用於以回旋加速器生產粒子束的內部雙離子源的製作方法

2023-07-28 04:23:26

專利名稱：用於以回旋加速器生產粒子束的內部雙離子源的製作方法
技術領域：
本發明涉及回旋加速器領域。更特別地，本發明涉及用於回旋加速器的內部離子 源組件。
背景技術：
回旋加速器是再循環粒子加速器，其工作於高真空之下並且在該加速器中由離子 源產生的帶電粒子以圓周運動來加速。這一方面通過使用引起來自所述源的粒子沿著在垂 直於磁場的平面內的圓形路徑前進的磁場，並且另一方面通過使用施加於所謂D形電極的 高頻交變電壓來實現，所述D形電極賦予穿過它的粒子以能量的增加。內部離子源典型地包括圓柱形腔室或離子源主體。電場被創建於陰極和陽極之 間。陰極產生電子並且電子沿著描繪出使電子從一個陰極到另一個行進得非常長的非常小 的螺旋狀路徑的回旋加速器的磁場線前進。氣體(典型為氦氣或另外的氣體，取決於粒子 束所希望的粒子)被注入所述離子源的內部。電子在它們的行進期間損失它們的部分能量 於氣體中並且造成電離，電離結果形成等離子體柱。離子源能夠產生帶負電的和/或帶正 電的粒子。某些回旋加速器模型被設計具有內部離子源，而其他回旋加速器模型則被設計具 有外部離子源。在裝備有內部離子源的回旋加速器中，離子源位於回旋加速器所謂的中心區之 內。由所述離子源產生的離子被通過縫隙從離子源主體內直接抽取出並且由施加於離子源 主體與稱為拉引器的電極之間的電壓差從所述縫隙中牽引出，其中所述電極由電源被加偏 壓以處於交變電位。在從離子源中抽取出之後，離子移動穿過典型稱為D形電極的電極。 回旋加速器還包括產生用於在圓形路徑中引導和約束粒子的磁場(垂直於粒子的方向) 的電磁體；以及能夠將交變電壓施加於所述D形電極並且因此使產生於所述D形電極之間 的間隙內的電場的極性快速交變的高頻電源。由於在D形電極內部不存在電場，因而行進 穿過D形電極的粒子不受電場影響。因而，如果施加於D形電極的電場在粒子處於D形電 極內部時被反轉，則每次粒子穿過該間隙時，它們就通過獲得能量而愈加得到沿著螺旋形 路徑的加速。某些回旋加速器被設計用於加速帶正電的離子，而其他回旋加速器則被優化 用於加速帶負電的離子。在所述螺旋形路徑的末端存在用來抽取所加速的負電離子(例如 Η")的抽取部件，例如碳脫離器。當正電離子已經被加速時，靜電偏轉器被用來實現從迴旋 加速器中抽取粒子。在具有外部離子源的回旋加速器中，由所述離子源生成的離子被首先從外部離子 源傳送到所述回旋加速器之內並且然後被偏轉以與具有內部源的回旋加速器的情形一樣 進行加速。與具有內部離子源的回旋加速器相比，具有外部離子源的回旋加速器的優點在 於離子源容易接近以進行維護工作，同時真空條件始終得以維持。在回旋加速器中的內部 離子源是易碎的以及由於磨損需要定期更換。更換內部離子源是麻煩的且耗時的中斷真 空，打開粒子加速器，更換離子源，關閉粒子加速器以及對粒子加速器進行抽氣直到獲得好的真空。當回旋加速器被用於在商業上生產放射性藥物同位素(例如，PET或SPECT同位 素)時，射束生產的可用時間(uptime)和可靠性變成了重要及關鍵的因素。為了增加可用 時間和可靠性，則要安裝回旋加速器的冗餘設備和系統(例如，使用多脫離器元件來抽取 H_射束)。實際上，內部離子源是回旋加速器中唯一不冗餘的基本元件。而且，在內部離子 源需要更換時的維護過程中，執行維護的人員被暴露於活化材料的輻射之下。因此，對於具 有內部離子源的回旋加速器，萬一內部離子源在用於放射性藥物用途的同位素的生產期間 失效，尤其是對於生產短壽命同位素(例如，18F半衰期=110分鐘)的回旋加速器，則需要 提供有效且快速的後備解決方案。Conard等人，在「 IBA的回旋加速器開發現狀和未來(Current Status and future of cyclotron development at IBA) 」(EPAC 會議學報，法國，尼斯(1990))中描述了生產 質子和氘核這兩種粒子的兩種回旋加速器Cyclone 10/5和Cyclone 18/9。兩種內部冷陰 極PIG類型的離子源被使用於這種用途。兩個離子源集成於同一回旋加速器中用於生產兩 種不同粒子，這在技術上能夠實現，因為粒子的不同物理性質由於質量差異，粒子具有不 同的磁剛度並且因而粒子經歷不同的彎曲。對於質子和氘核，這些回旋加速器分別工作於 諧波2和4。這些不同的性質允許將兩個離子源安裝於在回旋加速器的中心區內界定清晰 的幾何構型中以便不同粒子的射束路徑在加速的首次迴轉期間沒有幹擾或碰撞一個或另 一個離子源。對於這些回旋加速器，根據放射性同位素生產的需要來生產質子或氘核束是 可能的。但是，在大部分實際情形中需要具有儘可能好的可用時間的單一類型的射束來生 產放射性同位素(例如，質子用於通過反應18O (p，n) 18F來生產18F)。目前，迄今為止還沒有人提出實際的解決方案以一方面增加具有內部離子源的回 旋加速器的可用時間和工作可靠性以及另一方面減少人員在維護過程中的輻射暴露。本發 明旨在提供以上討論的維護和射束的可用時間的問題的解決方案。發明目的本發明旨在提供克服現有技術的問題的設備。特別地，本發明旨在提供將用於生產相同粒子的兩個獨立離子源集成於回旋加速 器的中心區內的所謂的「雙(TWIN)」離子源系統。

發明內容
根據本發明的優選實施例，本發明提供了用於產生粒子束的回旋加速器，如同在 所附的權利要求中描述的。具體實施例通過將獨立的權利要求與一個或多個從屬的權利要 求結合來描述。根據本發明的回旋加速器包括·用於產生粒子離子的第一內部離子源(1)；·由用於加速所述粒子離子的間隙(5)使其彼此隔開的D形電極組件(3)和反D 形電極組件(4)；所述反D形電極(4)優選接地或者一般地可連接至參考電壓；組件可以分 別包括一個或多個D形電極和反D形電極。·發生器，該發生器能夠將交變高壓施加於所述D形電極組件(3)，使得在所述間 隙之間(即之中)有可能具有電場；·用於產生磁場垂直穿過D形電極以引起粒子離子盤旋以及多次遇到所述D形電極組件的加速電壓的裝置；·用於象所述第一內部離子源(1)那樣產生相同的粒子離子的第二內部離子源 (2),其中所述回旋加速器能夠生成由第一內部離子源或第二內部離子源或者同時由 這兩個離子源產生的高能粒子束。此外，根據優選的實施例，回旋加速器的特徵在於相對於中心垂直軸的雙重旋轉 對稱。中心垂直軸被定義為穿過回旋加速器的中心並且與回旋加速器內的磁場取向平行的 軸。根據另一實施例，源被布置於與中心軸基本上相同的距離但是不一定相對於中心軸對 稱。根據一種實施例，回旋加速器的特徵還在於回旋加速器的中心區內的不同元件的 最優的緊密的幾何圖形。第一內部離子源(1)與第二內部離子源(2)相對於中心垂直軸的 距離被最小化以避免在加速的首次迴轉期間的粒子損失。根據該實施例，所述第一內部離 子源(1)和所述第二內部離子源( 相對於所述中心垂直軸的距離被減小以便增大在來自 所述第一 /第二內部離子源的行進180°之後的射束與所述第二 /第一內部離子源之間的 距離，由此在加速的首次迴轉期間的粒子損失得以最小化。換言之，將源定位於技術上可能 的最小距離處以便確保在由一個源產生的粒子與另一個源的主體之間沒有碰撞。當源相對 於回旋加速器的中心軸對稱地布置時，可能的碰撞會在粒子已經從一個源到另一個源行進 180°時發生。在技術上最小的可能距離取決於源和電極的形狀，以及可以由在粒子源和D 形電極之間最小的必要距離所確定。根據另一實施例，本發明的回旋加速器的特徵還在於調整和最優化第一內部離子 源(1)和第二內部離子源O)的形狀以避免在加速的首次迴轉期間的粒子損失。根據該實 施例，所述第一內部離子源(1)和所述第二內部離子源O)的主體包括在所述主體外圍的 取向遠離所述回旋加速器的中心垂直軸的凹口(40)。所述凹口被布置以避免由一個源產生 的粒子與另一個源的主體的碰撞。根據又一種實施例，回旋加速器的特徵在於調整和最優化反D形電極組件的 形狀，以及可能還有D形電極組件的形狀，以便改善在間隙(5)中間的加速場。根據該實施 例，所述反D形電極組件(4)中在所述粒子束橫越所述間隙(5)的位置的拐角被減少，由此 在間隙內的所述電場的場質量得以改善。換言之，反D形電極(4)組件，以及可能還有D形 電極組件(3)，按照粒子橫越間隙(5)發生於其中在所述間隙(5)內沒有拐角或彎曲的區域 內這樣的方式來配置。


圖1示出了根據本發明的回旋加速器的中心區的表示(在回旋加速器的正中面上 的投影)。圖2示出了根據本發明的同一回旋加速器的中心區的三維表示。圖3示出了內部離子源的工作原理的示意性表示，典型的內部離子源的主體的透 視圖，以及離子源部分的頂視圖。圖4示出了第二離子源的離子的迴轉圖形，說明離子在第一迴轉期間由與第一離 子源的碰撞所致的損失。
圖5示出了第二離子源的離子的迴轉圖形，其中第一和第二離子源的背面已經被
重塑形。圖6示出了根據本發明的最優的中心區構型的第二離子源的離子的迴轉圖形。圖7示出了根據本發明的內部離子源部分的透視圖和頂視圖。
具體實施例方式現在，本發明將相對於附圖詳細地描述。但是，很明顯本領域技術人員可以理解幾 種等價的實施例或者實施本發明的其他方式。給出了關於在ISMeV的回旋加速器中的兩個 內部H-質子離子源的裝配的詳細描述、附圖和計算結果。很明顯，本發明能夠應用於任意 類型的回旋加速器。因此，本發明的精神和範圍僅由權利要求書的範圍所限定。圖1示出了本發明的優選實施例的回旋加速器的中心區的表示。該回旋加速器的 中心區包括·用於生產帶電離子的第一離子源(1)·用於生產帶電粒子的第二離子源O)，第二離子源(2)與第一離子源(1)相同 與高頻功率發生器連接的D形電極組件(3)，其中該高頻發生器能夠將交變高壓 施加於所述D形電極(3) 接地並且與D形電極(3) —起加速穿過間隙(5)的粒子的反D形電極組件⑷。D形電極被布置為具有兩個側面部分3的單一電極，而反D形電極則被布置為具有 四個子部分4的組件。具有一個或多個D形和反D形的組件的其他布局為本領域技術人員 所了解，並且由此包含於本發明的範圍之內。具有兩個內部離子源的回旋加速器，如圖1和圖2所示，具有相對於中心垂直軸的 雙重旋轉對稱。中心軸在此被定義為穿過回旋加速器的中心並且與磁場的取向平行的軸。 離子源被安裝於相對於中心軸的徑向方向上。回旋加速器能夠或者通過使用第一離子源(1)或者通過使用第二離子源(2)，或 者通過同時使用這兩個離子源來生成高能質子束。典型位於粒子加速器的中心的離子源(1或2)產生由在離子源主體和拉引器之間 創建的電場從離子源中牽引出的低能離子。離子被加速至D形電極(3)，這時由於電場而橫 越D形電極(3)與反D形(4)之間的第一間隙(5)。根據優選的實施例，所使用的離子源的類型是如圖3所示的冷陰極PIG離子源。 離子源被用氣體(例如氫氣)饋送。使用電源(12)在陽極(11)和陰極(10)之間創建電 勢。電子從陰極中發射出並且等離子體(13)被創造於離子源的所謂囪罩(chimney)之內， 在此，電子約束通過使用回旋加速器的磁場B來建立。離子通過抽取孔(14)來抽取。典型 的離子源20的主體的三維視圖與頂部25視圖(在安裝於回旋加速器內時沿著垂直於磁場 方向的平面的截面)一起同樣示出於圖3上。由於兩個離子源當的粒子是相同的，因而射束光學是正好相同的，即粒子具有相 同的磁剛度並且將具有相同的曲率半徑。因此，來源於第一離子源的粒子在加速的首次回 轉期間通常會碰撞第二離子源。這被示出於圖4中，其中圖4是焦點在中心區上的迴旋加 速器的正中面視圖。出發點是現有的具有兩個內部離子源的回旋加速器構型一個用於質 子以及一個用於氘核(提供ISMeV的質子和9MeV的氘核的射束)。氘核離子源由與第一質子離子源相同的質子離子源所替換。第一離子源1和第二離子源2被示出於圖4上並且具 有如圖3 05)所示的形狀。來自第二質子離子源O)的質子的加速和迴轉圖形被算出並示 出於圖4上，平面圓形和平面方形分別表示D形電壓C3)為最大值和為O時的質子的位置。 可以看出，離子碰撞上定位於180°的第一離子源(1)的背面，因此所有射束在加速的首次 迴轉期間就均已損失。儘管雙離子源解決方案對於質子/氘核回旋加速器構型行得通，但 是氘核離子源由質子離子源簡單替換行不通。將兩個離子源集成於同一回旋加速器內用於 生產兩種不同的粒子，這在技術上能夠實現，因為粒子的不同物理性質由於質量差異，粒 子具有不同的磁剛度並且因此粒子具有不同的曲率半徑。在回旋加速器的研究和發展領域內，將兩個內部離子源安裝於同一回旋加速器內 用於生產相同的粒子(例如質子)的想法還從未有人設想過。確實，內部離子源是加速及 磁性結構的集成部分。由於兩個離子源的粒子是相同的，射束光學也正好相同，即粒子具有 相同的磁剛度並且將具有相同的曲率半徑。因此，來源於第一離子源的粒子在加速的首次 迴轉期間通常會碰撞上第二離子源。另外，離子源還具有特定的物理尺寸，這使得將生產相 同粒子的兩個離子源集成於回旋加速器的中心區內並不簡單並且甚至從未被考慮過。為了解決將兩個相同的離子源安裝於同一回旋加速器內的技術問題，迭代處理被 啟動以最優化回旋加速器的中心區。通常根據本發明，在施加給定的磁場和加速電壓時，源 按照由一個源產生的粒子沒有被另一個源的主體所阻擋這樣的方式來布置。首次優化是要 修改離子源(1和2、的形狀以進一步確保射束在沒有幹擾(即碰撞)第二離子源的情況 下進行其首次迴轉。關於粒子軌跡的新的計算被進行並示出於圖5中。通過剪切離子源 主體的背面，即通過在離子源的主體中創建凹口，由第一離子源產生的射束能夠繞過(pass around)第二離子源。由於雙離子源構型的對稱性，由第二離子源產生的射束將同樣繞過第 一離子源。為了進一步優化根據本發明的優選實施例的回旋加速器的中心區，能夠進行兩個 附加的修改，儘管這些修改也能夠獨立於凹口實施例進行。第一個修改是朝著中心移動兩 個離子源使得所述第一內部離子源1和所述第二內部離子源2相對於中心垂直軸的距離被 減小以便增加在來自所述第一 /第二內部離子源的行進了 180°之後的射束與所述第二 / 第一內部離子源之間的距離，由此在加速的首次迴轉期間的粒子損失得以最小化。優選地， 使源達到鑑於離子源的尺寸在技術上是可能的最緊密的幾何圖形。「在技術上可能」考慮到 了兩個離子源必須距D形電極(3) —段距離的事實，所述距離的存在使得在源(1，2)與D 形電極⑶之間的電場能夠加速射束。此外，兩個離子源不能夠被並排地布置於電場之內。 否則，粒子會被不同地加速以及它們不能夠具有相同的曲率半徑。如同能夠在圖6中看出 的，在軌道與第二離子源之間的空隙與圖5比較時已經增大(從大約3mm到大約8mm)。能夠進行的第二個修改是修改反D形(4)的形狀以便去除加速間隙內的在(即遠 離)軌道橫越的位置處的拐角。可在圖5中看出，在第二、第三和第五間隙橫越時，粒子靠 近於加速間隙幾何圖形內的彎曲或拐角通過。反D形的形狀的修改的結果被示出於圖 6上粒子橫越間隙5發生於在所述間隙內沒有拐角或彎曲的區域。優選地，這些是邊緣是 直的和平行的區域，如同在圖中所看出的。通過這種方式，在軌道橫越處的間隙的幾何圖形 在場質量方面得以提高，因為不再有場不均性由D形電極和反D形電極的拐角(6)所引起 並且場是更均勻的。可能需要不僅調整一個或多個反D形電極的幾何圖形，而且調整整一個或多個D形電極(3)的幾何圖形，以便獲得這種最優的間隙幾何圖形。在圖6示出了計算結果之後，具有專用形狀的離子源被設計並且三維視圖被示出 於圖7(30)上。頂視圖(35)示出了已經被設計以一方面避免離子在加速的首次迴轉期間 碰撞上離子源的背面以及另一方面允許離子源適合回旋加速器的中心區內的緊密的幾何 形狀的專用形狀。在圖7(35)上示出的最優的專用形狀與在圖3 05)上示出的標準的離子 源形狀明顯不同。虛線38(圖7)表示在圖3中表示的標準離子源的標準形狀。與標準離 子源形狀相比，凹口 GO)被創建於離子源的背面上。在圖7上的打叉區域00)表示凹口。 該凹口 GO)增大了在用第一 /第二離子源產生的行進了 180°之後的射束與第二 /第一離 子源的主體之間的距離。根據本發明的優選實施例，從第一離子源切換到第二離子源或相反是完全自動的 並且能夠由回旋加速器控制系統的用戶界面執行。因此，通過使用本發明可獲得許多優點。實際上，本發明的實施例的特徵在於以下 優點·射束的可用時間以及射束生產的可靠性的極大增加。在生產期間切換到第二備 用離子源是簡單的、快速的並且能夠是完全自動的。 減少的維護。由於雙離子源系統，整體離子源壽命大大延長並且因此維護幹預的 數量減少並且人員的輻射暴露得以進一步限制。
權利要求
1.一種用於生成粒子束的回旋加速器，所述回旋加速器包括 用於產生粒子離子的第一內部離子源(1)； D形電極組件(3)和反D形電極組件(4)，由用於加速所述粒子離子的間隙(5)彼此 隔開； 發生器，能夠將交變高壓施加於所述D形電極(3)以在所述間隙內產生電場； 用於產生垂直穿過所述D形電極的磁場以引起所述粒子離子盤旋以及遇到所述D形 電極組件的加速電壓的裝置；其特徵在於所述回旋加速器包括第二內部離子源O)，所述第二內部離子源( 被配 置以產生與所述第一內部離子源(1)相同的粒子離子，由此所述回旋加速器被配置以生成 或者由所述第一內部離子源(1)或者由所述第二內部離子源0)，或者同時由這兩個離子 源產生的高能粒子束。
2.根據權利要求1的回旋加速器，其特徵在於所述回旋加速器具有相對於中心垂直軸 的雙重旋轉對稱，所述中心垂直軸被定義為穿過所述回旋加速器的中心的以及與所述磁場 的取向平行的軸。
3.根據以上任一權利要求的回旋加速器，其特徵還在於所述第一內部離子源(1)和 所述第二內部離子源O)的主體包括在所述主體的外圍處的取向遠離所述回旋加速器的 中心垂直軸的凹口(40)，所述凹口被布置以避免由一個源產生的粒子與另一個源的主體碰撞。
4.根據以上任一權利要求的回旋加速器，其特徵還在於所述第一內部離子源(1)和所 述第二內部離子源(2)相對於所述中心垂直軸的距離是技術上可能的最小距離。
5.根據以上任一權利要求的回旋加速器，其特徵還在於所述反D形電極(4)組件被配 置成使得粒子對所述間隙(5)的橫越發生於在所述間隙(5)中沒有拐角或彎曲的區域處。
6.根據權利要求5的回旋加速器，其中所述反D形電極組件和D形電極組件被配置成 使得粒子對所述間隙(5)的橫越發生於在所述間隙(5)中沒有拐角或彎曲的區域處。
全文摘要
本發明涉及包含用於生產相同粒子的兩個內部離子源(1，2)的回旋加速器。第二離子源能夠被用作後備離子源，這大大提高了回旋加速器的可用時間和可靠性並且減少了維護幹預。有利地，回旋加速器的特徵還在於回旋加速器內的不同元件的最優化的緊密幾何圖形。本發明的回旋加速器的特徵還可以在於調整和最優化第一和第二內部離子源的形狀以避免在加速的首次迴轉期間的粒子損失。回旋加速器的特徵還可以在於調整和最優化反D形電極組件(4)的形狀以及可能還有D形電極組件以便改進在間隙(5)中間的加速場。
文檔編號H05H13/00GK102100128SQ200980128125
公開日2011年6月15日 申請日期2009年5月29日 優先權日2008年6月9日
發明者M·吉約特, M·阿比斯, W·克裡文 申請人:離子束應用股份有限公司