CN1816243A - 离子源设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可改进回旋加速器中的离子源寿命和性能的方法和设备。根据一个实施例，本发明包括用于维持其中的等离子体放电的离子源管道(300)。所述离子源管道(300)包括沿所述离子源管道(300)侧面的狭缝开口(310)，其中所述狭缝开口(310)具有小于0.29毫米的宽度。所述离子源管道(300)还包括所述离子源管道(300)端部中的端部开口(314)。所述端部开口(314)小于所述离子源管道(300)的内径且自所述离子源管道(300)的中心轴线(316)朝向所述狭缝开口(310)移动0－1.5毫米。所述等离子体柱相对于所述狭缝开口(310)移动0.2至0.5毫米。所述离子源管道(300)包括适于所述等离子体放电的空腔(312)。本发明还涉及一种用于制造离子源管道(300)的方法。

Description

离子源设备和方法
技术领域
本发明主要涉及放射性药物学的回旋加速器设计领域，且更具体而言涉及能够改进离子源寿命和性能的方法和设备。
背景技术
医院和其它健康护理提供方为诊断目的而广泛地依靠正电子发射X射线层析照相术(PET)。正电子发射X射线层析照相术扫描器可产生显示出多种生物学过程和功能的影像。在正电子发射X射线层析照相术扫描中，病人起初被注射已公知为正电子发射X射线层析照相术同位素(或放射性药物)的放射性物质。例如，正电子发射X射线层析照相术同位素可以是18F-氟代-2-脱氧葡萄糖(FDG)，一种包括放射性氟的糖。正电子发射X射线层析照相术同位素被包括在某些身体过程和功能中，且其放射性本质使得正电子发射X射线层析照相术扫描器能够产生显示出那些功能和过程的影像。例如，当注射18F-氟代-2-脱氧葡萄糖时，癌细胞可使其新陈代谢，这允许正电子发射X射线层析照相术扫描器产生显示出癌变区域的影像。
正电子发射X射线层析照相术同位素主要通过回旋加速器，一种微粒加速器产生。回旋加速器通常在高真空(例如，10-7托)状态下进行操作。在操作中，初始从离子源中提取出带电微粒(即离子)。随后，离子被加速，同时被磁场限制在圆形路径中。射频(RF)高压源快速交替回旋加速器室内部的电场的极性，导致离子沿螺旋路线行进，同时它们获得更多的动能。一旦离子已获得其最终能量，它们被引导至靶材料以将其转变成一种或多种所需的正电子发射X射线层析照相术同位素。由于回旋加速器通常涉及大量投资，因此其同位素生产能力非常重要。理论上而言，给定靶材料的同位素的产生速度与轰击靶的带电离子的通量(即离子束电流)成正比。因此，所希望的是从离子源中提取出高输出量的离子电流。
除离子输出量外，离子源的寿命也很重要。离子源通常寿命有限且因此需要进行定期更换。在定期检修过程中，回旋加速器需要被打开以允许接近离子源。然而，由于回旋加速器通常在同位素生产过程中变得具有放射性，因此有必要等辐射衰减至安全水平再开始进行检修。例如在一种回旋加速器中，等待辐射衰减的时间可持续十小时。离子源的更换需要一些时间，这取决于离子源组件的复杂性及其可接近性。在已更换离子源后，需要另外的时间以使回旋加速器内部恢复高真空状态。结果是，离子源更换的每次预定检修导致同位素生产过程中的停机时间延长。因此，所希望的是改进离子源的寿命，以使得预定检修之间的同位素生产时间将更长。
图1示出了产生同位素的回旋加速器中使用的已公知的基于等离子体的离子源100的操作。如图所示，离子源100包括被放置在两个阴极102之间的离子源管道104。离子源管道104可接地，同时可通过电源112使两个阴极102在高负压下加上偏压。离子源管道104可具有空腔108，一种或多种气体组分可流入所述空腔内。例如，约10标准毫升/分(sccm)的氢气(H2)流可流入空腔108内。阴极102和离子源管道104之间的电压差可导致氢气中的等离子体放电(110)，产生正氢离子(质子)和负氢离子(H-)。这些氢离子可受到沿离子源管道104长度施加的磁场120的限制。通过电源114在交变电位下受到偏压的拉出器116随后可在交变电位的正半周期过程中通过离子源管道104上的狭缝开口106提取出负氢离子。提取出的负氢离子118在用于产生同位素之前可在回旋加速器(未示出)中被进一步加速。
图2-图7示出了离子源管道200的现有技术设计，其中图2是离子源管道200的透视图，图3是前视图，图4是侧视图，图5和图7是截面a-a的横截面图，且图6是截面b-b的横截面图。长度单位为毫米(mm)。离子源管道200具有圆柱形空腔212，所述空腔以轴线216为中心。沿离子源管道200的前侧还存在狭缝开口214。该现有技术设计进一步需要两个独立的限制环210，所述限制环可被插入到空腔212内且被放置靠在边缘220和222上以帮助限定等离子体柱218的形状和位置。
在现有技术离子源管道200的设计中可能存在一些缺点。例如，限制环210的使用可能使得在制造过程中需要一些用于组装和调节的时间量。且限制环的现有技术设计可强加严格的制造公差。此外，狭缝开口214可由于受到等离子体柱218中产生的离子的轰击而相对较快地性能衰退，导致离子源管道200寿命较短。
这些和其它缺点可存在于已公知的系统和方法中。
发明内容
本发明针对用于改进离子源寿命和性能的方法和设备，所述方法和设备克服了已公知系统和方法的这些和其它缺点。
根据一个实施例，本发明涉及一种用于维持其中的等离子体放电的离子源管道，所述离子源管道包括：沿所述离子源管道侧面的狭缝开口，其中所述狭缝开口具有小于0.29毫米的宽度；所述离子源管道的至少一端中的端部开口，其中所述端部开口小于所述离子源管道的内径且自所述离子源管道的中心轴线朝向所述狭缝开口移动0-1.5毫米；和适于所述等离子体放电的空腔。
根据另一个实施例，本发明涉及一种用于制造离子源管道的方法，所述方法包括：形成离子源管道，所述离子源管道包括沿所述离子源管道侧面的狭缝开口，其中所述狭缝开口具有小于0.29毫米的宽度；在所述离子源管道至少一端中的端部开口，其中所述端部开口小于所述离子源管道的内径，且自所述离子源管道的中心轴线朝向所述狭缝开口移动0-1.5毫米；和空腔，所述等离子体放电位于所述空腔中。
附图说明
为了有利于更全面地理解本发明，下面参考附图进行说明。这些图不应被解释为对本发明的限制，而仅旨在进行示例性说明。
图1示出了产生同位素的回旋加速器中使用的已公知的基于等离子体的离子源的操作；
图2-图7示出了离子源管道的现有技术设计；
图8是根据本发明的一个实施例的典型离子源管道的透视图；
图9-图12是示出了图8中所示的典型离子源管道的机械制图；和
图13-图16是示出了根据本发明的一个实施例的典型限制环(restrictor ring)的机械制图。
具体实施方式
下面对本发明的典型实施例进行详细说明。
参见图8，图中示出了根据本发明的一个实施例的典型离子源管道300的透视图。离子源管道300可用于类似于图1所示的离子源的基于等离子体的离子源中。可在离子源管道300中或附近维持等离子体放电(未示出)。离子源管道300可由耐热和耐受等离子体放电的金属(例如铜和钨)制成。如图所示，典型离子源管道300大体上具有圆柱形状。在离子源管道300的前侧中可具有用于提取离子的狭缝开口310。在离子源管道300的端部中可具有端部开口314以适应气体组分的流动并帮助限定出等离子体放电的形状和位置。在离子源管道300内部，可具有预成形空腔312，其进一步限定出等离子体放电的形状和位置及其密度。结合图9-图12对离子源管道300的内部几何结构细节进行描述。
应该注意，离子源管道300通常被制成一件式结构。也就是说，可基于例如实验或理论计算(例如计算机模拟)而预先确定影响离子束电流的几何参数，例如狭缝开口310的宽度和空腔312的形状。随后，所需参数组可被包括在离子源管道300内以形成一个一体的结构，所述一体的结构几乎不需要或不需要进行组装或调节。该设计方法学可减少对离子源管道300的耗时调节的需要且可增大机加工公差。
图9-图12示出了图8所示的典型离子源管道的机械制图。图9是离子源管道300的前视图，图10是侧视图，图11是截面A-A的横截面图，且图12是截面B-B的横截面图。长度单位是毫米(mm)。
例如，图9所示离子源管道300的总长度可以是20毫米，且公差为0.05毫米。当然，在此阐述的这些值和其它值仅是实例。沿离子源管道300前侧的狭缝开口310可具有小于0.3毫米，更优选小于0.29毫米且大于0.1毫米，再更优选小于0.25毫米且大于0.15毫米的宽度，且最优选宽度为0.2毫米且公差为0.01毫米。狭缝开口310的长度可以是4-6毫米，更优选为5.00毫米且公差为0.05毫米。狭缝开口310和离子源管道300的两端可具有陡沿。
图10示出了从一端观察的离子源管道300的视图。端部开口314通常具有2.5-5毫米的直径，且优选具有3.00毫米的直径且公差为0.05毫米。此外，如图10和图11所示，端部开口314通常但未必一定偏离离子源管道的中心轴线316。例如，端部开口314可自中心轴线316偏离零或大于零达1.5毫米，且优选自中心轴线316偏离约1.00毫米。结果是，受到端部开口314限制的等离子体柱(未示出)可偏心并更接近狭缝开口310地移动。接近狭缝开口310的等离子体柱的位置通常改进了离子提取效率。此外，端部开口314的直径可小于离子源管道300内部的空腔312的直径，这可帮助增加等离子体放电的密度以产生更多的离子。通常情况下，离子源管道内部的等离子体放电的直径约为2.5-5毫米，更优选为3毫米。
如图12所示，根据一个实例，狭缝开口310和中心轴线316之间的距离可以是约2.6毫米。假定受到端部开口314和内置限制器324限制的等离子体柱在离子源管道300整个长度范围内保持直圆柱形状，那么等离子体柱的边缘可远离狭缝开口310仅0.3毫米。通常情况下，等离子体柱的边缘远离狭缝开口310达0.2-0.5毫米。在狭缝开口310边缘处的离子源管道厚度通常为0.05-0.15毫米，且优选为如图11所示的0.1毫米。在狭缝开口310边缘处的离子源管道厚度可对性能产生两种影响。例如，更薄的边缘可导致电场穿透性的改进且因此导致更好的H-输出量。然而，更薄的边缘可导致离子源管道寿命更短，这是因为其将更不耐受磨损。选定的边缘厚度可以是两种效应之间的折衷方案。
图13-图16是示出了根据本发明的一个实施例的典型限制环的机械制图。图13是限制环500的透视图，图14是俯视图，图15是侧视图，且图16是截面f-f的横截面图。长度单位是毫米(mm)。
根据本发明的实施例，一个或多个限制环，例如图13所示的限制环，可被插入离子源管道内以进一步改变其空腔的形状。例如，限制环500可沿图11中的虚线320被插入空腔312内。限制环500可由耐热和耐受等离子体的金属(例如钨或铜)制成。如图16所示，限制环500可具有4.60毫米的内径和5.60毫米的外径。如图14所示，限制环500可具有0.8毫米宽的狭缝508。狭缝508可允许限制环500在插入和调节过程中略微弯曲。且内径和外径的尺寸可允许限制环500靠置在图11所示的凸缘322上。
根据本发明的实施例，尽管可能希望制造包括所有离子提取的关键参数的一件式离子源管道，但有时对管道进行机加工以符合全部需求可太困难或太昂贵。例如，再次参见图11，制造具有中部更宽且两端更窄的空腔312的一件式离子源管道300可能是困难的。然而，当限制环500沿虚线320被插入且靠置在凸缘322上时，可实现空腔312形状关于截面B-B的所需对称性。
总而言之，本发明的实施例可提供多个有利特征以改进离子源的寿命和性能。例如，一件式设计可包括可影响输出离子电流的所有关键参数，例如狭缝开口宽度，狭缝开口和等离子体柱边缘之间的距离以及等离子体柱的形状。由于几乎没有离散部分，因此一件式离子源管道可易于进行安装和调节。离子源管道内部的空腔几何形状可被设计以实现高效的离子生成和提取。例如，空腔一端中的偏心端部开口可将等离子体柱放置在更接近狭缝开口的位置处。等离子体柱的形状可基于偏心开口和空腔的几何参数进行构造。例如，可减小偏心开口和空腔的尺寸以增加等离子体柱的密度。通过可选的限制环，本发明的实施例还提供了离子源管道的设计和制造中的灵活性。当一件式设计难以实现时，一个或多个具有适当形状和尺寸的限制环可被插入离子源管道内以实现所需几何形状。
尽管前面的描述包括了许多细节，但应该理解这些细节仅为阐述目的而被包括，且不被解释为对本发明的限制。本领域的技术人员将易于理解，可在不偏离本发明的精神和范围的情况下对上述实施例进行其它变型。因此，这种变型被视为在本发明的范围内，以下技术方案及其合法等效方式旨在限定本发明的范围。
               零件表
  附图标记   零件描述
  100   已公知的基于等离子体的离子源
  102   阴极
  104   离子源管道
  106   狭缝开口
  108   离子源管道的空腔
  110   等离子体放电
  112   电源
  114   具有交变电位的电源
  116   拉出器
  118   提取出的负氢离子
  120   磁场
  200   现有技术离子源管道
  210   限制环
  212   现有技术离子源管道的圆柱形空腔
  214   狭缝开口
  216   现有技术离子源管道的中心轴线
  218   等离子体柱
  220   边缘
  222   边缘
  300   离子源管道
  310   狭缝开口
  312   预成形空腔
  314   端部开口
  316   离子源管道的中心轴线
  318   端部开口
  320   插入限制环的方向
  322   限制环的凸缘
  324   内置限制器
  500   限制环
  508   限制环中的狭缝

Claims (10)

1、一种用于维持其中的等离子体放电的离子源管道(300)，所述离子源管道(300)包括：
沿所述离子源管道(300)侧面的狭缝开口(310)，其中所述狭缝开口(310)具有小于0.29毫米的宽度；
所述离子源管道(300)端部中的端部开口(314)，其中所述端部开口(314)小于所述离子源管道的内径且自所述离子源管道(300)的中心轴线(316)朝向所述狭缝开口(310)移动0-1.5毫米；和
适于所述等离子体放电的空腔(312)。
2、根据权利要求1所述的离子源管道(300)，其中所述端部开口(314)具有2.5-5毫米的直径。
3、根据权利要求1所述的离子源管道(300)，其中内置限制器(324)和所述端部开口(314)中的至少一个导致所述等离子体放电的边缘远离所述狭缝开口(310)0.2-0.5毫米。
4、根据权利要求1所述的离子源管道(300)，其中所述狭缝开口(310)具有0.15毫米至0.25毫米之间的宽度。
5、根据权利要求1所述的离子源管道(300)，其中所述狭缝开口(310)具有约0.2毫米的宽度。
6、根据权利要求1所述的离子源管道(300)，其中所述离子源管道(300)具有一件式构造。
7、根据权利要求6所述的离子源管道(300)，进一步包括用于插入所述一件式离子源管道(300)内以改变所述空腔(312)的几何形状的限制环(500)。
8、根据权利要求1所述的离子源管道(300)，其中所述离子源管道(300)包括铜和钨。
9、根据权利要求1所述的离子源管道(300)，其中所述端部开口(314)自所述离子源管道(300)的所述中心轴线(316)朝向所述狭缝开口(310)移动大于零毫米。
10、一种用于制造离子源管道的方法，所述方法包括：
形成离子源管道(300)，所述离子源管道(300)包括：
沿所述离子源管道(300)侧面的狭缝开口(310)，其中所述狭缝开口(310)具有小于0.29毫米的宽度；
在所述离子源管道(300)端部中的端部开口(314)，其中所述端部开口(314)小于所述离子源管道(300)的内径，且自所述离子源管道(300)的中心轴线(316)朝向所述狭缝开口(310)移动0-1.5毫米；和
空腔(312)，所述等离子体放电位于所述空腔中。
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