CN108966476A - 改善回旋加速器引出束流品质的引出方法及引出系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及回旋加速器的束流引出技术，公开了改善回旋加速器引出束流品质的引出方法及引出系统，其引出方法为：使回旋加速器中的剥离膜与束流法向之间形成角度；其引出系统包括至少一片剥离膜，以及用于装载剥离膜的剥离膜支架，所述剥离膜位于真空盒内，其中，所述剥离膜与所述剥离膜支架转动连接，且其转动平面平行于束流的运行平面，所述剥离膜通过电机系统驱动转动以控制其相对束流运动方向间的角度。本发明披露的改善回旋加速器引出束流品质的引出方法及引出系统，通过调节剥离膜与束流之间的位置关系来改善回旋加速器引出束流的品质，调节回旋加速器引出束流的包络。

Description

改善回旋加速器引出束流品质的引出方法及引出系统
技术领域
本发明涉及回旋加速器的束流引出技术，尤其涉及改善回旋加速器引出束流品质的引出方法及引出系统。
背景技术
在当今国际社会上，医用加速器得到了长足的发展和广泛的应用，其中生产诊断和治疗用各种放射性核素的医用加速器绝大多数为回旋加速器，世界上现有的数百台回旋加速器中，约80％用于医疗健康和生命科学研究，医用小型回旋加速器主要用来生产11C、13N、15O、18F、64Cu、68Ge、111In、123I等医用放射性核素，进而生产FDG等放射性药物，这类加速器通常为紧凑型回旋加速器，配有液体靶和固体靶，有些经过升级改造后还增加了气体靶束流线，通常来说，这类加速器引出的质子束流不经过长的束流线输运，而是直接打在液体靶上以生产18F等超短寿命的放射性核素或产生中子等。
回旋加速器的引出方式多种多样，剥离引出是其中常见的一种，与进动引出等其他引出方式比，剥离引出机械结构简单、造价低、引出效率高，是目前国际上加速H-、D-等粒子的回旋加速器最常用的引出方式。
用于医用放射性药物生产的小型医用回旋加速器，通常来说，在剥离引出中，剥离膜总是垂直于束流方向，但是，对于采用剥离引出方式的紧凑型回旋加速器，通常情况下其引出区域狭小，不能放置聚焦元件，因此很难控制引出区域的束流包络和束流损失，尤其是对于生产靶直接放置在引出口的加速器，靶上束斑形状和尺寸也无法得到控制。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的在于提供一种改善回旋加速器引出束流品质的引出方法，该方法通过调节剥离膜与束流之间的位置关系来改善回旋加速器引出束流的品质，调节回旋加速器引出束流的包络。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
改善回旋加速器引出束流品质的引出方法，使回旋加速器中的剥离膜与束流法向之间形成角度。
通过采用上述技术方案，粒子穿过与束流法向形成角度的剥离膜跟直接穿过与束流运动方向垂直的剥离膜相比会有一个增量，从而在水平方向产生一个聚/散焦作用，该作用类似偏转磁铁的入口/出口角，但不影响垂直方向的传输矩阵，即认为垂直方向包络无变化，从而改善了回旋加速器引出束流品质。
在一些实施方式中，剥离膜与束流法向之间形成夹角能够改善回旋加速器引出束流品质通过以下原理获得：
粒子穿过与束流法向形成角度的剥离膜跟直接穿过与束流运动方向垂直的剥离膜相比形成一个增量，其角度方向的增量用式(1)来表示：
其中，Δθx表示剥离膜相对束流法向旋转角度后穿过剥离膜的粒子角度方向的增量，α表示剥离膜与束流运动方向的夹角，Bz为垂直方向磁场分量，ρ为粒子偏转半径，δ是粒子的动量分散，n是磁场降落指数；
忽略高阶项后，则式(1)通过式(2)来表示：
即，当剥离膜束流法向具有夹角时，在水平方向产生一个聚/散焦作用。
通过采用上述技术方案，说明粒子穿过与束流法向形成角度的剥离膜跟直接穿过与束流运动方向垂直的剥离膜相比会有一个增量，其作用相当于偏转磁铁的入口/出口角。
在一些实施方式中，当剥离膜与束流法向具有夹角时，对于垂直方向，粒子穿过与束流法向具有角度的剥离膜后其角度方向的增量用式(3)来表示：
忽略高阶项后，ΔθZ＝0，即垂直方向角度无变化。
通过采用上述方案，说明粒子穿过与束流法向形成角度的剥离膜跟直接穿过与束流运动方向垂直的剥离膜相比不影响垂直方向的传输矩阵，即认为垂直方向包络无变化，从而改善了回旋加速器引出束流品质。
本发明的第二目的在于提供一种适用上述改善回旋加速器引出束流品质的引出方法的束流引出系统，其能调节剥离膜与束流之间的位置关系，从而改善回旋加速器引出束流的品质，调节回旋加速器引出束流的包络，控制靶上束斑形状和尺寸，无需引入其他元器件，不影响回旋加速器引出系统的机械结构。
改善回旋加速器引出束流品质的引出系统，包括至少一片剥离膜，以及用于装载剥离膜的剥离膜支架，所述剥离膜位于真空盒内，其中，所述剥离膜与所述剥离膜支架转动连接，且其转动平面平行于束流的运行平面，所述剥离膜通过电机系统驱动转动以控制其相对束流运动方向间的角度。
H-离子从离子源系统射出后，通过射频系统的加速以及通过磁场系统提供的向心力作用，在中心平面内以螺旋形轨迹运动，当负氢离子经过剥离膜时，被剥离膜剥离掉最外层的两个电子，变成质子，即转变成正离子，此时在磁场的作用下，其运行轨迹将向相反方向偏转，从而被引出回旋加速器。上述技术方案，通过转动剥离膜，以改变剥离膜与束流之间的位置关系，即使剥离膜与垂直于束流运动方向的平面之间具有一定角度，从而使粒子产生一个增量，其角度方向的增量用式(1)来表示：
其中，Δθx表示剥离膜相对垂直于束流运动方向旋转一定角度后穿过剥离膜的粒子角度方向的增量，α表示剥离膜与束流运动方向的夹角，Bz为垂直方向磁场分量，ρ为粒子偏转半径，δ是粒子的动量分散，n是磁场降落指数。
忽略高阶项后，则式(1)可以通过式(2)来表示：
即，当剥离膜与束流法向(即垂直于束流运动方向)有一定夹角时，会在水平方向产生一个聚/散焦作用，该作用类似偏转磁铁的入口/出口角。
同理，可推导得到，对于垂直方向，粒子穿过与垂直于束流运动方向的平面具有一定角度的剥离膜后其角度方向的增量可用式(3)来表示：
忽略高阶项后，ΔθZ＝0。即垂直方向角度无变化，因此剥离膜与束流的夹角不影响垂直方向的传输矩阵，基本可认为垂直方向包络无变化。
因此，在忽略高阶项的前提下，剥离膜与垂直于束流运动方向的夹角可使用水平方向束流聚/散焦，但对于垂直方向则无影响，因此，该原理可用于调整回旋加速器引出束流的包络，控制靶上束斑形状和尺寸，改善采用剥离引出方式引出的回旋加速器引出束流的品质。
在一些实施方式中，所述剥离膜夹设于剥离靶上，所述剥离靶与所述剥离膜支架转动连接。
通过采用上述技术方案，将剥离膜夹设于剥离靶上，通过剥离靶的整体转动以实现剥离膜的转动。
在一些实施方式中，所述剥离膜支架上转动连接有两个所述剥离靶。
通过采用上述技术方案，可根据需要设置不同剥离膜的角度，以得到不同束斑形状和尺寸。
在一些实施方式中，所述电机系统通过传动系统驱动所述剥离靶转动，所述传动系统包括分别与两个所述剥离靶连接的从动齿轮，及以与所述从动齿轮啮合的主动齿轮，所述电机系统驱动所述主动齿轮转动。
通过采用上述技术方案，电机系统作为驱动件，并通过传动系统的传动从而驱动剥离靶转动，以实现剥离膜与垂直于束流运动方向的平面之间角度的调节。
在一些实施方式中，所述电机系统位于所述真空盒外侧，包括电机，及连接于所述电机的输出轴的第一锥形齿轮，所述主动齿轮同轴连接一第二锥形齿轮，所述第一锥形齿轮伸入所述真空盒内与所述第二锥形齿轮啮合。
通过采用上述技术方案，由于主动齿轮的轴线与电机输出轴位置相互垂直，因此，采用锥齿轮的实现动力的传输，从而驱动主动齿轮转动。
在一些实施方式中，所述主动齿轮连接有角度传感器，所述角度传感器连接一控制器，所述电机系统连接于所述控制器。
上述技术方案通过采用角度传感器与主动齿轮连接，通过角度传感器监测主动齿轮的旋转角度，并反馈至控制器，控制器根据角度传感器的反馈信息控制电机系统工作，从而精确调整剥离膜的旋转角度。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.通过转动剥离膜，以改变剥离膜与束流之间的位置关系，即使剥离膜与垂直于束流运动方向的平面之间具有一定角度，从而使粒子产生一个增量，即当剥离膜与束流法向(即垂直于束流运动方向)有一定夹角时，在忽略高阶项的前提下，剥离膜与垂直于束流运动方向的夹角可使用水平方向聚/散焦，但对于垂直方向则无影响。因此，该原理可用于调整回旋加速器引出束流的包络，控制靶上束斑形状和尺寸，改善剥离引出方式引出的回旋加速器引出束流的品质；
2.通过在剥离膜支架上转动连接有两个所述剥离靶，可根据需要设置不同剥离膜的角度，以得到不同束斑形状和尺寸。
附图说明
图1为本发明披露的改善回旋加速器引出束流品质的引出系统安装于回旋加速器后的整体结构示意图；
图2是图1所示的改善回旋加速器引出束流品质的引出系统中剥离靶的结构示意图；
图3为图1中A部分的放大图。
附图标记：1、剥离膜；2、剥离膜支架；201、夹板；21、剥离靶；211、剥离靶座体；212、挡块；2121、螺栓；3、真空盒；4、电机系统；401、连接板；41、电机；42、第一锥形齿轮；501、角度传感器；502、控制器；510、连接轴；60、粒子源系统；70、磁场系统；80、下磁轭。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明披露的改善回旋加速器引出束流品质的引出系统，如图1和图2所示，安装于回旋加速器的真空盒3处，包括剥离膜支架2、安装于剥离膜支架2上且位于真空盒3内的剥离膜1，以及驱动剥离膜1相对剥离膜支架2转动的电机系统4，其中，剥离膜1的转动平面平行于束流的运行平面。如图1所示，H-离子从位于回旋加速器中心位置的粒子源系统60射出后，通过射频系统(图中未示出)的加速以及通过磁场系统70提供的向心力作用，在上磁轭(图中未示出)及下磁轭80之间形成的中心平面内(即真空盒3所在位置)以螺旋形轨迹运动，当负氢离子经过位于真空盒3内的剥离膜1时，被剥离膜1剥离掉最外层的两个电子，变成质子，即转变成正离子，此时正离子在磁场的作用下，其运行轨迹将向与原来负离子运行方向相反的方向偏转，从而被引出回旋加速器。本发明披露的改善回旋加速器引出束流品质的引出系统，由于剥离膜1能够通过电机系统4驱动转动以控制其相对束流运动方向间的角度，因此，剥离膜1与束流之间的角度可调，从而可调整回旋加速器引出束流的包络，控制靶上束斑形状和尺寸，改善剥离引出方式引出的回旋加速器引出束流的品质。
具体的，如图2所示，剥离膜支架2固定于真空盒3内侧，包括两片相互平行的夹板201，两夹板201平行于束流的运行平面，两夹板201之间夹持有剥离靶21，剥离靶21通过连接轴510与两夹板201转动连接，连接轴510直于于束流的运行平面，且连接轴510与剥离靶21间在连接轴510周向上定位连接，而连接轴510与两夹板201间在连接轴510周向上转动连接。如图2和图3所示，在本发明此实施方式中，剥离靶21整体成卧置的“H”形，且其在与束流运行平面垂直的平面上的投影成“H”形，在束流运行平面上的投影成矩形，连接轴510垂直于束流运行平面且位于“H”形剥离靶21的对称轴上，而剥离膜1位于“H”形剥离靶21两侧缺口处，且剥离膜1垂直于束流的运行平面。从而，通过转动剥离靶21以调节剥离膜1与束流之间的角度。
如图3所示，剥离靶21包括相互夹合的剥离靶座体211和挡块212，其中，剥离靶座体211在束流运行平面上的投影成“Z”字体形，且挡块212与剥离靶座体211夹合后形成完整的剥离靶21，且使剥离靶座体211在束流运行平面上的投影成矩形。剥离膜1夹设于剥离靶座体211与挡块212夹缝间，从而通过挡块212与剥离靶座体211的相互夹持作用对剥离靶21进行固定，避免损坏剥离膜1，如图3所示，挡块212通过螺栓2121与剥离靶座体211固定连接。为了方便根据需要设置不同剥离膜1的角度，以得到不同束斑形状和尺寸，在本发明此实施方式中，如图3所示，剥离膜支架2上通过连接轴510转动连接有两个剥离靶21，且两连接轴510形成的平面平行于回旋加速器的其中一切线方向。
如图2所示，电机系统4通过连接板401固定于真空盒3外侧，如图3所示，电机系统4包括电机41及连接于电机41输出轴的第一锥形齿轮42，如图2和图3所示，在本发明此实施方式中，第一锥形齿轮42垂直于两连接轴510形成的平面。如图3所示，电机系统4通过传动系统传动以驱动剥离靶21转动，从而调节剥离膜1的角度。
如图3所示，传动系统包括分别与两个剥离靶21连接的从动齿轮及以与两个从动齿轮啮合的主动齿轮，两个从动齿轮分别与两个连接轴510同轴连接，且位于剥离膜支架2底部，从动齿轮与连接轴510之间在连接轴510轴向上定位连接，主动齿轮同轴连接有一第二锥形齿轮，且第二锥形齿轮与主动齿轮在主动齿轮周向上定位连接，第二锥形齿轮穿过剥离膜支架2位于下方的夹板201，并与连接于电机41输出轴的第一锥形齿轮42啮合，因此，电机41驱动第一锥形齿轮42，从而驱动与第一锥形齿轮42啮合的第二锥形齿轮转动，继而驱动主动齿轮转动，随之与主动齿轮啮合的从动齿轮随主动齿轮转动，以实现剥离膜1角度的调节。
为了精确调整剥离靶21的角度，如图2所示，主动齿轮连接有角度传感器501，角度传感器501位于真空盒3外部，另外，在真空盒3上还固定有一控制器502，角度传感器501及电机41均连接于控制器502。角度传感器501与主动齿轮连接，在主动齿轮旋转过程中实时监测主动齿轮的旋转角度，并将数据反馈至控制器502，控制器502根据角度传感器501的反馈数据控制电机41运行，即首先设定剥离靶21的角度，控制器502控制电机41启动，以驱动剥离靶21旋转以调整角度，在剥离靶21旋转的过程中，角度传感器501实时监测主动齿轮的旋转角度，并将数据反馈至控制器502，当主动齿轮旋转至预设角度时，控制器502控制电机41停止，以此精确调整剥离靶21的旋转角度。
本发明还披露了运用上述改善回旋加速器引出束流品质的引出系统的引出方法，机通过电机41驱动剥离靶21转动，从而使剥离膜1与垂直于束流运动方向的平面产生角度，其中，角度传感器501实时监测主动齿轮的旋转角度，并将数据反馈至控制器502，当主动齿轮旋转至预设角度时，控制器502控制电机41停止，以此精确调整剥离靶21的旋转角度。粒子穿过与垂直于束流运动方向的平面具有一定角度的剥离膜跟直接穿过与束流运动方向垂直的剥离膜相比会有一个增量，其角度方向的增量用式(1)来表示：
其中，Δθx表示剥离膜相对垂直于束流运动方向旋转一定角度后穿过剥离膜的粒子角度方向的增量，α表示剥离膜与束流运动方向的夹角，Bz为垂直方向磁场分量，ρ为粒子偏转半径，δ是粒子的动量分散，n是磁场降落指数。
忽略高阶项后，则式(1)可以通过式(2)来表示：
即，当剥离膜与束流法向(即垂直于束流运动方向)有一定夹角时，会在水平方向产生一个聚/散焦作用，该作用类似偏转磁铁的入口/出口角。
同理，可推导得到，对于垂直方向，粒子穿过与垂直于束流运动方向的平面具有一定角度的剥离膜后其角度方向的增量可用式(3)来表示：
忽略高阶项后，ΔθZ＝0。即垂直方向角度无变化，因此剥离膜与束流的夹角不影响垂直方向的传输矩阵，基本可认为垂直方向包络无变化。
因此，在忽略高阶项的前提下，剥离膜与垂直于束流运动方向的夹角可使用水平方向聚/散焦，但对于垂直方向则无影响，因此，该原理可用于调整回旋加速器引出束流的包络，控制靶上束斑形状和尺寸，改善剥离引出方式引出的回旋加速器引出束流的品质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.改善回旋加速器引出束流品质的引出方法，其特征在于，使回旋加速器中的剥离膜(1)与束流法向之间形成角度。
2.根据权利要求1所述的改善回旋加速器引出束流品质的引出方法，其特征在于，剥离膜(1)与束流法向之间形成夹角能够改善回旋加速器引出束流品质通过以下原理获得：
粒子穿过与束流法向形成角度的剥离膜(1)跟直接穿过与束流运动方向垂直的剥离膜(1)相比形成一个增量，其角度方向的增量用式(1)来表示：
其中，Δθx表示剥离膜(1)相对束流法向旋转角度后穿过剥离膜(1)的粒子角度方向的增量，α表示剥离膜(1)与束流运动方向的夹角，Bz为垂直方向磁场分量，ρ为粒子偏转半径，δ是粒子的动量分散，n是磁场降落指数；
忽略高阶项后，则式(1)通过式(2)来表示：
即，当剥离膜(1)与束流法向具有夹角时，在水平方向产生一个聚/散焦作用。
3.根据权利要求2所述的改善回旋加速器引出束流品质的引出方法，其特征在于，当剥离膜(1)与束流法向具有夹角时，对于垂直方向，粒子穿过与束流法向具有角度的剥离膜(1)后其角度方向的增量用式(3)来表示：
忽略高阶项后，ΔθZ＝0，即垂直方向角度无变化。
4.适用权利要求1所述的改善回旋加速器引出束流品质的引出系统，包括至少一片剥离膜(1)，以及用于装载剥离膜的剥离膜支架(2)，所述剥离膜(1)位于真空盒(3)内，其特征在于，所述剥离膜(1)与所述剥离膜支架(2)转动连接，且其转动平面平行于束流的运行平面，所述剥离膜(1)通过电机系统(4)驱动转动以控制其相对束流运动方向间的角度。
5.根据权利要求4所述的改善回旋加速器引出束流品质的引出系统，其特征在于，所述剥离膜(1)夹设于剥离靶(21)上，所述剥离靶(21)与所述剥离膜支架(2)转动连接。
6.根据权利要求5所述的改善回旋加速器引出束流品质的引出系统，其特征在于，所述剥离膜支架(2)上转动连接有两个所述剥离靶(21)。
7.根据权利要求5所述的改善回旋加速器引出束流品质的引出系统，其特征在于，所述电机系统(4)通过传动系统驱动所述剥离靶(21)转动，所述传动系统包括分别与两个所述剥离靶(21)连接的从动齿轮，及以与所述从动齿轮啮合的主动齿轮，所述电机系统(4)驱动所述主动齿轮转动。
8.根据权利要求7所述的改善回旋加速器引出束流品质的引出系统，其特征在于，所述电机系统(4)位于所述真空盒(3)外侧，包括电机(41)，及连接于所述电机(41)的输出轴的第一锥形齿轮(42)，所述主动齿轮同轴连接一第二锥形齿轮，所述第一锥形齿轮(42)伸入所述真空盒(3)内与所述第二锥形齿轮啮合。
9.根据权利要求7所述的改善回旋加速器引出束流品质的引出系统，其特征在于，所述主动齿轮连接有角度传感器(501)，所述角度传感器(501)连接一控制器(502)，所述电机系统(4)连接于所述控制器(502)。
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