CN102054647A - 离子输送器、离子输送方法、离子束辐照器和医学粒子束辐照器 - Google Patents

离子输送器、离子输送方法、离子束辐照器和医学粒子束辐照器 Download PDF

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堀利彦
铃木将之
井关康
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Abstract

本发明涉及离子输送器、离子输送方法、离子束辐照器和医学粒子束辐照器。其目的在于获得高方向性、稳定且高强度的离子束。离子束辐照器(10)由激光驱动离子/电子生成器(20)和离子输送器(30)的组合构成，并被构造为将从离子/电子生成器(20)发出的方向性差的离子束引导至输出端，同时提高离子束的方向性或在离子输送器30处使离子束聚焦。在离子输送器(30)中，在多极磁体(32)的离子束流动的上游侧位置处环绕射束管(31)设置电子吸收体(33)。电子吸收体(33)由可有效吸收高能电子的材料(如聚四氟乙烯(PTFE))形成。电子吸收体(33)被由诸如铅等重金属制成的X射线防护罩(34)包围。

Description

离子输送器、离子输送方法、离子束辐照器和医学粒子束辐照器
技术领域
本发明涉及能够在粒子束经过时提高输出用粒子束(离子束)的方向性的离子输送器和离子输送方法。另外，本发明还涉及使用所述离子输送器和离子输送方法的离子束辐照器和医学粒子束辐照器的结构。
背景技术
已知多种技术使用通过加速离子(包括质子)获得的离子束辐照样品来进行制造、薄膜形成、分析和医学实践等。在所述技术中，必须稳定地生成高能量和高强度的离子束(粒子束)。通常，用于生成和辐照高能离子束的装置特别是加速装置需要大型设备，从而增大了整个装置的尺寸。因此，即使明显此类离子束(粒子束)辐照器对于医学应用特别有效，但是所述离子束辐照器还不能广泛应用。
在此类情况中，作为能够减小尺寸的离子束辐照器的激光驱动离子束辐照器是已知的。如专利文献1和2所述，在通过对可以用高强度超短脉冲激光束生成大量质子的由金属、聚合物等形成的靶进行辐照的激光驱动离子束辐照器中，可将靶材料蒸发并形成等离子体。在等离子体中，质量较小的电子首先经加速至高能状态，然后质量较大的质子由电子生成的电场加速。然后将质子以高能质子束的形式辐射到样品上。质子和离子均可以相同的方式加速并以离子束的形式进行辐射。与常规大尺寸加速器相比，所述激光驱动离子束辐照器可制造得明显小型化，并因而可以预期应用至诸如医学领域等多个领域。
专利文献1公开了一种对靶厚度和激光束辐照能量密度进行优化从而获得高效/高能离子束的技术。专利文献2公开了一种通过调节靶中电子密度分布而增加能量从激光到离子的传递效率从而获得高能离子束的技术。
然而，在上述方法中，所生成的离子束的方向性差，因此离子以一定的扩散角进行辐照。因此，为了在离子束辐照到的部分获得令人满意的强度，需要增加离子束的方向性或将离子束聚焦。非专利文献1公开了一种实现此目的的技术。图3中示出了非专利文献1的离子束辐照器的构造。在离子束辐照器90中，由激光源91发出的激光92通过两个平面镜93和94进入聚焦镜95。使聚焦镜95的焦点设置在靶96上，使得所述激光在靶96上具有极其高的能量密度。通过辐照由靶96生成的离子束(粒子束)97相对于辐照部分以给定的扩散角进行辐射。离子束辐照器90具有多个多极磁体(用来使离子聚焦的磁体)98，以用于对离子束97施加多极(例如，四极或六极)磁场。将多极磁体98设定为使用永磁体或电磁体形成使离子束97偏转并聚焦于预置的输出靶100的磁场。在将患者的染病区设置为输出靶100时，高能/高强度离子束(粒子束)97可用于医学治疗。在这种构造中，平面镜94、聚焦镜95、靶96和多极磁体98设置于真空室99中。激光92通过光学窗进入真空室99，且离子束97通过射束管从真空室99发射出。
在离子束辐照器90中，电子与离子一起从靶96中发射。在这种构造中，离子与电子之间的质量差用来使得由多极磁体98形成的磁场对离子束中离子的轨迹进行优化。这使得只有离子束97发生聚焦而使电子束散开。如上所述，电子对离子加速起到重要作用。但是，从在输出靶100处使用离子束97的角度来看，输出端的电子束是不必要的而且优选被除去(使得电子束与离子束97相比可忽略不计)。在这种情况下，多极磁体98用于只对离子束97进行选择聚焦，从而实现除去电子束。在这种构造中，可将其中设置有多极磁体98的部分视作离子输送器。也就是说，在离子束经过所述离子输送器时，离子束的方向性因所述离子输送器而得到改善，从而在输出靶100处获得了高强度。
因此，通过使用离子束辐照器90(离子输送器)，可以获得高方向性/高强度的离子束。
[引用文献清单]
[非专利文献]
[非专利文献1]：M.Nishiuchi，I.Daito，M.Ikegami，H.Daido，M.Mori，S.Orimo，K.Ogura，A.Sagisaka，A.Yogo，A.S.Pirozhkov，H.Sugiyama，H.Kiriyama，H.Okada，S.Kanazawa，S.Kondo，T.Shimomura，M.Tanoue，Y.Nakai，H.Sasao，D.Wakai，H.Sakaki，P.Bolton，I.W.Choi，J.H.Sung，J.Lee，Y.Oishi，T.Fujii，K.Nemoto，H.Souda，A.Noda，Y.Iseki和T.Yoshiyuki，“Focusing and spectral enhancement of a repetition-rated，laser-driven，divergent multi-MeV proton beam using permanent quadpolemagnets”，Applied Physics Letters，第94卷，第6期，1107，2009。
专利文献
专利文献1：日本特开第2006-244863号公报
专利文献2：日本特开第2008-198566号公报
然而，在非专利文献1中所公开的离子束辐照器90中，在多极磁场中可能存在电子间接影响离子束97的情况。图4示出了具有上述构造的离子束辐照器90中多极磁场(三个磁体)98周围的电子分布的模拟结果。图4中以阴影表示电子密度，较暗的部分为高电子密度而较亮部分为低电子密度。图4中的三个矩形对应多极磁体98，靶96位于图4的左侧。离子束97中离子的轨迹在方向上受到多极磁场的偏转，使得离子进行聚焦，但电子并不会聚焦而是散开，这使得左侧(入射侧)的多极磁体98暴露于高密度电子下。另外，在这种情况中，不仅存在从靶96侧直接发出的电子，还存在当左侧(入射侧)的多极磁体98暴露于高能量电子时生成的次级电子。
在构成多极磁体98的永磁体暴露于所述电子时，表面电流在永磁体的表面上流动，并产生磁场。该磁场施加至磁场装置中，从而使离子束97聚焦，并使从装置范围内发出的离子束97中离子轨迹发生偏转。所述电子的此类运动受到各组件充电的影响，从而随时间改变。结果，出现了以下问题：离子束97的聚焦性下降，输出端处的离子束97的强度变得不稳定，或者输出端离子束测量的准确性因多极磁体98暴露于电子时生成的表面电流的生成引发的电压改变而降低。
也就是说，难以获得能够稳定地发射高方向性/高强度离子束的离子束辐照器。
发明内容
鉴于上述问题而做出本发明，本发明的目的在于提供解决上述问题的发明。
为了解决上述问题，本发明进行如下配置：
本发明的一个方面提供了一种离子输送器，所述离子输送器与用于生成离子束和电子束的离子/电子生成源连接，并使用聚焦离子用的磁体使输出用离子束聚焦，所述离子输送器包含：射束管，所述射束管设置在离子/电子生成源和所述离子束的输出靶之间以使离子束从其中穿过，并且具有环绕射束管的聚焦离子用磁体；和电子吸收体，所述电子吸收体在所述离子/电子生成源和聚焦离子用磁体之间的位置处环绕所述电子束从中穿过的射束管设置。
在本发明的离子输送器中，环绕电子吸收体设置X射线防护罩。
在本发明的离子输送器中，设置有电子吸收体的射束管部分和所述离子/电子生成源彼此电隔离，而且设置有电子吸收体的射束管部分和设置有聚焦离子用磁体的部分彼此电隔离。
在本发明的离子输送器中，在电子吸收体和离子/电子生成器之间的位置处环绕所述射束管设置用于使电子束散开的电子偏转装置。
本发明的另一方面提供了一种离子输送方法，所述方法对从用于生成离子束和电子束的离子/电子生成源发出的离子束进行输送，并使用聚焦离子用磁体对输出用离子束聚焦，所述方法包括：在离子/电子生成源和所述离子束的输出靶之间设置射束管，以使离子束从其中穿过；环绕所述射束管的一部分设置所述聚焦离子用磁体；和在所述离子/电子生成源和所述聚焦离子用磁体之间的位置处环绕所述电子束从中穿过的射束管设置电子吸收体。
在本发明的离子输送方法中，环绕电子吸收体设置X射线防护罩。
在本发明的离子输送方法中，设置有电子吸收体的射束管部分和所述离子/电子生成源彼此电隔离，而且设置有电子吸收体的射束管部分和设置有聚焦离子用磁体的部分彼此电隔离。
在本发明的离子输送方法中，在电子吸收体和离子/电子生成源之间的位置将电子束的轨迹控制在电子束散开的方向上。
在本发明的离子输送方法中，将其中靶受激光辐照而生成离子束和电子束的激光驱动离子/电子生成源用作输出离子束的离子/电子生成源。
本发明的又一方面提供了一种离子束辐照器，所述离子束辐照器使用通过离子输送器的离子束对样品进行辐照。
在本发明的离子束辐照器中，将其中靶受激光辐照而生成离子束和电子束的激光驱动离子/电子生成源用作离子/电子生成源。
本发明的又一方面提供了一种医学粒子束辐照器，其中将离子束设定为要辐射的粒子束，将其中靶受激光辐照而生成离子束和电子束的激光驱动离子/电子生成源用作离子/电子生成源，并且辐照利用离子输送器的离子束输出。
使用上述构造可以稳定地辐照高方向性和高强度的离子束。
附图说明
图1为示出了本发明一个实施方式的离子束辐照器构造的视图；
图2为本发明实施方式的离子束辐照器中的电子吸收体周围的构造的放大视图；
图3为示出了常规离子束辐照器构造的一个实例的视图；
图4示出了常规离子束辐照器中聚焦离子束用磁体周围的电子分布的模拟结果。
具体实施方式
以下将说明本发明一个实施方式的离子束辐照器。图1是示出了离子束辐照器10的构造的视图。据推测，构成由离子束辐照器10生成的离子束(粒子束)的离子物种(ion species)包括质子。离子束辐照器10由激光驱动离子/电子生成器(离子/电子生成源)20和离子输送器30的组合构成，并被构造为将从离子/电子生成器20发出的方向性差的离子束引导至输出端，同时提高离子束的方向性或在离子输送器30处使离子束聚焦。
在激光驱动离子束辐照器10(离子/电子生成器20)中，激光源21发出的高强度/超短脉冲激光22通过两个平面镜23和24进入聚焦镜25。聚焦镜25的焦点设定在靶26上，使得激光在靶26上具有极高的能量密度。
激光源21可以是能够发出超短脉冲激光的光源，所述激光具有足够高的强度以在激光在靶上聚焦的状态下将靶转化成等离子体。这一点与专利文献1和2以及非专利文献1中的描述相同。更具体而言，可使用YAG激光。在这种情况下，生成了激光22从而可以在靶26上达到约40飞秒/630毫焦的输出。对聚焦镜25的瑞利长度(Rayleigh length)等进行适当设定，以在靶26上有效地生成用于对离子和质子进行加速的等离子体。
靶26由作为离子物种的元素和生成大量质子的材料(如金属或聚合物)制成。对靶26的形状进行适当设定，以便有效地生成等离子体。
因此，如专利文献1和2以及非专利文献1的情况，在用聚焦激光22辐照靶26时，构成靶26的元素蒸发并因而转化成等离子体，由此生成高能电子。通过所述高能电子生成的电场，将离子加速至最高约3.0MeV的能量。离子和电子沿激光22的辐射方向(图1中指向右)被加速。但是，该离子和电子方向性差而进行发散辐射。在图1的构造中，平面镜24、聚焦镜25和靶26设置在真空室27中。激光22通过光学窗(未示出)进入真空室27中。
由此生成的离子束40和电子束41以给定的扩散角(例如，在一侧约10度)进入离子输送体30(射束管31)。射束管31与真空室27连接，以特别使得离子束40从其中穿过。但是，在离子束40穿过射束管31时，电子束41也穿过射束管31。环绕由金属(如不锈钢)制成的射束管31设置用于对离子束40施加多极(例如四极或六极)磁场的三块多极磁体(聚焦离子用磁体)32。离子束40中的离子在离子束40的聚焦方向上受到多极磁场的偏转，使得离子束40在预设射束管端部311处聚焦，由此获得高强度离子束。也就是说，可以将多极磁场设定为使得在射束管端部311处聚焦而具有高强度的离子束40可以辐照到置于射束管端部311处的样品上。这一点与对非专利文献1的技术的描述相同。虽然在该实例中使用了三块多极磁体32，但是考虑到离子束40的聚焦性和可控制性，可以对多极磁体32的数目和各磁体的规格进行适当地设定。射束管31的内部为诸如真空室27的真空，以与真空室27相连。考虑到装置构造可以对射束管端部311的位置(放置有样品的位置)预先进行设定，并且射束管31的长度等要根据射束管端部311的位置进行设定。图1示出的构造出于描绘目的而进行了简化，除了图1示出的组件之外，可设置有偏转磁体从而使离子束40发生偏转并改变离子束40的行进方向。作为对行进方向改变的反应，对能够获得高强度离子束40的射束管端部311的位置或样品放置的方向进行适当设定。
在离子输送器30中，在多极磁体32的离子束流动的上游侧(下文仅称作上游侧)位置处环绕由离子/电子生成器20发出的电子束41从中穿过的射束管31设置电子吸收体33。电子吸收体33由可有效吸收高能电子的材料(如聚四氟乙烯(PTFE))形成。电子吸收体33的表面可包覆有高电阻薄膜(由蒸发等形成)，并通过导线接地。电子吸收体33被由诸如铅等重金属制成的X射线防护罩34环绕。
电子偏转装置35设置在电子吸收体33(X射线防护罩34)的上游侧。如用于离子束40的多极磁体32一样，电子偏转装置35由生成例如多极磁场并可改变电子束41的轨迹(虚线箭头(broken arrow))的磁体形成。多极磁体32具有使离子束40聚焦的作用；另一方面，电子偏转装置35具有使电子束41散开的作用。此处，基于离子和电子间质量的差异，通过弱磁场使电子束41的轨迹偏转，以使得只有电子束41散开，而没有对离子束40的轨迹产生较大影响。出于这个目的，电子偏转装置35由用于产生多极磁场的磁体形成；然而可作为替代的是，电子偏转装置35可以由用于生成高速脉冲磁场的电磁体形成，或者可以构造为对电子束41施加诸如脉冲电场等电场。
在电子吸收体33(X射线防护罩34)的上游侧和下游侧处将绝缘体36和37插入射束管31中。使用这种构造，绝缘体36和37之间的部分(该部分的射束管31、X射线防护罩等)与绝缘体36的上游部分和绝缘体37的下游部分电绝缘。
图2示出了电子偏转装置35和电子吸收体33周围的离子输送体30的示意图。将电子吸收体33(X射线防护罩34)和电子偏转装置35设置为环绕射束管31。通过替代由金属制成的射束管31的一部分而设置绝缘体36和37。
在图1和图2中，由真空室27(靶26)生成的离子束40和电子束41从左到右穿过射束管31。但是，离子束40和电子束41一经在由真空室27(靶26)生成后便具有低方向性，并因而进行发散辐射。
电子束41在电子偏转装置35的上游侧沿与离子束40相同的轨迹行进，随后，电子束41的扩散角因电子偏转装置35而增大。此时，如上所述，离子束40没有受到显著影响。因此，通过在离子/电子生成器20和多极磁体32之间的位置处设置环绕射束管31的电子吸收体33，可以提高电子吸收体33吸收电子束41的效率。虽然射束管31和X射线防护罩34等暴露于电子，由暴露于电子引起的电学影响可以通过设置绝缘体36和37或使该位置处的射束管31接地等而得以消除。
离子束40穿过设置有电子吸收体33等的部分，然后通过三块多级磁体32进行聚焦。这使得离子束40在射束管31的末端聚焦并具有高强度。此时可以补偿电子偏转装置35对离子束40给予的影响。
此时，大部分电子束41被设置有电子吸收体33等的位置处的射束管31吸收，使得电子可能施加给多极磁体32的不利影响得以消除。虽然从电子吸收体33或吸收电子的射束管31中辐射出X射线，但是该X射线因X射线防护罩34而得以屏蔽。
因此，通过使用离子束辐照器10(或离子输送器30)，高强度离子束可以稳定地辐照到射束管端部311处的样品上。具体而言，可以使由离子/电子生成器20生成的且方向性差的离子束40和电子束41穿过离子输送器30，而只有离子束40作为稳定且高强度的离子束输出至射束管端部311。在使用生成方向性差的离子束和电子束的离子/电子生成源如激光驱动离子/电子生成器20时这种效应是显著的。
多极磁体32对上述离子束辐照器10中离子束40的轨迹的影响可以通过例如离子输送器30的设计时进行的数值模拟进行精确地计算，从而对射束管端部311处的离子束40进行优化。但是，实际上所述多极磁场受到电子束行为的影响，而且电子对多极磁体32的影响是复杂的，这使得难以考虑电子进行模拟。上述构造中，可以降低电子的影响，因而有助于离子输送器30的设计。
另外，电子对多极磁体32的影响随时间并不恒定，而是随时间改变射束管端部311处离子束40的强度，也就是说，使得在射束管端部311处的离子束40不稳定。本发明的构造可以降低这种不稳定性。
另外，由电子引发且流动在构成多极磁体32的永磁体(铁磁体)中的电流对离子束40和铁磁体本身均产生不利影响，这导致了对铁磁体的耐久性和可靠性的不利影响。本发明的构造可以除去这种不利影响，从而提高离子输送器或离子束辐照器的可靠性和耐久性。
使用上述构造，可以获得能够以高强度离子(质子)束稳定地辐照样品的离子束辐照器。该离子束辐照器由小型化组件构成，包括激光驱动离子/电子生成源、射束管、多极磁体和环绕所述射束管设置的电子吸收体等，并因而与使用回旋加速器或高频腔的常规加速器相比，可以显著地小型化。因此，本发明的离子束辐照器可以容易地安装在诸如医学设施等各种设施中，并适于用作医学粒子束辐照器。在这种情况下，在对用作激光驱动离子/电子生成源的靶等进行设当设定时，可以将各种类型的粒子包括质子和重粒子作为离子进行辐照，而且清楚的是，本发明的上述构造对各种粒子类型均有效。另外，在将粒子束辐照到样品(患者的染病区)上时，可以与常规医学粒子束辐照器中相同的方式对粒子束的剂量进行控制或对样品的具体配置进行设定。
在上述实例中，用于屏蔽从电子吸收体33中发出的有害X射线的X射线防护罩34对离子束40的行为没有显著影响。因此，在要吸收的电子量很小或者由于电子能量低而未显著辐射有害X射线的构造中，则不必设置X射线防护罩34。在这种情况下，可进一步减小整个辐射器的尺寸。在使用X射线防护罩34的情况下，在吸收电子束41时根据X射线发出的能量对X射线防护罩34的厚度和材料进行适当设定。
电子偏转装置35的存在使电子吸收体33有效地吸收电子。但是，例如在发出的电子量很少的情况下，可出于简化目的而省略该电子偏转装置35。而且在这种情况下，可进一步减小整个辐射器的尺寸。清楚的是，只要设置了电子吸收体33，则可以减少进入多极磁体32的电子量。
绝缘体36和37用于使设置有电子吸收体33处的射束管31的部分和离子/电子生成器(离子/电子生成源)20之间电绝缘，并使设置有电子吸收体33处的射束管31的部分和多极磁体32(聚焦离子用磁体)之间电绝缘。因此，可以采用其它构造，只要这种构造可以使设置有电子吸收体33处的射束管31的部分电隔离以消除对离子束40的不利影响即可。在使用绝缘体36和37的情况下，可使用任何绝缘材料，只要该绝缘材料可以实现图2的构造并与射束管31的材料相适应即可。
在上述构造中，将激光驱动离子/电子生成器用作离子/电子生成源。但是，只要发射出方向性差的离子束并且电子束与离子束同时发射出，则清楚的是，即使在采用除激光驱动型离子/电子生成源之外的离子/电子生成源时具有上述构造的离子输送器也是有效的。也就是说，本发明的离子输送器在除了用作具有上述构造的离子束辐照器一部分之外的应用中也是有效的。

Claims (12)

1.一种离子输送器，所述离子输送器与用于生成离子束和电子束的离子/电子生成源连接，并使用聚焦离子用磁体使输出用离子束聚焦，所述离子输送器包含：
射束管，所述射束管设置在所述离子/电子生成源和所述离子束的输出靶之间以使所述离子束从其中穿过，并且具有环绕所述射束管的聚焦离子用磁体；
电子吸收体，所述电子吸收体在所述离子/电子生成源和聚焦离子用磁体之间的位置处环绕所述电子束从中穿过的所述射束管设置。
2.如权利要求1所述的离子输送器，其中，
环绕所述电子吸收体设置X射线防护罩。
3.如权利要求1或2所述的离子输送器，其中，
设置有所述电子吸收体的射束管部分和所述离子/电子生成源彼此电隔离，以及
设置有所述电子吸收体的射束管部分和设置有所述聚焦离子用磁体的部分彼此电隔离。
4.如权利要求1或2所述的离子输送器，其中，
在所述电子吸收体和所述离子/电子生成器之间的位置处环绕所述射束管设置用于使所述电子束散开的电子偏转装置。
5.一种离子输送方法，所述方法对从用于生成离子束和电子束的离子/电子生成源发出的离子束进行输送，并使用聚焦离子用磁体使输出用离子束聚焦，所述方法包括：
在所述离子/电子生成源和所述离子束的输出靶之间设置射束管，以使离子束从其中穿过；
环绕所述射束管的一部分设置所述聚焦离子用磁体；以及
在所述离子/电子生成源和聚焦离子用磁体之间的位置处环绕所述电子束从中穿过的所述射束管设置电子吸收体。
6.如权利要求5所述的离子输送方法，其中，
环绕所述电子吸收体设置X射线防护罩。
7.如权利要求5或6所述的离子输送方法，其中，
设置有所述电子吸收体的射束管部分和所述离子/电子生成源彼此电隔离，以及
设置有所述电子吸收体的射束管部分和设置有所述聚焦离子用磁体的部分彼此电隔离。
8.如权利要求5或6所述的离子输送方法，其中，
在所述电子吸收体和离子/电子生成源之间的位置将电子束的轨迹控制在电子束散开的方向上。
9.如权利要求5或6所述的离子输送方法，其中，
将其中靶受激光辐照而生成离子束和电子束的激光驱动离子/电子生成源用作输出离子束的离子/电子生成源。
10.一种离子束辐照器，所述离子束辐照器使用通过如权利要求1～4中任一项所述的离子输送器的离子束对样品进行辐照。
11.如权利要求10所述的离子束辐照器，其中，
将其中靶受激光辐照而生成离子束和电子束的激光驱动离子/电子生成源用作所述离子/电子生成源。
12.一种医学粒子束辐照器，其中，
将所述离子束设定为要辐射的粒子束，将其中靶受激光辐照而生成离子束和电子束的激光驱动离子/电子生成源用作所述离子/电子生成源，并且
辐照利用如权利要求1～4中任一项所述的离子输送器的离子束输出。
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