離子源設備和方法
2023-08-09 02:02:06
專利名稱:離子源設備和方法
技術領域：
本發明主要涉及放射性藥物學的回旋加速器設計領域，且更具體而言涉及能夠改 進離子源壽命和性能的方法和設備。
背景技術：
醫院和其它健康護理提供方為診斷目的而廣泛地依靠正電子發射X射線層析照 相術(PET)。正電子發射X射線層析照相術掃描器可產生顯示出多種生物學過程和功能的 影像。在正電子發射X射線層析照相術掃描中，病人起初被注射已公知為正電子發射X射線 層析照相術同位素(或放射性藥物)的放射性物質。例如，正電子發射X射線層析照相術同 位素可以是18F-氟代-2-脫氧葡萄糖(FDG)，一種包括放射性氟的糖。正電子發射X射線層 析照相術同位素被包括在某些身體過程和功能中，且其放射性本質使得正電子發射X射線 層析照相術掃描器能夠產生顯示出那些功能和過程的影像。例如，當注射18F-氟代-2-脫 氧葡萄糖時，癌細胞可使其新陳代謝，這允許正電子發射X射線層析照相術掃描器產生顯 示出癌變區域的影像。
正電子發射X射線層析照相術同位素主要通過回旋加速器，一種微粒加速器產 生。回旋加速器通常在高真空(例如，10_7託)狀態下進行操作。在操作中，初始從離子 源中提取出帶電微粒(即離子)。隨後，離子被加速，同時被磁場限制在圓形路徑中。射頻 (RF)高壓源快速交替回旋加速器室內部的電場的極性，導致離子沿螺旋路線行進，同時它 們獲得更多的動能。一旦離子已獲得其最終能量，它們被引導至靶材料以將其轉變成一種 或多種所需的正電子發射X射線層析照相術同位素。由於回旋加速器通常涉及大量投資， 因此其同位素生產能力非常重要。理論上而言，給定靶材料的同位素的產生速度與轟擊靶 的帶電離子的通量(即離子束電流)成正比。因此，所希望的是從離子源中提取出高輸出 量的離子電流。
除離子輸出量外，離子源的壽命也很重要。離子源通常壽命有限且因此需要進行 定期更換。在定期檢修過程中，回旋加速器需要被打開以允許接近離子源。然而，由於迴旋 加速器通常在同位素生產過程中變得具有放射性，因此有必要等輻射衰減至安全水平再開 始進行檢修。例如在一種回旋加速器中，等待輻射衰減的時間可持續十小時。離子源的更 換需要一些時間，這取決於離子源組件的複雜性及其可接近性。在已更換離子源後，需要另 外的時間以使回旋加速器內部恢復高真空狀態。結果是，離子源更換的每次預定檢修導致 同位素生產過程中的停機時間延長。因此，所希望的是改進離子源的壽命，以使得預定檢修 之間的同位素生產時間將更長。
圖1示出了產生同位素的回旋加速器中使用的已公知的基於等離子體的離子源 100的操作。如圖所示，離子源100包括被放置在兩個陰極102之間的離子源管道104。離 子源管道104可接地，同時可通過電源112使兩個陰極102在高負壓下加上偏壓。離子源 管道104可具有空腔108，一種或多種氣體組分可流入所述空腔內。例如，約10標準毫升 /分(sccm)的氫氣(H2)流可流入空腔108內。陰極102和離子源管道104之間的電壓差可導致氫氣中的等離子體放電(110)，產生正氫離子(質子)和負氫離子or)。這些氫離 子可受到沿離子源管道104長度施加的磁場120的限制。通過電源114在交變電位下受到 偏壓的拉出器116隨後可在交變電位的正半周期過程中通過離子源管道104上的狹縫開口 106提取出負氫離子。提取出的負氫離子118在用於產生同位素之前可在回旋加速器(未 示出)中被進一步加速。
圖2-圖7示出了離子源管道200的現有技術設計，其中圖2是離子源管道200的 透視圖，圖3是前視圖，圖4是側視圖，圖5和圖7是截面a-a的橫截面圖，且圖6是截面b-b 的橫截面圖。長度單位為毫米(mm)。離子源管道200具有圓柱形空腔212，所述空腔以軸 線216為中心。沿離子源管道200的前側還存在狹縫開口 214。該現有技術設計進一步需 要兩個獨立的限制環210，所述限制環可被插入到空腔212內且被放置靠在邊緣220和222 上以幫助限定等離子體柱218的形狀和位置。
在現有技術離子源管道200的設計中可能存在一些缺點。例如，限制環210的使 用可能使得在製造過程中需要一些用於組裝和調節的時間量。且限制環的現有技術設計可 強加嚴格的製造公差。此外，狹縫開口 214可由於受到等離子體柱218中產生的離子的轟 擊而相對較快地性能衰退，導致離子源管道200壽命較短。
這些和其它缺點可存在於已公知的系統和方法中。
發明內容
本發明針對用於改進離子源壽命和性能的方法和設備，所述方法和設備克服了已 公知系統和方法的這些和其它缺點。
根據一個實施例，本發明涉及一種用於維持其中的等離子體放電的離子源管道， 所述離子源管道包括沿所述離子源管道側面的狹縫開口，其中所述狹縫開口具有小於 0. 29毫米的寬度；所述離子源管道的至少一端中的端部開口，其中所述端部開口小於所述 離子源管道的內徑且自所述離子源管道的中心軸線朝向所述狹縫開口移動0-1. 5毫米；和 適於所述等離子體放電的空腔。
根據另一個實施例，本發明涉及一種用於製造離子源管道的方法，所述方法包括 形成離子源管道，所述離子源管道包括沿所述離子源管道側面的狹縫開口，其中所述狹縫 開口具有小於0. 29毫米的寬度；在所述離子源管道至少一端中的端部開口，其中所述端部 開口小於所述離子源管道的內徑，且自所述離子源管道的中心軸線朝向所述狹縫開口移動 0-1. 5毫米；和空腔，所述等離子體放電位於所述空腔中。
為了有利於更全面地理解本發明，下面參考附圖進行說明。這些圖不應被解釋為 對本發明的限制，而僅旨在進行示例性說明。
圖1示出了產生同位素的回旋加速器中使用的已公知的基於等離子體的離子源 的操作；
圖2-圖7示出了離子源管道的現有技術設計；
圖8是根據本發明的一個實施例的典型離子源管道的透視圖；
圖9-圖12是示出了圖8中所示的典型離子源管道的機械製圖；和
4[0017]圖13-圖16是示出了根據本發明的一個實施例的典型限制環(restrictor ring) 的機械製圖。
具體實施方式
下面對本發明的典型實施例進行詳細說明。
參見圖8，圖中示出了根據本發明的一個實施例的典型離子源管道300的透視圖。 離子源管道300可用於類似於圖1所示的離子源的基於等離子體的離子源中。可在離子源 管道300中或附近維持等離子體放電(未示出)。離子源管道300可由耐熱和耐受等離子 體放電的金屬(例如銅和鎢)製成。如圖所示，典型離子源管道300大體上具有圓柱形狀。 在離子源管道300的前側中可具有用於提取離子的狹縫開口 310。在離子源管道300的端 部中可具有端部開口 314以適應氣體組分的流動並幫助限定出等離子體放電的形狀和位 置。在離子源管道300內部，可具有預成形空腔312，其進一步限定出等離子體放電的形狀 和位置及其密度。結合圖9-圖12對離子源管道300的內部幾何結構細節進行描述。
應該注意，離子源管道300通常被製成一件式結構。也就是說，可基於例如實驗或 理論計算(例如計算機模擬)而預先確定影響離子束電流的幾何參數，例如狹縫開口 310 的寬度和空腔312的形狀。隨後，所需參數組可被包括在離子源管道300內以形成一個一 體的結構，所述一體的結構幾乎不需要或不需要進行組裝或調節。該設計方法學可減少對 離子源管道300的耗時調節的需要且可增大機加工公差。
圖9-圖12示出了圖8所示的典型離子源管道的機械製圖。圖9是離子源管道 300的前視圖，圖10是側視圖，圖11是截面A-A的橫截面圖，且圖12是截面B-B的橫截面 圖。長度單位是毫米(mm)。
例如，圖9所示離子源管道300的總長度可以是20毫米，且公差為0. 05毫米。當 然，在此闡述的這些值和其它值僅是實例。沿離子源管道300前側的狹縫開口 310可具有小 於0. 3毫米，更優選小於0. 29毫米且大於0. 1毫米，再更優選小於0. 25毫米且大於0. 15毫 米的寬度，且最優選寬度為0. 2毫米且公差為0. 01毫米。狹縫開口 310的長度可以是4-6 毫米，更優選為5. 00毫米且公差為0. 05毫米。狹縫開口 310和離子源管道300的兩端可 具有陡沿。
圖10示出了從一端觀察的離子源管道300的視圖。端部開口 314通常具有2. 5-5 毫米的直徑，且優選具有3. 00毫米的直徑且公差為0. 05毫米。此外，如圖10和圖11所示， 端部開口 314通常但未必一定偏離離子源管道的中心軸線316。例如，端部開口 314可自 中心軸線316偏離零或大於零達1. 5毫米，且優選自中心軸線316偏離約1. 00毫米。結果 是，受到端部開口 314限制的等離子體柱(未示出)可偏心並更接近狹縫開口 310地移動。 接近狹縫開口 310的等離子體柱的位置通常改進了離子提取效率。此外，端部開口 314的 直徑可小於離子源管道300內部的空腔312的直徑，這可幫助增加等離子體放電的密度以 產生更多的離子。通常情況下，離子源管道內部的等離子體放電的直徑約為2. 5-5毫米，更 優選為3毫米。
如圖12所示，根據一個實例，狹縫開口 310和中心軸線316之間的距離可以是約 2. 6毫米。假定受到端部開口 314和內置限制器324限制的等離子體柱在離子源管道300 整個長度範圍內保持直圓柱形狀，那麼等離子體柱的邊緣可遠離狹縫開口 310僅0. 3毫米。通常情況下，等離子體柱的邊緣遠離狹縫開口 310達0.2-0. 5毫米。在狹縫開口 310邊緣 處的離子源管道厚度通常為0. 05-0. 15毫米，且優選為如圖11所示的0. 1毫米。在狹縫開 口 310邊緣處的離子源管道厚度可對性能產生兩種影響。例如，更薄的邊緣可導致電場穿 透性的改進且因此導致更好的H—輸出量。然而，更薄的邊緣可導致離子源管道壽命更短， 這是因為其將更不耐受磨損。選定的邊緣厚度可以是兩種效應之間的折衷方案。
圖13-圖16是示出了根據本發明的一個實施例的典型限制環的機械製圖。圖13 是限制環500的透視圖，圖14是俯視圖，圖15是側視圖，且圖16是截面f-f的橫截面圖。 長度單位是毫米(mm)。
根據本發明的實施例，一個或多個限制環，例如圖13所示的限制環，可被插入離 子源管道內以進一步改變其空腔的形狀。例如，限制環500可沿圖11中的虛線320被插入 空腔312內。限制環500可由耐熱和耐受等離子體的金屬(例如鎢或銅)製成。如圖16 所示，限制環500可具有4. 60毫米的內徑和5. 60毫米的外徑。如圖14所示，限制環500 可具有0. 8毫米寬的狹縫508。狹縫508可允許限制環500在插入和調節過程中略微彎曲。 且內徑和外徑的尺寸可允許限制環500靠置在圖11所示的凸緣322上。
根據本發明的實施例，儘管可能希望製造包括所有離子提取的關鍵參數的一件式 離子源管道，但有時對管道進行機加工以符合全部需求可太困難或太昂貴。例如，再次參見 圖11，製造具有中部更寬且兩端更窄的空腔312的一件式離子源管道300可能是困難的。 然而，當限制環500沿虛線320被插入且靠置在凸緣322上時，可實現空腔312形狀關於截 面B-B的所需對稱性。
總而言之，本發明的實施例可提供多個有利特徵以改進離子源的壽命和性能。例 如，一件式設計可包括可影響輸出離子電流的所有關鍵參數，例如狹縫開口寬度，狹縫開口 和等離子體柱邊緣之間的距離以及等離子體柱的形狀。由於幾乎沒有離散部分，因此一件 式離子源管道可易於進行安裝和調節。離子源管道內部的空腔幾何形狀可被設計以實現高 效的離子生成和提取。例如，空腔一端中的偏心端部開口可將等離子體柱放置在更接近狹 縫開口的位置處。等離子體柱的形狀可基於偏心開口和空腔的幾何參數進行構造。例如， 可減小偏心開口和空腔的尺寸以增加等離子體柱的密度。通過可選的限制環，本發明的實 施例還提供了離子源管道的設計和製造中的靈活性。當一件式設計難以實現時，一個或多 個具有適當形狀和尺寸的限制環可被插入離子源管道內以實現所需幾何形狀。
儘管前面的描述包括了許多細節，但應該理解這些細節僅為闡述目的而被包括， 且不被解釋為對本發明的限制。本領域的技術人員將易於理解，可在不偏離本發明的精神 和範圍的情況下對上述實施例進行其它變型。因此，這種變型被視為在本發明的範圍內，以 下技術方案及其合法等效方式旨在限定本發明的範圍。
零件表
權利要求
一種用於維持其中的等離子體放電的離子源管道(300)，所述離子源管道(300)包括沿所述離子源管道(300)側面的狹縫開口(310)，其中所述狹縫開口(310)具有小於0.29毫米的寬度；所述離子源管道(300)端部中的端部開口(314)，其中所述端部開口(314)小於所述離子源管道的內徑且自所述離子源管道(300)的中心軸線(316)朝向所述狹縫開口(310)移動大於0直到1.5毫米；和適於所述等離子體放電的空腔(312)。
2.根據權利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述端部開口(314)具有2.5-5毫 米的直徑。
3.根據權利要求
1所述的離子源管道(300)，其中內置限制器(324)和所述端部開口 (314)中的至少一個導致所述等離子體放電的邊緣遠離所述狹縫開口(310)0. 2-0. 5毫米。
4.根據權利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述狹縫開口(310)具有0.15毫米 至0. 25毫米之間的寬度。
5.根據權利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述狹縫開口(310)具有0.2毫米 的寬度。
6.根據權利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述離子源管道(300)具有一件式構造。
7.根據權利要求
6所述的離子源管道(300)，進一步包括用於插入所述一件式離子源 管道(300)內以改變所述空腔(312)的幾何形狀的限制環(500)。
8.根據權利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述離子源管道(300)包括銅和鎢。
9.根據權利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述端部開口(314)自所述離子源 管道(300)的所述中心軸線(316)朝向所述狹縫開口(310)移動大於零毫米。
10.一種用於製造離子源管道的方法，所述方法包括 形成離子源管道(300)，所述離子源管道(300)包括沿所述離子源管道(300)側面的狹縫開口(310)，其中所述狹縫開口(310)具有小於 0. 29毫米的寬度；在所述離子源管道(300)端部中的端部開口(314)，其中所述端部開口(314)小於所述 離子源管道(300)的內徑，且自所述離子源管道(300)的中心軸線(316)朝向所述狹縫開 口(310)移動大於0直到1. 5毫米；和空腔(312)，所述等離子體放電位於所述空腔中。
專利摘要
本發明涉及一種可改進回旋加速器中的離子源壽命和性能的方法和設備。根據一個實施例，本發明包括用於維持其中的等離子體放電的離子源管道(300)。所述離子源管道(300)包括沿所述離子源管道(300)側面的狹縫開口(310)，其中所述狹縫開口(310)具有小於0.29毫米的寬度。所述離子源管道(300)還包括所述離子源管道(300)端部中的端部開口(314)。所述端部開口(314)小於所述離子源管道(300)的內徑且自所述離子源管道(300)的中心軸線(316)朝向所述狹縫開口(310)移動0-1.5毫米。所述等離子體柱相對於所述狹縫開口(310)移動0.2至0.5毫米。所述離子源管道(300)包括適於所述等離子體放電的空腔(312)。本發明還涉及一種用於製造離子源管道(300)的方法。
文檔編號H05G2/00GKCN1816243 B發布類型授權 專利申請號CN 200510131760
公開日2011年3月9日 申請日期2005年12月16日
發明者J·O·諾爾林, J·-O·貝裡斯特倫 申請人:通用電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2), 非專利引用 (2),