される。

従属請求項の特徴部分に記載された有利な発展形態を有する本発明の実施形態を、以下の図面に基づいて詳細に説明する。 しかし、本願発明はこれに限定されるものではない。

コンデンサとして構成されている、異なる遅延を有する遅延線路を備えた誘導加速器

電位差関係をシミュレーションするために使用される仮想回路の回路図

早い伝播時間線路によって形成された電位差の時間的経過特性

遅い伝播時間線路によって形成された電位差の時間的経過特性

加速総電位差の時間的な経過特性

図１は、誘導加速器１１の構造を概略的に示している。 加速器１１の重要なコンポーネントは、Blumleinモジュール３９である。 このBlumleinモジュールによって、加速電位差が加速方向３１に沿って形成される。 加速器１１は多数のこのようなBlumleinモジュール３９を有している。 ここでは分かりやすくするために、Blumleinモジュールが１つだけ概略的に示されている。

Blumleinモジュール３９はここで、速い遅延線路１５と遅い遅延線路１３とを有している。 ２つの遅延線路１５、１３はコンデンサとして構成されている。 ここで速い遅延線路１５のコンデンサは第１の誘電率ε１を備えた第１の誘電体を有しており、遅い遅延線路のコンデンサは第２の誘電率ε２を備えた第２の誘電体を有している。 コンデンサプレートは例えば、ディスク３３の様式で構成されているが、他の幾何学的形状も可能である。 コンデンサの高さおよび誘電率はここで次のように選択されている。 すなわち、速い遅延線路１５における電磁波が、遅い遅延線路１３内よりも格段に迅速に伝播するように選択されている。 これは細い矢印２９ないしは太い矢印２７によって記号で示されている。 特に有利な高さ比は、１：√３の比によって表される。 誘電率の比ε１：ε２は１：９である。 このようなパラメータによって、インピーダンスは最大になる。 これは、スイッチングに必要な電流を最小にする。 ２つの遅延線路１３、１５内の電磁波の伝播時間の比は例えば、１：３である。

この２つの外側のコンデンサプレート２３はアースされており、中央のコンデンサプレート２５はスイッチングに応じてある電位にセットされる。 このために、遅延線路１３、１５の入力側１９（すなわちここでは外周）に回路装置２１が配置される。 この回路装置は、低抵抗の切換スイッチを含んでおり、これによって中央のコンデンサプレート２５に、１ｋＶの供給電圧が供給される。 例えば始めに、中央コンデンサプレート２５の電位差が外周で１ｋＶにセットされる場合、この衝撃波は電磁衝撃波を形成する。 これは、入力側１９から半径方向で内部へ、出力側１７の方向へ伝播する。 出力側１７（すなわちここでは内周）でこの衝撃波が反射され、再び、入力側１９の方へ戻る。 回路装置２１はここで次のように周期的にスイッチングされる。 すなわち、戻ってくる衝撃波が入力側１９で再び反射され、半径方向で内側へ伝播するようにスイッチングされる。 このような回路装置２１によって次第に、別の衝撃波が遅延線路１３，１５内に導入される。 これらの衝撃波はあちこちへ反射された衝撃波と重なり、加速方向３１に沿って、周期的に加速電位差が形成される。

ここでは、遅延線路１３、１５の異なる伝播時間が利用される。 適切な回路の場合には、遅延線路１３、１５内の衝撃波が共振充電される。 従って、次第に、比較的強い電位差が生じる。 後で、図２〜図５に基づいてこのことをより詳細に説明する。

さらに誘導加速器１１は、粒子源３５を有している。 ここでこの粒子源はパルス状に作動され、これによって粒子パケット３７が放射される。 ここで放射時点は次のように選択される。 すなわち、加速電位差が加速装置３１内にある場合には常に、粒子パケット３７が加速器内に入るように選択される。

図２は、回路装置５１を示している。 これによって、加速電位差の形成がシミュレートされる。 第１の伝播時間線路はＬｉｎｅ１の参照符号を有し、Ｌ＝１０００ｍｍの電気的な伝播時間長を有している。 これは３．３ｎｓに相当する。 第２の伝播時間線路はＬｉｎｅ２の参照符号を有し、Ｌ＝３０００ｍｍの電気的な伝播時間長を有している。 これは１０ｎｓに相当する。 これによって、１：３の伝播時間比が形成される。 伝播時間線路は例えばそれぞれＺ＝２０Ｏｈｍのインピーダンスを有している。

入力側ではこれらの伝播時間線路に、Ｕ＝１ｋＶの供給電圧を有する矩形の交流電圧Ｖ１が印加される。 スイッチは次のように作動される。 すなわち、これが中央コンデンサプレートを交互にそれぞれＴＫ＝ＴＬ＝２０ｎｓの間、正の電位と負の電位（例えば１ｋＶとアース）に接続するように作動される。 従って完全なスイッチングサイクルは４０ｎｓまたは２５ＭＨｚ継続する。

第１の伝播時間線路の出力側では、導入された衝撃波によって形成された電位差（Ｐｒ２）が検出される。 同じように、第２の伝播時間線路の出力側では、形成された電位差（Ｐｒ４）が検出される。 ２つの電位差（Ｐｒ５）の差が測定される。 ここでこの差の形成によって、図１に示されたようなBlumleinモジュール内のコンデンサプレートの異なる極性が考慮される。 これによって、２つの電位差の重畳がシミュレーションされる。

図３は第１の伝播時間線路の出力側で形成された電位差（Ｐｒ２）の時間的経過特性をＶｏｌｔで示しており、図４は第２の伝播時間線路の出力側で形成された電位差（Ｐｒ４）の時間的経過特性を示している。 １：３の伝播時間比によって、第１の伝播時間線路の出力側には、第２の伝播時間線路の出力側に比べて、３倍の頻度で電位差変化が生じる。 伝播時間線路内に入力された電磁波はここで出力側でも入力側でも常にあちこちへ反射される。

２つの伝播時間線路の入力側には、周期性を有する矩形の交流電圧Ｖ１が印加される。 この周期性は、遅いほうの伝播時間線路内の電磁波の伝播時間に相当する。

図３および図４において、伝播時間線路内にある電磁波の電圧振幅が明確にわかる。 この電圧振幅は、時間とともに強くなる。 すなわち共振充電される。

図５は、２つの電位差の重畳（Ｐｒ５）をＶｏｌｔで示している。 ２つの電位差が重なり、結果として生じる電位差が正である場合には常に、この電位差は、粒子パケットを加速するために使用される。 図５では、このような時点が幾つかの矢印によって記されている。 通常はこれは、電位差に入る粒子パケットを所望のように加速するのに十分な程度に、形成された電位差が高くなるまで、ある程度の充電フェーズを必要とする。