シート状ビームクライストロンにおける多重出力空洞
ＲＦ生成器が、入力部分と出力部分、さらに前記入力部分と前記出力部分との間に伸長する開口部を有する構造物を含んで成り、出力部分は第１の空洞および第２の空洞を有し、前記第１および第２の空洞は互いに電磁気的に結合しないように互いに離されている。ＲＦエネルギーを与える方法が、電子ビームを受け入れる工程と、前記電子ビームを使用して生成される第１のＲＦエネルギーを、第１の空洞を通して与える行程と、前記電子ビームを使用して生成される第２のＲＦエネルギーを、第２の空洞を通して与える行程と、を含み、前記第１および第２の空洞が、互いに電磁気的に連結されないように、互いに離れている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にクライストロンといった高周波（ＲＦ）源に関し、特にシート状ビームを生成するクライストロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
クライストロンは、直流（ＤＣ）電子ビームの運動エネルギーを高周波（ＲＦ）エネルギーに変換する装置である。クライストロンは広範囲に利用されている。たとえば、クライストロンは、電子加速器といった粒子加速器にＲＦエネルギーを与えて、加速器に所望の特徴をもつ粒子ビームを生成させるように使用することができる。例として、粒子ビームは治療または診断目的に、放射線ビームを生成するための使用することができる。クライストロンはまた、スーパーへテロダインレーダー受信機のための基準信号を生成するため、通信のための高出力搬送を生成するために、使用することもできる。
【０００３】
クライストロンは、電子銃、電子ビームが伝播する二つまたはそれ以上の共振空洞、および使用済み電子ビームを捕捉し、生じた熱を消散するコレクターを含むことができる。単純なクライストロンは、二つの空洞、すなわち入力空洞および出力空洞を有する。入力空洞では、マイクロ波エネルギーが空洞共振を生じさせる。ビームトンネル内で生成された電場はＤＣ電子ビームを変調する。ＲＦ波の二分の一周期で、電子は共振器の電場からエネルギーを失い、減速する。つぎのＲＦ波の二分の一周期で、電子はエネルギーを得て、加速する。速度の変化は僅かであるが、ビームエネルギーにおける正弦曲的な変化により、電子は集群し、正弦曲線的に変化するＲＦ電子ビーム流が形成される。
【０００４】
クライストロンの出力空洞は、ＲＦ電流が所望の値、たとえば最大値に達するビーム経路のそった位置に位置づけられてもよい。電子の集群が出力空洞を通過するとき、電子の集群は空洞壁の表面上に電流を誘導し、順に出力空洞に共振モードを形成する。共振モードは電子の集群を減速し、電子ビームの運動エネルギーをＲＦエネルギーに変換する電場を形成する。ＲＦエネルギーはそして共振器の出力空洞から離れる。ある例では、付加的な共振空洞が、クライストロンの利得を増加させ、または装置の周波数応答および帯域を変更するために、入力空洞と出力空洞との間に配置してもよい。
【０００５】
励起したクライストロンは円形断面をもつ円筒状電子ビームを形成するが、その電子ビームは、円筒状のビームトンネルを伝播し、回転形状の共振空洞と相互作用をする。しかし、発明者は、細長い断面をもつ電子ビームを生成するクライストロンを得ることが望ましいと判断した。さらに、発明者は互いに結合していない一つ以上の出力空洞をクライストロンに与えることが望ましいと判断した。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施例にしたがって、ＲＦ発生器が、入力部分、出力部分、および入力部分と出力部分との間に伸長する開口部を含む構造物を含み、ここで出力部分は第一の空洞および第二の空洞を有し、第一および第二の空洞は、それら空洞が互いに電磁気的に結合しないように、互いに離れる。
【０００７】
本発明の他の実施例にしたがって、ＲＦエネルギーを与える方法が、電子ビームを受け取る工程、第一の空洞を通して第一のＲＦエネルギーを与える工程（ここで、第一のＲＦエネルギーは電子ビームを使用して発生される）、および第二の空洞を通して第二のＲＦエネルギーを与える工程（ここで第二のＲＦエネルギーは電子ビームを使用して発生され、第一の空洞および第二の空洞は、それら空洞が互いに電磁気的に結合しないように互いに離れている）を含む。
【０００８】
他の、およびさらに他の態様および特徴は、本発明を説明することを意図するものであるがこれに限定することを意図しない、以下の発明を実施するための例の記述を読めば明らかになるであろう。
【０００９】
図面は、実施形態の設計および有用性を示し、同様の要素は、共通の参照番号によって示されている。これらの図面は、必ずしも原寸に比例して描かれてはいない。上述ならびに他の利点および目的が得られる方法をよりよく理解するために、添付図面に示される本実施例のより具体的な説明が提供される。これらの図面は、典型的な実施例のみを示しており、したがってその範囲を限定すると考えられるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は実施例にしたがったクライストロンを図示する。
【図２】図２は実施例にしたがった電子源を図示する。
【図３】図３はシート状のビームを円形状のビームと比較する図である。
【図４Ａ】図４Ａは実施例にしたがったクライストロンの一端部を図示する。
【図４Ｂ】図４Ｂは実施例にしたがった、図４Ａのクライストロンの一端部の斜視図である。
【図５Ａ】図５Ａは他の実施例にしたがったクライストロンの一端部を図示する。
【図５Ｂ】図５Ｂは実施例にしたがった、図５Ａのクライストロンの一端部の斜視図である。
【図６Ａ】図６Ａは出力空洞に関連した四つのモードを図示する。
【図６Ｂ】図６Ｂは実施例にしたがったモードの分離を図示する。
【図７】図７は実施例にしたがったクライストロンを含む輻射を伝送するシステムを図示する。
【図８】図８は実施例にしたがった図７の放射源を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明にしたがったクライストロン１０を図示する。本明細書で使用されるように、用語“クライストロン”は、ＤＣ電子ビームの運動エネルギーをＲＦエネルギーのようなエネルギーに変えることができる装置を示す。クライストロン１０は粒子加速器のような装置に使用する線形ビーム真空管であってもよい。しかし、他の実施例では、クライストロンはＷバンド、Ｘバンド、Ｓバンド、Ｌバンドなどの周波数で動作するように構成されてもよい。したがって、用語“クライストロン”は特定の動作周波数、動作周波数の範囲に限定されるべきではない。他の実施例として、クライストロン１０はスーパーヘテロダインレーザー受信機のための低出力基準信号を生成するために使用されてもよい。他の実施例として、クライストロンは通信のための高出力搬送波を生成するために使用することができる。さらに他の実施例として、クライストロンは、材料加工、材料の保存処理、または料理のためにエネルギーを与える電力源として使用することができる。
【００１２】
図示のとおり、クライストロン１０は、入力部分１５をもつ第１の端部１４、出力部分１７を有する第２の端部１６、および両端部１４，１６に間に伸長する胴体部１８を有する構造物１２を含む。本明細書で使用されているように、用語“入力部分”は、エネルギーを受信する要素を含むクライストロン１０のどの部分も示し。同様に、用語“出力部分”は、エネルギーを出力する要素を含むクライストロン１０のどの部分も示す。構造物１２はまた、両端部１４、１６の間に伸長する開口部２０、および直列に並ぶ複数の中間空洞２２ａ−２２ｄを含む。４つの中間空洞２２のみが図示の実施例に示されているが、クライストロン１０は、４つ未満の数の空洞、または４つを超える数の空洞２２をもってもよい。図示の実施例では、共振空洞２２はカットオフで動作する導波管部である。空洞２２のそれぞれは、ドリフト空間領域により隣り合う空洞２２と間隔が空けられている。図示に実施例では、各空洞２２は長い（たとえば、矩形の）断面をもつ。空洞の断面の垂直な範囲５０は水平な範囲５２よりも大きく、したがって、空洞２２の共振周波数は垂直な範囲５０により決定される。他の実施例では、各空洞２２は他の断面形状をもってもよい。
【００１３】
入力空洞２４が入力部分１５に設けられ、開口部２８を通って、入力空洞２４にエネルギーを向け、結合するための構造物１２の一部により形成される（たとえば、通路の形状した）入力部２５を含む。さらに、複数の出力空洞２６ａ−２６ｄが出力部分１７に設けられ、開口部２９ａ−２９ｄをそれぞれ通って、出力空洞２６ａ−２６ｄにエネルギーを向け、結合するための構造物１２の一部により形成される複数の（たとえば、通路の形状した）出力部２７ａ−２７ｄを含む。或る場合では、各出力部２７のルーメンは対応する出力空洞２６の一部として考えてもよく、この場合、出力空洞２６は出力部２７の空間を含むことになる。図示の実施例では、入力部分１５は第１の端部１４にあり、出力部分１７は第２の端部１６にある。他の実施例として、入力部分１５および出力部分１７は他の位置に位置してもよい。
【００１４】
クライストロン１０はまた、構造物１２の上下にそれぞれ位置する第１の磁気構造３０および第２の磁気構造３２を含む。磁気構造３０、３２のそれぞれは、構造物１２の長さにそって直列ではあるが交互に配置される複数の磁石とポールピース（たとえば、鉄製バー）を含む。磁気構造３０、３２は、構造物１２の内部に電子ビームを限定するために、構造物１２の長さにそって磁場を形成するように構成される。
【００１５】
クライストロン１０はまた、構造物１２の第１の端部１４に連結された電子源（たとえば、電子銃）を、構造物１２の第２の端部１６に結合されたコレクター４２を含む。電子源４０は電子ビーム４４を与えるように構成されているが、その電子ビームは構造物１２の開口部２０内に入る。電子ビーム４４はＤＣエネルギーを与えるために使用され、そのＤＣエネルギーはＲＦエネルギーに変換され、出力空洞２６ａ−２６ｄから離れる。コレクター４２は減少してエネルギーをもつ消耗した電子ビームを収集するように構成される。ある実施例では、コレクター４２は電位低減コレクター（電子を収集するために電子ビームからエネルギーを受け取る）であってもよい。
【００１６】
図２は、実施例にしたがった電子源４０を図示する。電子源４０は、カソード６０、アノード６２、および、カソード６０およびアノード６２に連結された電圧源６４を含む。使用の間、電圧源６４はカソード６０とアノード６２の間に電位差を与え、これにより電子ビーム４４が生成される。図示のとおり、アノード６２は細長い開口部６８を有し、カソード６０は、直交する方向のうちの一方が長いトラック６６を有する。このような形状により、細長い断面をもつ電子の生成が可能となる。本明細書において使用されているように、用語“細長い”とは、矩形または楕円（一方の方向が、その方向に垂直な他の方向よりも長い形状）のような形状を示す。同様に、用語“シート状のビーム”とは、シートのような形状をもつビームに限定されるものではなく、細長い断面（一方の方向が、その方向に垂直な他の方向よりも長い形状）をもつビームを示す。
【００１７】
図３は、シート状のビームと、同じ厚さをもつ円形ビームとの比較を示す。図において、Ｊは電流密度であり、Ｂは磁束密度である。図ではビーム４４に対する動作パラメータとともに例示されているが、ここで記述する実施例がこの例示に限定されるものではないことに留意されたい。細長い断面をもつビームを与えることには、いくつかの利点がある。第１に、細長い断面をもつビームビーム４４は比較的高いピークと平均的なパワーを支持する増加した表面を与える。同じビーム電圧および電流であっても、ビームトンネルおよび共振空洞の表面領域が、同じ厚さをもつ円形ビームを形成する丸いビームクライストロンよりも、シート状のビームクライストロンの方が大きい。同じ厚さ（高さ）をもつ円形のビームと、細長いビームとを仮定すると、細長いビームのアスペクトはまたビーム領域の比である。また、同じビーム電流に対して、断面が細長いビームは、空間電荷のデフォーカシング力（すなわち、互いに集群した電子から生ずる力）は、断面が丸いビームの場合よりも小さい。このことは、ビームをフォーカスするのに必要な磁場を減少させることに役立つ。さらに、断面が細長いビーム４４は低インピーダンスを形成し、同じ厚さの断面が円形のビームと比較して依然として同じ出力を与える。
【００１８】
図４Ａは、実施例にしたがった構造物１２の出力部分１７を図示する。図示されているとおり、出力部分１７は出力部２７ａ−２７ｄをそれぞれ有する４つの空洞２６ａ−２６ｄを含む。４つの空洞２６ａ−２６ｄのそれぞれは唯一の共振周波数を有する。図示の実施例では、空洞２６のそれぞれは細長い形状（たとえば、矩形）形状をもつ。しかし、他の実施例として、空洞２６のそれぞれは他の形状をもってもよい。図示の実施例では、各出力空洞２６は（側方から出力空洞２６を見たとき）矩形の断面（垂直方向の方８０が水平方向の方より長い）を有する。他の実施例では、各空洞２６は、矩形、円形、楕円形または必要とされる形状のような他の断面形状をもってもよい。各出力部２７は、空洞２６の水平方向の長さ８２より短い厚さをもってもよい。他の実施例として、各出力部２７は、空洞２６の水平方向の長さ８２と同じの厚さをもってもよい。
【００１９】
出力空洞２６ａ−２６ｄは、それぞれ出力部２７ａ−２７ｄを介して導波管（出力空洞２６ａ−２６ｂからのＲＦパワーを加速器のような他の装置１５０に伝送するように構成されている）に結合される。図示に実施例では、導波管１００が１００はツリー状の構成となっている。特に、導波管１００は出力空洞２６ａ−２６ｂのそれぞれに連結された複数の管体１２０ａ−１２０ｄを有する。管体１２０ａおよび１２０ｂは管体１３０ａに連結され、管体１２０ｄおよび１２０ｄは管体１３０ｂに結合される。管体１３０ａおよび１３０ｂは順に管体１４０（ＲＦエネルギーを装置１５０に伝送する）に結合される。４つの出力空洞２６ａ−２６ｄのみが図示の実施例に示されているが、他の実施例として、クライストロン１０は、出力空洞２６の数が４つ未満でも４つを超えるものでもよい。したがって、他の実施例では、クライストロン１０が４つ未満または４つを超える数の出力空洞をもってもよく、そのときは出力部２７の数は出力空洞２６の数に対応する。
【００２０】
図４Ａの装置の斜視図が図４Ｂに示されている。要素４２、導波管１００は目的を明りょうにするために省略されている。図示のとおり、出力空洞２６の出力部２７は構造物１２の上面へと伸長している。この構成では、磁気構造物３０は、出力部２７ａ−２７ｄにそれぞれ連結された管体１２０ａ−１２０ｄを収納するための1つまたはそれ以上の開口部を必要とする。
【００２１】
他の実施例として、出力空洞２６の出力部２７ａ−２７ｄは、図５Ａ（ここでも、目的を明りょうにするために、要素４２および導波管１００は省略されている。）に示されているように、構造物１２の片側に向かって伸長してもよい。図５Ｂは図５Ａの装置の斜視図を示す。図示の実施例では、出力部２７ａ−２７ｄが各出力空洞２６の側面から伸長していることから、導波管１００は構造物１２の側方で出力部に結合されている。この構成には、導波管１００の管部１２０を収納するために磁気構造物３０に開口部を設ける必要性をなくすという利点がある。
【００２２】
クライストロン１０は、電子ビーム４４の運動エネルギーを高周波パワーに変換することによりＲＦ信号を増幅するように構成されている。クライストロン１０の使用の間、電子源４０は、シート状のビームを形成するために、細長い断面をもつ電子ビーム４４を生成する。電子ビーム４４は、構造物１２の開口部２０へと入射され、構造物１２の長さにそって下流へと伝送される。ＲＦ信号は、電子ビーム４４に作用する電圧を生成するために、固有周波数でまたはその近傍の周波数で入力空洞２４へと供給され、構造物１２は、電子ビーム４４を速度変調するために、電子ビームと相互作用する高周波数回路として機能する。その結果、反対の電場の中を通過する電子は加速され、後の電子は減速し、このことにより電子ビームは入力周波数で集群し、電流変調が生ずる。共振空洞２２ａ−２２ｄは電流集群を所望のレベル、たとえば最大値に増加せるために使用される。電流集群は出力空洞２６ａ−２６ｄのそれぞれのギャップにＲＦ電流を誘導する。出力空洞２６ａ−２６ｄのそれぞれのインピーダンスはギャップ電圧（集群した電子ビーム４４を減速し、ビームの運動エネルギーをＲＦ出力パワーに変換する）を形成する。
【００２３】
形成されたＲＦエネルギーは構造物１２の出力部分１７で、出力部２７ａ−２７ｄを介して出力空洞２６ａ−２６ｄから離れる。特に、空洞２６ａ、２６ｂからのＲＦ出力は、出力部２７ａ、２７ｂを介して管体１２０ａ、１２０ｂ（これら管体は出力を管体１３０ａに伝え、空洞２６ａ、２６ｂからのＲＦ出力を結合する）にそれぞれ伝送される。同様に、空洞２６ｃ、２６ｄからのＲＦ出力は、出力部２７ｃ、２７ｄを介して管体１２０ｃ、１２０ｄ（これら管体は出力を管体１３０ｂに伝え、空洞２６ｃ、２６ｄからのＲＦ出力を結合する）にそれぞれ伝送される。管体１３０ａ、１３０ｂは順に管体１４０へ出力を伝え、これにより、空洞２６ａ−２６ｄからの出力が結合する。そして、結合されたＲＦ出力は装置１５０へ出力される。空洞２６ａ−２６ｄからの、エネルギーが減少した電子ビームは、出力空洞２２ａ−２２ｄから遠くに位置するコレクター４２により捕捉される。
【００２４】
図示の実施例において、出力部２７ａ−２７ｄは、ＲＦ出力を出力空洞２６のそれぞれから個々に抽出できるようにする。したがって、ＤＣビーム電圧に等しいかそれより大きい１つのギャップ電圧を形成する代わりに、クライストロン１０は、ビーム４４を減速するために使用される電圧をいくつかの出力空洞２６ａ−２６ｄにわたって分配する。各出力空洞２６における損失抵抗がＶ２／Ｒ（Ｖは電圧、Ｒは抵抗）に比例することから、Ｖｔを多数の空洞に分けることは、全体の損失抵抗を減少させる（Ｖｔ＞＞（Ｖ１２＋Ｖ２２＋・・・＋Ｖｎ２））。また、ＲＦパワーを抽出するために複数の出力空洞２６を使用することには、個々の空洞インピーダンスの合計が（ひとつの出力空洞の場合に比べて）より高い全インピーダンスを与え、それ故によりより回路効率を与えるという利点がある。したがって、クライストロン１０の実施例は、ひとつの空洞でのＲＦ源の場合を超えて顕著な性能をもたらす。ひとつの出力空洞がＲＦエネルギーを出力するために使用されるときに、出力の大半が、出力空洞において抵抗損失として消費され、その結果ＲＦ源の回路効率が低くなる。これは、ひとつの共振出力空洞が空洞インピーダンスを減少させる高い容量をもたらし、さらに回路効率を悪化させることなくひとつの出力空洞のギャップに十分なギャップ電圧の形成を困難にするためである。
【００２５】
図示の実施例では、出力空洞２６（およびそれらに対応する出力部２７）は、それらが互いに電磁気的に結合しないように、互いに離されている。出力空洞が互いに電磁気的に結合しないことにより、出力空洞２６の共振周波数は他のものと関係をもたず、このことにより、互いに相互作用をする出力空洞と比べてモード競合が防止され、または少なくとも減少する。モード競合は、第二のモード（およびより高いモード）で生成されるエネルギーが失われて、装置１０により捕捉されず、装置１０の効率が低下するため、装置の動作には望ましくない。図６Ａは、個々の空洞が隣接しているとき（電磁気的に結合しているとき）存在し、個々のギャップからの場が隣のギャップと強く結合する４つのモードを示す。この場合、空洞２６ａ−２６ｄは、実際に、図６Ａにグラフで示された４つの可能なモードパターンをもつ１つの伸長した相互作用空洞である。図６Ｂは、１つの空洞内で形成される場が隣の空洞と結合しないように、出力空洞２６ａ−ｄを離す結果から生ずるモードの分離を示す。図６Ｂに示されているとおり、２つの出力空洞２６が、電子ビーム伝播の方向の電場ベクトルを表す個々の曲線６００ａ、６００ｂの少なくとも１つが、２つの出力空洞の中間点における最大レベルの１％またはそれ以下、好適には０．５％またはそれ以下の値をもつように、それら空洞が離されているならば、互いに電磁気的に結合していないと考えられる。この例では、最大のレベルは１に規格化され、曲線６００ａは、２つの出力空洞の間の中間点で、０．００２の値をもつ。他の実施例としては、出力空洞２６は少なくとも２π、より好適には４πの電子集群位相で互いに分離される。クライストロン１０の実施例は、伸長した相互作用出力回路からの望ましくないモードに関連した問題（たとえば、モード競合、振動、低下した効率）をなくす。他の場合では、結合していない出力空洞２６を設けることにより、クライストロン１０の設計に関連した多くの複雑な要因を除去することができる。
【００２６】
出力空洞２６が結合されていないことがどの断面形状をもつビームに対しても望ましいが、特にシート状のビームに利点があることに留意されたい。これは、シート状のビームにおいて、インピーダンス（すなわち、集群に対する空洞の応答に関連する）が円形ビームに対するよりも非常に小さいからである。このように複数の出力空洞を設けることにより、装置１０は、ビームを停止するために、必要とされるインピーダンスを生成することができる。したがって、シート状ビームを生成するように構成されたクライストロン１０の実施例では、減少したシャントインピーダンスＲ／Ｑは、ビームを低速にするために十分な電圧を達成するために、複数の出力空洞を使用することが望ましくする。他方、電磁気的に結合していない空洞は、それらの相互作用インピーダンスが十分に高く、一つの空洞だけがビームを減速することを要求されることから、円形ビーム管には必要とならない。
【００２７】
実施例として、クライストロン１０は加速器にＲＦエネルギーを与えるように構成されているが、このような場合、装置１５０は加速器、あるいは加速器の一部である。加速器は医療装置の要素であってもよい。たとえば、ある実施例では、加速器は、患者を治療するために、Ｘ線、陽子ビームのような治療ビームを送り出す治療装置の一部であってもよい。他の実施例として、加速器は、患者の一部を映像化するための画像ビームを送り出すための診断装置の一部であってもよい。さらに、他の実施例として、加速器は、対象を走査するために、セキュリティーシステムのような対象検査装置の一部であてもよい。さらに、他の実施例として、クライストロン１０は、スーパーヘテロダインレーザー受信機のための低出力基準信号を生成するために使用されてもよい。さらに、他の実施例として、通信のための高出力搬送波（この場合、クライストロン１０は通信システムの一部である）を生成するために使用されてもよい。他の実施例として、クライストロン１０は、たとえば、木材を乾燥させるため、セラミックを硬化させるため、接着剤を乾燥させるため、食物を料理するため、その他工業的な加熱処理のために材料加工処理システムの一部であってもよい。
【００２８】
図７は、いくつかの実施例にしたがったクライストロン１０を利用する放射線システム７００を示す。システム７００は、ガントレー７１２（アーム形状）、患者を支える患者支持部７１４、およびガントレー７１４の動作を制御するための制御装置７１８を含む。システム７００はまた、患者が支持部７１４上に支持されている間患者に向けてビーム７２６を放射する放射線源７２０、および放射線源７２６の送り出しを制御するためのコリメータシステム７２２を含む。放射線源７２０は、円錐状ビーム、ファン状ビーム、または異なる実施例において他のタイプの放射線ビームを生成するように構成されている。図示の例では、放射線源７２０はアームガントレー７１２に連結している。これに代え、放射線源は穴の中に配置されてもよい。
【００２９】
図示の実施例では、制御システム７１８は、制御器７４０に接続されたコンピュータプロセッサのようなプロセッサ７５４を含む。制御システム７１８は、データを表示するモニター７５６およびデータを入力するためのキーボードやマウスといった入力装置７５８を備えてもよい。図示に実施例では、ガントレー７１４は患者７２８の周りで回転可能で、治療処置の間、ガントレー７１４は（アーチ治療の場合）患者の周りを回転する。他の実施例では、ガントレー７１２は回転せず、患者支持部７１４が回転する。放射線源７２０、コリメータ７２２、およびガントレー７１２（ガントレー１２は回転可能）の動作は制御器７４０により制御される。この制御器は放射線源７２０およびコリメータシステム７２２に電力およびタイミング信号を与え、プロセッサ７５４から受信した信号に基づき、ガントレーの回転速度および位置を制御する。制御器７４０はガントレーおよびプロセッサ７５４から離れた要素として示されているが、これに代えて、制御器７４０はガントレー７１２またはプロセッサ７５４の一部であってもよい。
【００３０】
図８に示されているように、放射線源７２０は電子ビーム定在波加速器７３０を含む。加速器７３０は、電子を生成する電子源７３４および電子を集群し、加速する電子源７３４に連結された主体７３６を含む。主体７３６は、直列に連結した複数の空洞７３８（電磁気的に結合した空洞）を含む。加速器３６０はまた、複数の結合体部７３９を含み、各結合体部は、二つの隣接する共振空洞にアイリスまたは開口部を介して電磁気的に結合させる結合空洞（図示せず）を有する。結合体部７３９は、主体７３６の側方で結合された側方結合体部のように図示されているが、他の実施例として、結合体部７３９は加速器７３０の全体のプロファイルを減少させるために、軸上にそった結合セルとして構成されてもよい。使用中、電子源７３４は電子７３５を生成し、加速器７３０へと射出する。定在波
加速器７３０はその共振周波数に近い周波数、たとえば、１０００ＭＨｚと２０ＧＨｚの間、より好適には２８００と３０００ＭＨｚの間の周波数で、クライストロン１０により送り出されるマイクロ波パワーにより励起される。クライストロン１０は、ここで説明されたクライストロン１０の実施例のいずれかでよい。
クライストロン１０からのＲＦパワーは一連の開口部（図示せず）にそって共振空洞７３８のひとつに入る。その結果、定在波が適用されたＲＦエネルギーにより共振空洞７３８に誘導される。励起された加速器７３０は電子（放射ビーム７２６を生成するために磁石材料（図示せず）と相互作用する）を加速する。図に示されているように、電子ビーム７３５は、所望の方向へと伝えられるように磁石（図示）を使用して偏向される
【００３１】
図示の実施例では、放射線源７２０は治療エネルギーを与えるための治療用放射線源である。他の実施例では、治療用放射線であることに加え、放射線源７２０はまた、診断用のエネルギーを与えるために診断用放射線源であってもよい。このような場合、システム７００は、放射線源７２０に対する動作位置（たとえば、支持部７１４の下）に位置する、画像手段８００のような画像手段を含む。ある実施例では、治療エネルギーは一般的に、１６０キロ電子ボルト（ｋｅＶ）またはそれより大きいエネルギーまたは典型的には１メガ電子ボルト（ＭｅＶ）またはそれより大きいエネルギーであり、治療用エネルギーは一般的に、高エネルギー以下、より典型的には１６０ｋｅＶのエネルギーである。他の実施例では、治療用エネルギーおよび診断用エネルギーは他のエネルギーレベルをもってもよく、治療および診断の目的のためにそれぞれ、使用されるエネルギーと参照される。ある実施例では、放射線源７２０は、約１０ｋｅＶと約２０ＭｅＶとの間の範囲にある複数のフォトンエネルギーレベルのＸ線放射を発生させることができる。さらに、他の実施例として、放射線源７２０は診断放射線源であってもよい。
【００３２】
放射線システム７００が異なる実施例では異なる構成をもってもよく、クライストロン１０の実施例が、示されたサンプルと異なる放射線システムとともに使用されてもよいことに留意されたい。
【００３３】
電磁気的に結合されていない出力空洞２６は、クライストロン１０（一種のＲＦ源と考えてもよい）を参照して記述されているが、他の実施例として、電磁気的に結合した出力空洞２６が他の装置用に使用されてもよい。たとえば、他の実施例として、電磁気的に結合されていない出力空洞２６は、（クライストロンであるとも、またはそうでないとも考えられる）誘導出力管（ＩＯＴ）のようなＲＦ源の一部であってもよい。
【００３４】
さらに他の実施例として、電磁気的に結合されていない出力空洞２６、および／またはシート状のビームの特徴は、アクティブ・デニアル・システム（ＡＤＳ）（群衆整理のために使用できる致命的とならない武器）の一部であってもよい。ＡＤＳは、ある周波数（たとえば、３．２ｍｍの波長で９５ＧＨｚ）の高周波数マイクロ波放射線をひとり、または複数の人に向けることができるように構成されている。マイクロ波は表皮内にある水分子を励起して高温（たとえば、５５℃）にし、そのために人は、傷つけられることなく激しい痛みを感じる。この場合、焦点が合わされたビームが１ヤードから５００ヤードの距離にいる人に向けられ得る。他の実施例として、焦点が合わされたビームが５００ヤード以上離れた距離のところにいる人に向けられ得る。他の実施例として、結合していない出力空洞２６および／またはシート状のビームの特徴は、高周波数マイクロ波放射を生成するためのマイクロ波発生器の一部であってもよく、ここでマイクロ波発生器はＡＤＳの一部分である。クライストロンからの出力放射はパラボラアンテナのような高利得アンテナへと与えられる。ＡＤＳ用の現行のＲＦ源を超えたシート状ビームのクライストロンの利点は、クライストロンのセットアップ時間が、電子銃にあるカソードを加熱することに関連することである。このことは、装置の動作が用意できるまでに１２時間を超える時間が、極低温ビーム焦点磁石の冷却に必要となる既存のＡＤＳを超えた利点である。
【００３５】
本発明の特定の実施例が示され説明されたが、本発明を好ましい実施形態に限定することは意図しないことを理解されたい。また、様々な変更および修正が、本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされてよいことは、当業者には明らかであろう。したがって、明細書および図面は、限定的意味ではなく、例示的意味とみなされるべきである。本発明は、特許請求の範囲により定義されているように本発明の精神および範囲に含まれ得る代替手段、変形形態、ならびに均等物を包含するものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にクライストロンといった高周波（ＲＦ）源に関し、特にシート状ビームを生成するクライストロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
クライストロンは、直流（ＤＣ）電子ビームの運動エネルギーを高周波（ＲＦ）エネルギーに変換する装置である。クライストロンは広範囲に利用されている。たとえば、クライストロンは、電子加速器といった粒子加速器にＲＦエネルギーを与えて、加速器に所望の特徴をもつ粒子ビームを生成させるように使用することができる。例として、粒子ビームは治療または診断目的に、放射線ビームを生成するための使用することができる。クライストロンはまた、スーパーへテロダインレーダー受信機のための基準信号を生成するため、通信のための高出力搬送を生成するために、使用することもできる。
【０００３】
クライストロンは、電子銃、電子ビームが伝播する二つまたはそれ以上の共振空洞、および使用済み電子ビームを捕捉し、生じた熱を消散するコレクターを含むことができる。単純なクライストロンは、二つの空洞、すなわち入力空洞および出力空洞を有する。入力空洞では、マイクロ波エネルギーが空洞共振を生じさせる。ビームトンネル内で生成された電場はＤＣ電子ビームを変調する。ＲＦ波の二分の一周期で、電子は共振器の電場からエネルギーを失い、減速する。つぎのＲＦ波の二分の一周期で、電子はエネルギーを得て、加速する。速度の変化は僅かであるが、ビームエネルギーにおける正弦曲的な変化により、電子は集群し、正弦曲線的に変化するＲＦ電子ビーム流が形成される。
【０００４】
クライストロンの出力空洞は、ＲＦ電流が所望の値、たとえば最大値に達するビーム経路のそった位置に位置づけられてもよい。電子の集群が出力空洞を通過するとき、電子の集群は空洞壁の表面上に電流を誘導し、順に出力空洞に共振モードを形成する。共振モードは電子の集群を減速し、電子ビームの運動エネルギーをＲＦエネルギーに変換する電場を形成する。ＲＦエネルギーはそして共振器の出力空洞から離れる。ある例では、付加的な共振空洞が、クライストロンの利得を増加させ、または装置の周波数応答および帯域を変更するために、入力空洞と出力空洞との間に配置してもよい。
【０００５】
励起したクライストロンは円形断面をもつ円筒状電子ビームを形成するが、その電子ビームは、円筒状のビームトンネルを伝播し、回転形状の共振空洞と相互作用をする。しかし、発明者は、細長い断面をもつ電子ビームを生成するクライストロンを得ることが望ましいと判断した。さらに、発明者は互いに結合していない一つ以上の出力空洞をクライストロンに与えることが望ましいと判断した。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施例にしたがって、ＲＦ発生器が、入力部分、出力部分、および入力部分と出力部分との間に伸長する開口部を含む構造物を含み、ここで出力部分は第一の空洞および第二の空洞を有し、第一および第二の空洞は、それら空洞が互いに電磁気的に結合しないように、互いに離れる。
【０００７】
本発明の他の実施例にしたがって、ＲＦエネルギーを与える方法が、電子ビームを受け取る工程、第一の空洞を通して第一のＲＦエネルギーを与える工程（ここで、第一のＲＦエネルギーは電子ビームを使用して発生される）、および第二の空洞を通して第二のＲＦエネルギーを与える工程（ここで第二のＲＦエネルギーは電子ビームを使用して発生され、第一の空洞および第二の空洞は、それら空洞が互いに電磁気的に結合しないように互いに離れている）を含む。
【０００８】
他の、およびさらに他の態様および特徴は、本発明を説明することを意図するものであるがこれに限定することを意図しない、以下の発明を実施するための例の記述を読めば明らかになるであろう。
【０００９】
図面は、実施形態の設計および有用性を示し、同様の要素は、共通の参照番号によって示されている。これらの図面は、必ずしも原寸に比例して描かれてはいない。上述ならびに他の利点および目的が得られる方法をよりよく理解するために、添付図面に示される本実施例のより具体的な説明が提供される。これらの図面は、典型的な実施例のみを示しており、したがってその範囲を限定すると考えられるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は実施例にしたがったクライストロンを図示する。
【図２】図２は実施例にしたがった電子源を図示する。
【図３】図３はシート状のビームを円形状のビームと比較する図である。
【図４Ａ】図４Ａは実施例にしたがったクライストロンの一端部を図示する。
【図４Ｂ】図４Ｂは実施例にしたがった、図４Ａのクライストロンの一端部の斜視図である。
【図５Ａ】図５Ａは他の実施例にしたがったクライストロンの一端部を図示する。
【図５Ｂ】図５Ｂは実施例にしたがった、図５Ａのクライストロンの一端部の斜視図である。
【図６Ａ】図６Ａは出力空洞に関連した四つのモードを図示する。
【図６Ｂ】図６Ｂは実施例にしたがったモードの分離を図示する。
【図７】図７は実施例にしたがったクライストロンを含む輻射を伝送するシステムを図示する。
【図８】図８は実施例にしたがった図７の放射源を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明にしたがったクライストロン１０を図示する。本明細書で使用されるように、用語“クライストロン”は、ＤＣ電子ビームの運動エネルギーをＲＦエネルギーのようなエネルギーに変えることができる装置を示す。クライストロン１０は粒子加速器のような装置に使用する線形ビーム真空管であってもよい。しかし、他の実施例では、クライストロンはＷバンド、Ｘバンド、Ｓバンド、Ｌバンドなどの周波数で動作するように構成されてもよい。したがって、用語“クライストロン”は特定の動作周波数、動作周波数の範囲に限定されるべきではない。他の実施例として、クライストロン１０はスーパーヘテロダインレーザー受信機のための低出力基準信号を生成するために使用されてもよい。他の実施例として、クライストロンは通信のための高出力搬送波を生成するために使用することができる。さらに他の実施例として、クライストロンは、材料加工、材料の保存処理、または料理のためにエネルギーを与える電力源として使用することができる。
【００１２】
図示のとおり、クライストロン１０は、入力部分１５をもつ第１の端部１４、出力部分１７を有する第２の端部１６、および両端部１４，１６に間に伸長する胴体部１８を有する構造物１２を含む。本明細書で使用されているように、用語“入力部分”は、エネルギーを受信する要素を含むクライストロン１０のどの部分も示し。同様に、用語“出力部分”は、エネルギーを出力する要素を含むクライストロン１０のどの部分も示す。構造物１２はまた、両端部１４、１６の間に伸長する開口部２０、および直列に並ぶ複数の中間空洞２２ａ−２２ｄを含む。４つの中間空洞２２のみが図示の実施例に示されているが、クライストロン１０は、４つ未満の数の空洞、または４つを超える数の空洞２２をもってもよい。図示の実施例では、共振空洞２２はカットオフで動作する導波管部である。空洞２２のそれぞれは、ドリフト空間領域により隣り合う空洞２２と間隔が空けられている。図示に実施例では、各空洞２２は長い（たとえば、矩形の）断面をもつ。空洞の断面の垂直な範囲５０は水平な範囲５２よりも大きく、したがって、空洞２２の共振周波数は垂直な範囲５０により決定される。他の実施例では、各空洞２２は他の断面形状をもってもよい。
【００１３】
入力空洞２４が入力部分１５に設けられ、開口部２８を通って、入力空洞２４にエネルギーを向け、結合するための構造物１２の一部により形成される（たとえば、通路の形状した）入力部２５を含む。さらに、複数の出力空洞２６ａ−２６ｄが出力部分１７に設けられ、開口部２９ａ−２９ｄをそれぞれ通って、出力空洞２６ａ−２６ｄにエネルギーを向け、結合するための構造物１２の一部により形成される複数の（たとえば、通路の形状した）出力部２７ａ−２７ｄを含む。或る場合では、各出力部２７のルーメンは対応する出力空洞２６の一部として考えてもよく、この場合、出力空洞２６は出力部２７の空間を含むことになる。図示の実施例では、入力部分１５は第１の端部１４にあり、出力部分１７は第２の端部１６にある。他の実施例として、入力部分１５および出力部分１７は他の位置に位置してもよい。
【００１４】
クライストロン１０はまた、構造物１２の上下にそれぞれ位置する第１の磁気構造３０および第２の磁気構造３２を含む。磁気構造３０、３２のそれぞれは、構造物１２の長さにそって直列ではあるが交互に配置される複数の磁石とポールピース（たとえば、鉄製バー）を含む。磁気構造３０、３２は、構造物１２の内部に電子ビームを限定するために、構造物１２の長さにそって磁場を形成するように構成される。
【００１５】
クライストロン１０はまた、構造物１２の第１の端部１４に連結された電子源（たとえば、電子銃）を、構造物１２の第２の端部１６に結合されたコレクター４２を含む。電子源４０は電子ビーム４４を与えるように構成されているが、その電子ビームは構造物１２の開口部２０内に入る。電子ビーム４４はＤＣエネルギーを与えるために使用され、そのＤＣエネルギーはＲＦエネルギーに変換され、出力空洞２６ａ−２６ｄから離れる。コレクター４２は減少してエネルギーをもつ消耗した電子ビームを収集するように構成される。ある実施例では、コレクター４２は電位低減コレクター（電子を収集するために電子ビームからエネルギーを受け取る）であってもよい。
【００１６】
図２は、実施例にしたがった電子源４０を図示する。電子源４０は、カソード６０、アノード６２、および、カソード６０およびアノード６２に連結された電圧源６４を含む。使用の間、電圧源６４はカソード６０とアノード６２の間に電位差を与え、これにより電子ビーム４４が生成される。図示のとおり、アノード６２は細長い開口部６８を有し、カソード６０は、直交する方向のうちの一方が長いトラック６６を有する。このような形状により、細長い断面をもつ電子の生成が可能となる。本明細書において使用されているように、用語“細長い”とは、矩形または楕円（一方の方向が、その方向に垂直な他の方向よりも長い形状）のような形状を示す。同様に、用語“シート状のビーム”とは、シートのような形状をもつビームに限定されるものではなく、細長い断面（一方の方向が、その方向に垂直な他の方向よりも長い形状）をもつビームを示す。
【００１７】
図３は、シート状のビームと、同じ厚さをもつ円形ビームとの比較を示す。図において、Ｊは電流密度であり、Ｂは磁束密度である。図ではビーム４４に対する動作パラメータとともに例示されているが、ここで記述する実施例がこの例示に限定されるものではないことに留意されたい。細長い断面をもつビームを与えることには、いくつかの利点がある。第１に、細長い断面をもつビームビーム４４は比較的高いピークと平均的なパワーを支持する増加した表面を与える。同じビーム電圧および電流であっても、ビームトンネルおよび共振空洞の表面領域が、同じ厚さをもつ円形ビームを形成する丸いビームクライストロンよりも、シート状のビームクライストロンの方が大きい。同じ厚さ（高さ）をもつ円形のビームと、細長いビームとを仮定すると、細長いビームのアスペクトはまたビーム領域の比である。また、同じビーム電流に対して、断面が細長いビームは、空間電荷のデフォーカシング力（すなわち、互いに集群した電子から生ずる力）は、断面が丸いビームの場合よりも小さい。このことは、ビームをフォーカスするのに必要な磁場を減少させることに役立つ。さらに、断面が細長いビーム４４は低インピーダンスを形成し、同じ厚さの断面が円形のビームと比較して依然として同じ出力を与える。
【００１８】
図４Ａは、実施例にしたがった構造物１２の出力部分１７を図示する。図示されているとおり、出力部分１７は出力部２７ａ−２７ｄをそれぞれ有する４つの空洞２６ａ−２６ｄを含む。４つの空洞２６ａ−２６ｄのそれぞれは唯一の共振周波数を有する。図示の実施例では、空洞２６のそれぞれは細長い形状（たとえば、矩形）形状をもつ。しかし、他の実施例として、空洞２６のそれぞれは他の形状をもってもよい。図示の実施例では、各出力空洞２６は（側方から出力空洞２６を見たとき）矩形の断面（垂直方向の方８０が水平方向の方より長い）を有する。他の実施例では、各空洞２６は、矩形、円形、楕円形または必要とされる形状のような他の断面形状をもってもよい。各出力部２７は、空洞２６の水平方向の長さ８２より短い厚さをもってもよい。他の実施例として、各出力部２７は、空洞２６の水平方向の長さ８２と同じの厚さをもってもよい。
【００１９】
出力空洞２６ａ−２６ｄは、それぞれ出力部２７ａ−２７ｄを介して導波管（出力空洞２６ａ−２６ｂからのＲＦパワーを加速器のような他の装置１５０に伝送するように構成されている）に結合される。図示に実施例では、導波管１００が１００はツリー状の構成となっている。特に、導波管１００は出力空洞２６ａ−２６ｂのそれぞれに連結された複数の管体１２０ａ−１２０ｄを有する。管体１２０ａおよび１２０ｂは管体１３０ａに連結され、管体１２０ｄおよび１２０ｄは管体１３０ｂに結合される。管体１３０ａおよび１３０ｂは順に管体１４０（ＲＦエネルギーを装置１５０に伝送する）に結合される。４つの出力空洞２６ａ−２６ｄのみが図示の実施例に示されているが、他の実施例として、クライストロン１０は、出力空洞２６の数が４つ未満でも４つを超えるものでもよい。したがって、他の実施例では、クライストロン１０が４つ未満または４つを超える数の出力空洞をもってもよく、そのときは出力部２７の数は出力空洞２６の数に対応する。
【００２０】
図４Ａの装置の斜視図が図４Ｂに示されている。要素４２、導波管１００は目的を明りょうにするために省略されている。図示のとおり、出力空洞２６の出力部２７は構造物１２の上面へと伸長している。この構成では、磁気構造物３０は、出力部２７ａ−２７ｄにそれぞれ連結された管体１２０ａ−１２０ｄを収納するための1つまたはそれ以上の開口部を必要とする。
【００２１】
他の実施例として、出力空洞２６の出力部２７ａ−２７ｄは、図５Ａ（ここでも、目的を明りょうにするために、要素４２および導波管１００は省略されている。）に示されているように、構造物１２の片側に向かって伸長してもよい。図５Ｂは図５Ａの装置の斜視図を示す。図示の実施例では、出力部２７ａ−２７ｄが各出力空洞２６の側面から伸長していることから、導波管１００は構造物１２の側方で出力部に結合されている。この構成には、導波管１００の管部１２０を収納するために磁気構造物３０に開口部を設ける必要性をなくすという利点がある。
【００２２】
クライストロン１０は、電子ビーム４４の運動エネルギーを高周波パワーに変換することによりＲＦ信号を増幅するように構成されている。クライストロン１０の使用の間、電子源４０は、シート状のビームを形成するために、細長い断面をもつ電子ビーム４４を生成する。電子ビーム４４は、構造物１２の開口部２０へと入射され、構造物１２の長さにそって下流へと伝送される。ＲＦ信号は、電子ビーム４４に作用する電圧を生成するために、固有周波数でまたはその近傍の周波数で入力空洞２４へと供給され、構造物１２は、電子ビーム４４を速度変調するために、電子ビームと相互作用する高周波数回路として機能する。その結果、反対の電場の中を通過する電子は加速され、後の電子は減速し、このことにより電子ビームは入力周波数で集群し、電流変調が生ずる。共振空洞２２ａ−２２ｄは電流集群を所望のレベル、たとえば最大値に増加せるために使用される。電流集群は出力空洞２６ａ−２６ｄのそれぞれのギャップにＲＦ電流を誘導する。出力空洞２６ａ−２６ｄのそれぞれのインピーダンスはギャップ電圧（集群した電子ビーム４４を減速し、ビームの運動エネルギーをＲＦ出力パワーに変換する）を形成する。
【００２３】
形成されたＲＦエネルギーは構造物１２の出力部分１７で、出力部２７ａ−２７ｄを介して出力空洞２６ａ−２６ｄから離れる。特に、空洞２６ａ、２６ｂからのＲＦ出力は、出力部２７ａ、２７ｂを介して管体１２０ａ、１２０ｂ（これら管体は出力を管体１３０ａに伝え、空洞２６ａ、２６ｂからのＲＦ出力を結合する）にそれぞれ伝送される。同様に、空洞２６ｃ、２６ｄからのＲＦ出力は、出力部２７ｃ、２７ｄを介して管体１２０ｃ、１２０ｄ（これら管体は出力を管体１３０ｂに伝え、空洞２６ｃ、２６ｄからのＲＦ出力を結合する）にそれぞれ伝送される。管体１３０ａ、１３０ｂは順に管体１４０へ出力を伝え、これにより、空洞２６ａ−２６ｄからの出力が結合する。そして、結合されたＲＦ出力は装置１５０へ出力される。空洞２６ａ−２６ｄからの、エネルギーが減少した電子ビームは、出力空洞２２ａ−２２ｄから遠くに位置するコレクター４２により捕捉される。
【００２４】
図示の実施例において、出力部２７ａ−２７ｄは、ＲＦ出力を出力空洞２６のそれぞれから個々に抽出できるようにする。したがって、ＤＣビーム電圧に等しいかそれより大きい１つのギャップ電圧を形成する代わりに、クライストロン１０は、ビーム４４を減速するために使用される電圧をいくつかの出力空洞２６ａ−２６ｄにわたって分配する。各出力空洞２６における損失抵抗がＶ２／Ｒ（Ｖは電圧、Ｒは抵抗）に比例することから、Ｖｔを多数の空洞に分けることは、全体の損失抵抗を減少させる（Ｖｔ＞＞（Ｖ１２＋Ｖ２２＋・・・＋Ｖｎ２））。また、ＲＦパワーを抽出するために複数の出力空洞２６を使用することには、個々の空洞インピーダンスの合計が（ひとつの出力空洞の場合に比べて）より高い全インピーダンスを与え、それ故によりより回路効率を与えるという利点がある。したがって、クライストロン１０の実施例は、ひとつの空洞でのＲＦ源の場合を超えて顕著な性能をもたらす。ひとつの出力空洞がＲＦエネルギーを出力するために使用されるときに、出力の大半が、出力空洞において抵抗損失として消費され、その結果ＲＦ源の回路効率が低くなる。これは、ひとつの共振出力空洞が空洞インピーダンスを減少させる高い容量をもたらし、さらに回路効率を悪化させることなくひとつの出力空洞のギャップに十分なギャップ電圧の形成を困難にするためである。
【００２５】
図示の実施例では、出力空洞２６（およびそれらに対応する出力部２７）は、それらが互いに電磁気的に結合しないように、互いに離されている。出力空洞が互いに電磁気的に結合しないことにより、出力空洞２６の共振周波数は他のものと関係をもたず、このことにより、互いに相互作用をする出力空洞と比べてモード競合が防止され、または少なくとも減少する。モード競合は、第二のモード（およびより高いモード）で生成されるエネルギーが失われて、装置１０により捕捉されず、装置１０の効率が低下するため、装置の動作には望ましくない。図６Ａは、個々の空洞が隣接しているとき（電磁気的に結合しているとき）存在し、個々のギャップからの場が隣のギャップと強く結合する４つのモードを示す。この場合、空洞２６ａ−２６ｄは、実際に、図６Ａにグラフで示された４つの可能なモードパターンをもつ１つの伸長した相互作用空洞である。図６Ｂは、１つの空洞内で形成される場が隣の空洞と結合しないように、出力空洞２６ａ−ｄを離す結果から生ずるモードの分離を示す。図６Ｂに示されているとおり、２つの出力空洞２６が、電子ビーム伝播の方向の電場ベクトルを表す個々の曲線６００ａ、６００ｂの少なくとも１つが、２つの出力空洞の中間点における最大レベルの１％またはそれ以下、好適には０．５％またはそれ以下の値をもつように、それら空洞が離されているならば、互いに電磁気的に結合していないと考えられる。この例では、最大のレベルは１に規格化され、曲線６００ａは、２つの出力空洞の間の中間点で、０．００２の値をもつ。他の実施例としては、出力空洞２６は少なくとも２π、より好適には４πの電子集群位相で互いに分離される。クライストロン１０の実施例は、伸長した相互作用出力回路からの望ましくないモードに関連した問題（たとえば、モード競合、振動、低下した効率）をなくす。他の場合では、結合していない出力空洞２６を設けることにより、クライストロン１０の設計に関連した多くの複雑な要因を除去することができる。
【００２６】
出力空洞２６が結合されていないことがどの断面形状をもつビームに対しても望ましいが、特にシート状のビームに利点があることに留意されたい。これは、シート状のビームにおいて、インピーダンス（すなわち、集群に対する空洞の応答に関連する）が円形ビームに対するよりも非常に小さいからである。このように複数の出力空洞を設けることにより、装置１０は、ビームを停止するために、必要とされるインピーダンスを生成することができる。したがって、シート状ビームを生成するように構成されたクライストロン１０の実施例では、減少したシャントインピーダンスＲ／Ｑは、ビームを低速にするために十分な電圧を達成するために、複数の出力空洞を使用することが望ましくする。他方、電磁気的に結合していない空洞は、それらの相互作用インピーダンスが十分に高く、一つの空洞だけがビームを減速することを要求されることから、円形ビーム管には必要とならない。
【００２７】
実施例として、クライストロン１０は加速器にＲＦエネルギーを与えるように構成されているが、このような場合、装置１５０は加速器、あるいは加速器の一部である。加速器は医療装置の要素であってもよい。たとえば、ある実施例では、加速器は、患者を治療するために、Ｘ線、陽子ビームのような治療ビームを送り出す治療装置の一部であってもよい。他の実施例として、加速器は、患者の一部を映像化するための画像ビームを送り出すための診断装置の一部であってもよい。さらに、他の実施例として、加速器は、対象を走査するために、セキュリティーシステムのような対象検査装置の一部であてもよい。さらに、他の実施例として、クライストロン１０は、スーパーヘテロダインレーザー受信機のための低出力基準信号を生成するために使用されてもよい。さらに、他の実施例として、通信のための高出力搬送波（この場合、クライストロン１０は通信システムの一部である）を生成するために使用されてもよい。他の実施例として、クライストロン１０は、たとえば、木材を乾燥させるため、セラミックを硬化させるため、接着剤を乾燥させるため、食物を料理するため、その他工業的な加熱処理のために材料加工処理システムの一部であってもよい。
【００２８】
図７は、いくつかの実施例にしたがったクライストロン１０を利用する放射線システム７００を示す。システム７００は、ガントレー７１２（アーム形状）、患者を支える患者支持部７１４、およびガントレー７１４の動作を制御するための制御装置７１８を含む。システム７００はまた、患者が支持部７１４上に支持されている間患者に向けてビーム７２６を放射する放射線源７２０、および放射線源７２６の送り出しを制御するためのコリメータシステム７２２を含む。放射線源７２０は、円錐状ビーム、ファン状ビーム、または異なる実施例において他のタイプの放射線ビームを生成するように構成されている。図示の例では、放射線源７２０はアームガントレー７１２に連結している。これに代え、放射線源は穴の中に配置されてもよい。
【００２９】
図示の実施例では、制御システム７１８は、制御器７４０に接続されたコンピュータプロセッサのようなプロセッサ７５４を含む。制御システム７１８は、データを表示するモニター７５６およびデータを入力するためのキーボードやマウスといった入力装置７５８を備えてもよい。図示に実施例では、ガントレー７１４は患者７２８の周りで回転可能で、治療処置の間、ガントレー７１４は（アーチ治療の場合）患者の周りを回転する。他の実施例では、ガントレー７１２は回転せず、患者支持部７１４が回転する。放射線源７２０、コリメータ７２２、およびガントレー７１２（ガントレー１２は回転可能）の動作は制御器７４０により制御される。この制御器は放射線源７２０およびコリメータシステム７２２に電力およびタイミング信号を与え、プロセッサ７５４から受信した信号に基づき、ガントレーの回転速度および位置を制御する。制御器７４０はガントレーおよびプロセッサ７５４から離れた要素として示されているが、これに代えて、制御器７４０はガントレー７１２またはプロセッサ７５４の一部であってもよい。
【００３０】
図８に示されているように、放射線源７２０は電子ビーム定在波加速器７３０を含む。加速器７３０は、電子を生成する電子源７３４および電子を集群し、加速する電子源７３４に連結された主体７３６を含む。主体７３６は、直列に連結した複数の空洞７３８（電磁気的に結合した空洞）を含む。加速器３６０はまた、複数の結合体部７３９を含み、各結合体部は、二つの隣接する共振空洞にアイリスまたは開口部を介して電磁気的に結合させる結合空洞（図示せず）を有する。結合体部７３９は、主体７３６の側方で結合された側方結合体部のように図示されているが、他の実施例として、結合体部７３９は加速器７３０の全体のプロファイルを減少させるために、軸上にそった結合セルとして構成されてもよい。使用中、電子源７３４は電子７３５を生成し、加速器７３０へと射出する。定在波
加速器７３０はその共振周波数に近い周波数、たとえば、１０００ＭＨｚと２０ＧＨｚの間、より好適には２８００と３０００ＭＨｚの間の周波数で、クライストロン１０により送り出されるマイクロ波パワーにより励起される。クライストロン１０は、ここで説明されたクライストロン１０の実施例のいずれかでよい。
クライストロン１０からのＲＦパワーは一連の開口部（図示せず）にそって共振空洞７３８のひとつに入る。その結果、定在波が適用されたＲＦエネルギーにより共振空洞７３８に誘導される。励起された加速器７３０は電子（放射ビーム７２６を生成するために磁石材料（図示せず）と相互作用する）を加速する。図に示されているように、電子ビーム７３５は、所望の方向へと伝えられるように磁石（図示）を使用して偏向される
【００３１】
図示の実施例では、放射線源７２０は治療エネルギーを与えるための治療用放射線源である。他の実施例では、治療用放射線であることに加え、放射線源７２０はまた、診断用のエネルギーを与えるために診断用放射線源であってもよい。このような場合、システム７００は、放射線源７２０に対する動作位置（たとえば、支持部７１４の下）に位置する、画像手段８００のような画像手段を含む。ある実施例では、治療エネルギーは一般的に、１６０キロ電子ボルト（ｋｅＶ）またはそれより大きいエネルギーまたは典型的には１メガ電子ボルト（ＭｅＶ）またはそれより大きいエネルギーであり、治療用エネルギーは一般的に、高エネルギー以下、より典型的には１６０ｋｅＶのエネルギーである。他の実施例では、治療用エネルギーおよび診断用エネルギーは他のエネルギーレベルをもってもよく、治療および診断の目的のためにそれぞれ、使用されるエネルギーと参照される。ある実施例では、放射線源７２０は、約１０ｋｅＶと約２０ＭｅＶとの間の範囲にある複数のフォトンエネルギーレベルのＸ線放射を発生させることができる。さらに、他の実施例として、放射線源７２０は診断放射線源であってもよい。
【００３２】
放射線システム７００が異なる実施例では異なる構成をもってもよく、クライストロン１０の実施例が、示されたサンプルと異なる放射線システムとともに使用されてもよいことに留意されたい。
【００３３】
電磁気的に結合されていない出力空洞２６は、クライストロン１０（一種のＲＦ源と考えてもよい）を参照して記述されているが、他の実施例として、電磁気的に結合した出力空洞２６が他の装置用に使用されてもよい。たとえば、他の実施例として、電磁気的に結合されていない出力空洞２６は、（クライストロンであるとも、またはそうでないとも考えられる）誘導出力管（ＩＯＴ）のようなＲＦ源の一部であってもよい。
【００３４】
さらに他の実施例として、電磁気的に結合されていない出力空洞２６、および／またはシート状のビームの特徴は、アクティブ・デニアル・システム（ＡＤＳ）（群衆整理のために使用できる致命的とならない武器）の一部であってもよい。ＡＤＳは、ある周波数（たとえば、３．２ｍｍの波長で９５ＧＨｚ）の高周波数マイクロ波放射線をひとり、または複数の人に向けることができるように構成されている。マイクロ波は表皮内にある水分子を励起して高温（たとえば、５５℃）にし、そのために人は、傷つけられることなく激しい痛みを感じる。この場合、焦点が合わされたビームが１ヤードから５００ヤードの距離にいる人に向けられ得る。他の実施例として、焦点が合わされたビームが５００ヤード以上離れた距離のところにいる人に向けられ得る。他の実施例として、結合していない出力空洞２６および／またはシート状のビームの特徴は、高周波数マイクロ波放射を生成するためのマイクロ波発生器の一部であってもよく、ここでマイクロ波発生器はＡＤＳの一部分である。クライストロンからの出力放射はパラボラアンテナのような高利得アンテナへと与えられる。ＡＤＳ用の現行のＲＦ源を超えたシート状ビームのクライストロンの利点は、クライストロンのセットアップ時間が、電子銃にあるカソードを加熱することに関連することである。このことは、装置の動作が用意できるまでに１２時間を超える時間が、極低温ビーム焦点磁石の冷却に必要となる既存のＡＤＳを超えた利点である。
【００３５】
本発明の特定の実施例が示され説明されたが、本発明を好ましい実施形態に限定することは意図しないことを理解されたい。また、様々な変更および修正が、本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされてよいことは、当業者には明らかであろう。したがって、明細書および図面は、限定的意味ではなく、例示的意味とみなされるべきである。本発明は、特許請求の範囲により定義されているように本発明の精神および範囲に含まれ得る代替手段、変形形態、ならびに均等物を包含するものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＦ生成器であって、
入力部分と出力部分、さらに前記入力部分と前記出力部分との間に伸長する開口部を有する構造物を含んで成り、
出力部分が、第１の空洞および第２の空洞を有し、前記第１および第２の空洞は、互いに電磁気的に結合しないように互いに離れている、
ところのＲＦ生成器。
【請求項２】
前記第１の空洞に関連した電子ビームの伝播の方向の電場ベクトルは、前記第１および第２の空洞の中間点で、多くても１％の値をもつ、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項３】
電場ベクトルが多くても０．２％の値をもつ、請求項２に記載のＲＦ生成器。
【請求項４】
前記第１および第２の空洞が互いに、少なくとも２πの電子集群位相値の分、離れている請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項５】
電子集群位相値は少なくとも４πである、請求項４に記載のＲＦ生成器。
【請求項６】
さらに、出力部分に結合された導波管を含み、
前記導波管がＲＦエネルギーを加速器へと送り出す、
請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項７】
導波管がツリー状の構成となっている、請求項６に記載のＲＦ生成器。
【請求項８】
さらに、前記構造物に結合された電子源を含み、
電子源が伸長した断面を有する電子ビームを形成するように構成される、
請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項９】
さらに、前記構造物に結合される凹状のコレクターを含む、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１０】
前記開口部が伸長した断面を有する、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１１】
前記開口部が矩形の断面を有する、請求項１０に記載のＲＦ生成器。
【請求項１２】
さらに、前記開口部と通信する複数の共振空洞を含む、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１３】
さらに、
前記第１の空洞と結合した第１の管体と、
前記第２の空洞と結合した第２の管体と、
を含む、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１４】
さらに、前記第１および第２の管体に結合された第３の管体を含む、請求項１３に記載のＲＦ生成器。
【請求項１５】
さらに、
前記出力部分にある第３の空洞と、
前記出力部分にある第４の空洞と、
を含み、
前記第３および４の空洞は互いに結合していない、
請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１６】
さらに、
前記第１の空洞に結合した第１の管体と、
前記第２の空洞に結合した第２の管体と、
前記第３の空洞に結合した第３の管体と、
前記第４の空洞に結合した第４の管体と、
を含む、請求項１５の記載の生成器。
【請求項１７】
さらに、
前記第１および第２の管体に結合した第５の管体と、
前記第３および第４の管体に結合した第６の管体と
を含む、請求項１６の記載の生成器。
【請求項１８】
前記出力部分がＲＦエネルギーを加速器に送り出す構成となっている、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１９】
前記加速器が対象物検査装置の一部である、請求項１８に記載おＲＦ生成器。
【請求項２０】
前記加速器は、患者を治療または映像化するための放射システムの一部である、請求項１８に記載のＲＦ生成器。
【請求項２１】
ＲＦエネルギーを与える方法であって、
電子ビームを受け入れる工程と、
前記電子ビームを使用して生成される第１のＲＦエネルギーを、第１の空洞を通して与える行程と、
前記電子ビームを使用して生成される第２のＲＦエネルギーを、第２の空洞を通して与える行程と、
を含み、
前記第１および第２の空洞が、互いに電磁気的に結合しないように、互いに離れている、
ところの方法。
【請求項２２】
前記第１の空洞に関連した電子ビームの伝播の方向の電場ベクトルは、前記第１および第２の空洞の中間点で、多くとも１％の値をもつ、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
電場ベクトルが多くても０．２％の値をもつ、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１および第２の空洞が互いに、少なくとも２πの電子集群位相値の分、離れている請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記電子集群位相値は少なくとも４πである、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記電子ビームが伸長した断面を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記電子ビームが矩形の断面を有する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
さらに、前記第１および第２のＲＦエネルギーを混合することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１および第二のＲＦエネルギーが加速器へと与えられる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記加速器が対象物検査装置の一部である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記加速器が患者を治療するまたは映像化する放射システムの一部である、請求項２９に記載の方法。
【請求項１】
ＲＦ生成器であって、
入力部分と出力部分、さらに前記入力部分と前記出力部分との間に伸長する開口部を有する構造物を含んで成り、
出力部分が、第１の空洞および第２の空洞を有し、前記第１および第２の空洞は、互いに電磁気的に結合しないように互いに離れている、
ところのＲＦ生成器。
【請求項２】
前記第１の空洞に関連した電子ビームの伝播の方向の電場ベクトルは、前記第１および第２の空洞の中間点で、多くても１％の値をもつ、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項３】
電場ベクトルが多くても０．２％の値をもつ、請求項２に記載のＲＦ生成器。
【請求項４】
前記第１および第２の空洞が互いに、少なくとも２πの電子集群位相値の分、離れている請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項５】
電子集群位相値は少なくとも４πである、請求項４に記載のＲＦ生成器。
【請求項６】
さらに、出力部分に結合された導波管を含み、
前記導波管がＲＦエネルギーを加速器へと送り出す、
請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項７】
導波管がツリー状の構成となっている、請求項６に記載のＲＦ生成器。
【請求項８】
さらに、前記構造物に結合された電子源を含み、
電子源が伸長した断面を有する電子ビームを形成するように構成される、
請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項９】
さらに、前記構造物に結合される凹状のコレクターを含む、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１０】
前記開口部が伸長した断面を有する、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１１】
前記開口部が矩形の断面を有する、請求項１０に記載のＲＦ生成器。
【請求項１２】
さらに、前記開口部と通信する複数の共振空洞を含む、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１３】
さらに、
前記第１の空洞と結合した第１の管体と、
前記第２の空洞と結合した第２の管体と、
を含む、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１４】
さらに、前記第１および第２の管体に結合された第３の管体を含む、請求項１３に記載のＲＦ生成器。
【請求項１５】
さらに、
前記出力部分にある第３の空洞と、
前記出力部分にある第４の空洞と、
を含み、
前記第３および４の空洞は互いに結合していない、
請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１６】
さらに、
前記第１の空洞に結合した第１の管体と、
前記第２の空洞に結合した第２の管体と、
前記第３の空洞に結合した第３の管体と、
前記第４の空洞に結合した第４の管体と、
を含む、請求項１５の記載の生成器。
【請求項１７】
さらに、
前記第１および第２の管体に結合した第５の管体と、
前記第３および第４の管体に結合した第６の管体と
を含む、請求項１６の記載の生成器。
【請求項１８】
前記出力部分がＲＦエネルギーを加速器に送り出す構成となっている、請求項１に記載のＲＦ生成器。
【請求項１９】
前記加速器が対象物検査装置の一部である、請求項１８に記載おＲＦ生成器。
【請求項２０】
前記加速器は、患者を治療または映像化するための放射システムの一部である、請求項１８に記載のＲＦ生成器。
【請求項２１】
ＲＦエネルギーを与える方法であって、
電子ビームを受け入れる工程と、
前記電子ビームを使用して生成される第１のＲＦエネルギーを、第１の空洞を通して与える行程と、
前記電子ビームを使用して生成される第２のＲＦエネルギーを、第２の空洞を通して与える行程と、
を含み、
前記第１および第２の空洞が、互いに電磁気的に結合しないように、互いに離れている、
ところの方法。
【請求項２２】
前記第１の空洞に関連した電子ビームの伝播の方向の電場ベクトルは、前記第１および第２の空洞の中間点で、多くとも１％の値をもつ、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
電場ベクトルが多くても０．２％の値をもつ、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１および第２の空洞が互いに、少なくとも２πの電子集群位相値の分、離れている請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記電子集群位相値は少なくとも４πである、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記電子ビームが伸長した断面を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記電子ビームが矩形の断面を有する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
さらに、前記第１および第２のＲＦエネルギーを混合することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１および第二のＲＦエネルギーが加速器へと与えられる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記加速器が対象物検査装置の一部である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記加速器が患者を治療するまたは映像化する放射システムの一部である、請求項２９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１２−５２６３６０（Ｐ２０１２−５２６３６０Ａ）
【公表日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０９９４２（Ｐ２０１２−５０９９４２）
【出願日】平成２２年５月５日（２０１０．５．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３３７０２
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２９６５７
【国際公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【出願人】（５９１０３０６７３）バリアン・メディカル・システムズ・インコーポレイテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月５日（２０１０．５．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３３７０２
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２９６５７
【国際公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【出願人】（５９１０３０６７３）バリアン・メディカル・システムズ・インコーポレイテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
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