CN111370286A - 一种用于治疗装备的等离子体源及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于治疗装备的等离子体源及其使用方法，其特征在于，包括气瓶、流量控制装置、微波耦合器、放电源体、第一真空室、分子泵和机械泵；容纳有工作气体的气瓶的出口通过流量控制装置经微波耦合器连接放电源体的进口，微波耦合器用于将微波系统发出的微波馈入至放电源体，放电源体用于对工作气体进行微波加热电离产生高密度等离子体，并引出形成用于匹配治疗装备的离子束流；放电源体的出口连接第一真空室的进口，第一真空室的出口连接分子泵的进口，分子泵的出口连接机械泵的进口，机械泵的出口连接流量控制装置，本发明可以广泛应用于质子治疗及中子放疗装备中。

Description

一种用于治疗装备的等离子体源及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种等离子体源，特别是关于一种用于治疗装备的等离子体源及其使用方法。

背景技术

质子治疗的剂量分布具有独特的布拉格峰，相对于光子放疗能够精准地杀伤肿瘤组织，质子治疗被广泛应用于中子放疗(BNCT)及质子放疗中。目前，质子治疗主要基于三种回旋加速器、同步加速器和直线加速器加速器类型，其中，回旋加速器使用的低能离子注入器大多数为负氢离子源(H-)，经聚焦传输至回旋加速器，然后加速，负氢离子源采用灯丝产生电子，与氢气碰撞产生等离子体，它的优点是占地面积小，缺点是束流强度小且工作寿命短，需要经常更换灯丝。因此，越来越多的离子治疗装备采用质子直线加速器，质子治疗装备运行稳定可靠，造价低，是当前治癌装置的首选装备，广受医院及科研机构的青睐。

作为质子治疗装置的关键部分，低能离子注入器质子源的性能直接影响整个加速器的指标，因此，作为离子发源地等离子体源至关重要。然而，常规的重离子治癌装备，其低能离子注入器一般采用高频高电荷态离子源，但是高频高电荷态离子源的源体体积大、制造成本高且建设周期较长，无法满足质子治疗装置的高负荷运转。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种源体体积小、制造成本低且建设周期短的用于治疗装备的等离子体源及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于治疗装备的等离子体源，包括气瓶、流量控制装置、微波耦合器、放电源体、第一真空室、分子泵和机械泵；容纳有工作气体的所述气瓶的出口通过所述流量控制装置经所述微波耦合器连接所述放电源体的进口，所述微波耦合器用于将微波系统发出的微波馈入至所述放电源体，所述放电源体用于对工作气体进行微波加热电离产生高密度等离子体，并引出形成用于匹配治疗装备的离子束流；所述放电源体的出口连接所述第一真空室的进口，所述第一真空室的出口连接所述分子泵的进口，所述分子泵用于将所述第一真空室从大气压抽至真空状态，所述分子泵的出口连接所述机械泵的进口，所述机械泵用于将所述第一真空室从真空状态抽至高真空状态以抽出未电离的工作气体，所述机械泵的出口连接所述流量控制装置。

进一步地，所述微波系统发出微波的微波频率为2.45GHz。

进一步地，所述放电源体包括外壳、第二真空室、放电室、水冷管、磁环和引出电极；所述外壳内设置有所述第二真空室和放电室，所述第二真空室是由真空管内插设同轴天线构成的，所述真空管的外侧设置有用于冷却所述同轴天线接口的所述水冷管；所述第二真空室的一端通过真空连接接头连接所述微波耦合器，所述第二真空室的另一端固定连接所述放电室的进口，所述放电室内插设有氮化硼片，所述氮化硼片上开设有用于所述同轴天线穿过的通孔；所述放电室的外侧围设有用于为所述放电室产生所需轴向磁场的所述磁环，所述磁环上还设置有调整间距环；所述放电室的出口连接所述第一真空室的进口，所述放电室的出口处还设置有用于引出离子束流的所述引出电极。

进一步地，所述磁环是由钕铁硼永磁环或无氧铜线圈构成，所述磁环内设置有水冷弧腔。

进一步地，所述同轴天线采用无磁金属材料，所述同轴天线与真空管的比例为0.43。

进一步地，所述分子泵出口与所述机械泵进口均设置有角阀。

进一步地，所述真空连接接头采用CF33法兰。

进一步地，所述流量控制装置采用质量流量控制器或精度为10^-10mbar L/s的针阀。

进一步地，所述工作气体为氢气。

一种用于治疗装备的等离子体源的使用方法，包括以下步骤：1)微波耦合器将微波系统发出的微波馈入至放电源体；2)气瓶内的工作气体通过流量控制装置进入放电源体，放电源体在微波的加热下对工作气体进行电离产生高密度等离子体，并引出形成用于匹配治疗装备的离子束流；3)启动机械泵，将第一真空室从大气压抽至真空状态；4)启动分子泵，将第一真空室从真空状态抽至高真空状态，使得未电离的残余工作气体分子获得定向速度，压缩趋向至放电源体的出口，进入第一真空室；5)未电离的残余工作气体通过流量控制装置再次进入放电源体内进行电离。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于设置有进气及循环系统和放电源体，工作气体的单次离化率高于20％，通过进气及循环系统可以节约工作气体、提高气体离化率，具有低成本、节能、安全及无环境污染的优点，且制造成本远远小于高电荷态离子源，能够在不破坏真空的情况下连续循环利用，提高工作气体的使用效率。

2、本发明中机械泵与分子泵之间设置有角阀，当角阀关闭时，进气及循环系统的内部与外界之间实现隔离，因此可以在不破坏真空的情况下连续循环利用工作气体，提高工作气体的使用效率。

3、本发明采用2.45GHz微波驱动的放电源体，结构紧凑，且放电源体的磁场由永磁铁产生，在通入氢气的条件下，可以产生H⁺、H₂ ⁺和H₃ ⁺离子，经加速电极引出可以产生束流强度约为1～100mA的高强度束流，束流品质好，可以用于质子治疗装备的注入器，满足质子治疗装置高负荷运转，是当前质子治疗装置的最佳选择，可以广泛应用于质子治疗及中子放疗装备中。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中放电源体的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

由于2.45GHz微波驱动的离子源属于无极放电，能够产生高流强的离子束，可在较大范围气压下长期稳定工作、重复性能好、引出束的能散和束流发射度低、离子种类广，没有寿命限制，也不会带来束流的污染，可以提供纯净的离子束，因此，2.45GHz微波驱动的等离子体源是质子治疗装备注入器的最佳选择。

基于上述说明，如图1所示，本发明提供的用于治疗装备的等离子体源包括进气及循环系统1、微波耦合器2、放电源体3、第一真空室4、管道5、第一角阀6和第二角阀7，其中，进气及循环系统1包括高压平台、氢气瓶11、分子泵12、机械泵13和流量控制装置14。

高压平台上设置有氢气瓶11、分子泵12和机械泵13，氢气瓶11用于容纳工作气体氢气。氢气瓶11的出口通过管道5依次经流量控制装置14和微波耦合器2连接放电源体3的进口，流量控制装置14用于控制进行放电源体3工作气体的流量，微波耦合器2还连接外部微波系统，微波耦合器2用于将微波系统发出的微波频率为2.45GHz、带宽为50MHz的微波馈入至放电源体3，放电源体3用于对工作气体进行微波加热高效电离产生高密度等离子体，并引出形成用于匹配治疗装备的离子束流，例如H⁺、H₂ ⁺和H₃ ⁺束流。放电源体3的出口连接第一真空室4的进口。

第一真空室4的出口连接分子泵12的进口，分子泵12用于将第一真空室4从大气压抽至真空状态(例如0.1Pa)。分子泵12的出口通过管道5依次经第一角阀6和第二角阀7连接机械泵13的进口，机械泵13用于将从真空状态抽至高真空状态(例如10^-5Pa)，以抽出未电离的工作气体，机械泵13的出口通过管道5连接流量控制装置14。

在一个优选的实施例中，如图2所示，放电源体3包括外壳、第二真空室、放电室31、水冷管32、真空连接接头33、磁环34和引出电极35，其中，磁环34是由钕铁硼永磁环34或无氧铜线圈构成，磁环34内设置有水冷弧腔。

外壳内设置有第二真空室和放电室31，第二真空室是由真空管36内插设同轴天线37构成的，真空管36的外侧设置有水冷管32，用于冷却同轴天线37的接口。第二真空室的一端通过真空连接接头33连接微波耦合器2，第二真空室的另一端固定连接用于产生等离子体的放电室31的进口，放电室31内插设有氮化硼片311，用于提高放电室31内的等离子体密度，氮化硼片311上还开设有用于同轴天线37穿过的通孔。放电室31的外侧围设有磁环34，磁环34用于为放电室31产生2.45GHz微波所需的轴向磁场，磁环34上设置有调整间距环341，用于调整磁场场型。放电室31的出口连接第一真空室4的进口，放电室31的出口处还设置有引出电极35，用于引出匹配治疗装备的离子束流。

在一个优选的实施例中，同轴天线37与真空管36的比例为0.43，同轴天线37可以采用无磁金属材料。

在一个优选的实施例中，真空连接接头33可以采用CF33法兰。

在一个优选的实施例中，流量控制装置14可以采用精密针阀或质量流量控制器，其中，精密针阀的精度为10^-10mbar L/s。

下面通过具体实施例详细说明本发明用于治疗装备的等离子体源的使用过程：

1)微波耦合器2将微波系统发出的微波频率为2.45GHz、带宽为50MHz的微波通过同轴天线37馈入至放电室31。

2)氢气瓶11内的工作气体通过流量控制装置14经管道和真空管36进入放电室31，放电室31在微波的加热下对工作气体进行高效电离产生高密度等离子体，经引出电极35引出后形成用于匹配至治疗装备例如质子治癌装置的离子束流。

3)启动机械泵13，将第一真空室4从大气压抽至真空状态例如0.1Pa。

4)启动分子泵12，将第一真空室4从真空状态抽至高真空状态例如10^-5Pa，分子泵12高速旋转的转子将动量传输至未电离的残余工作气体分子，使其获得定向速度，进而被压缩趋向至放电室31的出口，进入第一真空室4。

5)未电离的残余工作气体通过管道经流量控制装置14再次进入放电源体3的放电室31内进行电离。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于治疗装备的等离子体源，其特征在于，包括气瓶、流量控制装置、微波耦合器、放电源体、第一真空室、分子泵和机械泵；

容纳有工作气体的所述气瓶的出口通过所述流量控制装置经所述微波耦合器连接所述放电源体的进口，所述微波耦合器用于将微波系统发出的微波馈入至所述放电源体，所述放电源体用于对工作气体进行微波加热电离产生高密度等离子体，并引出形成用于匹配治疗装备的离子束流；

所述放电源体的出口连接所述第一真空室的进口，所述第一真空室的出口连接所述分子泵的进口，所述分子泵用于将所述第一真空室从大气压抽至真空状态，所述分子泵的出口连接所述机械泵的进口，所述机械泵用于将所述第一真空室从真空状态抽至高真空状态以抽出未电离的工作气体，所述机械泵的出口连接所述流量控制装置。

2.如权利要求1所述的一种用于治疗装备的等离子体源，其特征在于，所述微波系统发出微波的微波频率为2.45GHz。

3.如权利要求1所述的一种用于治疗装备的等离子体源，其特征在于，所述放电源体包括外壳、第二真空室、放电室、水冷管、磁环和引出电极；

所述外壳内设置有所述第二真空室和放电室，所述第二真空室是由真空管内插设同轴天线构成的，所述真空管的外侧设置有用于冷却所述同轴天线接口的所述水冷管；所述第二真空室的一端通过真空连接接头连接所述微波耦合器，所述第二真空室的另一端固定连接所述放电室的进口，所述放电室内插设有氮化硼片，所述氮化硼片上开设有用于所述同轴天线穿过的通孔；所述放电室的外侧围设有用于为所述放电室产生所需轴向磁场的所述磁环，所述磁环上还设置有调整间距环；所述放电室的出口连接所述第一真空室的进口，所述放电室的出口处还设置有用于引出离子束流的所述引出电极。

4.如权利要求3所述的一种用于治疗装备的等离子体源，其特征在于，所述磁环是由钕铁硼永磁环或无氧铜线圈构成，所述磁环内设置有水冷弧腔。

5.如权利要求3所述的一种用于治疗装备的等离子体源，其特征在于，所述同轴天线采用无磁金属材料，所述同轴天线与真空管的比例为0.43。

6.如权利要求1所述的一种用于治疗装备的等离子体源，其特征在于，所述分子泵出口与所述机械泵进口均设置有角阀。

7.如权利要求1至6任一项所述的一种用于治疗装备的等离子体源，其特征在于，所述真空连接接头采用CF33法兰。

8.如权利要求1至6任一项所述的一种用于治疗装备的等离子体源，其特征在于，所述流量控制装置采用质量流量控制器或精度为10^-10mbar L/s的针阀。

9.如权利要求1至6任一项所述的一种用于治疗装备的等离子体源，其特征在于，所述工作气体为氢气。

10.一种用于治疗装备的等离子体源的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)微波耦合器将微波系统发出的微波馈入至放电源体；

2)气瓶内的工作气体通过流量控制装置进入放电源体，放电源体在微波的加热下对工作气体进行电离产生高密度等离子体，并引出形成用于匹配治疗装备的离子束流；

3)启动机械泵，将第一真空室从大气压抽至真空状态；

4)启动分子泵，将第一真空室从真空状态抽至高真空状态，使得未电离的残余工作气体分子获得定向速度，压缩趋向至放电源体的出口，进入第一真空室；

5)未电离的残余工作气体通过流量控制装置再次进入放电源体内进行电离。

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