CN101868114A - 离子源及其电极以及将待电离的气体导入离子源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生粒子束的离子源以及用于这种离子源的电极。本发明此外还涉及将待电离的气体导入这种离子源的方法。用于产生粒子束的离子源(2)包含等离子体腔(4)和延伸到所述等离子体腔(4)的电极(8)。待电离的气体经气体管道被导入离子源(2)中，其中所述气体管道(6)平行于所述电极(8)地沿电极(8)的全长延伸，从而使气体在等离子体腔(4)的输入端(34)附近从气体管道(6)流出。

Description

离子源及其电极以及将待电离的气体导入离子源的方法

技术领域

本发明涉及一种用于产生粒子束的离子源以及用于这种离子源的电极。本发明此外还涉及将待电离的气体导入这种离子源的方法。

背景技术

尤其在对癌症进行粒子治疗时，例如由质子或重离子，例如碳离子，产生粒子束。粒子束在加速器中产生，被导向治疗室并经过出口窗进入治疗室。按一种特殊的设计，来自加速器的粒子束可以交替地导向不同的治疗室。在治疗室内要治疗的病人例如定位在病人卧台上以及必要时使之固定不动。

为产生粒子束，加速系统含有离子源，例如电子回旋共振离子源(EZR-离子源)。在离子源内产生有规定能量分布的自由离子定向运动，此时离子的逸出能量是非常精确的。在这里，正电荷离子，如质子或碳离子，理想地用于放射某些特定的肿瘤。其原因在于，它们借助加速器可以具有高的能量，而它们又重新将其能量非常精确地释放到身体组织中。在离子源中产生的粒子在环形加速器内以超过50MeV/u的能量在一个圆形轨道上循环。因此为治疗提供一种有事先准确规定的能量、聚焦和强度的脉冲式或连续的粒子束。

离子源包含用于电离工作气体的等离子体腔，在所述等离子体腔中为真空。围绕等离子体腔同心地布设了成形和保持等离子体的永磁体。待电离的气体通过连接件被供入到等离子体腔中。位于对输入的气体进行电离的等离子体腔中的自由的电子，通过微波射线进行加速。所述微波射线通过布设在连接件中的空心导体，同样被导入等离子体腔中。此外，电极、即所谓的偏置电极穿过所述连接件朝等离子体腔的方向延伸，所述电极相对于等离子体腔的壳体而言带负电荷并且从等离子体腔中离析出自由的电子，并且将这些自由的电子以此锁闭在等离子体腔内。电子通过碰冲电离在等离子体腔内产生离子(等离子体)。

在连接件上，垂直于电极布设着连接缸，在所述连接缸旁侧向延伸一管件。通过所述管件，待电离的气体通过其出口对准连接件方向的弯曲的气体管道，到达连接件，并且从这儿出发经空心导体到达等离子体腔。在连接缸上设有真空泵，以便引导未到达等离子体腔的气体。

上述的用于将气体导入等离子体腔的装置具有一系列的缺点。气体管道的直径，在不同的部段上变化得非常厉害，从而形成了气流的死区。因为由此明显地延长了一些气体微团的停留时间，所以工作气体的变换可能持续数分钟。为此将气体从气体管道中直接经真空泵导入连接缸中，从而使大部分气体被吸入，而不到达等离子体腔。到达等离子体腔的气体份额，取决于真空泵的效率且只可以估计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，实现有效地输送气体以及在变换离子源的工作气体时能够具有快速的反应时间。

该技术问题按照本发明是通过一种用于产生粒子束的离子源加以解决的，所述离子源包含等离子体腔和延伸到所述等离子体腔的电极，其中用于待电离的气体的气体管道，平行于电极地沿电极的全长延伸。

所述电极在此处涉及一种相对于离子源电压而言带负电荷的偏置电极，它被用于对释放在等离子体腔中的电子进行离析。

本发明以下列思想为出发点，即，通过将待电离的气体尽可能多地导入离子源中的方式，获得特别有效的气体输送，从而使待电离的气体在等离子体腔附近从气体管道中流出，并以此使绝大部分的气体微团到达等离子体腔中。为了实现这一点，气体不是“从下面”经由用于真空泵的连接缸被导入的，气体管道而是从另一侧，即在电极区域被引入的，并且在离子源中具有平行于电极的笔直的走向，也就是说，气流在离子源内是无转向地流动的。因为气体管道是笔直的，所以尤其便于在技术上加以实现并且安装到离子源中。除此以外，气体管道尤其具有基本上恒定不变的横截面，因而不产生死区。此外，气体管道沿电极的全长延伸，从而使气流至少如电极延伸那么深地被导入离子源中。气体管道此时通向等离子体腔附近，气体的输送因而没有因为真空泵的运行而受到妨碍，并且从输入的气体中产生离子的效率获得了明显的改善。

通过将气体管道优选布设在电极管内的方法，获得设计上尤其简单的结构形式。因为电极基本上被设计成空心体，通过将气体管道敷设在电极管内的方法，实现良好的空间利用率。此时在离子源上不需要为了穿过气体管道而开设附加的孔。

优选将气体管道布设得相对于电极同心。鉴于在离析来自等离子体腔的电子时的尤其高的效率，使电极沿等离子体腔的对称轴延伸。在相对于电极同心地布设气体管道时，气体管道也沿等离子体腔的对称轴延伸，从而使气体可以居中地流入等离子体腔中。

通过优选使电极具有连接法兰、而所述连接法兰具有用于连接气体管道和供气管路的气体连接端的方法，实现无转向的气体流动，其中所述气体连接端对准气体管道。这就意味着，气体连接端与气体管道处于一条直线上，并且只有可分离的供气管路，或许才具有曲率，其中来自气体蓄储器的气体通过所述可分离的供气管路，到达气体管道并进而到达离子源中。

按照一种优选的实施方式，电极管可被冷却剂穿流且具有用于冷却剂的回流管路，在所述回流管路中布设了气体管道。为了达到冷却的目的，在连接法兰区域将不导电的冷却剂，例如去离子的水或者油，输送到电极管中，其中冷却剂朝紧贴等离子体腔的电极头的方向流动。在所述电极头区域，开设回流管路的孔，上面述及的冷却液流入所述孔中并且在位于连接法兰区域的回流管路的另一端，从电极中流出。

优选将气体管道布设得相对于环形的回流管路同心，以及将回流管路布设得相对于电极管同心。为了在电极管的径向产生均匀的温度分布，常常将回流管路布设得相对于电极管同心。鉴于气体管道相对于电极管的对称布置，因而将气体管道布设在回流管路内是尤其有利的。

按照另一种优选的实施方式，连接法兰具有用于导入冷却剂的第一连接端以及用于排出冷却剂的第二连接端，并且气体连接端被布设在其中一个连接端上。此时在连接法兰区域不需要开设附加的孔，来构成气体连接端且将气体管道导入离子源的连接件中。

有利地使电极管的端面设有用于待电离的气体的排放口。所述排放口因而对准等离子体腔，从而使工作气体在离开电极管之后，同样直接地且不转向地汇流到等离子体腔中。

按照一种优选的实施方案，电极管具有可更换的电极头，在所述电极头中设有排放口。因为当离子腔工作时，电极头常常被它所遭受的高温损坏，所以将该电极头设计成可更换的且通过螺纹固定在电极管上。电极头通常具有敞口的端面，气体管道的排放口因而尤其通过电极头敞口的端面构成。

按照另一种优选的实施方案，在电极管和可更换的电极头之间布设联接件，在所述联接件中设有孔。电极管和电极头双方都被设计成空心体，但是布设在两者之间的联接件通常是个实心体。为了能够穿过联接件输送气流，因此设计一种尤其居中地分布的孔。冷却剂的液流在电极的纵向被联接件所限制。为了使冷却剂可以通过孔而不从电极中流出，气体管道触点接通联接件或者伸入到所述孔中，其中气体管道和联接件之间的接触区域被密封。

上述技术问题按照本发明此外还通过一种用于离子源的电极加以解决，所述电极包含连接法兰和电极管，其中在所述连接法兰上设有用于气体管道的气体连接端，所述气体管道沿电极管的全长延伸。

针对离子源所列举的优点以及优选的实施方式，大体上可推广到电极上。

有利地将气体管道布设得相对于电极管同心。此外，电极管可被冷却剂穿流且具有用于冷却剂的回流管路，在所述回流管路中布设气体管道，也是有利的。

上述技术问题按照本发明此外还通过一种将待电离的气体导入用于产生粒子束的离子源中的方法加以解决，其中所述离子源包含等离子体腔和延伸到等离子体腔的电极，并且此时气体平行于电极地沿电极的全长且尤其在电极内被导入等离子体腔中。

附图说明

借助附图对本发明的实施例予以详细说明。其中：

图1示出了用于产生粒子束的离子源的局部纵向剖面图，

图2示出了图1中的剖切局部II的放大图，以及

图3示出了沿图1中的剖切线III剖开示出的横截面示意图。

在所有的附图中相互对应且作用相同的零件用相同的附图标记标注。

具体实施方式

在图1中示出用于产生粒子束的离子源2，它是未详细示出的微粒治疗设备的一部分。所述离子源2包含等离子体腔4，在所述等离子体腔4中，通过工作气体的电离产生粒子束。待电离的气体借助于气体管道6被导入等离子体腔4中。所述气体管道6在此沿电极8延伸，所述电极8被设计用于对等离子体腔4中自由的电子进行离析。为了电离气体，除了将通过微波连接端10导入的微波射线导入等离子体腔4中之外，还导入连接件12中，并且使微波射线从那儿出发经空心导体14被输送给等离子体腔4，其中包含气体管道6的电极8也在所述空心导体14中延伸。

在微波连接端10的对面，在连接件12上设有用于真空泵的泵连接端15，所述真空泵从连接件的空腔中抽吸气体微团。

电极8包括连接法兰16以及延伸到等离子体腔4的空心的电极管18，借助于所述连接法兰16，所述电极8被固定在连接件12上。电极8此外还具有可更换的电极头20，所述电极头20被旋紧在联接件22上且因此通过联接件22被固定在电极管18上。

在离子源2工作时，借助于通过箭头K表示的冷却剂，例如借助于冷却水对电极8连续地加以冷却。为了导入冷却水，在连接法兰16上设有第一连接端24。通过第二连接端26，冷却水K从电极8中流出。被导入的冷却水K沿电极管18的内环形壁流动，直至到达联接件22。回流管路28相与电极管18同心地延伸，变热的冷却剂K经过所述回流管路28被输送到第二连接端26。气体管道6被布设在回流管路28内，且在气体连接端29和位于电极8末端的联接件22之间直线地延伸，所述气体连接端29可与单独的用于从未示出的气体蓄储器中供给气体的供气管路连接。

电极管18、回流管路28以及气体管道6，如从图3可看出的那样，是彼此同心地布设的。电极管18此外还与空心导体14同心地延伸，从而使气体管道6沿等离子体腔的对称轴D延伸。此时气体被居中地导入等离子体腔，因而在产生等离子体时具有高度的对称性，这种对称性对于粒子束的稳定很重要。

气体管道6在电极头20区域的详细结构和布置，在附图2的放大示意图中示出。电极头20基本上被设计成空心的且具有构成气体排放口30的敞开的端面。为了使气流到达空心的电极头20，在联接件22上设有孔32。此时气体管道6伸入到联接件22中的区域，是不透水地密封的，因而冷却剂K不能到达孔32中。

气体管道6在所示出的实施例中具有笔直的走向，且在其延伸到电极头20的总长上，具有基本上恒定不变的横截面。待电离的气体可以因此被不转向地导入离子源2中。由于气体管道6的这种构造，尤其不产生能够长时间地驻留气体微团的死区。工作气体的转换，像例如从二氧化碳转换为氢气，因而可以很快地实现，而且可以在几秒钟的短时间内调节出恒定不变的气流且以此调节出稳定的粒子束。

上述气体管道6以下列其它的优点见长，即，它伸入离子源2的内部直至延伸到等离子体腔4的输入端34跟前，从而使气体微团不受真空泵扰动地到达等离子体腔4。

Claims (14)

1.一种用于产生粒子束的离子源(2)，包含等离子体腔(4)以及延伸到等离子体腔(4)的电极(8)，其中用于待电离的气体的气体管道(6)，平行于所述电极(8)地沿所述电极(8)的全长延伸。

2.按照权利要求1所述的离子源(2)，其中所述气体管道(6)在所述电极管(18)内部延伸。

3.按照权利要求2所述的离子源(2)，其中所述气体管道(6)与电极管(18)同心地布设。

4.按照上述权利要求中任一项所述的离子源(2)，其中所述电极(8)具有连接法兰(16)，所述连接法兰(16)具有用于连接所述气体管道(6)和供气管路的气体连接端(29)，其中所述气体连接端(29)与所述气体管道(6)对准。

5.按照权利要求2或者4中任一项所述的离子源(2)，其中所述电极管(18)被冷却剂(K)穿流且具有用于冷却剂(K)的回流管路(28)，所述气体管道(6)被布设在所述回流管路(28)中。

6.按照权利要求3和权利要求5所述的离子源(2)，其中所述气体管道(6)布设得与环形的回流管路(28)同心，并且所述回流管路(28)布设得与所述电极管(18)同心。

7.按照权利要求4所述的离子源(2)，其中所述连接法兰(16)具有用于导入冷却剂(K)的第一连接端(24)和用于排出冷却剂(K)的第二连接端(26)，并且将所述气体连接端(29)布设在其中一个连接端(24，26)中。

8.按照权利要求2至7中任一项所述的离子源(2)，其中所述电极管(18)的端面设有用于待电离的气体的排放口(30)。

9.按照权利要求2至8中任一项所述的离子源(2)，其中所述电极管(18)具有可更换的电极头(20)，在所述电极头(20)中设有排放口(30)。

10.按照权利要求9所述的离子源(2)，其中在所述电极管(18)和可更换的电极头(30)之间布设联接件(22)，在所述联接件(22)中设有孔(32)。

11.一种用于离子源(2)的电极(8)，包含连接法兰(16)和电极管(18)，其中在所述连接法兰(16)上设有用于气体管道(6)的气体连接端(29)，所述气体管道(6)沿所述电极管(18)的全长延伸。

12.按照权利要求11所述的电极(8)，其中将所述气体管道(6)布设得与电极管(28)同心。

13.按照权利要求11或者12所述的电极(8)，其中所述电极管(18)被冷却剂(K)穿流且具有用于冷却剂的回流管路(28)，在所述回流管路(28)中布设了气体管道(6)。

14.一种将待电离的气体导入用于产生粒子束的离子源(2)中的方法，其中所述离子源(2)包含等离子体腔(4)和延伸到等离子体腔(4)的电极(8)，以及气体平行于所述电极(8)地沿该电极(8)的总长并且尤其在该电极(8)内被导入等离子体腔(4)中。

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