CN101896980A - 传输具有小束斑尺寸的粒子束的粒子束传输设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于传输带电粒子束的设备(10)。该设备包括：用于在靶(3)上扫描带电粒子束的装置(12)、被布置在用于扫描的装置上游的偶极磁体(15)、布置在偶极磁体与用于扫描的装置之间的至少三个四极透镜(17)和用于根据带电粒子束的扫描角来调整所述至少三个四极透镜的场强度的装置。可以使所述设备至少单消色差。

Description

传输具有小束斑尺寸的粒子束的粒子束传输设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于传输带电粒子束的设备(粒子传输线)和一种传输带电粒子束的方法。特别地，本发明涉及包括用于使射束路径弯曲的偶极磁体和用于在靶上扫描带电粒子束的扫描器。本发明的设备和方法可以用于无损筛选和杀菌。
背景技术
在本领域中已知用通常称为射束传输线的设备从其中产生射束的源(例如RhodotronTM、同步加速器、回旋加速器、线性加速器(LINAC)等等)向使射束撞击在上面的靶(target)传输诸如电子或质子束的带电粒子束。射束传输线通常包括用于使射束的路径偏转的弯曲磁体和用于调整射束剖面或尺寸的四极透镜。四极透镜可以是磁性或电学器件。可以提供用于扫描靶上的粒子束的扫描器。
扫描器对带电粒子束赋予角偏转。此角偏转可能具有时间依赖性。射束传输线的发散(dispersion)函数(曲线)根据扫描角而不同。这可能导致在靶区域的某些位置上变得过大的束斑。
由射束发生器产生的带电粒子束通常不是单能量的。应将射束的某些能量分布考虑在内。当在大角度上(例如±45°)内扫描带电粒子束时，具有略微不同的能量的射束内的粒子偏转是不同的。此外，大多数射束传输线包括弯曲(偶极)磁体且由这些磁体赋予射束粒子的角偏转可以根据例粒子能量而不同。这些现象导致靶位置处的增大的束斑尺寸。
专利US 6903350公开了一种离子束扫描系统，其中，提供了焦点调整设备以动态地调整离子束上的焦点性质。专利申请EP 1584353公开了一种用于向包括两个清扫磁体(sweeper magnet)和动态四极修正器的靶体积施加质子束的射束传输系统。
然而，在以上系统中，当在大角度内扫描时，靶处的射束焦点性质可能仍是不令人满意的。此外，只有一个焦点性质被调整。
本发明的目的
本发明的目的是提供一种用于传输带电粒子束的设备，其与现有技术设备相比，在设备的输出端处得到至少相同或改善的射束剖面特性(较小束斑尺寸)。
本发明的目的是提供一种用于传输带电粒子束的设备，其与现有技术设备相比具有更紧凑的尺度(尤其是关于射束线的长度)，但得到类似的射束剖面特性。
本发明的目的是在不损害射束剖面特性的情况下增大扫描带电粒子束的角度。
本发明同样旨在提供一种在靶区域上传输并扫描带电粒子束的方法，其与现有技术方法相比提供更好的射束剖面特性(例如，束斑尺寸)。
本发明的目的是应对在靶位置处的束斑尺寸上传播的射束能量的影响。
发明内容
本发明的目的通过如随附权利要求书所阐述的那样提供一种用于传输带电粒子束的设备、一种传输带电粒子束的方法和所述设备的使用来实现。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于(例如，从射束发生器或另一源)向靶传输带电粒子束的设备。该设备包括：用于在靶上扫描带电粒子束的装置、优选地被布置在用于扫描的装置的上游的偶极磁体、优选地布置在所述偶极磁体和所述用于扫描的装置之间的至少三个四极透镜和用于根据带电粒子束的扫描角来调整所述至少三个四极透镜的场强度的装置。
所述四极透镜可以是磁性器件。在这种情况下，场强度指的是磁场的强度。所述四极透镜可以是电学器件。在这种情况下，场强度指的是电场的强度。所述四极透镜还可以是电磁器件。在这种情况下，场强度指的是电磁场的强度。
可以动态地调整(例如，以具有时间依赖性的方式)场强度。优选地，将用于调整场强度的装置布置为用于在线或表面上的多个位置处获得比预定尺寸大的束斑尺寸。所述线和表面优选地位于靶上。更优选地，将用于调整场强度的装置布置为用于在所述一个或多个位置处获得至多20mm且优选地至多10mm的束斑尺寸。
优选地，将用于调整场强的装置布置为用于在预定位置处至少获得设备的单消色差。所述预定位置可以在线或表面上。所述线或表面优选地位于靶上。
优选地，所述设备包括所述偶极磁体与用于扫描的装置之间的三个四极透镜。优选地，将用于调整场强度的所述装置布置为用于调整所述三个四极透镜的场强度。
优选地，用于调整场强度的装置包括被配置为用于存储与针对预定扫描角而言的四极透镜的场强度有关的预定信息的查找表。
优选地，所述设备包括被布置在用于扫描射束的装置的下游的附加的四极透镜。所述附加的四极透镜被布置为用于调整带电粒子束的方向而使得射束与扫描角无关地具有相同的方向，或者用于将其调整为任何其它(预定)角分布。
优选地，用于扫描的装置和/或至少一个四极透镜包括磁体，所述磁体包括由电绝缘的磁性材料制成的磁轭。该材料优选地是铁氧体。
优选地，用于扫描的装置和/或所述四极透镜中的一个或多个包括磁体，所述磁体包括叠层磁轭。
优选地，所述设备包括真空室，其至少部分地由电绝缘材料制成。优选地在真空室外面提供用于扫描的装置和/或一个或多个所述四极透镜。
优选地，在真空室的内部提供用于扫描的装置和/或一个或多个所述四极透镜。
优选地，将用于扫描的装置布置为用于在90°的角范围上(例如，从-45°至+45°)、更优选地在100°的角范围上扫描带电粒子束。
根据本发明的第二方面，提供了一种向靶传输带电粒子束的方法。该方法包括第一步骤：从射束发生器向用于扫描射束的装置传输带电粒子束。在所述用于扫描的装置的上游位置处，带电粒子束以非零角度弯曲。在下一个步骤中，根据射束的扫描角来(动态地)调整所述上游位置与用于扫描的装置之间的三个或更多位置处的磁和/或电场的强度。在随后的步骤中，在靶上扫描射束。
优选地，该方法在扫描步骤之后包括调整射束的方向、使得射束与扫描角无关地具有相同方向的射束的步骤。也可以将射束的方向调整为任何其它(预定)角分布。
根据本发明的第三方面，提供了根据本发明的设备在材料、产品和/或设备的非侵入式检测中的使用。优选地，该使用旨在货物的筛选。
根据本发明的另一方面，提供了根据本发明的设备在杀菌中的使用。
根据本发明的另一方面，提供了根据本发明的设备在材料性质的改性中的使用。
附图说明
图1表示具有略微不同的能量的两个带电粒子所遵循的路径。
图2表示用于从射束发生器向靶传输带电粒子束并用于在靶上扫描射束的根据本发明的设备。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的实施例，本发明不限于此，而仅由权利要求书来限制。所述附图仅仅是示意性的且是非限制性的。在附图中，可以出于说明性目的将某些元件的尺寸放大且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于到本发明的实施的实际还原。本领域的技术人员可以认识到涵盖在本发明的范围内的本发明的许多变更和修改。因此，不应将优选实施例的说明视为限制本发明的范围。
此外，本说明书和权利要求书中的术语第一、第二等用于将类似的元件区别开且不一定用于描述顺次或时间顺序。应理解的是这样使用的术语在适当的情况下是可互换的，且本文所述的本发明的实施例能够按照除本文所述或所示之外的其它序列进行操作。
此外，本说明书和权利要求书中的术语顶部、底部、左、右、在……上、在……下等用于说明性目的且不一定用于描述相对位置。这样使用的术语在适当的情况下是可互换的，且本文所述的本发明的实施例能够以除本文所述或所示的其它取向操作。例如，元件的“左”和“右，，指示位于此元件的相对侧。
应注意的是不应将术语“包括”解释为局限于其后所列出的装置；其不排除其它元件或步骤。因此，语法“包括装置A和B的设备”应不限于仅由元件A和B组成的设备。其意味着相对于本发明，A和B是该设备的相关元件。
当相对于数量的限制或测量的结果而给定数值时，对于那些值的评估，应将由于杂质、用来确定测量结果的方法、人为错误、统计方差等引起的变化考虑在内。
当将数值的范围限定为在下限与上限之间扩充时，除非另外说明，应将该范围理解为包括所述下限和所述上限。
本发明解决关于射束能量传播和传输线发散的问题，且能够将预定位置处(大多数在靶上或准直器上)的束斑尺寸保持在预定限制内。所采用的解决方案的工作旨在实现用于传输射束消色差的设备。用于带电粒子的光学的术语消色差由H.Wolnik在其著作“Optics ofcharged particles”，Academic Press Inc.1987中有所描述。
将参照图1来解释消色差的概念。采用单能量电粒子束，其中，所述粒子具有能量E。使粒子沿着弯曲路径P从同一点S移动到点F。如果单能量射束中的所有粒子全部从同一点S开始，则其将遵循同一弯曲路径P。然而，当射束具有分布式能量时，情况通常不是这样。考虑分别具有能量E和E+ΔE的射束的两个带电粒子。遵循同一弯曲路径P从S移动的具有能量E的粒子将通过F。沿着同一初始方向在S开始的具有能量E+ΔE的带电粒子通常将不遵循具有能量E的粒子的路径P并因此不穿过点F，而是通过F附近的点F+ΔF。结果，S与F之间的束斑的尺寸增大。
消色差射束传输线被实现为使得从同一点S开始的分别具有能量E和E+ΔE的两个带电粒子也在同一预定点F上终止。两个粒子通常不遵循同一路径且通过F的两个路径具有不同的方向。将此类射束传输线说成是单消色差的。当两个带电粒子另外也以相同的运动方向穿过F时，将射束传输线说成是双消色差的。每当在下文中使用术语“消色差，，时，其是指至少单消色差。
当射束传输线中的带电粒子束的路径是固定的且不依赖于时间时，提供静态磁和/或电场足以实现射束传输线(单)消色差。然而，当在射束传输线的末端处提供扫描器时，射束路径具有时间依赖性，且射束传输线中的场强度必须动态地适应以便对于所有扫描角而言保持射束传输线消色差。
消色差因此与由发散函数确定的射束传输线中的发散有关。对于具有给定能量传播的射束而言，射束传输线的发散(函数)通常将引起束斑尺寸的增加，该增加对于具有较大值的发散函数而言较大。由于靶处的束斑的尺寸通常必须在规格以内，所以具有低发散(小值函数)的射束传输线使得能够参照射束能量传播来选择具有不严格规格的射束发生器。
发散函数以与射束能量传播成比例的量贡献于束斑尺寸。给定位置处的函数的值涉及每单位射束能量传播对束斑尺寸的绝对贡献，可以将其表示为mm/％。优选地，预定位置处的发散函数落在预定范围内，更优选地，在扫描器下游的位置处。因此可以将发散函数视为射束传输线的焦点性质。然而，发散仅仅是一个焦点性质。其它焦点性质可以直接涉及束斑尺寸。可以用沿着两个垂直方向的射束尺度来表征束斑尺寸，其通常称为水平X和垂直(轴向、横向)Y。优选地，沿X和Y方向的束斑尺寸在预定位置处的预定范围内，优选地在扫描器下游。用于沿X和Y评估射束发散和束斑尺寸的预定位置优选地是相同的。
已经观察到当在诸如约+45°与约-45°之间的大角度上扫描时，仅一个焦点性质的动态调整不足以获得特定应用所需的高质量射束。因此，优选的是根据扫描角来动态地调整上文识别的三个焦点性质，以便获得在扫描角范围内几乎不变的射束质量。
当提及扫描角的范围时，可以将其理解为由扫描器扫描的许多离散角。因此，扫描角的范围不需要是连续范围。
参照图2，本发明提供一种例如从射束发生器2向靶3传输带电粒子束的设备10。设备10包括用于在靶3上扫描带电粒子束的装置12。装置12可以包括一个或多个扫描磁体。通过射束传输设备10的射束路径11在至少一个(附加)位置14处弯曲。因此，设备10还包括用于使带电粒子束的路径11在位置14处偏转的装置15。装置15可以是弯曲磁体，也称为偶极磁体。偶极磁体15和位置14被布置在扫描装置12的上游。
本发明的设备10还包括被布置在偶极磁体15与扫描装置12之间的至少三个四极透镜17。每个四极透镜17可以是四极磁体，或四极电学器件。设备10还提供用于调整四极透镜17的场强度的装置。场强度根据扫描角被动态地调整。扫描角随着时间而变(具有时间依赖性)。因此，所述场可以是磁场或电场或两者的组合。
调整每个四极透镜17的(磁或电)场强度以便根据其能量来调整射束粒子的具有时间依赖性的路径。
优选地将每个四极透镜的场强度调整为影响射束的一个或多个焦点性质，诸如以下各项中的一个或多个：沿X的束斑尺寸、沿Y的束斑尺寸和发散函数。
通过向至少三个四极透镜17应用用于调整场强度的装置，可以例如在扫描器下游(诸如靶)的位置处显著地减小不同扫描角之间的焦点性质的变化。
优选地将每个四极透镜17的场强度调整为实现射束传输设备10的至少单消色差。消色差在预定位置处、优选地在靶或扫描装置12的下游位置上获得。在靶或该下游位置上，射束在其上面撞击或穿过的束斑不是固定的，而是取决于扫描角。因此，在所述预定位置处对于所有扫描角而言优选地使得射束传输设备10消色差(对于所有扫描位置而言消色差)。在一维扫描的情况下所述预定位置可以在线上。在二维扫描的情况下，其也可以在表面上。
在所述线上，或在所述表面上，可以选择将被扫描的离散点。然后，可以针对那些所选离散点来评估射束剖面特性，以便检查是否满足规格。
在每个靶位置处，可以使束斑振荡以便在靶上散布热的产生。在一维扫描的情况下，这意味着可以对射束赋予沿其它(垂直)方向的小振荡。此振荡通常对靶位置处的射束能量分布具有可忽略的影响。
实际上，当在预定位置处，针对每个扫描角而言，具有不同能量的带电粒子穿过具有预定尺寸的束斑时，即，当束斑尺寸在预定容差极限内时，将射束传输设备10说成是消色差的。此容差极限可以实质上比不调整四极透镜的场强度的情况小。可以使得预定位置(靶位置)处的全束斑尺寸小于或等于20mm。优选地，使得预定位置(靶位置)处的全束斑尺寸小于或等于10mm。
常常将在预定位置处(靶位置)沿着X和Y方向的束斑剖面假设为具有高斯分布。全束斑尺寸优选地指的是等效高斯射束的4σ直径(即，对应于2σ半径的直径)。
此外，可以动态地调整预定位置(例如，靶位置)处的发散函数，使得能量传播对总束斑尺寸的贡献被最小化。由于射束能量传播与射束动力学动量传播成比例，所以还可以根据射束的动力学动量的传播来表示以上规格。优选地，动态地调整预定位置(例如靶位置)处发散函数，使得射束动力学动量传播(或等效的射束能量传播)对总束斑尺寸的贡献小于或等于10mm每％射束动力学动量传播(ΔP/P)，更优选地小于或等于5mm/％ΔP/P。
在更有利的实施例中，射束传输设备包括多于一个的偶极磁体。图2示出包括两个偶极磁体15和16的射束传输设备10。优选地三个或更多四极透镜17布置在偶极磁体与扫描装置之间，四极透镜17的场强度被调整。可以在最下游偶极磁体16的上游或下游提供扫描装置12。
消色差射束传输设备10的优点是可以将扫描装置12布置为在诸如从-45°至+45°(甚至更大)的大扫描角上扫描射束，而没有束斑尺寸的任何显著增加。
大扫描角的能力允许使得设备更加紧凑(更短射束线)。如果在图2的结构中，扫描角被局限于较小的值，则必须将扫描装置布置在与靶相距更大距离处，以便覆盖相同的靶区域。这必将导致较大的射束传输设备并潜在地导致射束传输线的成本增加(包括将在其中安装该设备的建筑物的成本增加)。
射束传输设备可以包括有利地设置在扫描装置12的下游、更有利地在扫描喇叭(scan horn)的下游末端处的大四极透镜13。大四极透镜13被布置为用于使被扫描带电粒子束偏转。可以用大四极透镜13来使射束偏转，使得其对于所有扫描角而言平行于预定方向(例如，垂直于靶3)。由四极透镜13赋予扫描射束的其它角分布也是可能的。四极透镜13优选地是大四极磁体。
靶3可以是x射线靶。该靶前面可以是准直器，例如，用于使反射的X射线准直。
在图2的实施例中，扫描装置12包括用于在线上在一维空间中使带电粒子束偏转的一个扫描磁体(偶极磁体)(在一个平面中的偏转)。可以在所述线上的离散斑点(点)上执行扫描。在替换实施例中，将扫描装置布置为在覆盖表面的二维空间中使射束偏转。因此，扫描装置12可以包括用于使射束沿着两个正交方向偏转的两个扫描磁体(XY扫描器)。
提供至少三个四极透镜17和用于其场强度的动态调整的装置的另一优点是可以限制所述三个(或更多个)四极透镜17的场强度的动态性，结果得到四极透镜(和/或用于调整其场强度的装置)的电源所需的较不严格的规格。
此外，根据本发明的设备使得能够实现射束的快速扫描，同时保持如上文所指示的高射束质量标准。优选地，可以在小于100μs、更优选地小于80μs、最优选地小于60μs内扫描限定1.8°的扫描角的靶上的两个点。根据本发明的设备有利地使得能够实现所指示的快速动态性，保持如上文所指示的高射束质量规格。
四极透镜17中的动态场可能在透镜的芯材料中产生显著的涡电流。在有利实施例中，一个或多个四极透镜17是磁体，其磁轭被布置为使寄生场的发生最小化。因此，磁轭优选地由电绝缘的磁性材料制成，诸如铁氧体。在替换实施例中，磁轭被层压(例如铁或钢)且可以在层之间包括绝缘层(例如涂层)。
作为磁轭材料的铁氧体另外具有比例如铁具有小得多的磁滞效应的优点。
在优选实施例中，扫描装置12包括至少一个扫描磁体。扫描磁体包括可以对其应用与四极磁体相同的构造细节的磁轭。因此，所述至少一个扫描磁体的磁轭优选地由电绝缘和/或被层压的磁性材料制成。磁轭优选地由铁氧体制成。
射束传输设备10包括真空室，带电粒子束传播通过该真空室。由一个或多个四极磁体17和/或扫描装置12产生的时变磁场可能在真空室的壳中产生涡电流，这可能加热真空室并可能影响射束。有利的是，将真空室构造为使得其壳中的涡电流的发生最小化。
根据优选实施例，在真空室的外面提供一个或多个四极透镜17和/或扫描装置12。在这种情况下，真空室(的壳)可以(完全或部分地)由例如玻璃或陶瓷材料的电绝缘材料制成。
根据替换实施例，在真空室的内部提供一个或多个四极透镜17和/或扫描装置12，在这种情况下，真空室将经历较少的涡电流。在后一种情况下，真空室可以由诸如钢或不锈钢等通常在本领域中使用的材料制成。应当考虑实现电线和冷却水通过真空室的壳密闭性而到透镜的通道。
射束传输设备10可以包括具有固定(静态)场的附加的偶极磁体和/或四极透镜。
消色差射束传输设备10可以做得比现有技术的射束传输设备更紧凑。因此，前者可以应用于优选更小的设备的领域，诸如用于产品或材料的杀菌。
另一应用领域是材料性质的改性，诸如用于电缆、热收缩箔和宝石的色彩改性。
本发明的设备可以应用于其中将扫描大区域的领域，诸如货物或散货运输集装箱的筛选(非侵入式检测)。
本发明的设备还可以适合于放射疗法、聚合物的照射、以及带电粒子束的其它已知使用。
本发明提供了一种从射束发生器向靶传输带电粒子束的方法。在靶上以时间依赖性方式(扫描)使带电粒子束偏转。在扫描位置的上游，根据射束的扫描角来调整带电粒子束通过的三个或更多位置处的(磁和/或电)场强度。
在优选实施例中，将扫描射束的方向调整为与扫描角无关地具有相同方向的射束(对于所有扫描角而言是平行的)。或者，可以对扫描射束赋予根据扫描角的任何其它角分布。
在优选实施例中，用于调整四极透镜17的场强度的装置包括被配置为用于存储与用于预定扫描角的场强度有关的信息的查找表。可以构造此类查找表一次，例如，当安装设备时。可以以实验方式来确定用于存储在查找表中的信息。查找表明显降低了用于调整场强度的装置的复杂性。

Claims (15)

1.一种用于向靶(3)传输带电粒子束的设备(10)，包括：
-用于在所述靶(3)上扫描带电粒子束的装置(12)，
-布置在所述用于扫描的装置上游的偶极磁体(15)，
-布置在所述偶极磁体与所述用于扫描的装置之间的至少三个四极透镜(17)，以及
-用于根据带电粒子束的扫描角来调整所述至少三个四极透镜(17)的场强度的装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述用于调整场强度的装置被配置为用于调整三个四极透镜的场强度。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述用于调整场强度的装置被布置为在线或表面上的多个预定位置处获得所述设备的至少单消色差。
4.根据前述权利要求中的任何一项所述的设备，其中，所述用于调整场强度的装置包括查找表，所述查找表被配置为用于存储与针对预定扫描角的四极透镜的场强度有关的预定信息。
5.根据前述权利要求中的任何一项所述的设备，包括被布置在用于扫描射束的装置(12)的下游的附加的四极透镜(13)，并且其中，所述附加的四极透镜被布置为用于调整带电粒子束的方向而使得射束与扫描角无关地具有相同的方向，或者用于将其调整为任何其它角分布。
6.根据前述权利要求中的任何一项所述的设备，其中，用于扫描的装置(12)和/或所述至少三个四极透镜(17)包括磁体，所述磁体包括磁轭，所述磁轭由电绝缘的磁性材料制成，优选地为铁氧体。
7.根据前述权利要求1-5中的任何一项所述的设备，其中，用于扫描的装置(12)和/或所述至少三个四极透镜(17)包括磁体，所述磁体包括叠层磁轭。
8.根据前述权利要求中的任何一项所述的设备，包括真空室，所述真空室至少部分地由电绝缘材料制成，并且其中，用于扫描的装置(12)和/或所述至少三个四极透镜(17)中的一个或更多个被提供在所述真空室的外部。
9.根据前述权利要求1-7中的任何一项所述的设备，其中，用于扫描的装置(12)和/或所述至少三个四极透镜(17)中的一个或更多个被提供在所述真空室的内部。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的设备，其中，用于扫描的装置(12)被布置为用于在90°的角的范围上扫描带电粒子束。
11.一种用于向靶传输带电粒子束的方法，包括以下步骤：
-从射束发生器(2)向用于扫描射束的装置(12)传输带电粒子束，其中，在所述用于扫描的装置的上游位置(14)处，带电粒子束以非零角度弯曲，
-根据射束的扫描角来调整在所述上游位置(14)与用于扫描的装置之间的三个或更多位置处的磁场和/或电场的强度，以及
-在靶(3)上扫描射束。
12.根据权利要求1至10中的任何一项所述的设备在材料、产品和/或器件的非侵入式检测中的使用。
13.根据权利要求12所述的在货物筛选中的使用。
14.根据权利要求1至10中的任何一项所述的设备在杀菌中的使用。
15.根据权利要求1至10中的任何一项所述的设备在材料性质的改性中的使用。
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