CN117678050A - 具有高效离子收集的离子生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种系统，其包含：离子源，其配置成产生具有第一极性的离子；一个或多个提取电极，其配置成从所述离子源提取所述离子作为具有提取能量的离子束；质量分辨狭缝或孔隙，其配置成从所述离子束选择所要同位素以使得所要同位素离子束穿过所述质量分辨狭缝或孔隙；靶材，其相对于所述质量分辨狭缝或孔隙定位以使得所述所要同位素离子束入射在所述靶材上；以及电压源，其耦合到所述靶材且配置成使所述靶材保持在具有所述第一极性的第一电压下。所述第一电压在所述所要同位素离子束接近所述靶材时使所述提取能量减小，以使溅射最小化且使所述靶材上的所述离子的收集最大化以再构成电离材料。

Description

具有高效离子收集的离子生产系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年5月14日提交的美国临时专利申请第63/188,729号的权益和优先权，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开大体上涉及重金属离子生产领域，例如医疗保健应用中所使用的重金属离子的生产。更具体来说，本公开涉及改进收集和构成在高提取能量下加速离开离子源的离子的效率。

背景技术

涉及离子束的先前技术通常意图提供离子束与衬底材料之间的高能量碰撞，以便对衬底材料产生改变。这类系统中的离子本身无法有效地保留在衬底材料中，且其可溅射、升华或散射出。这类系统和方法并不提供离子本身的高效收集。相比而言，本申请的一个目的是收集离子束的离子作为可例如被收集、存储、运输、使用等(例如在医疗保健应用中)的构成材料。

发明内容

本公开的一个实施方案为例如离子生产系统的系统。所述系统包含：离子源，其配置成产生具有第一极性的离子；提取电极，其配置成从离子源提取离子作为具有提取能量的离子束；靶材，其相对于提取系统定位以使得离子束入射在靶材上；以及电压源，其耦合到靶材且配置成使靶材保持在具有第一极性的第一电压下。第一电压使在提取能量下的离子的动能减小，使得靶材离子(target ion)在靶材处的有效势能变成提取电压与靶材的第一电压之间的差。此有效较低能量使溅射最小化、减小靶材上的热负荷且使靶材上的离子的收集最大化。当有效能量变得类似于或低于蒸发离子的热能时，可将离子以薄膜的形式沉积在衬底上，因此使离子的捕捉最大化。

在一些实施例中，第一电压小于提取能量。第一电压还可大于提取电位的95％或大于提取电位的99％。第一电压可比提取电位小对应于离子的热能的量。第一电压可比提取电位小大约100V，使得当离子束到达靶材时，离子束具有大约100V的能量(注意，在此情形下，离子动能常常用伏特表示，其中一伏特等于一焦耳每库仑；在其它惯例中，这些值可用eV表示)。

在一些实施例中，提取能量在20kV与80kV之间，例如在40kV与60kV之间。在一些实施例中，第一极性为正的。

在一些实施例中，靶材配置成收集电离材料作为靶材上的膜。在一些实施例中，所述系统还包含在提取电极与靶材之间的质量分辨孔隙，其中所述孔隙配置成阻挡离子的非所要子集到达靶材。

在一些实施例中，离子包含镱(“Yb”)离子。靶材可包含晶体结构。靶材可包含碳纤维材料。

本发明的另一实施方案为一种用于收集离子的方法。所述方法包含向离子束提供提取能量。离子束包含具有第一极性的离子。所述方法还包含：定位靶材以使得离子束入射到靶材上；使靶材保持在具有第一极性的第一电压下，使得第一电压在离子束接近靶材时使提取能量减小；以及将离子收集在靶材上。

在一些实施例中，所述方法还包含从靶材移除离子作为已构成的中性材料。离子可包含镱原子。

提取电位可大于靶材的电压。在一些实施例中，第一电压和提取电位相差对应于离子的热能的量。向离子束提供提取能量可包含使用保持在提取电压下的电极使离子加速离开离子源。提取电压可具有第一极性且大于靶材的电压。

本公开的另一实施方案为一种系统，所述系统包含：离子源，其配置成产生具有第一极性的离子；一个或多个提取电极，其配置成从离子源提取离子作为具有提取能量的离子束；质量分辨狭缝或孔隙，其配置成从离子束选择所要同位素以使得所要同位素离子束穿过质量分辨狭缝或孔隙；靶材，其相对于质量分辨狭缝或孔隙定位以使得所要同位素离子束入射在靶材上；以及电压源，其耦合到靶材且配置成使靶材保持在具有第一极性的第一电压下。第一电压在所要同位素离子束接近靶材时使提取能量减小，以使溅射最小化且使靶材上的离子的收集最大化以再构成电离材料。在一些实施例中，磁分析器定位于一个或多个提取电极与质量分辨狭缝或孔隙之间，且磁分析器配置成产生磁场，所述磁场配置成使得离子束的所要同位素与其它同位素分离。

附图说明

本公开从以下结合随附图式给出的详细描述中将得到更充分地理解，在随附图式中，类似参考标号指代类似元件，在随附图式中：

图1为根据说明性实施例的离子生产系统的示意图。

图2为根据说明性实施例的涉及正离子的实施例中的离子生产系统的靶材和电压源的示意图。

图3为根据说明性实施例的涉及负离子的实施例中的离子生产系统的靶材和电压源的示意图。

具体实施方式

在转向详细说明某些实施例的图式之前，应理解，本公开不限于说明书中所阐述的或图式中所说明的细节或方法。还应理解，本文中所使用的术语仅出于说明的目的，且不应视为限制性的。

大体上参考图式，根据各种实例实施例展示与离子生产系统(例如，重金属离子生产系统)相关的系统和方法。具体来说，图式大体上展示与离子生产系统的靶材处的离子(例如，重金属离子)的高效收集相关的系统和方法，使得离子再构成为可接着被收集、存储、运输、使用等用于各种应用的材料。

如下详述，离子在离子源中产生且从离子源中提取出来作为具有高提取能量的离子束，例如在20kV与80kV之间(例如，在40kV与60kV之间)(注意，在此情形下，离子动能常常用伏特表示，其中一伏特等于一焦耳每库仑；在其它惯例中，这些值可用keV表示)。离子束可穿过磁分析器和质量分辨孔隙，所述磁分析器使用磁场来按动量对离子进行排序(或，如果所有所产生的离子的电荷相同，那么按原子质量进行排序)，所述质量分辨孔隙相对于波束和磁分析器布置以主要传递所要离子(例如，所要同位素的离子)同时阻挡其它离子穿过所述孔隙。因此，仅具有所要离子或高百分比的所要离子的离子束穿过孔隙。靶材(靶材衬底、衬底等)定位成使得所要离子束入射在靶材上。

本文中所描述的方法提供离子粘附到靶材的较高比率和靶材处的较低溅射比率，因此增加构成为中性材料(例如，所要同位素的中性材料)的离子的百分比且减小损失的离子的百分比。因此改进了整个离子生产系统的总效率(例如，每单位所产生的材料的功率和资源消耗)。还最小化或防止离子在离子生产系统的其它非所要表面上的累积(其原本可由离子的散射引起)，由此减少离子生产系统的停工时间和维护。另外，本文中的方法可减少到靶材衬底的热传递(靶材上的热负荷、靶材上的热能负荷)，且因此减少或消除原本可能由靶材处的高能量碰撞引起的温度管理问题。

如下详述，本文中的优点部分地通过使靶材保持在具有与离子相同的极性且具有略微低于离子束的电位的量值的电压下来实现。靶材的电压(和由电压产生的电场)在离子束接近靶材时使离子束的能量减小。举例来说，可选择靶材的电压以使添加到由提取电极提供的离子束的能量(至少部分地)偏移，使得离子的能量在离子到达靶材时减小到热能。在这类情况下，离子在靶材处的电子阻滞(electronic stopping)(即，离子之间的相互作用，和离子的电子与靶材衬底的电子之间的靶材相互作用)和核阻滞(nuclear stopping)(即，离子的核与靶材衬底的核之间的相互作用)均减小到零或接近零水平。通过经由靶材的电位来减少这些相互作用，使得离子被粘附且形成为靶材处的膜而非在高能量下与靶材碰撞且溅射或散射出。

现参考图1，根据说明性实施例，展示离子生产系统100的框图。离子生产系统100包含离子源102、提取电极104、磁分析器106、质量分辨孔隙108、靶材110以及连接到接地114且连接到靶材110的电压源112。离子源102、提取电极104、磁分析器106、质量分辨孔隙108以及靶材110依序布置，使得离子在离子源102处产生且在到达靶材110之前依序通过提取电极104、磁分析器106以及质量分辨孔隙108。如下详述，离子生产系统100配置成在靶材110处提供所要离子的高效收集，所述所要离子作为可被移除、存储、运输等且最终用于某一应用(例如，医疗保健应用)的已构成的中性材料。

离子源102配置成产生离子。举例来说，离子源102可配置为贝纳斯(Bernas)或弗里曼(Freeman)离子源，所述离子源包含可操作以发射电子的细丝(filament)，所述电子电离提供到离子源102中的气体，例如诸如镱蒸气的重金属气体。还可使用其它金属(Lu、Tc等)。电子与气体之间的相互作用电离气体以产生离子。在一些实施例中，离子源102产生正离子(即，“阳离子”，具有正极性的离子)。在其它实施例中，离子源产生负离子(即，“负离子”，具有负极性的离子)。离子源102包含出口狭缝或孔隙，使得可从离子源102提取离子。在一些实施例中，离子源102包含辅助加热器以保护离子源102的元件且改进从离子源102提取的离子的均匀性，例如，如在2020年12月8日申请的美国临时专利申请第63/122,699号中详细描述，所述申请的整个公开内容以引用的方式并入本文中。

提取电极104包含一个或多个电极，所述一个或多个电极配置成且被操作以提供从离子源102提取离子的电场。因为离子具有第一极性(在不同实施例中为正的或负的)的电荷，所以提取电极104处的相反极性的电压将把离子从离子源中拉出作为离子束。提取电极104可包含一个或多个电极以使离子束加速、使离子束减速、使波束成形、瞄准波束等。通过提供使离子束加速离开离子源102的电场，提取电极104向离子束提供与提取电极104的电压相同或类似量值的提取能量。举例来说，当离子束通过提取电极104时，在55kV电压下的电极可向离子束提供55kV的提取能量(注意，在此情形下，离子动能常常用伏特表示，其中一伏特等于一焦耳每库仑)。

因此，具有高提取能量的离子束被提供为提取电极104的输出。在各种实施例中，高提取能量可在20kV与80kV之间，例如40kV与60kV(例如，55kV)之间的范围内。在这类实施例中，可选择在提取电极104处施加的电压以向离子束提供用于特定场景的所要提取能量。

在图1的实例中，离子束从提取电极104传递到磁分析器106。在其它实施例中，省略磁分析器106。磁分析器106配置成提供在离子束上产生磁力的磁场。每一离子上的磁力可大致相等，但离子束可包含不同同位素的离子，使得离子的质量发生变化。由磁分析器106提供的磁力可使得按质量对离子进行分离。因此，在穿过磁分析器106之后，离子束的横切横截面的不同区域可包含不同同位素，即，不同质量的离子。

在图1中，示出离子束从磁分析器106传递到质量分辨孔隙108，且质量分辨孔隙108配置成阻挡离子的非所要子集穿过质量分辨孔隙108，同时允许所要离子穿过质量分辨孔隙108。具体来说，被允许穿过质量分辨孔隙108的离子主要是所要同位素(或两个所要同位素)的离子，而一个或多个其它同位素的离子被质量分辨孔隙108拦截。这是通过相对于磁分析器106定位质量分辨孔隙108以利用由磁分析器106实现的按质量对同位素进行分离来实现的。在各种实施例中，各种几何布置是可能的。因此，在包含磁分析器106和质量分辨孔隙108的实例中，到达靶材110的离子束包含高百分比的一个或多个所要同位素，其中不同同位素的离子引起低百分比的污染。

来自质量分辨孔隙108的离子束入射到靶材110上。靶材110配置成接收和收集离子束的离子。靶材110可包含适合于接收和保留离子的衬底材料，包含作为靶材110的表面上的膜和/或嵌入于靶材110的晶格结构中。举例来说，靶材110的衬底材料可具有晶体结构。作为另一实例，靶材110的衬底材料可包含碳纤维材料(例如，碳纤维布)。还选择靶材110的材料以使得靶材110能够在离子被收集在靶材110上、被注入所述靶材中或另外在所述靶材处被接收时保持在大体恒定的电压下。可选择靶材110的材料以有助于使得离子粘附到靶材110或粘附在所述靶材中。靶材110可在离子生产系统100中可移除且可更换以促进在离子源102的操作期间累积在靶材110上的离子材料的采集。

靶材110展示为耦合到连接在靶材110与接地114之间的电压源112。离子生产系统100的其它元件还包含合适的电子元件、电源等以实现其操作。电压源112配置成使靶材110保持(放置、建立、维持等)在具有离子束的相同极性的电压(在本文中称为靶材电压)下。举例来说，如图2到图3中所说明且如下文所论述，在离子源产生正离子的场景下，通过电压源112将正电压提供到靶材110，而在离子源产生负离子的场景下，通过电压源112将负电压提供到靶材110。

靶材电压优选地小于离子束的提取能量，使得离子束能够到达靶材而不受靶材电压在相反方向上的压迫，同时足够高以大大地减小离子束的能量，以最小化离子束在靶材110处的电子阻滞和核阻滞(从而最小化原本将由离子与靶材110之间的高能量碰撞引起的散射或溅射)。举例来说，靶材电压可比提取能量小对应于离子的热能的量，使得离子的能量在离子到达靶材110的同时减小到热能。在各种实施例中，靶材电压既小于提取能量又大于提取能量的95％，例如大于提取能量的99％(同时也小于提取能量)。在一些实例中，靶材电压比提取能量小大约100V，使得当离子束到达靶材时，离子束具有大约100V的能量(例如，提取能量减去靶材电压等于大约100V)。在一个实例中，提取能量为55kV且靶材电压为54.9kV。

在一些实施例中，电压源112和靶材110配置成使得靶材110的电压在离子生产系统100的整个操作期间且在离子被收集在靶材110上(例如，作为靶材110上的膜，嵌入于靶材110中)且构成中性材料(例如，所要同位素的中性材料)时保持大体上恒定。在一些情况下，为了促进从靶材110移除已构成的电离材料，可从离子生产系统100移除靶材110。在一些这类情况下，控制电压源112以使靶材电压朝向零逐渐减小，使得靶材110能够从电压源112断开而不会破坏收集在所述靶材上的电离材料。在一些实施例中，靶材110(或其一部分)被移除以用于电离材料的运输和进一步处理，且用新靶材110(或其新部分)替换以用于离子生产系统100的后续操作。在其它实施例中，电离材料可从靶材110移除且收集在容器(或其它收集和保留装置)中，使得靶材110可在离子生产系统100的后续操作中再次使用以收集更多离子。

现参考图2，根据实例实施例，展示涉及正离子束200的实施例中的离子生产系统100的靶材110和电压源112的示意性说明。图2展示朝向靶材110瞄准且入射在靶材110上的正离子束200(即，带正电的离子束)。

因为正离子束200具有正极性，所以靶材110的电压也具备正极性。图2说明靶材110连接到电压源112的正端子，其中电压源112的负端子连接到接地114。电压源112使靶材110保持在正电位，即，与正离子束200相同极性的电势下。

靶材110的正电位提供防止离子束200朝向靶材110移动的电场。离子束200必须跨越过这一电场才能到达靶材110。如此，离子束200的动能在由靶材110的正电位产生的电场中转换成离子的电势。这可被认为类似于离子“向上”滚动以到达靶材110。如上文所论述，选择且维持靶材电压以使得正离子束200在正离子到达靶材110的同时达到低能量，例如热能。在减小到热能的情况下，正离子束200不具有将使得其移动远离靶材110或引起溅射或散射的额外动能，且因此，正离子束200的离子粘附在靶材110处，例如形成为如图2中所展示的正离子膜202。

现参考图3，根据实例实施例，展示涉及负离子束300的实施例中的离子生产系统100的靶材110和电压源112的示意性说明。图2展示朝向靶材110瞄准且入射在靶材110上的负离子束300(即，带负电的离子束)。

因为负离子束300具有负极性，所以靶材110的电压也具备负极性。图3说明靶材110连接到电压源112的负端子，其中电压源112的正端子连接到接地114。电压源112使靶材110保持在负电位，即，与负离子束300相同极性的电势下。

靶材110的负电位提供防止离子束300朝向靶材110移动的电场。离子束300必须跨越过这一电场才能到达靶材110。如此，离子束300的动能在由靶材110的负电位产生的电场中转换成离子的电势。这可被认为类似于离子“向上”滚动以到达靶材110。如上文所论述，选择且维持靶材电压以使得负离子束300在负离子到达靶材110的同时达到低能量，例如热能。在减小到热能的情况下，负离子束300不具有将使得其移动远离靶材110或引起溅射或散射的额外动能，且因此，负离子束300的离子粘附在靶材110处，例如形成为如图3中所展示的负离子膜302。

离子生产系统100由此配置成用于高效地产生和收集离子作为已构成的电离材料。通过如上文所描述将靶材110设定在靶材电压下，使得入射在靶材110上的高百分比的离子粘附在靶材110处，例如在靶材110处形成膜。因此，通过提供对由离子源102产生的高百分比的所要离子的收集来改进离子生产系统100的效率。另外，因为材料以低或零速率溅射或散射出，所以还大体上防止了所述材料累积在离子生产系统100中的其它非所要表面上，从而减少离子生产系统100的停工时间、清洁、维护等。另外，虽然高能量离子在靶材处的电子阻滞或核阻滞(即，原子之间的碰撞)将使得靶材的热能极大地增加，但本文中的实施例使用由电压源112提供的电势减小了离子的能量，且从而避免热能累积在靶材处。

虽然以上论述给出与离子生产系统100的操作相关联的物理学原理和靶材电压对离子束的影响的一般概述，但应了解，离子束的行为是复杂的，且可使用额外或替代理论或实验结果来提供对本文中所描述的系统和方法的各种优点的进一步或替代解释。实验结果已展示，向靶材110提供与如上文所描述的离子束相同极性的靶材电压提供本文中所描述的优点。

如本文所使用，术语“大约”、“约”、“大体上”以及类似术语意图具有与由本公开的主题所属领域的技术人员常用和公认的用法相一致的广泛含义。对本公开进行审查的所属领域的技术人员应理解，这些术语意图允许对所描述和所要求的某些特征进行描述，而不将这些特征的范围限于所提供的精确数值或理想化几何形式。因此，这些术语应被解释为指示对所描述和所要求的主题的非实质性的或无关紧要的修改或改变被视为处于所附权利要求书中所述的本公开的范围内。

如本文中所使用，术语“耦合”及其变体意指两个构件彼此直接或间接地接合。这类接合可以是静止的(例如，永久性的或固定的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这类接合可以通过以下方式实现：两个构件彼此直接耦合，两个构件使用单独的介入构件和彼此耦合的任何额外的中间构件彼此耦合，或使用与两个构件中的一个一体成形为单一整体主体的介入构件彼此耦合。如果“耦合”或其变体由额外术语(例如，直接耦合)修改，那么以上提供的“耦合”的通用定义由额外术语的普通语言含义修改(例如，“直接耦合”意指在没有任何单独的介入构件的情况下接合两个构件)，从而产生比以上提供的“耦合”的通用定义更窄的定义。这类耦合可以是机械的、电气的或流体的。

本文中对元件位置的参考(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)是仅用于描述图式中的各种元件的位向。应注意，根据其它示例性实施例，各种元件的位向可不同，且这类变化意图被本公开所涵盖。

虽然图式和描述可说明方法步骤的特定次序，但除非上文以不同方式指定，否则这类步骤的次序可不同于所描绘和描述的次序。此外，除非上文以不同方式指定，否则可同时或部分同时地执行两个或更多个步骤。这类变化可取决于例如所选择的软硬件系统和设计者选择。所有这类变化在本公开的范围内。同样地，可利用具有基于规则的逻辑和用以实现各种连接步骤、处理步骤、比较步骤以及决策步骤的其它逻辑的标准编程技术来实现所描述方法的软件实施方案。

在以下权利要求书中阐述了其它实施例。

Claims (21)

1.一种系统，其包括：

离子源，其配置成产生具有第一极性的离子；

一个或多个提取电极，其配置成从所述离子源提取所述离子作为具有提取能量的离子束；

质量分辨狭缝或孔隙，其配置成从所述离子束选择所要同位素以使得所要同位素离子束穿过所述质量分辨狭缝或孔隙；

靶材，其相对于所述质量分辨狭缝或孔隙定位以使得所述所要同位素离子束入射在所述靶材上；以及

电压源，其耦合到所述靶材且配置成使所述靶材保持在具有所述第一极性的第一电压下，其中所述第一电压在所述所要同位素离子束接近所述靶材时使所述提取能量减小，且进行以下操作中的至少一个：使溅射最小化、减小所述靶材上的热负荷或使所述靶材上的所述离子的收集最大化以再构成电离材料。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电压小于所述提取能量。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一电压大于所述提取能量的95％。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一电压大于所述提取能量的99％。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的系统，其中所述第一电压比所述提取能量小对应于所述离子的热能的量。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的系统，其中所述提取能量在20kV与80kV之间。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的系统，其中所述提取能量在40kV与60kV之间。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的系统，其中所述第一电压比所述提取能量小大约100V，使得当所述所要同位素离子束到达所述靶材时，所述所要同位素离子束具有大约100V的能量。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的系统，其中所述第一极性为正的。

10.根据权利要求1到9中任一项所述的系统，其中所述靶材配置成收集所述电离材料作为所述靶材上的膜。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的系统，其进一步包括在所述一个或多个提取电极与所述质量分辨狭缝或孔隙之间的磁分析器，其中所述磁分析器配置成产生磁场，所述磁场配置成使得所述离子束的所述所要同位素与其它同位素分离。

12.根据权利要求1到11中任一项所述的系统，其中所述离子包括镱离子。

13.根据权利要求1到12中任一项所述的系统，其中所述靶材包括晶体结构。

14.根据权利要求1到13中任一项所述的系统，其中所述靶材包括碳纤维材料。

15.一种用于收集离子的方法，其包括：

向离子束提供提取能量，所述离子束包括具有第一极性的离子；

定位靶材以使得所述离子束入射在所述靶材上；

使所述靶材保持在具有所述第一极性的电压下，使得所述电压在所述离子束接近所述靶材时使所述提取能量减小；以及

将所述离子收集在所述靶材上。

16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括从所述靶材移除所述所收集离子作为已构成的电离材料。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述电压和所述提取能量相差对应于所述离子的热能的量。

18.根据权利要求15到17中任一项所述的方法，其中向所述离子束提供所述提取能量包括使用保持在提取电压下的电极使所述离子加速离开离子源，其中所述提取电压具有所述第一极性且大于所述靶材的所述电压。

19.根据权利要求15到18中任一项所述的方法，其中所述提取能量大于所述电压。

20.根据权利要求15到19中任一项所述的方法，其中所述离子包括镱原子。

21.根据权利要求15到19中任一项所述的方法，其中使用根据权利要求1到14中任一项所述的系统来执行所述方法。