CN102067740B - 用于从回旋加速器提取粒子束的剥离部件、剥离总成和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于在回旋加速器的周边剥离带负电荷的粒子束的电子以用于将粒子束提取到回旋加速器的外面的剥离部件。所述剥离部件包括适于设置在所述回旋加速器的周边的第一剥离器箔，以便所述粒子束通过所述第一剥离器箔，其特征在于它包括第二剥离器箔，该第二剥离器箔适于在比所述第一剥离器箔在更靠周边的半径处与该第一剥离器箔并排地设置在所述回旋加速器的周边，使得当第一剥离器箔发生损坏时所述带负电的粒子束通过所述第二剥离器箔。

Description

用于从回旋加速器提取粒子束的剥离部件、剥离总成和方法

技术领域

本发明涉及诸如回旋加速器的带电粒子加速器领域。特别是，本发明涉及用于从回旋加速器提取粒子束的剥离部件、剥离总成和方法。

背景技术

回旋加速器大量用于诸如医疗应用(例如，产生放射性同位素或粒子治疗)、科学研究和工业应用的许多应用中。

回旋加速器是一种再循环粒子加速器，这种加速器在高真空下工作并且将离子加速到高达几MeV甚至更高的能量。由离子源预先产生的带电粒子在回旋加速器中以螺旋运动的方式被加速，并且在所述螺旋运动的末尾借助于提取系统从回旋加速器被提取。

在回旋加速器中粒子加速一方面通过利用由电磁铁产生的磁场(该磁场使来自离子源的粒子在垂直于所述磁场的平面中遵循圆形路径)，另一方面借助于由RF系统(包括高频电源)产生的电场，该RF系统能够施加使粒子逐渐加速的高频交变电压。

结果，粒子通过获得能量(能量的增加意味着粒子轨道半径的增加)遵循螺旋路径直到回旋加速器的外径，在这里它们(粒子)或者被提取到回旋加速器的外面，或者在特定应用中在回旋加速器自身里面例如被用于产生同位素。但是，在大多数应用中，需要将离子束提取到回旋加速器的外面，并且将离子束引导到能够利用离子束的靶。在这种情况下，提取系统通常安装在回旋加速器的内部的外半径附近。

为了提取带正电粒子，通常的提取方法借助于静电偏转器来实现，该静电偏转器产生很强的电场，能够将被加速的粒子从其加速轨道偏离到提取轨道。这种静电偏转器通常由叫做隔膜(septum)的很薄的电极构成，该薄电极设置在回旋加速器的最后的内部轨道和提取轨道之间，粒子通过该提取轨道被提取。但是，这种提取方法具有如下的两个主要缺点。第一个缺点是这种提取方法的提取效率非常受限制，由于隔膜被截取的粒子束加热因而限制能够被提取的最大粒子束强度。第二个缺点是隔膜对粒子的截取对回旋加速器构成很强的放射激化。

另一种提取方法从(本申请人的)EP0853867中知道，其中离子束能够从回旋加速器提取而不用任何提取系统。但是，这种技术的主要缺点在于所述方法很复杂。

另一种常用的提取方法是剥离提取法，这种方法利用碳剥离器箔以便剥离来自负离子源的负离子束，通过剥离负离子的一个或多个电子该负离子束被转换成正离子束。这种方法的剥离效率能够高达99％并且比前面的方法简单得多并且取决于材料的厚度。剥离材料越厚，离子束增大越多。结果，当剥离器箔的厚度增加时离开回旋加速器的离子束的散射增大。

通常，碳剥离器箔安装在探头或叉上并且借助于回旋加速器外部区域中的剥离器臂插入回旋加速器的真空室的里面(这种插入在现有技术中是已知的)。剥离器箔通常用碳制成，并且具有2cm×2cm量级的尺寸。高强度的负离子束(例如H^-或D^-)在加速器的内部沿着螺旋路径被加速，并且然后它被这种剥离器箔散射。在所述负离子束和所述剥离器箔的表面碰撞期间，由于所述剥离器箔物质的原子核和负离子束之间的库仑力，负离子束的两个电子被剥离器箔剥离。结果，例如，获得诸如质子的所需带电粒子，同时两个被剥离的电子借助于接地的探测电子设备用于测量负离子束的电流。

由于在回旋加速器中，在提供加速轨道的旋转分量的磁场中发生这种相互作用，粒子的特定电荷的变化导致在剥离器箔后面的离子轨道方向的变化。这种特定的效果通常被用于从回旋加速器提取离子束，如图1所示，其中，在剥离器箔100前面的负离子H^-轨道由实线表示，而在剥离器箔100后面的正离子H⁺轨道用虚线表示，其中B表示垂直于该离子束轨道的磁场方向。两个被剥离的电子2e^-用于借助于接地的探测电子设备101测量离子束的电流。

图2类似地示出在回旋加速器的提取区域中剥离负离子束的过程，在该提取区域中设置剥离器箔100。在通过剥离器箔100之后负离子束改变其轨道半径并且因此离开回旋加速器。

在许多应用中，由回旋加速器产生的离子束的能量不是固定的。事实上，通常需要产生具有不同能量(即具有不同轨道半径)的若干个离子束，在这种情况下，每个所需离子束在提取区内具有对应的箔位置，以便将离子束提取到回旋加速器的外面。

但是，由于提取效率需要，常规的剥离器箔是非常易碎的，并且因此在离子的反复碰撞期间不能保持它们的物理性质。这种反复碰撞事实上通常引起过度发热，并且因此引起剥离器箔的损坏。而且，当加速器的真空状态受损(例如，在标准维修过程期间或在突然的意外真空损失期间)时，剥离器箔通常由于压力变化而破裂。结果，常规的剥离器箔的使用寿命非常短，并且根据离子束流的强度和密度一般的寿命在从几个小时到几天的范围内。

正如已经提到的，剥离器箔厚度的选择以及因此剥离器箔的使用寿命取决于离子束的能量并且也取决于被提取的离子束的类型。本领域熟知，厚度在2μm和5μm之间的剥离器箔具有非常高的提取效率，但是具有非常低的耐久性(由于机械应力和/或由于离子反复碰撞发热)。相反，厚度在16μm和50μm之间的剥离器箔具有非常高的耐久性，但是同时具有例如可能在50％和65％之间的较低的提取效率。

提取效率因此取决于剥离器箔的厚度，如下所述。当负离子束通过剥离器箔时，由于多次散射的机制存在离子束损失。多次散射在于离子束发射度的增大，即当粒子束通过剥离器箔时，由于在粒子束和剥离器箔之间碰撞的结果，粒子束分散到多个方向中。剥离器箔的厚度越厚，多次散射的增大越多。由于回旋加速器的出口具有非常小的直径，如果剥离的粒子束的发射度较高，较大部分粒子束可能被失去，原因是不能通过回旋加速器的出口。

正如前面所提到的，常规的剥离器箔是易碎的并且由于磨损需要定期更换。更换剥离器箔很麻烦并且费时：打断回旋加速器内的真空，打开回旋加速器，必需进行人工保养，更换剥离器箔，关闭回旋加速器，并且给回旋加速器抽气直到获得良好的真空度。为了克服这个问题，Heikkinen等人(2001年在Jyvaskyla举行的“回旋加速器及其应用”的第16次国际会议上发表的《回旋加速器开发项目》)已经安装具有旋转的箔保持器的剥离机构，该剥离机构在30MeV回旋加速器的真空室中具有四个剥离器箔。在剥离器箔被损坏的情况下，该剥离机构旋转以便将新的剥离器箔定位于粒子束的前面。但是，这种机构对于18MeV等较小的回旋加速器太笨重。而且，在剥离器箔失效的情况下，如果粒子束不停止，它碰撞并且损坏回旋加速器的真空室或回旋加速器内部的其他结构。为了避免这种情况，将探头设置在回旋加速器内以便检测失效并且提供信息，以停止粒子束。于是轮子旋转以将新的剥离器箔定位在粒子束的轨道中，并且粒子束加速重新开始。此外，采用探头检测失效使该装置变复杂并且在回旋加速器内产生额外的容积。与这种旋转的箔保持器结合的这种探头在回旋加速器内可用的减小容积中是不能实现的。这些作者带来的这种方案的另一个缺点在于即便回旋加速器不打开，在产生短的半寿命放射性同位素的情况下，使更换剥离器箔的时间最短并且避免停止粒子束非常重要。

本发明的目的在于提供一种克服现有技术缺点的新型的剥离总成和剥离部件以及剥离方法。

本发明的另一个目的是提供一种剥离总成和剥离部件以及剥离方法，相对于常规的剥离器箔，其提供高的剥离效率并且在离子反复碰撞期间甚至在回旋加速器的真空状态损失时也具有高的耐久性。

本发明的再一个目的是提供一种剥离总成和剥离部件以及剥离方法，其一方面改进回旋加速器的生产量，并且另一方面使维护过程时间最少。

发明内容

本发明涉及在权利要求中所述的剥离部件和方法。具体实施例在独立权利要求与一个或多个从属权利要求的组合中进行描述。根据本发明的第一方面，提供一种用于在回旋加速器的周边剥离带负电粒子束的电子以用于将粒子束提取到回旋加速器的外面的剥离部件。所述剥离部件包括适合定位在所述回旋加速器的周边的第一剥离器箔，以便所述粒子束通过所述第一剥离器箔，并且该剥离部件还包括第二剥离器箔，该第二剥离器箔适合于在相比所述第一剥离器箔在更靠周边的半径处设置在所述回旋加速器的周边，并且设置在与第一剥离器箔共同的平面中并且与第一剥离器箔以并排的关系设置，使得当所述第一剥离器箔被损坏时，所述带负电粒子束通过所述第二剥离器箔。这些剥离器箔以这样的方式设置，使得在第一剥离器箔发生损坏的情况下从第一剥离器箔到第二剥离器箔的转换不需要停止该粒子束并且不需要移动该剥离部件。

有利的是，所述第二剥离器箔的厚度大于所述第一剥离器箔的厚度。

优选地，所述第一剥离器箔和所述第二剥离器箔两者都由热解碳制成。

更有利的是，所述第一剥离器箔具有包括在2μg/cm²和10μg/cm²之间的克重，所述第二剥离器箔具有包括在12μg/cm²和35μg/cm²之间的克重。

根据本发明的第二方面，提供一种用于在回旋加速器的周边剥离带负电粒子束的电子以用于将粒子束提取到回旋加速器的外面的剥离总成。所述剥离总成包括根据本发明第一方面的剥离部件以及适于将所述剥离部件保持在所述回旋加速器的周边的支撑装置。

有利的是，剥离总成还包括能够调节回旋加速器内所述剥离部件的位置的调节装置，因而当所述带负电粒子束被所述第二剥离器箔剥离时增加所述剥离部件的剥离效率。

优选地，根据本发明第二方面，所述支撑装置适于支撑具有第三剥离器箔和第四剥离器箔的相同类型的第二剥离部件。

更优选，所述剥离总成还包括适于将所述支撑装置从第一位置移动到后来的第二位置的驱动装置，在第一位置所述带负电粒子束或者被剥离部件的第一剥离器箔剥离或者被剥离部件的第二剥离器箔剥离，在第二位置所述带负电粒子束或者被所述第二剥离部件的第三剥离器箔剥离或者被所述第二剥离部件的第四剥离器箔剥离。根据实施例，所述支撑装置是能够绕垂直于该粒子束路径的竖直轴线旋转的可旋转的剥离器头。

根据本发明的第三方面，提供一种用于在回旋加速器的周边剥离带负电粒子束的电子以用于将粒子束提取到回旋加速器的外面的方法。该方法包括如下步骤：

·提供根据本发明第一方面的剥离部件；

·用第一剥离器箔提取所述粒子束；

·在所述第一剥离器箔被损坏的情况下不停止所述带负电粒子的加速器，用所述第二剥离器箔提取所述带电粒子束。

优选地，用第二剥离器箔提取所述带电粒子束的所述步骤还包括如下步骤：

·用调节装置调节所述带电粒子的加速器内所述剥离部件的位置，以便增加所述第二剥离器箔的剥离效率。

更优选，所述方法还包括如下步骤：

·提供具有第三剥离器箔和第四剥离器箔的相同类型的第二剥离部件；

·提供用于支撑所述第二剥离部件和所述剥离部件的支撑装置；

·检查所述第一剥离器箔或所述第二剥离器箔是否被损坏；

·当所述检查显示损坏时，以这样的方式移动所述支撑装置，使得所述带负电的粒子束或者被第二剥离部件的第三剥离器箔或者被第二剥离部件的第四剥离器箔剥离。

附图说明

图1示出负离子和剥离器箔之间的相互作用。在这种相互作用之后负离子变成正离子并且因此轨道被修改。

图2示出回旋加速器的提取区域的一部分的俯视图。

图3示出根据本发明的第一方面的剥离部件的视图，图4示出当剥离负离子束时图3的剥离部件的视图。

图5是根据本发明第二方面的第一实施例的剥离总成的视图。

图6是根据本发明第二方面的第二实施例的剥离总成的侧视透视图。

具体实施方式

根据本发明的第一方面，如图3示意地所示，提供剥离部件2。所述剥离部件2包括利用金属叉30夹在两侧上的第一剥离器箔10和第二剥离器箔20。该金属叉30包括被螺钉4紧固在一起的两个金属框架。所述金属叉30保持平行于共用平面并且以并排关系设置的所述第一剥离器箔10和所述第二剥离器箔20。这包括边缘相互接触的相邻两箔、边缘重叠的箔以及两者之间具有隔开空间的箔。但是没有诸如金属的固态材料出现在相邻两箔之间。

以下述方式所述第一箔10设置在剥离部件2的远侧区，而第二剥离器箔20设置在剥离部件2的近侧区，使得当剥离部件2被插入回旋加速器内时，第一剥离器箔10和第二剥离器箔20分别设置在回旋加速器内的更向里的位置和更向外的位置(术语远侧/近侧和向里/向外是相对于回旋加速器的中心线而言)。结果，在其螺旋路径期间负离子束将首先到达第一剥离器箔10，如下所述。

在本发明的另一个实施例中，两个剥离器箔10、20可以用不同的叉支撑并且在设置在回旋加速器中的不同半径处，但仍然在共同平面中并排地设置。例如，如图3所示的两个叉可以如此定位使得叉开口面向彼此，每个叉容纳一个箔。

剥离器箔10、20都用热解碳材料制造，这种碳材料是类似于石墨的碳材料，通常通过在1000K至2500K温度下在合适的基础基体(碳材料、金属、陶瓷)上淀积气态碳氢化合物(化学气态淀积法)得到。热解碳相对于用于制造剥离器箔的常规碳具有更好的耐久性和抗性。

根据本发明的实施例，剥离器箔10、20具有不同的厚度。箔的特征在于其以μm表示的厚度或者特征在于其克重(像在造纸工业中一样)，克重是箔的单位面积的质量，在这里以μg/cm²表示。以μm表示的箔厚度通过将克重除以箔材料的密度得到。例如，第一剥离器箔10具有5μm的厚度，并且如申请人所指出的具有约90％的提取效率，而第二剥离器箔20具有25μm的厚度，并且具有约75％的提取效率。因此，第二剥离器箔20相对于第一剥离器箔而言更加抗损坏，但是具有较低的提取效率。

根据本发明，第二剥离器箔20仅仅当第一剥离器箔10被损坏时才被使用，因此用作备用剥离器箔。正如本领域所熟知的，在使用中，剥离部件2设置在名义位置，即，回旋加速器(未示出)的外侧的内部区域稍稍向里的位置。在高强度负离子束1000通过获得能量已经移动其螺旋路径之后，它被剥离部件2的第一剥离器箔10截获，并且它最终被所述第一剥离器箔10提取。如果所述第一剥离器箔10如图4所示被损坏时(如前面所述，例如由于反复碰撞，标准机器开口或真空损失或发热引起)，利用第二剥离器箔120仍然能够剥离负离子束。事实上，当那个第一剥离器箔10破裂时，负离子束1000不再被提取并且在回旋加速器中保持旋转直到其(一定数目的圈数之后)到达剥离部件1的第二剥离器箔20，该第二剥离器箔20用作备用剥离器箔。从第一剥离器箔向第二剥离器箔的变化自动发生，即不需要任何外部干预，不需要停止离子束并且不需要相对于离子束移动剥离部件。因此，以这种方式，不再需要为了用新的剥离器箔更换被损坏的剥离器箔而停止并打开回旋加速器。结果相对于现有技术能够大大改进回旋加速器的生产量。使用薄的第一剥离薄10使回旋加速器能够具有非常高的提取效率，但是该箔也是更加易脆的并且更容易破裂。在这种情况下具有较厚的第二剥离器箔是有利的。

根据本发明的第二方面，提供如图5所示的剥离总成1。根据第一实施例的剥离总成1包括支撑装置，例如剥离器臂40，其用于在回旋加速器的外侧内部区域将所述剥离部件2保持在回旋加速器内。

还可以提供用于在回旋加速器内调节剥离总成1相对于来流负离子束1000的位置并且因此调节第二剥离器箔20相对于来流负离子束1000的位置的调节装置(未示出)，以便减少回旋加速器的出口上被剥离的粒子束的散射并且因此增加第二剥离器箔20的提取效率。被调节的位置可以在任何位置、直线的或成角度的，例如相对于中心轴线沿着半径方向直线的，或绕所述中心轴线或绕水平轴线成角度的。

根据本发明第二方面的第二实施例，代替剥离臂40，所述剥离总成1包括能够支撑附加的第二剥离部件3的剥离器头41，第二剥离部件3包括用第二叉31保持的第三剥离器箔11和第四剥离器箔21，如图6所示。所述剥离器头41能够通过驱动装置(未示出)绕垂直于负离子束的竖直轴线A旋转。

第二剥离部件3的第三剥离器箔11和第四剥离器箔21分别具有与第一剥离部件2的第一剥离器箔10和第二剥离器箔20相同的特征。根据这个第二实施例，能够旋转剥离总成1，以便用第一剥离部件2的剥离器箔10、20或第二剥离部件3的剥离器箔11、21截获负离子束。如图6所示，在剥离头41绕中心线A旋转预定的角度θ之后负离子束被第二剥离部件3的剥离器箔21剥离。

根据本发明的第三方面，提供一种用于剥离来自带电粒子加速器的所述负离子束1000的方法。通过遵循这种方法的下述步骤能够用第二剥离器箔容易并快速更换损坏的剥离器箔而不停止并打开回旋加速器。事实上，当第一剥离器箔10已经损坏时，正如已经描述的，负离子束1000不再被提取并保持旋转直到它到达所述剥离部件2的第二剥离器箔20。该第二剥离器箔20因此用作备用箔。

根据本发明所述第三方面的变型，能够将图6的剥离总成1以这样的方式旋转某个预定的角度θ，使得负离子束1000因此被第二剥离部件3的剥离器箔11、21其中之一剥离，而具有损坏的剥离器箔10、20的剥离部件2能够容易被推到负离子束1000的轨道的旁边。但是，很清楚，根据用途使用者可以决定要使用哪个剥离部件的哪个剥离器箔。因此，使用者使用剥离器箔的顺序容易被修改而不脱离本发明。利用图6的实施例，能够将保持器旋转θ角而离子束仍然保持激活状态，因此，箔11和21用作备用箔。但是，优选的操作方式通过是针对具体处理选择箔10和20的厚度，使得基本上确定备用箔20在离子束运行期间不破裂。在处理之后，于是能够旋转保持器以便能够利用箔11和21进行另外的处理。以这种方式，在更换箔期间保持真空不被破坏。

已经参考附图详细地描述了本发明的一个或多个实施例。很明显，由于所述附图仅仅是示意的，因此不是限制性的，所以本发明仅仅被权利要求限定。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸被放大并且不是按比例绘制。尺寸和相对尺寸不需要对应于真实的缩小以实践本发明。而且，本领域的技术人员能够认识到包含在本发明范围内的许多变化和修改。因此，优选实施例的描述不应当被认为是限制本发明的范围。

Claims (12)

1.一种用于在回旋加速器的周边处从带负电荷的粒子束(1000)剥离电子以用于将粒子束提取到回旋加速器之外的剥离部件(2，3)，其包括适于设置在所述回旋加速器的周边处的第一剥离器箔(10，11)，以便所述带负电荷的粒子束(1000)通过所述第一剥离器箔(10，11)，其特征在于所述剥离部件包括第二剥离器箔(20，21)，该第二剥离器箔(20，21)适于在相比所述第一剥离器箔(10，11)更靠外的位置处设置在所述回旋加速器的周边，并且设置在与该第一剥离器箔(10，11)共同的平面中，并且与第一剥离器箔(10，11)以并排的关系设置，使得当所述第一剥离器箔被损坏时，所述带负电荷的粒子束(1000)通过所述第二剥离器箔(20，21)。

2.根据权利要求1的剥离部件(2，3)，其中所述第二剥离器箔(20，21)的厚度大于所述第一剥离器箔(10，11)的厚度。

3.根据权利要求1或2的剥离部件(2，3)，其中所述第一剥离器箔(10，11)和所述第二剥离器箔(20，21)两者都用热解碳制造。

4.根据权利要求1或2的剥离部件(2，3)，其中所述第一剥离器箔(10，11)具有包括在2μg/cm²和10μg/cm²之间的克重，所述第二剥离器箔(20，21)具有包括在12μg/cm²和35μg/cm²之间的克重。

5.一种用于在回旋加速器的周边处从带负电粒子束(1000)剥离电子以用于将粒子束提取到回旋加速器之外的剥离总成(1)，所述剥离总成(1)的特征在于其包括：

·根据权利要求1至4中任何一项的剥离部件(2，3)；

·适于将所述剥离部件(2，3)保持在所述回旋加速器的周边处的支撑装置(40，41)。

6.根据权利要求5的剥离总成(1)，包括调节装置，该调节装置能够调节所述剥离部件(2，3)在回旋加速器内的位置，因而当所述带负电粒子束(1000)被所述第二剥离器箔(20)剥离时增加所述剥离部件(2，3)的剥离效率。

7.根据权利要求5或6的剥离总成(1)，其中所述支撑装置(41)适于支撑第一剥离部件(2)和与第一剥离部件(2)相同类型的第二剥离部件(3)，该第二剥离部件(3)具有第三剥离器箔(11)和第四剥离器箔(21)。

8.根据权利要求7的剥离总成(1)，包括适于将所述支撑装置(41)从第一位置移动到后来的第二位置的驱动装置，在第一位置所述带负电粒子束(1000)或者被剥离部件(2)的第一剥离器箔(10)剥离或者被剥离部件(2)的第二剥离器箔(20)剥离，在第二位置所述带负电粒子束(1000)或者被所述第二剥离部件(3)的第三剥离器箔(11)剥离或者被所述第二剥离部件(3)的第四剥离器箔(21)剥离。

9.根据权利要求7的剥离总成(1)，其中所述支撑装置(41)是可旋转的剥离头，能够绕垂直于粒子束的路径的竖直轴线旋转。

10.一种用于在回旋加速器的周边处从带负电粒子束(1000)剥离电子以用于将粒子束提取到回旋加速器之外的方法，该方法的特征在于包括如下步骤：

·在所述回旋加速器的周边提供根据权利要求1至4中任何一项的剥离部件(2，3)；

·用第一剥离器箔(10，11)提取所述粒子束；

·在所述第一剥离器箔(10，11)被损坏的情况下不停止使带负电粒子加速的加速器，用所述第二剥离器箔(20，21)提取所述粒子束。

11.根据权利要求10的方法，其中用第二剥离器箔(20，21)提取所述带电粒子束的所述步骤还包括如下步骤：

·通过调节装置调节在所述回旋加速器内所述剥离部件(2，3)的定位，以便增加所述第二剥离器箔(20，21)的剥离效率。

12.根据权利要求10或11的方法，还包括如下步骤：

·提供具有第三剥离器箔(11)和第四剥离器箔(21)的与所述剥离部件(2)相同类型的第二剥离部件(3)；

·提供用于支撑所述第二剥离部件(3)和所述剥离部件(2)的支撑装置(41)；

·检查所述剥离部件(2)的第一剥离器箔(10)或所述第二剥离器箔(20)是否被损坏；

·当所述检查显示损坏时，移动所述支撑装置(41)，使得所述带负电粒子束(1000)或者被第二剥离部件(3)的第三剥离器箔(11)或者被第二剥离部件(3)的第四剥离器箔(21)剥离。

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