CN108419356A - 用于提升回旋加速器内离子源寿命的方法及离子源设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于提升回旋加速器内离子源寿命的方法及离子源设备，本发明采用了阳极筒的沉台孔结构，结合下沉式或喷管式的准直器及阴极配合这种间隙结构，增加阴极与准直孔之间的距离，增加准直器面对阴极部分的表面积，提升准直器上冷凝阴极金属蒸汽的有效体积，削弱由于阴极金属蒸汽冷凝带来的影响；阴阳极组成的放电结构有效的提升了负氢离子的生产效率，同时也减少了阴极材料的蒸发速率；在不改变阳极筒长度的前提下，将准直器安装在阳极筒内部，可以使离子源内气压保持在一个更高的值，从而降低外界对离子源的供气量，有效减少束流在加速器中的输运损失，有效提升了离子源的放电稳定性与放电寿命，以此有效提升离子源设备的工作寿命。

Description

用于提升回旋加速器内离子源寿命的方法及离子源设备
技术领域
本发明涉及一种回旋加速器设备领域，具体涉及一种用于提升回旋加速器内离子源寿命的方法及离子源设备。
背景技术
在现代医学中，正电子发射计算机断层成像(Positron Emission Tomography，PET)技术被用来精确定位肿瘤的位置。在PET技术中，病人被注射可以自发发生正电子衰变的放射性同位素合成药物，这些药物通常是能够快速参与到代谢过程的物质(如18F-氟代-2-脱氧葡萄糖，FDG)，由于病灶部位的代谢速率很高，所以FDG将在这些部位富集，而FDG具有正电子衰变特性，它们发生衰变后发射的正电子将与身体内的电子发生湮灭反应，发射出两个能量为0.511MeV的光子，这些光子被成像系统捕获以后，通过影像的还原，能够精确定位到身体内所有的发生肿瘤的部位，这种诊断方式提升了癌症的治愈率，是人类健康的福音。
PET所需使用的放射性同位素是通过医用回旋加速器进行生产的，本离子源内置于加速器中央，属于电磁场约束的气体放电装置。工作时，向离子源放电腔内通入氢气，在阳极筒的轴向上施加一个强磁场，然后在阴极、对阴极与阳极之间施加电场，这时氢气会发生放电，可以形成正氢离子与负氢离子，加速器利用电场将离子源内产生的负氢离子引出进入到加速腔内，在加速腔内离子受到电磁场的作用被加速到一定能量之后打靶产生放射性同位素。该离子源被用来为回旋加速器提供负氢离子束流，具有结构紧凑、简单、成本低廉等特点，但是要保证提供给加速器足够的束流，就需要提升离子源的工作功率或工作时间，这将影响离子源的工作寿命；现有的比较典型的提升离子源寿命的技术是通过改变阳极筒侧面引出缝的尺寸、端部开口偏心来提升离子源产生束流的能力，以此来提升离子源在加速器中的寿命；然而该离子源设备存在如下缺陷：第一，离子源内处于高功率高密度的放电状态，阴极由于大量正离子的轰击将达到接近熔点的温度，局部发生汽化，这些阴极的蒸发物将会在较冷的离子源外壳以及阳极、准直器表面冷凝，经过长时间的工作，金属蒸汽在电极表面不断堆积，不断减小阴极与阳极之间的间隙，最终使离子源阴阳极之间发生短路，使离子源寿命终结；第二，阴极溅射物会发生剥落，使离子源发生短路，导致离子源工作不稳定；第三，现有的离子源设备能够在一定程度上提升离子源寿命，但是同位素的产生效力仍然太低，也增加了医用回旋加速器维护的人力和时间成本；因此现有的离子源设备通过调节阳极筒侧面引出缝尺寸、改变端部开口偏心的手段来提升离子源寿命的方式仍存在较大限制。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了解决上述问题的用于提升回旋加速器内离子源寿命的方法及离子源设备，本发明采用了改变离子源阴阳极间放电结构的方式有效的提升了离子源的持续工作时间，还提升了离子源的束流输出能力，更大限度地、有效地提高了离子源的工作寿命。
本发明通过下述技术方案实现：
离子源设备，包括阳极筒、阴极和准直器，其特征在于，所述阳极筒为一个中空的圆筒，所述阳极筒的侧面开有一条离子引出狭缝；在所述阳极筒两端对称设置有沉台孔，且在所述沉台孔上安装下沉式或喷管式准直器，所述准直器与所述沉台孔相接的一端开有一个与所述准直器同心的准直孔，所述准直孔的孔径D1小于所述阳极筒的内径；在所述阳极筒与所述准直器组成的装配体两端对称安装阴极，所述阴极的阴极头为圆形且与所述准直孔同心。
该离子源设备与常规的潘宁离子源的放电原理一致，就是利用了轴向的磁场使放电空间内的电子在径向上受到约束发生回旋运动，减少电子在径向上的逃逸，阴极与阳极之间的电场使电子在轴向上受到约束，使电子在阴极与对阴极之间发生来回反射。当电子从阴极表面发射进入到放电区域以后，良好的电磁场环境使电子在阴阳极组成的空间内往复振荡，高效的对空间内的氢气进行电离。电离形成的负氢离子在引出狭缝位置受到外加电场的作用从阳极筒中被引出进入加速腔中进行加速。
为了使得离子源更易起弧，能够在较低的功率下进行放电，并提升离子源的放电稳定性与放电寿命，对准直器与阴极的配合结构作了进一步优化，优选的，所述阴极头与所述阳极筒最近的距离H1为0.5～2mm，所述准直器的深度为H3，所述阴极头与所述准直孔的距离(H1+H3)为1～4.5mm。
优选的，所述阴极头与所述准直孔的距离(H1+H3)为2.5～3.5mm。
为了减小阳极筒与准直器上金属溅射物的剥落风险，且有效提升离子源的寿命，对阴极头结构及阴极、准直器、阳极筒的配合结构作了进一步优化，优选的，所述准直孔的孔径D1为3～6mm，所述阴极头的直径d小于所述准直器的内径D2，大于所述准直孔的孔径D1。
优选的，所述阴极头的直径d与所述准直孔的孔径D1差大于等于0.5mm。
优选的，所述准直器的内径D2与所述阴极头的直径d差大于等于H1。
基于上述离子源设备，本发明还提出用于提升回旋加速器内离子源寿命的方法，通过阳极筒的沉台结构、下沉式或喷管式准直器与阴极形成的放电间隙结构，增加阴极与准直孔的距离，减小阴极头的尺寸，增大准直器面对阴极部分的表面积及准直器上冷凝阴极金属蒸汽的有效体积；该方法有效提升了离子源的放电稳定性与放电寿命。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明采用阳极筒的沉台结构，结合下沉式或喷管式的准直器及阴极配合这种间隙结构，能够有效增加阴极与准直孔之间的距离，增加准直器面对阴极部分的表面积，提升准直器上冷凝阴极金属蒸汽的有效体积，削弱由于阴极金属蒸汽冷凝带来的影响；在不改变阳极筒长度的前提下，将准直器安装在阳极筒内部，可以使离子源内气压保持在一个更高的值，从而降低外界对离子源的供气量，有效减少束流在加速器中的输运损失，有效提升了离子源的放电稳定性与放电寿命，以此有效提升离子源设备的工作寿命。
2、本发明下沉式或喷管式准直器与阴极的配合结构使离子源更易起弧，能够在更低的功率下进行放电，提升了束流的产率，能有效提升离子源的放电稳定性与放电寿命。
3、本发明采用较小的阴极结构，阴极头小于准直器内径，略大于准直孔孔径，使得阴极溅射物被限制在准直器内，有效遏制了阴极溅射物以及高温蒸发金属在阴极与阳极筒之间的堆积，且减小了阳极筒与准直器在H1位置金属溅射物的剥落导致短路的风险；相比较传统的大阴极结构，采用本申请这种小型阴极结构可以降低阴极材料的蒸发速率，降低放电对阴极的烧蚀，延长离子源持续放电的寿命。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的离子源设备结构示意图。
图2为本发明的离子源设备结构剖视图。
图3为本发明的下沉式准直器结构剖视图。
图4为本发明的喷管式准直器结构剖视图。
图5为本发明的阳极筒结构剖视图。
图6为本发明的阴极结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-阳极筒，1.1-沉台孔，1.2-引出狭缝，2-阴极，2.1-阴极头，3-准直器，3.1-准直孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1-5所示，本发明所述的离子源设备包括：阳极筒(1)、阴极(2)、准直器(3)。
阳极筒(1)为一个中空的圆筒，阳极筒(1)的侧面沿轴向开有一条离子引出狭缝(1.2)，在阳极筒(1)两端对称设置有沉台孔(1.1)，所述沉台孔(1.1)的中心在所述阳极筒(1)的中心轴线和所述引出狭缝(1.2)的对称轴线构成的平面上。并在沉台孔上安装下沉式或者喷管式准直器(3)，在准直器(3)与所述沉台孔(1.1)相接的一端开有一个与准直器(3)同心的准直孔(3.1)，准直孔(3.1)口径小于阳极筒(1)内径，在阳极筒(1)与准直器(3)组成的装配体两端对称安装阴极(2)，阴极头(2.1)为圆形且与准直孔(3.1)同心。本发明所述的放电结构还包括由电极包围的放电气体空间的形状结构。
该离子源与常规的潘宁离子源的放电原理一致，就是利用了轴向的磁场使放电空间内的电子在径向上受到约束发生回旋运动，减少电子在径向上的逃逸，阴极(2)与阳极(1)之间的电场使电子在轴向上受到约束，使电子在阴极(2)与对阴极(2)之间发生来回反射。当电子从阴极表面发射进入到放电区域以后，良好的电磁场环境使电子在阴阳极组成的空间内往复振荡，高效的对空间内的氢气进行电离。电离形成的负氢离子在引出狭缝(1.2)位置受到外加电场的作用从阳极筒(1)中被引出进入加速腔中进行加速。
阴极头与阳极筒最近的距离H1应当控制在0.5mm～2mm，准直孔的孔径D1在3mm～6mm，阴极头需要与准直器内孔同心安装，阴极头的直径d要略大于D1(且d-D1≥0.05mm)，准直器内径D2需要比d大(D2≥d+H1)，准直器的深度为H3，(H1+H3)的深度需要控制在1mm～4.5mm，以2.5mm～3.5mm最优。
实施例2
基于上述离子源设备结果，本实施例提出一种用于提升回旋加速器内离子源寿命的方法，通过阳极筒的沉台孔结构、准直器与阴极形成的放电间隙结构，增加阴极与准直孔的距离，减小阴极头的尺寸，增大准直器面对阴极部分的表面积及准直器上冷凝阴极金属蒸汽的有效体积；该方法有效提升了离子源的放电稳定性与放电寿命。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.离子源设备，包括阳极筒(1)、阴极(2)和准直器(3)，其特征在于，所述阳极筒(1)为一个中空的圆筒，所述阳极筒(1)的侧面开有一条离子引出狭缝(1.2)；在所述阳极筒(1)两端对称设置有沉台孔(1.1)，且在所述沉台孔(1.1)上安装下沉式或喷管式准直器(3)，所述准直器(3)与所述沉台孔(1.1)相接的一端开有一个与所述准直器(3)同心的准直孔(3.1)，所述准直孔(3.1)的孔径D1小于所述阳极筒(1)的内径；在所述阳极筒(1)与所述准直器(3)组成的装配体两端对称安装阴极(2)，所述阴极(2)的阴极头(2.1)为圆形且与所述准直孔(3.1)同心。
2.根据权利要求1所述的离子源设备，其特征在于，所述阴极头(2.1)与所述阳极筒(1)最近的距离H1为0.5～2mm，所述准直器(3)的深度为H3，所述阴极头(2.1)与所述准直孔(3.1)的距离(H1+H3)为1～4.5mm。
3.根据权利要求2所述的离子源设备，其特征在于，所述阴极头(2.1)与所述准直孔(3.1)的距离(H1+H3)为2.5～3.5mm。
4.根据权利要求1所述的离子源设备，其特征在于，所述准直孔(3.1)的孔径D1为3～6mm，所述阴极头(2.1)的直径d小于所述准直器(3)的内径D2，大于所述准直孔(3.1)的孔径D1。
5.根据权利要求1所述的离子源设备，其特征在于，所述阴极头(2.1)的直径d与所述准直孔(3.1)的孔径D1差大于等于0.5mm。
6.根据权利要求1所述的离子源设备，其特征在于，所述准直器(3)的内径D2与所述阴极头(2.1)的直径d差大于等于H1。
7.用于提升回旋加速器内离子源寿命的方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的离子源设备，通过阳极筒的沉台孔结构、下沉式或喷管式准直器与阴极形成的放电间隙结构，增加阴极与准直孔的距离，减小阴极头的尺寸，增大准直器面对阴极部分的表面积及准直器上冷凝阴极金属蒸汽的有效体积。
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