具有機電馬達的粒子加速器以及操作和製造該粒子加速器的方法

2023-10-30 04:55:37 2

專利名稱：具有機電馬達的粒子加速器以及操作和製造該粒子加速器的方法
技術領域：
本文中描述的發明的實施例通常涉及粒子加速器，並且，更加特定地，涉及具有位於加速腔內的可移動的機械裝置的粒子加速器。
背景技術：
諸如回旋加速器的粒子加速器可以具有各種工業應用、醫學應用以及研究應用。 例如，粒子加速器可以用於產生放射性同位素(也被稱為放射性核)，該放射性同位素具有醫學治療、成像和研究中的用途，以及非醫學相關的其它應用。產生放射性同位素的系統典型地包括具有圍繞加速腔的磁軛(magnet yoke)的回旋加速器。回旋加速器可以包括彼此隔開的相對的極頂(pole top)。電場和磁場可以在加速腔內產生，以沿著極之間的螺旋狀軌道使帶電粒子加速並引導帶電粒子。為了產生放射性同位素，回旋加速器形成帶電粒子的粒子束，並將粒子束引導至加速腔之外並向著具有靶材料的靶系統。在一些情況下，靶系統可以位於加速腔的內側。粒子束入射到靶材料上，從而產生放射性同位素。在粒子加速器的運轉期間，可能期望使用加速腔內的各種機械裝置。例如，可能期望移動箔材(foil)保持器，該箔材保持器保持從帶電粒子剝離電子的箔材。也可能期望移動診斷探針，以沿著期望路徑的不同部分測試粒子束。然而，這些和其它的機械裝置必須能夠在加速腔的環境內運轉。在粒子加速器的運轉期間，加速腔可能被抽空，並且，大的磁場可能存在於其中。在一些情況下，機械裝置中的磁性構件可能干擾用於引導帶電粒子的磁場。此外，大量的輻射可能沿著限定了加速腔的內表面而存在。除了與環境相關的以上關注以外，加速腔內的機械裝置可能需要大量的空間並難以操作，或者可能缺乏高水平的精度。 另外，加速腔內的機械裝置能夠機械地聯接至真空腔外側的電磁致動器/馬達。這些馬達不能在加速腔的高磁場中有效地運轉，並且也能夠幹涉在其中被很好地限定的磁場。同樣， 利用通過真空進給裝置而延伸的機械構件，可以將電磁馬達相互連接至加速腔內側的機械裝置。然而，這些機械構件和真空進給裝置增加了粒子加速器的複雜性。因而，需要一種在加速腔中具有機械裝置的粒子加速器，該機械裝置比已知的機械裝置更小，成本更低，且/或更容易操作。還需要降低對操作或維護該粒子加速器的個人的輻射暴露的粒子加速器和方法。還通常需要便於操作且/或維護粒子加速器的備選裝置和/或對輻射暴露不敏感的備選裝置。

發明內容
根據一個實施例，提供了一種粒子加速器，該粒子加速器包括配置成在加速腔內沿著期望的路徑引導帶電粒子的電場系統和磁場系統。粒子加速器還包括位於加速腔內的機械裝置。機械裝置配置成被選擇性地移動至加速腔內的不同位置。粒子加速器還包括機電(EM)馬達，該機電馬達具有連接構件和可操作地聯接至該連接構件的壓電元件。連接構件可操作地附接至機械裝置。當壓電元件被激活時，EM馬達驅動連接構件。
根據另一實施例，提供了一種操作具有加速腔的粒子加速器的方法。該方法包括在加速腔中提供帶電粒子的粒子束。粒子束由粒子加速器沿著期望的路徑引導。該方法還包括在加速腔內選擇性地移動機械裝置。機械裝置由機電(EM)馬達移動，該機電馬達包括連接構件和可操作地聯接至該連接構件的壓電元件。連接構件可操作地附接至機械裝置。 當壓電元件被激活時，EM馬達驅動連接構件。在又一實施例中，提供了一種製造具有加速腔的粒子加速器的方法。粒子加速器包括配置成在加速腔內沿著期望的路徑引導帶電粒子的電場系統和磁場系統。該方法包括將機械裝置定位在加速腔內。機械裝置配置成被選擇性地移動至加速腔內的不同位置。該方法還包括將機電(EM)馬達可操作地聯接至機械裝置。EM馬達具有連接構件和可操作地聯接至該連接構件的壓電元件。連接構件可操作地附接至機械裝置，其中，EM馬達配置成當壓電元件被激活時驅動連接構件，從而移動機械裝置。


圖1是根據一個實施例的粒子加速器的框圖。 圖2是根據一個實施例的粒子加速器的示意側視圖。 圖3是可以與根據一個實施例的粒子加速器一起使用的-
-部分軛和極區段的透
圖4是圖3中的軛和極區段的放大圖，更加詳細地顯示了剝離組件。 圖5是圖3中的軛和極區段的放大圖，更加詳細地顯示了診斷探針組件。 圖6是軛和極區段的放大圖，顯示了根據一個實施例的RF調諧組件。 圖7是可以用在各種實施例中的機電(EM)馬達的分解圖。 圖8是圖7的EM馬達的透視圖。 圖9顯示了一個壓電元件的運動。 圖10是可以用在各種實施例中的致動組件的說明性的圖。部件列表
100同位素產生系統
102粒子加速器
103加速腔
104離子源系統
106電場系統
108磁場系統
110真空系統
112粒子束
114靶系統
115提取系統
116靶材料
117束通道
118控制系統
120靶位置
122冷卻系統
200回旋加速器
202磁軛
204軛體
206加速腔
208側面
210側面
212頂端
214底端
220水平平臺
228軛區段
230軛區段
231上部
232中面
236中心軸線
238中心區域
241空間區域
243空間區域
248極
250極
252極頂
254極頂
255壁表面
260磁體組件
264磁體線圈
266磁體線圈
268磁體線圈空腔
270磁體線圈空腔
272腔壁
274腔壁
276真空泵
280--282機械裝置290-292 EM 馬達293-295 連接構件320打開側空腔321 環部322內壁表面324配合表面330軛區段
331-334 隆起(hill)336-339 凹處(valley)340,342 RF 電極341,343 空心 D 盒(dee)344 中心345,347 芯柱(stem)349束通道350 極354 極頂370 RF電極系統371-372 攔截面板402剝離組件404箔材保持器406可旋轉臂408 近端410 遠端411外周邊412剝離箔材414緊固裝置416夾緊機構418緊固裝置420 EM 馬達422纜或線424致動組件426連接構件440診斷探針組件442底座支撐件444軸部件446束探測器447標籤或標記448遠側支撐件450 EM 馬達452纜或線454致動組件456連接構件458 近端460 RF 裝置462 EM 馬達464電容板
466底座延伸件
470軸線
502EM馬達
504拉伸彈簧
506輥
507保持器
508驅動棒
510致動組件
511外殼
512壓電元件
514壓電陶瓷雙壓電晶片
516，518層
520遠端
530致動組件
532轉子
534定子
536壓電元件
540軸線
具體實施例方式正如本文中使用的，以單數形式敘述並用詞語「一」或「一個」進行的元件或步驟應當理解為不排除多個所述的元件或步驟，除非明確地闡述了這種排除。此外，「一個實施例」 的提及並不意圖被解釋為排除也併入了所敘述的特徵的另外的實施例的存在。此外，除非明確闡述為相反情況，否則，「包括」或「具有」具有特定性質的一個元件或多個元件的實施例可以包括不具有那個性質的另外的這種元件。圖1是根據一個實施例形成的同位素產生系統100的框圖。系統100包括粒子加速器102，該粒子加速器102具有若干子系統，包括離子源系統104、電場系統106、磁場系統 108以及真空系統110。粒子加速器102可以是，例如回旋加速器，或者更具體地，等時性回旋加速器。粒子加速器102可以包括加速腔103。加速腔103可以由粒子加速器的外殼或其它部分限定，並具有抽空的狀態或狀況。圖1所示的粒子加速器至少具有位於加速腔103 中的子系統104、106、108及110的部分。在粒子加速器102的使用期間，帶電粒子通過離子源系統104而被放置在粒子加速器102的加速腔103內或注入其中。磁場系統108和電場系統106產生各自的場，這些場合作產生帶電粒子的粒子束112。帶電粒子沿著預定的路徑或期望的路徑在加速腔103內被加速並被引導。在粒子加速器102的運轉期間，加速腔 103可以處於真空(或抽空的)狀態，並經歷大的磁通量。例如，加速腔103中的極頂之間的平均磁場強度可以為至少1特斯拉。此外，在產生粒子束112之前，加速腔103的壓力可以為大約1 X ΙΟ"7毫巴。在產生粒子束112之後，加速腔103的壓力可以為大約2X 10_5毫巴。圖1中還顯示，系統100具有提取系統115和包括靶材料116的靶系統114。在所說明的實施例中，靶系統114定位成鄰接於粒子加速器102。為了產生同位素，粒子束112 由粒子加速器102沿著束傳輸路徑或束通道117引導而通過提取系統115並進入靶系統 114中，使得粒子束112入射到位於相應的靶位置120的靶材料116上。當利用粒子束112 照射靶材料116時，可以產生來自中子和伽馬射線的輻射。在備選實施例中，系統100可以具有位於加速腔103內或者直接附接至加速腔103的靶系統。系統100可以具有多個靶位置120A-C，分離的靶材料116A-C位於這些靶位置。移位裝置或系統(未顯示)可以用於使靶位置120A-C相對於粒子束112移位，使得粒子束 112入射到不同的靶材料116上。在移位過程中，也可以維持真空。作為備選，粒子加速器 102和提取系統115可能不僅沿著一條路徑弓I導粒子束112，而是可以針對各個不同的靶位置120A-C沿著獨特的路徑引導粒子束112。此外，束通道117從粒子加速器102到靶位置 120可以是基本上線性的，或者作為備選，束通道117可以在沿著其的一個或更多點彎曲或拐彎。例如，沿靠著束通道117定位的磁體可以配置成使粒子束112沿著不同的路徑改變方向。系統100配置成產生放射性同位素(也被稱為放射性核)，該放射性同位素可以用在醫學成像、研究及治療中，但是也用於非醫學相關的其它應用，例如科學研究或分析。當用於諸如核醫學(NM)成像或正電子放射層析(PET)成像的醫學目的時，放射性同位素也可以被稱為示蹤劑。例如，系統100可以產生質子，以製得液態形式的18Γ同位素、作為CO2的 11C同位素以及作為NH3的13N同位素。用於製得這些同位素的靶材料116可以是富含18O的水、自然的1%氣體、16O-水。為了產生15O氣體(氧氣、二氧化碳以及一氧化碳)和15O標記的水，系統100也可以產生質子或氘核。在特定實施例中，系統100使用1H-技術，並使帶電粒子為低能量(例如，大約 9.6MeV)，束電流為大約10-30 μ A。在這種實施例中，負的氫離子被加速，並被引導通過粒子加速器102而進入提取系統115中。負的氫離子然後可能撞擊提取系統115的剝離箔材 (圖1中未顯示)，從而除去電子對，並使該粒子成為正離子，1H+。然而，本文中描述的實施例可以應用於其它類型的粒子加速器和回旋加速器。例如，在備選實施例中，帶電粒子可以是正離子，例如1H^2H+及^fe+。在這種備選實施例中，提取系統115可以包括靜電偏轉器， 該靜電偏轉器產生弓I導粒子束向著靶材料116的電場。此外，在其它實施例中，束電流可以例如高達大約200 μ A。束電流也能夠高達2000 μ A或更多。系統100可以包括將冷卻流體或工作流體傳輸至不同系統的各種構件的冷卻系統122，以吸收由各自的構件產生的熱。系統100也可以包括可以由技術員使用的控制系統 118，以控制各種系統和構件的運轉。控制系統118可以包括定位成靠近或遠離粒子加速器 102和靶系統114的一個或更多用戶界面。雖然圖1中未顯示，但是系統100還可以包括用於粒子加速器102和靶系統114的一個或更多輻射屏蔽件和/或磁屏蔽件。系統100也可以配置成使帶電粒子加速至預定的能級。例如，本文中描述的一些實施例使帶電粒子加速至大約ISMeV或更少的能量。在其它實施例中，系統100使帶電粒子加速至大約16. 5MeV或更少的能量。在特定實施例中，系統100使帶電粒子加速至大約 9. 6MeV或更少的能量。在更加特定的實施例中，系統100使帶電粒子加速至大約7. 8MeV或更少的能量。然而，本文中描述的實施例也可以具有超過ISMeV的能量。例如，實施例可以具有超過100MeV、500MeV或更多的能量。
正如下面將更加詳細地討論的，系統100可以包括配置成在粒子加速器102內運轉的各種機械裝置。在一些實施例中，例如當正在產生粒子束112時，機械裝置可以在加速腔103內有效地運轉。同樣，機械裝置可以配置成在這樣的環境中有效地運轉該環境處於真空，經歷著大磁通量的磁場、高頻高壓電場，且/或具有大量的不想要的輻射。在其它實施例中，本文中描述的機械裝置可以配置成在靶系統114中運轉。圖2是根據一個實施例形成的回旋加速器200的側視圖。雖然下面的描述關於回旋加速器200，但是要懂得，實施例可以包括其它的粒子加速器和涉及該粒子加速器的方法。如圖2所示，回旋加速器200包括磁軛202，該磁軛202具有圍繞加速腔206的軛體 204。在備選實施例中，加速腔可以由非磁軛的構件圍繞或限定，例如外殼或屏蔽件。軛體 204具有相對的側面208和210，還具有頂端212和底端214，側面208和210之間的厚度為 T1，頂端212和底端214之間的長度為L。在示例性的實施例中，軛體204具有基本圓形的橫截面，並且同樣，長度L可以表示軛體204的直徑。軛體204可以由鐵製造，並且被定製尺寸和形狀，以在回旋加速器200運轉時產生期望的磁場。磁軛204可以具有相對的軛區段2 和230，軛區段2 和230限定了它們之間的加速腔206。軛區段2 和230配置成沿著磁軛202的中面232彼此相鄰地定位。正如所顯示的，回旋加速器200可以豎直地定向(相對於重力)，使得中面232垂直於支撐回旋加速器200的重量的水平平臺220而延伸。回旋加速器200具有中心軸線236，該中心軸線 236在軛區段2 和230(以及分別相應的側面210和208)之間水平地延伸，並通過軛區段2 和230。中心軸線236垂直於中面232通過軛體204的中心而延伸。加速腔206具有位於中面232和中心軸線236的交叉點的中心區域238。在一些實施例中，中心區域238 位於加速腔206的幾何中心。軛區段2 和230分別包括極248和250，極248和250在加速腔206內隔著中面 232而彼此相對。極248和250可以彼此分離極間隙G。極248包括極頂252，並且，極250 包括與極頂252相對的極頂254。極248和250以及它們之間的極間隙G被定製尺寸和形狀，以在回旋加速器200運轉時產生期望的磁場。例如，在一些實施例中，極間隙G可以為 3cm0回旋加速器200也包括位於加速腔206內或靠近加速腔206的磁體組件沈0。磁體組件260配置成便於利用極248和250而產生磁場，以沿著期望的束路徑引導帶電粒子。 磁體組件260包括相對的一對磁體線圈264和沈6，磁體線圈264和266隔著中面232而彼此隔開距離Dp磁體線圈可以是基本圓形的，並圍繞中心軸線236而延伸。軛區段2 和 230可以分別形成磁體線圈空腔268和270，磁體線圈空腔268和270被定製尺寸和形狀， 以分別容納相應的磁體線圈264和沈6。圖2中還顯示，回旋加速器200可以包括腔壁272 和274，腔壁272和274將磁體線圈264和266從加速腔206分離，且便於將磁體線圈264 和266保持在適當位置。加速腔206配置成允許諸如1H-離子的帶電粒子在其中沿著預定的彎曲路徑被加速，該彎曲路徑以螺旋的方式纏繞在中心軸線236的周圍，並保持基本上沿著中面232。帶電粒子初始地定位成靠近中心區域238。當回旋加速器200被激活時，帶電粒子的路徑可以圍繞中心軸線236運行。在所說明的實施例中，回旋加速器200是等時性回旋加速器，並且同樣，帶電粒子的軌道具有圍繞中心軸線236彎曲的部分和更加線性的部分。然而，本文中描述的實施例並不限於等時性回旋加速器，而是也包括其它類型的回旋加速器和粒子加速器。如圖2所示，當帶電粒子圍繞中心軸線236運行時，帶電粒子可以突出至該頁面的加速腔206之外並延伸至該頁面的加速腔206中。當帶電粒子圍繞中心軸線236運行時，在帶電粒子的軌道和中心區域238之間延伸的半徑R增加。當帶電粒子沿著軌道到達預定的位置時，帶電粒子被引入或通過提取系統(未顯示)而到達回旋加速器200之外。例如，如下所述，帶電粒子可以由箔材剝離它們的電子。在粒子束112的形成之前或形成期間，加速腔206可以處於抽空的狀態。例如，在產生粒子束之前，加速腔206的壓力可以為大約1 X 10_7毫巴。當粒子束被激活且吐氣體流過位於中心區域238的離子源(未顯示)時，加速腔206的壓力可以為大約2X 10_5毫巴。 同樣，回旋加速器200可以包括可能靠近中面232的真空泵276。真空泵276可以包括從軛體204的末端214徑向朝外地突出的部分。在一些實施例中，軛區段2 和230可以是能夠彼此相向和彼此遠離地移動的，使得可以進入加速腔206(例如，用於維修或維護)。例如，軛區段2 和230可以由沿靠著軛區段2 和230延伸的鉸鏈(未顯示)來結合。通過使相應的軛區段圍繞鉸鏈的軸線轉動，從而可以打開軛區段2 和230中的一個或兩個。作為另一示例，通過橫向地將其中一個軛區段從另一個線性地移開，軛區段2 和230可以彼此分離。然而，在備選實施例中， 軛區段2 和230可以一體地形成，或者當進入加速腔206時(例如，穿過通向加速腔206 中的磁軛202的孔或開口)，保持密封在一起。在備選實施例中，軛體204可以具有未均勻劃分的區段，並且/或者可以包括多於兩個的區段。加速腔206可以具有沿著中面232延伸並關於中面232基本上對稱的形狀。例如， 加速腔206可以是基本上盤形的，並包括限定在極頂252和2M之間的內部空間區域Ml 以及限定在腔壁272和274之間的外部空間區域M3。在回旋加速器200的運轉期間，粒子的軌道可能位於空間區域Ml內。加速腔206也可以包括徑向朝外地遠離空間區域243的通道，例如通過軛體204延伸至靶系統的通道。此外，極248和250 (或者更具體地，極頂252和254)可以由它們之間的空間區域 241分離，在空間區域Ml中，沿著期望的路徑引導帶電粒子。磁體線圈264和266也可以由空間區域243分離。尤其是，腔壁272和274在它們之間可以具有空間區域對3。此外， 空間區域243的外圍可以由壁表面255限定，該壁表面255也限定了加速腔206的外圍。壁表面255可以圍繞中心軸線236周向地延伸。正如所顯示的，空間區域241沿著中心軸線 236延伸相當於極間隙G的距離，並且，空間區域243沿著中心軸線236延伸距離Diq如圖2所示，空間區域243在中心軸線236周圍圍繞空間區域Ml。空間區域Ml 和243可以共同地形成加速腔206。因而，在所說明的實施例中，回旋加速器200不包括僅僅圍繞空間區域241從而限定作為回旋加速器的加速腔的空間區域Ml的單獨的容器或壁。例如，真空泵276可以通過空間區域243而流體連通地聯接至空間區域Ml。進入空間區域Ml的氣體可以通過空間區域243而從空間區域241被抽空。在所說明的實施例中， 真空泵276流體連通地聯接至空間區域M3，並定位成鄰接於空間區域M3。圖2中還顯示，回旋加速器200可以包括可操作地附接至機電(EM)馬達290-292 的一個或更多機械裝置觀0-觀2。在一些實施例中，機械裝置觀0-282配置成被選擇性地移動，以影響回旋加速器200的運轉，或者更具體地，影響粒子束。例如，機械裝置280和可以被選擇性地移動，使得帶電粒子入射到機械裝置上。機械裝置282可以被選擇性地移動，以影響粒子束的期望的路徑。另外，機械裝置280和281可以延伸至極頂252和2M之間的加速腔206的空間區域241中。機械裝置282可以位於加速腔206的空間區域243中。EM馬達四0_292可操作地附接至各自的機械裝置觀0_觀2。正如本文中使用的， 當兩個元件或組件「可操作地附接」、「可操作地聯接」、「可操作地連接」等時，包括兩個元件或組件以允許兩個元件或組件執行期望的功能的方式連接在一起。例如，EM馬達四0-四2 以允許各個EM馬達選擇性地移動各自的機械裝置的方式附接至各自的機械裝置觀0-觀2。 當可操作地聯接(或類似地)時，EM馬達和相應的機械裝置可以不利用任何介入零件或構件而直接地彼此連接，或者可以間接地彼此連接。在任一情況下，由EM馬達引起的運動導致機械裝置被移動。在特定實施例中，EM馬達四0_292安裝至極頂252或2M中的一個，或者定位成鄰接於極頂252或254中的一個。如圖2所示，EM馬達292定位成直接鄰接於極頂252。例如，EM馬達290和291分別安裝至極頂252和254。EM馬達292可以安裝至腔壁272。然而，在其它實施例中，EM馬達不安裝至極頂252或2M或定位成鄰接於極頂252或254。EM馬達四0_四2可以分別包括可操作地附接至各自的機械裝置觀0_282的連接構件四3-四5。連接構件可以是諸如棒、軸、聯杆、彈簧、EM馬達的外殼等的任何物理零件。EM 馬達290-292也可以包括可操作地聯接至相應的連接構件的壓電元件(未顯示)。壓電元件可以被激活而移動連接構件，從而移動相應的機械裝置。通過對壓電元件施加電壓或電場，或者通過對壓電元件引起應變，從而可以提供激活。例如，作為結果的連接構件的移動可以沿線性的方向或者旋轉的方向。在特定實施例中，EM馬達四0-292是壓電馬達或超聲馬達。圖3是根據一個實施例形成的軛區段330的局部透視圖。軛區段330可以與另一軛區段(未顯示)相對。當相對的軛區段和軛區段330密封在一起時，加速腔可以形成於它們之間。當已密封時，兩個軛區段可以組成回旋加速器的磁軛，例如上述的回旋加速器200 的磁軛202。軛區段330可以具有如關於軛區段2 和230(圖2)所述的類似的構件和特徵。如所顯示的，軛區段330包括限定了打開側空腔320的環部321，打開側空腔320具有位於其中的磁極350。打開側空腔320可以包括加速腔的內部空間區域和外部空間區域(未顯示)的部分，例如上述的內部空間區域241和外部空間區域對3。環部321可以包括配合表面324，該配合表面3M配置成在回旋加速器的運轉期間接合相對的軛區段的配合表面。 軛區段330包括軛或束通道349。如由虛線指示的，束通道349穿過環部321而延伸，並提供了用於被剝離粒子的粒子束離開加速腔的路徑。在一些實施例中，極350的極頂邪4可以包括隆起331-334和凹處336-339。隆起 331-334和凹處336-339可能便於通過改變帶電粒子所經歷的磁場而引導帶電粒子。軛區段330也可以包括彼此相向並向著極350(或加速腔)的中心344徑向朝內地延伸的射頻 (RF)電極340和342。RF電極340和342可以分別包括分別從芯柱(stem) 345和347延伸的空心的D電極或「D盒」 341和；343。D盒341和343分別位於凹處336和338內。芯柱 345和347可以聯接至環部321的內壁表面322。還顯示，軛區段330可以包括布置在極350周圍的攔截面板371和372。攔截面板 371和372定位成攔截加速腔內的迷失的粒子。攔截面板371和372可以包括鋁。雖然圖3中僅僅顯示了兩個攔截面板371和372，但是本文中描述的實施例可以包括另外的攔截面板。此外，本文中描述的實施例可以包括定位成靠近內部空間區域內的極頂354的束刮器 (beam scraper)。RF電極340和342可以形成RF電極系統370，例如參照圖1描述的電場系統106， 其中，RF電極340和342在加速腔內使帶電粒子加速。RF電極340和342彼此合作並形成共振系統，該共振系統包括調諧至預定的頻率(例如，100MHz)的感應元件和電容元件。RF 電極系統370可以具有高頻功率發生器(未顯示)，該高頻功率發生器可以包括與一個或更多放大器通信的頻率振蕩器。RF電極系統370在RF電極340和342之間形成交變的電勢，從而使帶電粒子加速。圖3中還顯示，多個可移動的機械裝置可以設置在加速腔內。例如，剝離組件402 可以安裝至極350，並且，診斷探針組件440也可以安裝至極350。除了剝離組件402和探針組件440之外，所描述的實施例可以包括位於加速腔內的其它可移動的機械裝置。可移動的機械裝置可以配置成在回旋加速器的運轉期間移動且/或在磁軛被密封時移動。更具體地，機械裝置可以配置成重複地運轉(例如，在不同的位置之間來回移動)，同時處於真空狀態內，並同時維持大的磁通量。圖4是軛區段330的一部分的放大圖，並更加詳細地顯示了剝離組件402。如所顯示的，剝離組件402包括可旋轉臂406和安裝至該可旋轉臂406的箔材保持器404。可旋轉臂406從定位在極頂354(圖3)的外周邊411附近的近端408向著中心344(圖3)延伸。 可旋轉臂406可以延伸至遠端410(顯示在圖3中)。在一些實施例中，可旋轉臂406配置成圍繞遠端410轉動。箔材保持器404配置成定位在外周邊411附近。在示例性的實施例中，箔材保持器404被固定在可旋轉臂406的近端408附近。箔材保持器404配置成保持剝離箔材412， 使得剝離箔材412位於粒子束的期望的路徑內。正如所顯示的，例如使用緊固裝置414，箔材保持器404可以可移開地聯接至可旋轉臂406。如果期望的話，緊固裝置414可以鬆開， 以將箔材保持器404相對於可旋轉臂406重新定位。此外，箔材保持器404可以包括夾緊機構416，該夾緊機構416具有使用例如緊固裝置418而固定在一起的相對的指狀件。為了移開或替換剝離箔材412，緊固裝置418可以鬆開，以分離指狀件。圖4中還顯示，剝離組件402能夠可操作地聯接至機電(EM)馬達420。機電馬達 420可以通過纜或線422而通信地聯接至控制系統(未顯示)。EM馬達420可以包括致動組件4M和可移動地聯接至該致動組件424的連接構件426。連接構件可操作地附接至剝離組件402 (或箔材保持器404)。例如，連接構件似6可以附接至可旋轉臂406的近端408。 致動組件4 可以包括可操作地聯接至連接構件4 的多個壓電元件。EM馬達420配置成當電場施加至壓電元件時驅動連接構件426，從而移動可旋轉臂406，並且，因而移動箔材保持器404和剝離箔材412。連接構件4 可以由EM馬達420選擇性地移動至不同的位置。在所說明的實施例中，EM馬達420是線性的壓電馬達。EM馬達420可以包括非磁性材料，或者更具體地，基本上由非磁性材料構成。當EM馬達基本上由非磁性材料構成時， EM馬達至多對操作加速腔中的磁場具有微不足道的影響。例如，基本上由非磁性材料構成的EM馬達能夠安裝在預先存在的粒子加速器中，而不為了 EM馬達重新配置磁場系統。連接構件似6包括由致動組件4M沿著如由雙頭箭頭指示的線性方向來回移動的棒或軌。當連接構件似6沿著第一方向移動時，可旋轉臂406可以沿著順時針方向圍繞遠端410旋轉。 當連接構件似6沿著相反的第二方向移動時，可旋轉臂406可以沿著逆時針方向圍繞遠端 410旋轉。因而，EM馬達420和剝離組件402可以相互作用而將剝離箔材412定位在粒子束的期望的路徑內。當粒子束的帶電粒子入射到剝離箔材412上時，電子可能從帶電粒子中移開(或剝離)。剝離的粒子然後可以順著期望的路徑通過束通道349(圖3)。在備選實施例中，剝離組件402可以包括相互作用而對剝離箔材412進行定位的其它零件或構件。例如，在一個備選實施例中，剝離組件402可以不圍繞遠端410轉動，而是，可以配置成圍繞通過緊固裝置414延伸的軸線旋轉。因此，各種相互連接的機械構件和零件可以用於選擇性地移動剝離箔材。例如，剝離組件402和/或EM馬達420可以包括可以配置成選擇性地移動剝離組件412的聯接裝置、齒輪、帶、凸輪機構、槽、跳板(ramp)以及接合件。同樣地，備選的EM馬達可以用於移動箔材404。例如，線性的EM馬達可以直接保持剝離箔材，並配置成將剝離箔材412移向和移離例如中心344。在其它實施例中，EM馬達可以配置成圍繞軸線旋轉，而不是提供線性的運動。剝離組件402也可以包括非磁性材料， 或者基本上由非磁性材料構成。圖5是軛區段330的一部分的放大圖，並且，更加詳細地顯示了探針組件440。在所說明的實施例中，探針組件440安裝至極頂354，並位於凹處337內。探針組件440包括固定成靠近外周邊411的底座支撐件442和可旋轉地聯接至底座支撐件442的軸部件444。 軸部件444向著極350的中心344徑向朝內地延伸。探針組件440還包括附接至軸部件 444的遠端的束探測器446。在所說明的實施例中，束探測器446包括標籤或標記447。可選地，探針組件440可以包括可旋轉地聯接至軸部件444的遠端的遠側支撐件448。圖5中還顯示，探針組件440能夠可操作地聯接至EM馬達450。EM馬達450和束探測器446可以通過纜或線452而通信地聯接至控制系統(未顯示)。EM馬達450可以包括致動組件妨4和聯接至致動組件454的連接構件456。連接構件456可操作地附接至探針組件440。例如，連接構件456可以附接至軸部件444的近端458。類似於EM馬達420， 致動組件妨4可以包括可操作地聯接至連接構件456的多個壓電元件。EM馬達450配置成當將電場施加至壓電元件時驅動連接構件456，從而移動軸部件444，並且，因而移動束探測器446。連接構件456可以由EM馬達450選擇性地移動至不同的位置，從而選擇性地移動軸部件444。在所說明的實施例中，EM馬達450是旋轉的壓電馬達。在備選實施例中，EM馬達 450可以是被可操作地聯接而以恰當的方式移動標籤447的線性馬達。在備選實施例中，EM 馬達450可以包括超聲馬達。在一些實施例中，EM馬達450可以包括非磁性材料，或者更具體地，基本上由非磁性材料構成。正如所顯示的，連接構件456包括由致動組件妨4沿著如由雙頭箭頭指示的旋轉方向來回移動的棒或軸。當連接構件456沿著第一方向移動時， 軸部件444可以將束探測器446移動至期望的路徑中。當連接構件456沿著相反的第二方向移動時，軸部件444可以將束探測器446移出期望的路徑。因而，EM馬達450和探針組件440可以相互作用而將束探測器446定位在期望的路徑內，使得帶電粒子入射到束探測器446上。探針組件440可以用於在沿著期望的路徑的不同點測試粒子束的量或狀況。在期望的路徑的一點獲得的測量可以與在沿著期望的路徑的其它點採取的測量相比較。例如， 由束探測器446採取的測量可以用於確定粒子束的損失量。圖6是空心D盒(或RF共振器)343和可操作地聯接至EM馬達462的RF裝置 460的透視圖。在所說明的實施例中，RF裝置460安裝至EM馬達462，並定位成靠近空心D 盒343的外周邊。RF裝置460包括電容板464和可操作地聯接至EM馬達462的底座延伸件466。電容板464基本上面向空心D盒343，並從空心D盒343隔開分離距離SD。EM馬達462是配置成使RF裝置460圍繞軸線470旋轉的旋轉類型的馬達。當RF裝置460圍繞軸線470旋轉時，電容板464移向空心D343盒和從空心D343盒移開而改變分離距離SD。 因而，EM馬達462可以配置成選擇性地將電容板464移向空心D盒343和從空心D盒343 移開，從而改變分離距離SD0通過改變分離距離SD,能夠調諧回旋加速器的共振頻率，以影響粒子束中的帶電粒子。圖7-10更加詳細地顯示了可以與本文中描述的實施例一起使用的EM馬達。然而，本文中描述的EM馬達僅僅是示例性的，並且，也可以使用其它的EM馬達。圖7-9更加詳細地顯示了線性類型的EM馬達502，該EM馬達502可能類似於圖4所示的EM馬達420。 例如，EM馬達420和502可以是由PiezoMotor公司製造的Piezo LEGS 馬達。圖7是EM 馬達502的分解圖，並且，圖8顯示了已組裝的EM馬達502。如所顯示的，EM馬達502包括拉伸彈簧504、輥506、保持器507、驅動棒(或連接構件)508以及致動組件510。致動組件 510包括其中具有多個壓電元件512(圖7)的外殼511。驅動棒508配置成可操作地聯接至致動組件510，或者更具體地，壓電元件512。在所說明的實施例中，驅動棒508被輥506 和拉伸彈簧504按壓於壓電元件512。圖9顯示了當被所施加的電壓激活時一個壓電元件512通過不同階段A-D的示例性的運動。當多個壓電元件512布置成列時，例如在EM馬達502中，壓電元件512可以合作而沿著線性方向移動驅動棒508。如所顯示的，壓電元件512包括具有兩個壓電層516和 518的壓電陶瓷雙壓電晶片514，一個中間電極和兩個外側電極(未顯示)彼此分離。壓電元件512的遠端520配置成可操作地接合驅動棒508。因而，各層516或518可以被所施加的電壓獨立地激活。例如，在階段A，層516或518均未被激活，並且，壓電元件512處於收縮的狀況。在階段B，層518被激活，從而導致層518延伸。因為層516未被激活，所以壓電元件512在一個方向上彎曲或傾斜。在階段C，層516和518兩者均被激活，使得壓電元件 512處於延伸的狀況。在階段D，層516被激活，使得層516延伸。因為層518未被激活，所以壓電元件512在與階段B中的方向相反的方向上彎曲。因而，通過將電壓施加至致動組件510中的各個壓電元件512，使得壓電元件512可以作為使用摩擦力的指狀件或腿狀件而運轉，以移動驅動棒508。圖10顯示了包括轉子532和定子534的致動組件530。致動組件530可以併入旋轉類型的EM馬達中，例如EM馬達450和462。在特定實施例中，致動組件530併入超聲馬達中。轉子532可以可操作地聯接至驅動軸(未顯示)，該驅動軸繼而可操作地聯接至機械裝置。如所顯示的，定子534可以包括布置成列並與轉子532相接的多個壓電元件536。 施加的電壓可以沿著壓電元件536的環建立行波TW，以產生橢圓的運動。激活的壓電元件 536可以在導致轉子532圍繞軸線540旋轉的不同的接觸點接合轉子。在一個實施例中，提供了一種操作具有加速腔的粒子加速器的方法。該方法也用於操作諸如系統100的同位素產生系統，或者諸如回旋加速器200的回旋加速器。該方法包括在加速腔中提供帶電粒子的粒子束。如上所述，可以使用例如電場和磁場來產生粒子束，以沿著期望的路徑引導帶電粒子。該方法還包括在加速腔內選擇性地移動機械裝置，以影響粒子束。機械裝置可以類似於機械裝置觀0_觀2、剝離組件402、診斷探針組件440或者RF裝置460。例如，通過使帶電粒子入射到機械裝置上，或者通過影響電場或磁場而控制期望的路徑，使得機械裝置可以影響粒子束。例如，RF裝置可以相對於空心D盒而被移動，以影響共振頻率。如上所述，機械裝置可以由機電(EM)馬達移動，該機電馬達包括連接構件和可操作地聯接至該連接構件的壓電元件。連接構件可操作地附接至機械裝置，並且，可以是能夠被移動和操縱而控制機械裝置的運動的任何物理結構。當壓電元件被激活時(例如，通過施加電壓)，EM 馬達驅動連接構件，從而移動機械裝置。在特定實施例中，機械裝置位於限定了內部空間區域的磁軛的極頂之間，或者定位成鄰接於極。例如，可旋轉臂或軸部件的至少一部分可以在極頂之間延伸。此外，在特定實施例中，EM馬達可以位於極頂之間，或者定位成鄰接於極。在一些實施例中，機械裝置相對於磁軛而被移動，或者，在特定實施例中，相對於極頂而被移動。機械裝置也可以位於其中一個極頂的隆起或凹處中。例如，剝離組件402定位成沿著隆起333，並且，探針組件440 位於凹處337中。此外，EM馬達和機械裝置可以位於磁軛的內壁表面，或者從磁軛的內壁表面隔開，例如壁表面322。在特定實施例中，粒子加速器和回旋加速器被定製尺寸、形狀，並配置成用於醫院或其它類似的設定中，以產生用於醫學成像的放射性同位素。然而，本文中描述的實施例並不意圖限於產生用於醫學用途的放射性同位素。此外，在所說明的實施例中，粒子加速器是豎直定向的等時性回旋加速器。然而，備選的實施例可以包括其它種類的回旋加速器或粒子加速器以及其它定向(例如，水平的)。將會懂得，以上的描述意圖為說明性的，而不是限制性的。例如，上述的實施例 (和/或其方面)可以彼此結合地使用。另外，在不脫離本發明的範圍的情況下，可以做出很多修改，以使特定的情形或材料適應於本發明的教導。雖然本文中描述的材料的尺寸和類型意圖限定本發明的參數，但是它們決不進行限制，而是示例性的實施例。對於本領域的技術人員而言，通過查閱以上的描述，很多其它的實施例將是顯而易見的。因此，應當連同權利要求被授予的等同物的整個範圍一起，參照所附的權利要求而確定本發明的範圍。在所附的權利要求中，術語「包括」和「其中」被用作各自的術語「包含」和「在其中」的簡明的等同物。此外，在權利要求中，術語「第一」、「第二」及「第三」等僅僅用作標識，而並不意圖將數量上的要求強加於它們的對象。此外，權利要求的限制不以裝置加功能的形式撰寫，並且，不意圖基於美國專利法第112條第六段而被解釋，除非且直至這種權利要求限制明確地使用了短語「用於…的裝置」，接著為功能的陳述，而沒有進一步的結構。該書面描述使用了示例來公開本發明，包括最佳模式，並也使得本領域的任何技術人員能夠實踐本發明，包括製作和使用任何裝置或系統，以及執行任何合併的方法。本發明的可授予專利的範圍由權利要求限定，並且可以包括本領域的技術人員想到的其它示例。這種其它的示例意圖落在權利要求的範圍內，如果它們具有與權利要求的字面語言無差異的結構要素，或者如果它們包括帶有與權利要求的字面語言的非實質性差異的等同結構要素的話。
權利要求
1.一種粒子加速器(102)，包括電場系統(106)和磁場系統(108)，配置成在加速腔(206)內沿著期望的路徑引導帶電粒子；機械裝置O80、282)，位於所述加速腔內，所述機械裝置配置成被選擇性地移動至所述加速腔內的不同位置；以及機電(EM)馬達090、292)，包括連接構件(456)和可操作地聯接至所述連接構件的壓電元件(512)，所述連接構件可操作地附接至所述機械裝置，其中，當所述壓電元件被激活時，所述機電馬達驅動所述連接構件，從而移動所述機械裝置。
2.根據權利要求1所述的粒子加速器(102)，其特徵在於，所述磁場系統(108)包括隔著所述加速腔(206)而彼此相對的一對極頂052、2Μ)，所述機械裝置(觀0、觀幻在所述極頂之間延伸。
3.根據權利要求2所述的粒子加速器(102)，其特徵在於，所述機電馬達(四0、四2)安裝至其中一個所述極頂052、2Μ)，或者鄰接於其中一個所述極頂。
4.根據權利要求1所述的粒子加速器(102)，其特徵在於，所述機電馬達(四0、四2)基本上由非磁性材料構成。
5.根據權利要求1所述的粒子加速器(102)，其特徵在於，所述機械裝置(觀0、觀2)配置成被移動至所述期望的路徑中，使得所述帶電粒子入射到其上。
6.根據權利要求5所述的粒子加速器(102)，其特徵在於，所述機械裝置(觀0、觀2)包括具有束探測器G46)的診斷探針，所述帶電粒子入射到所述束探測器上。
7.根據權利要求5所述的粒子加速器(102)，其特徵在於，所述機械裝置(觀0、觀2)包括具有剝離箔材G12)的剝離組件002)，所述帶電粒子入射到所述剝離箔材上。
8.根據權利要求1所述的粒子加速器(102)，其特徵在於，所述電場系統(106)包括空心D盒(341、343)，並且，所述機械裝置(觀0、觀幻包括電容板064)，所述電容板配置成移向其中一個所述空心D盒和從其中一個所述空心D盒移開。
9.根據權利要求1所述的粒子加速器(102)，其特徵在於，所述連接構件(456)配置成至少其中一個沿著線性方向移動或者圍繞軸線(236)旋轉。
10.一種操作具有加速腔Ο06)的粒子加速器(102)的方法，所述方法包括在所述加速腔中，提供帶電粒子的粒子束(112)，所述粒子束沿著期望的路徑被引導；以及在所述加速腔內選擇性地移動機械裝置080、282)，所述機械裝置由機電(EM)馬達 (290,292)移動，所述機電馬達(四0、四幻包括連接構件(456)和可操作地聯接至所述連接構件的壓電元件(512)，所述連接構件可操作地附接至所述機械裝置，其中，當所述壓電元件被激活時，所述機電馬達驅動所述連接構件。
全文摘要
本發明涉及具有機電馬達的粒子加速器以及操作和製造該粒子加速器的方法。具體而言，一種粒子加速器(102)，包括配置成在加速腔(206)內沿著期望的路徑引導帶電粒子的電場系統(106)和磁場系統(108)。粒子加速器還包括位於加速腔內的機械裝置(280、282)。機械裝置配置成被選擇性地移動至加速腔內的不同位置。粒子加速器還包括機電(EM)馬達(290、292)，該機電馬達(290、292)具有連接構件(456)和可操作地聯接至該連接構件的壓電元件(512)。連接構件可操作地附接至機械裝置。當壓電元件被激活時，EM馬達驅動連接構件，從而移動機械裝置。
文檔編號H05H7/02GK102573267SQ20111046269
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月23日 優先權日2010年12月23日
發明者B·霍姆格倫, T·埃裡克松 申請人:通用電氣公司