DE102014001653B4

DE102014001653B4 - Laserionenquelle und Schwerteilchenstrahl-Therapiegerät

Info

Publication number: DE102014001653B4
Application number: DE102014001653.6A
Authority: DE
Inventors: Akiko Kakutani; Takayuki Sako; Kiyokazu Sato; Yoshiharu KANAI; Takeshi Yoshiyuki; Tsutomu Kurusu
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: CN104008942B; CN104008942A; JP6214880B2; US8933415B2; JP2014164818A; US20140235918A1; DE102014001653A1

Abstract

Laserionenquelle (20), aufweisend:einen Vakuumbehälter (1), dessen Inneres geleert ist, um ein Vakuum zu erzeugen, wobei der Vakuumbehälter (1) mit einem Laserstrahleintrittsfenster (1a) ausgebildet ist, um zuzulassen, dass ein Laserstrahl (L) eintritt;ein Ziel (2), das in dem Vakuumbehälter (1) angeordnet ist, so dass es mit dem Laserstrahl (L) bestrahlt wird, um Ionen zu erzeugen;eine Kondensorlinse (4) zum Fokussieren des Laserstrahls (L) auf das Ziel (2), wobei die Kondensorlinse (4) in der Richtung der optischen Achse des Laserstrahls (L) und an dem Laserstrahleintrittsfenster (1a) des Vakuumbehälters (1) angeordnet ist, wobei die Kondensorlinse (4) die Rolle einer Vakuumtrennwand übernimmt;einen Linsenanpassungsmechanismus (3) zum Kontaktieren eines O-Rings (13) durch die Kondensorlinse (4) unter Druck, wobei der Linsenanpassungsmechanismus (3) bewerkstelligt, dass die Kondensorlinse (4) die Rolle einer Vakuumtrennwand übernimmt,wobei der Linsenanpassungsmechanismus (3) einen Linsenhalter (12) und die Kondensorlinse (4) umfasst, und die Kondensorlinse (4) von dem Linsenhalter (12) gehalten wird; undein Halteranpassungselement (14), an dem der Linsenhalter (12) angeordnet ist, und das an dem Vakuumbehälter (1) starr befestigt ist, wobeian einer inneren Umfangsoberfläche des Halteranpassungselements (14) ein Innengewinde ausgebildet ist und an einer äußeren Umfangsoberfläche des Linsenhalters (12) ein Außengewinde ausgebildet ist, das in das Innengewinde eingreifen kann, unddie Kondensorlinse (4) in einer Richtung der optischen Achse des Laserstrahls (L) bewegt wird, indem der Linsenhalter (12) gedreht wird.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Im Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Laserionenquelle, die Ionen erzeugt, wenn mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, und auch auf ein Schwerteilchen-Therapiegerät, das eine solche Laserionenquelle verwendet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Techniken zum Bewirken, dass eine elektrische Entladung in einem Gas auftritt, um Ionen zu erzeugen, sind als Ionenerzeugungstechniken weit verbreitet. Mikrowellen und elektronische Strahlen werden verwendet, damit eine elektrische Entladung auftritt.
Andererseits ist die Laserionenquelle, die einen Laser per Definition verwendet, ausgebildet, um ein Ziel mit einem kondensierten Laserstrahl so zu bestrahlen, dass das Element des Ziels zur Erzeugung eines Plasmas verdampft und ionisiert wird. Die Laserionenquelle ist eine Vorrichtung zum Transportieren der intakten in dem Plasma enthaltenen Ionen, und zum Erzeugen eines Ionenstrahls durch Beschleunigen der Ionen zum Zeitpunkt eines Extrahierens der Ionen (siehe z.B. das japanische Patent mit der Veröffentlichungsnummer JP 3 713 524 B2 und die offengelegte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP 2009-37764 A ). Somit kann die Laserionenquelle Ionen erzeugen, indem ein festes Ziel mit einem Laserstrahl bestrahlt wird. Daher ist es vorteilhaft, wenn ein gepulster hoher Strom für mehrwertige Ionen erzeugt wird.
Die durch die Laserionenquelle erzeugten Ionen weisen eine Anfangsgeschwindigkeit in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des festen Ziels auf. Deshalb kann bewerkstelligt werden, dass die Laserionenquelle Ionen transportiert, indem die Transportleitung verlängert wird, die dasselbe elektrische Potenzial aufweist wie der in der Transportrichtung stromabwärts betrachtete Ionenerzeugungsabschnitt. Außerdem kann die Laserionenquelle so angeordnet werden, dass nicht benötigte Ionen am Passieren gehindert werden, indem Elektroden an dem Plasmatransportweg angeordnet werden und ein positives elektrisches Feld an dem Plasma auf dem Plasmatransportweg angelegt wird (siehe die offengelegte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP 2012-99273 A ).
Unterdessen beschreibt „Review of Scientific Instruments 81, 02A510“ (veröffentlicht in 2010) (nachstehend als Literatur 1 bezeichnet) eine Technik für das Laserstrahlinjektionssystem der Laserionenquelle. Mit dieser Technik wird der von einem YAG-Laser emittierte Laserstrahl zu einem Vakuumbehälter von außerhalb des Vakuumbehälters durch zwei Spiegel geführt. Der Laserstrahl wird in den Vakuumbehälter durch ein Vakuumfenster des Vakuumbehälters eingeführt. In dem Vakuumbehälter wird der Laserstrahl durch einen Spiegel reflektiert, so dass er in eine Linse tritt. Der Laserstrahl wird dann durch die Linse kondensiert und auf ein Ziel gestrahlt.
Das in Literatur 1 beschriebene Laserstrahlinjektionssystem benötigt eine axiale Ausrichtung des Spiegels und der Linse in dem Vakuumbehälter. Da der Spiegel und die Linse des optischen Systems in dem Vakuumbehälter angeordnet sind, wird die Verwendung eines Antriebsmechanismus wie etwa ein Motor benötigt, um die relativen axialen Positionen des Spiegels und der Linse von außerhalb des Vakuumbehälters einzustellen. Deshalb tritt bei der Laserionenquelle der vorstehend zitierten Literatur 1 das Problem einer komplexen Struktur auf, die Verdrahtungen umfasst, welche außerhalb des Vakuumbehälters gezogen sind.
Wenn bei der in der vorstehend zitierten Literatur 1 beschriebenen Laserionenquelle ein Spiegel und eine Linse in deren Plasmaerzeugungsabschnitt angeordnet sind, können sie durch Laserablationsteilchen, die daran haften, verfärbt werden, wodurch folglich die Zielbestrahlungsleistung des Laserstrahls verschlechtert wird. Dann müssen der Spiegel und die Linse ersetzt werden, und ein Verfärbungsverhinderungsmechanismus (z.B. unter Anordnung einer transparenten Filmrolle und einer Aufwickelrolle in dem Vakuumbehälter) muss vorgesehen werden.
Deshalb muss bei einer solchen Laserionenquelle die axiale Position des optischen Systems erneut eingestellt werden, nachdem der Spiegel und die Linse ersetzt worden sind. Zusätzlich tritt das Problem einer komplexen Struktur auf, wenn ein Verfärbungsverhinderungsmechanismus in dem Vakuumbehälter angeordnet ist.
Somit besteht das durch die vorliegende Erfindung zu lösende Problem darin, eine Laserionenquelle vorzusehen, bei welcher die Kondensorlinse einfach axial ausgerichtet werden kann, und welche eine vereinfachte Struktur aufweist, und auch ein Schwerteilchenstrahl-Therapiegerät vorzusehen, das eine solche Laserionenquelle verwendet.
Als weiterer Stand der Technik sind JP S63-225459 A , JP 2012-133935 A , US 5019705 A , WO 2011/075346 A1 und US 2005/0178979 A1 zu nennen.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Diskussion spezifischer und darstellender Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, offensichtlich.

1 ist eine schematische Darstellung eines Schwerteilchenstrahl-Therapiegeräts mit einer Laserionenquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und zeigt eine beispielhafte Konfiguration desselben;
2 ist eine schematische Querschnittansicht einer Laserionenquelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und zeigt die Konfiguration derselben;
3 ist eine vergrößerte schematische Querschnittansicht des Linsenanpassungsmechanismus aus 2;
4 ist eine vergrößerte schematische Querschnittansicht des Linsenanpassungsmechanismus einer Laserionenquelle gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine schematische Querschnittansicht einer Laserionenquelle gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und zeigt die Konfiguration derselben;
6 ist eine vergrößerte schematische Querschnittansicht des Linsenanpassungsmechanismus aus 5;
7 ist eine vergrößerte schematische Querschnittansicht des Vakuumfensters und des Linsenanpassungsmechanismus einer Laserionenquelle gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine vergrößerte schematische Querschnittansicht des Vakuumfensters und des Linsenanpassungsmechanismus einer Laserionenquelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 9 ist eine schematische Querschnittansicht einer Laserionenquelle gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und zeigt die Konfiguration derselben; und
10 ist eine schematische Draufsicht des Linsenanpassungsmechanismus aus 9.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Laserionenquelle gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 2 vorgesehen.
Außerdem ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Schwerteilchenstrahl-Therapiegerät gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 4 vorgesehen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung befindet sich in dem abhängigen Patentanspruch 3.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Laserionenquellen gemäß der vorliegenden Erfindung und auch Ausführungsbeispiele des Schwerteilchenstrahl-Therapiegeräts mit irgendeinem der Ausführungsbeispiele der Laserionenquelle unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
(Schwerteilchen-Therapiegerät)
1 ist eine schematische Darstellung eines Schwerteilchenstrahl-Therapiegeräts mit einer Laserionenquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und zeigt eine beispielhafte Konfiguration desselben.
Wie in 1 gezeigt, weist ein Schwerteilchen-Therapiegerät 300 eine Laserionenquelle 20, einen Beschleuniger 40, welcher ein Linearbeschleuniger 8 sein kann, einen Elektromagneten 30a für ein X-Achsen-Abtasten, einen Elektromagneten 30b für ein Y-Achsen-Abtasten, einen Vakuumkanal 31, einen Dosisbeobachtungsabschnitt 50, einen Kammfilter 60, einen Bereichsschieber 70, eine Steuerung 80 usw. auf.
Das Schwerpartikelstrahl-Therapiegerät 300 erzeugt Schwerteilchenionen durch die Laserionenquelle 20, erzeugt dann einen Teilchenstrahl durch Beschleunigen der erzeugten Schwerteilchenionen durch den Beschleuniger 40, und strahlt den Teilchenstrahl auf den kranken Teil (Tumorzellen) 201 eines zu behandelnden Patienten 200. Das Schwerteilchenstrahl-Therapiegerät 300 kann den kranken Teil 201 in dreidimensionale Gitterpunkte diskretisieren und einen dreidimensionalen Abtastbestrahlungsprozess eines sequentiellen Abtastens der Gitterpunkte mit einem Teilchenstrahl eines feinen Durchmessers ausführen.
Insbesondere wird der kranke Teil 201 mit dem Schwerteilchenstrahl-Therapiegerät 300 intern in flache Einheitsstücke aufgeteilt, die als Scheiben bezeichnet werden, und die zweidimensionalen Gitterpunkte jeder der Scheiben, einschließlich der Scheiben Z_i, Z_i+1, Z_i+2, ... (die Gitterpunkte in der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung in dem Koordinatensystem, das in der oberen rechten Ecke von 1 gezeigt ist), werden sequentiell im Rahmen eines dreidimensionalen Abtastens abgetastet.
Die durch die Laserionenquelle 20 erzeugten Schwerteilchenionen werden durch den Linearbeschleuniger 8 oder einen anderen Beschleuniger 40, der ein Synchrotron sein kann, beschleunigt, um den Energiepegel der Schwerteilchenionen zu erhöhen und einen Teilchenstrahl zu erzeugen, der tief in den kranken Teil 201 eindringen kann.
Der Elektromagnet 30a für ein X-Achsen-Abtasten und der Elektromagnet 30b für ein Y-Achsen-Abtasten lenken den Teilchenstrahl jeweils in die X-Richtung und in die Y-Richtung, so dass die Oberfläche jeder der Scheiben zweidimensional abgetastet werden kann. Der Bereichsschieber 70 steuert die Position des kranken Teils 201 in der Z-Achsenrichtung. Der Bereichsschieber 70 wird z.B. ausgebildet, indem eine Vielzahl von dicken Acrylplatten verwendet wird. Die Energie des Teilchenstrahls, der den Bereichsschieber 70 und somit die Intrakörperbahn des Teilchenstrahls passiert, kann schrittweise gemäß der Position jeder der Scheiben des kranken Teils 201 in der Z-Achsenrichtung variiert werden. Die Intrakörperbahn variiert normalerweise in regelmäßigen Intervallen durch den Bereichsschieber 70, und die Intervalle korrespondieren zu den Abständen, um welche die korrespondierenden Gitterpunkte in der Z-Achsenrichtung getrennt sind. Techniken, die verwendet werden können, damit die Intrakörperbahn variiert, umfassen eine Technik zum Ändern der Energie des Teilchenstrahls durch Steuern einer stromaufwärtsseitigen Vorrichtung, zusätzlich zu der Technik zum Einfügen einer Energiedämpfungsvorrichtung, wie etwa ein Bereichsschieber 70, auf der Bahn des Teilchenstrahls.
Der Kammfilter 60 ist vorgesehen, um den spitz zulaufenden Spitzenwert, welcher nachstehend als schwarzer Spitzenwert (engl. „black peak“) bezeichnet wird, der Dosis in der Tiefenrichtung des Patientenkörpers zu spreizen. Die Breite des durch den Kammfilter 60 gespreizten schwarzen Spitzenwerts wird so eingestellt, dass sie gleich zu der Dicke jeder der Scheiben und somit zu den Intervallen der korrespondierenden Gitterpunkte in der Z-Achsenrichtung ist. Der Kammfilter 60 für eine dreidimensionale Abtastbestrahlung ist ausgebildet, indem eine Vielzahl von stabförmigen Aluminiumelementen, die einen im Wesentlichen gleichschenkligen Dreiecksquerschnitt zeigen, angeordnet ist. Der schwarze Spitzenwert kann gespreizt werden, indem die Differenz der Weglänge verwendet wird, die auftritt, wenn der Teilchenstrahl die gleichschenkligen Dreiecke passiert. Eine erwünschte Spreizbreite kann erhalten werden, indem geeignete Profile für die gleichschenkligen Dreiecke ausgewählt werden.
Der Dosisbeobachtungsabschnitt 50 dient zum Beobachten der Dosis einer Bestrahlung. Er ist ausgebildet, indem eine Ionisierungskammer in seinem Gehäuse, welche die durch den Ionisationseffekt des Partikelstrahls durch parallele Elektroden erzeugten elektrischen Ladungen sammelt, und ein sekundärer Elektronenmonitor (SEM: „secondary electron monitor“) zum Messen der von der sekundären Elektronenemissionsmembran, die in dem Gehäuse angeordnet ist, emittierten sekundären Elektronen, und andere Elemente angeordnet sind.
(Erstes Ausführungsbeispiel der Laserionenquelle)
2 ist eine schematische Querschnittansicht der Laserionenquelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und zeigt die Konfiguration derselben. 3 ist eine vergrößerte schematische Querschnittansicht des Linsenanpassungsmechanismus aus 2.
Wie in 2 gezeigt, besteht ein Vakuumbehälter 1 aus einem Material, wie etwa rostfreier Stahl, das hoch korrosionswiderstandsfähig und chemisch widerstandsfähig ist und kaum Gas emittiert. Ein Ziel 2, welches eine Masse eines Elements sein kann, das Ionen dreht, oder ein Material, das ein solches Element enthält, ist in dem Vakuumbehälter 1 angeordnet. Das Ziel 2 ist typischerweise ein kohlenstoffbasiertes plattenförmiges Element.
Eine hohe Spannung von einer Hochspannungsenergiequelle (nicht gezeigt) ist an dem Vakuumbehälter 1 angelegt. Ein positives elektrisches Potenzial wird angelegt, wenn ein positiver Ionenstrahl erzeugt werden soll, wohingegen ein negatives elektrisches Potenzial angelegt wird, wenn ein negativer Ionenstrahl erzeugt werden soll. Ein positives elektrisches Potenzial wird in diesem Ausführungsbeispiel angelegt. Der Vakuumbehälter 1 ist mit einem Auslasskanal (nicht gezeigt) ausgebildet, und eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) ist mit dem Auslasskanal verbunden, um den Vakuumbehälter 1 zu leeren und ein Vakuum in dem Vakuumbehälter 1 zu erzeugen.
Ein Laserstrahleintrittsfenster 1a ist an dem Vakuumbehälter 1 als Teil dessen Wandoberflächen ausgebildet, insbesondere an einem oberen Teil einer lateralen Wandoberfläche, um zuzulassen, dass ein Laserstrahl in den Vakuumbehälter 1 eintritt. Ein Linsenanpassungsmechanismus 3 ist starr an dem Laserstrahleintrittsfenster 1a befestigt. Eine Kondensorlinse 4, die als ein optisches System zum Kondensieren eines Laserstrahls L betrieben wird, ist in den Linsenanpassungsmechanismus 3 eingepasst. Der Laserstrahl L, der von einer Laserstrahlquelle (nicht gezeigt) emittiert wird, tritt in den Vakuumbehälter 1 durch die Kondensorlinse 4 ein, und danach wird der kondensierte Laserstrahl L auf das Ziel 2 gestrahlt. Z.B. kann ein CO₂-Laser oder ein Nd-YAG-Laser als Laserstrahlquelle verwendet werden.
Eine Transportleitung 9 zum Entnehmen von Ionen ist an einer lateralen Oberfläche (an der rechten lateralen Oberfläche in 2) des Vakuumbehälters 1 angeordnet. In der Transportleitung 9 sind Elektroden 10 angeordnet, um nicht benötigte Ionen zu eliminieren, indem ein positives elektrisches Feld angelegt wird. Die Transportleitung 9 wird auf einem positiven elektrischen Potenzial gehalten und ist in einem nichtleitenden Rohr 7 angeordnet, dessen Inneres in einem Vakuumzustand gehalten wird. Das nichtleitende Rohr 7 ist an einem seiner sich gegenüberliegenden Enden mit einer lateralen Oberfläche des Vakuumbehälters 1 verbunden und das andere Ende ist mit einem Linearbeschleuniger (RFQ: „radio frequency quadropole“; dt. „Funkfrequenzvierpol“) 8 verbunden, der auf Erdpotenzial gehalten wird. Die Elektrode 11 wird auf Erdpotenzial gehalten und ist in der Nähe eines Endes der Transportleitung 9 in dem Linearbeschleuniger 8 angeordnet. Die Elektrode 11 wird betrieben, um das Ionen entnehmende elektrische Feld zu verstärken.
Der Linsenanpassungsmechanismus 3 ist starr an dem Vakuumbehälter 1 befestigt, indem ein Linsenhalter 12 (siehe 2) an dem Vakuumbehälter 1 angeschweißt ist. Der Linsenhalter 12 ist zylinderförmig ausgebildet. Die Kondensorlinse 4 ist, wie in 2 gezeigt, in dem Linsenhalter 12 montiert. Die Kondensorlinse 4 ist an der Stelle mechanisch angeordnet und wird durch den Linsenhalter 12 gehalten. Der Linsenhalter 12 bringt die Kondensorlinse 4 unter Anwendung von Druck in Kontakt mit einem O-Ring 13, und der O-Ring 13 und die Kondensorlinse 4 sind versiegelt, um zu bewerkstelligen, dass die Kondensorlinse 4 die Rolle einer Vakuumtrennwand im Inneren des Vakuumbehälters 1 übernimmt.
Der Mechanismus zum Kontaktieren des O-Rings 13 durch die Kondensorlinse 4 unter Druck umfasst eine Ring-Presshülse 12a, die mit der Kondensorlinse 4 in Kontakt gebracht ist, einen Sicherungsring 12b zum Drücken und starren Halten der Kondensorlinse 4 in der Position durch die Ring-Presshülse 12a und Bolzenschrauben 12c zum Sichern des Sicherungsrings 12b an dem Linsenhalter 12. Der Linsenhalter 12, der O-Ring 13, die Ring-Presshülse 12a und der Sicherungsring 12b sind koaxial angeordnet. Die Ring-Presshülse 12a ist aus einem Material hergestellt, das die Kondensorlinse 4 nicht schädigt, wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE). Auf diese Weise ist die Kondensorlinse 4 ganzheitlich mit dem Vakuumbehälter 1 ausgebildet und wird als Vakuumtrennwand betrieben.
Im Folgenden wird der Betrieb und die Vorteile dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
Es wird angenommen, dass das Innere des Vakuumbehälters 1 ausreichend geleert ist, um dort einen Vakuumzustand durch die Vakuumpumpe herzustellen, die mit dem Auslasskanal (nicht gezeigt) verbunden ist. Es wird auch angenommen, dass z.B. ein positives elektrisches Potenzial an den Vakuumbehälter 1 angelegt wird, und dass ein positives elektrisches Potenzial, das größer als das elektrische Potenzial des Vakuumbehälters 1 ist, an die Transportleitung 9 angelegt wird, während ein positives elektrisches Feld an den Elektroden 10 und das Erdpotenzial an den Elektroden 11 angelegt wird.
In diesem Zustand wird ein Laserstrahl L, der aus der Laserstrahlquelle (nicht gezeigt) kommt, welche impulsangetrieben ist, durch die Kondensorlinse 4 kondensiert, die mit dem Vakuumbehälter 1 integral ausgebildet ist, und wird auf das Ziel 2 gestrahlt. Ein winziger Abschnitt des Ziels 2 wird durch den Laserstrahl L in dem Fokuspunkt auf dem Ziel 2, auf welches der Laserstrahl L fokussiert ist, auf eine hohe Temperatur erhitzt. Der Abschnitt, der auf die hohe Temperatur erhitzt ist, wird in Plasma umgewandelt, welches als Laserablationsplasma 5 bezeichnet wird.
Das Laserablationsplasma 5 wird durch die Transportleitung 9, welche ein hohes positives elektrisches Potenzial aufweist, transportiert, und nur benötigte Ionen 6 werden durch die Potenzialdifferenz zwischen der Transportleitung 9 und dem Linearbeschleuniger 8, welcher Erdpotenzial aufweist, beschleunigt, so dass ein Ionenstrahl entsteht, welcher dann in den Linearbeschleuniger 8 eintritt. Die nicht benötigten Ionen werden durch die Elektroden 10 eliminiert. Dann wird der Ionenstrahl ferner durch den Linearbeschleuniger 8 beschleunigt.
Unterdessen kann die Kondensorlinse 4 zum Kondensieren des Laserstrahls L entweder innerhalb oder außerhalb des Vakuumbehälters 1 in Abhängigkeit von der Brennweite der Kondensorlinse 4 und der Form des Vakuumbehälters 1 angeordnet werden. Da jedoch eine Kondensorlinse 4 mit einer kürzeren Brennweite die Laserenergiedichte auf dem Ziel 2 stärker erhöhen kann als eine Kondensorlinse mit einer längeren Brennweite, wird die Kondensorlinse 4 im Allgemeinen innerhalb des Vakuumbehälters 1 angeordnet, wenn Ionen einer höheren Valenzzahl erzeugt werden. Dann wird in einem solchen Fall die Kondensorlinse 4 im Allgemeinen auf der optischen Achse des Lasers in dem Vakuumbehälter 1 unter Verwendung des Vakuumfensters, durch welches der Laserstrahl L verläuft, als Vakuumtrennwand angeordnet.
Es ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht notwendig, den Spiegel und die Kondensorlinse 4 in dem Plasmaerzeugungsabschnitt in dem Vakuumbehälter 1 anzuordnen. Deshalb ist es nicht länger notwendig, den Spiegel und die Linse zu ersetzen und einen Verfärbungsverhinderungsmechanismus vorzusehen, so dass die Struktur der gesamten Laserionenquelle vereinfacht werden kann.
Da die Kondensorlinse 4 als Vakuumtrennwand verwendet wird, so dass die Verwendung eines Vakuumfensters in diesem Ausführungsbeispiel nicht benötigt wird, kann die Anzahl an Komponenten in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich reduziert werden, und der Energieverlust des Laserstrahls L kann ebenfalls reduziert werden.
Außerdem wird die Kondensorlinse 4 als eine Vakuumtrennwand verwendet, so dass die Komponenten eines Vakuumfensters in diesem Ausführungsbeispiel nicht länger benötigt werden. Da die Kondensorlinse 4 mit dem Vakuumbehälter 1 ganzheitlich ausgebildet ist, kann zusätzlich die Kondensorlinse 4 ohne irgendeine axiale Ausrichtungsoperation auskommen.
Wie vorstehend beschrieben, kann die Kondensorlinse 4 dieses Ausführungsbeispiels einfach axial ausgerichtet werden, und die Struktur gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann vereinfacht werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel der Laserionenquelle)
4 ist eine vergrößerte schematische Querschnittansicht des Linsenanpassungsmechanismus einer Laserionenquelle gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In den folgenden Ausführungsbeispielen der Laserionenquelle sind die Komponenten, die dieselben wie die des ersten Ausführungsbeispiels sind oder zu denen des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich sind, jeweils mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und werden deshalb nicht erneut beschrieben.
Wie in 4 gezeigt, unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass die Kondensorlinse 4 in der Richtung der optischen Laserachse bewegbar ist. Insbesondere ist die innere Umfangsoberfläche eines Halteranpassungselements 14 so geschnitten, dass dort ein Innengewinde ausgebildet ist, und die äußere Umfangsoberfläche des Linsenhalters 12 ist so geschnitten, dass dort ein Außengewinde ausgebildet ist, das in das Innengewinde eingreifen kann. Das Halteranpassungselement 14 ist ausgebildet, um ein zylindrisches Profil aufzuweisen und durch Schweißen starr an dem Vakuumbehälter 1 befestigt zu sein.
Mit dieser Anordnung kann die Kondensorlinse 4 angetrieben werden, um in die Richtung der optischen Achse des Lasers bewegt zu werden, so dass die Fokusposition derselben eingestellt wird, indem der Linsenhalter 12 gedreht wird.
Die Vakuumversiegelungsstruktur des Linsenhalters 12 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ähnlich zu der des ersten Ausführungsbeispiels. Zusätzlich kann das Verbindungsgebiet des Linsenhalters 12 und des Halteranpassungselements 14 luftdicht versiegelt werden, z.B. durch einen O-Ring 13a, der an dem Linsenhalter 12 starr befestigt ist.
Somit benötigt dieses Ausführungsbeispiel keine axiale Ausrichtung der Kondensorlinse 4, und die Kondensorlinse 4 kann in der Richtung der optischen Achse bewegt werden, so dass ihre Fokusposition eingestellt wird, ohne den Vakuumzustand zu beeinträchtigen, wenn die Kondensorlinse 4 die Rolle einer Vakuumtrennwand übernimmt.
(Drittes Ausführungsbeispiel der Laserionenquelle)
5 ist eine schematische Querschnittansicht einer Laserionenquelle gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und zeigt die Konfiguration derselben. 6 ist eine vergrößerte schematische Querschnittansicht des Linsenanpassungsmechanismus aus 5.
Wie in 5 und 6 gezeigt, unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass die Vakuumtrennwand des Linsenhalters 12 durch ein Vakuumfenster 15 und einen O-Ring versiegelt ist, und die Kondensorlinse 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel außerhalb der Vakuumtrennwand angeordnet.
Das Vakuumfenster 15 ist aus einem Material hergestellt, wie etwa Glas, das einen Laserstrahl L durchlässt. Vorzugsweise ist die Oberfläche des Vakuumfensters 15 mit einer antireflektierenden Beschichtung versehen, so dass der Laserstrahl L effizient durchgelassen wird. Eine Ring-Presshülse 12d, die typischerweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt ist, ist außerhalb der Vakuumtrennwand des Vakuumfensters 15 angeordnet, so dass das Vakuumfenster 15 und die Kondensorlinse 4 nicht beschädigt werden. Die Kondensorlinse 4 wird gegen die Ring-Presshülse 12d durch eine andere Ring-Presshülse 12a gedrückt und in einer Position starr befestigt, wenn der Sicherungsring 12b durch eine Schraube starr befestigt ist.
Somit wird verhindert, dass die Kondensorlinse 4 durch Ablationsteilchen verfärbt wird, wenn das Vakuumfenster 15 als Vakuumtrennwand in diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird.
Wenn die Kondensorlinse 4 und das Vakuumfenster 15 in dem Vakuumbehälter 1 ganzheitlich angeordnet sind, ist es zusätzlich nicht länger notwendig, die Kondensorlinse 4 axial auszurichten.
Es ist zu beachten, dass die Position der Kondensorlinse 4 in diesem Ausführungsbeispiel in der Richtung ihrer optischen Achse eingestellt werden kann, indem die Dicke der Ring-Presshülse 12a und die der Ring-Presshülse 12d geändert wird.
(Viertes Ausführungsbeispiel der Laserionenquelle)
7 ist eine vergrößerte schematische Querschnittansicht des Vakuumfensters und des Linsenanpassungsmechanismus der Laserionenquelle gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in 7 gezeigt, unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel von dem dritten Ausführungsbeispiel darin, dass die Kondensorlinse 4 in dem Linsenhalter 12 in der Richtung der optischen Achse des Lasers bewegbar ist. Insbesondere ist ein Vakuumfenster 15 an der Vakuumseite des Halteranpassungselements 14 angeordnet. Das Vakuumfenster 15 ist in der Seite des O-Rings 13 relativ zu der Ring-Presshülse 12a eingepasst und an der Stelle starr befestigt, wenn der Sicherungsring 12b durch eine Schraube starr befestigt ist.
Ein bewegbarer Linsenhalter 16 zeigt ein zylindrisches Profil und ist koaxial mit dem Halteranpassungselement 14 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die innere Umfangsoberfläche des Halteranpassungselements 14 so geschnitten, dass dort ein Innengewinde ausgebildet ist, und die äußere Umfangsoberfläche des bewegbaren Linsenhalters 16 ist so geschnitten, dass ein Außengewinde ausgebildet ist, das in das Innengewinde eingreifen kann. Mit dieser Anordnung kann die Kondensorlinse 4 angetrieben werden, um sich in der Richtung der optischen Achse des Lasers zu bewegen, so dass folglich ihre Fokusposition eingestellt wird, indem der bewegbare Linsenhalter 16 gedreht wird.
Die Kondensorlinse 4 ist an dem beweglichen Linsenhalter 16 durch eine Ring-Presshülse 16a starr befestigt. Obwohl dies in 7 nicht gezeigt ist, kann die Ring-Presshülse 16a durch Bolzenschrauben genau wie das Vakuumfenster 15 starr befestigt werden. Die Position der Kondensorlinse 4 kann in der Richtung der optischen Achse des Lasers eingestellt werden, indem die axiale Länge der Ring-Presshülse 16a geändert wird.
Somit ist es in diesem Ausführungsbeispiel nicht länger notwendig, die Kondensorlinse 4 axial auszurichten, und die Position der Kondensorlinse 4 kann in der Richtung der optischen Achse außerhalb des Vakuums eingestellt werden, ohne den Vakuumzustand zu beeinträchtigen.
(Fünftes Ausführungsbeispiel der Laserionenquelle)
8 ist eine vergrößerte schematische Querschnittansicht des Vakuumfensters und des Linsenanpassungsmechanismus einer Laserionenquelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in 8 gezeigt, unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel von dem dritten Ausführungsbeispiel darin, dass die Kondensorlinse 4 und das Vakuumfenster 15 in dem Linsenhalter 12 in der Richtung der optischen Achse des Lasers bewegbar sind. Insbesondere sind das Vakuumfenster 15 und die Kondensorlinse 4 in dem Linsenhalter 12 ganzheitlich angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich die innere Umfangsoberfläche des Halteranpassungselements 14 so geschnitten, dass ein Innengewinde dort ausgebildet ist, und die äußere Umfangsoberfläche des Linsenhalters 12 ist so geschnitten, dass ein Außengewinde ausgebildet ist, das in das Innengewinde eingreifen kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Position der Kondensorlinse 4 und die des Vakuumfensters 15 in der Richtung der optischen Achse des Lasers durch Drehen des Linsenhalters 12 eingestellt werden. Demzufolge ist es möglich, die Fokuslage der Kondensorlinse 4 einzustellen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird außerdem das Vakuumfenster 15 durch einen O-Ring 13 versiegelt, und die Schnittstelle des Halteranpassungselements 14 und des Linsenhalters 12 wird durch einen anderen O-Ring 13a versiegelt.
Somit ist es gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht länger notwendig, die Kondensorlinse 4 axial auszurichten, und die Position der Kondensorlinse 4 kann in der Richtung der optischen Achse ausgerichtet werden, ohne den Vakuumzustand zu beeinträchtigen.
(Sechstes Ausführungsbeispiel der Laserionenquelle)
9 ist eine schematische Querschnittansicht der Laserionenquelle gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und zeigt deren Konfiguration. 10 ist eine schematische Draufsicht des Linsenanpassungsmechanismus aus 9.
Wie in 9 und 10 gezeigt, unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel von dem dritten Ausführungsbeispiel darin, dass ein Spiegelhalter 17a an der äußeren lateralen Oberfläche des Vakuumbehälters 1 starr befestigt ist, und ein Spiegel 17 an dem Spiegelhalter 17a starr befestigt ist. Der Spiegel 17 bewirkt, dass der Laserstrahl L in die Kondensorlinse 4 eintritt.
Der Spiegelhalter 17a besteht aus einem Element, das nicht vibriert, und ist wiederverwertbar, wie etwa eine dünne Metallplatte. Ein mechanischer Positionseinstellungsmechanismus ist an dem Spiegelhalter 17a angeordnet. Der Spiegel 17 ist mit der Kondensorlinse 4 entlang der optischen Achse des Laserstrahls L axial ausgerichtet.
Somit ist in diesem Ausführungsbeispiel der Spiegel 17 mit dem Vakuumbehälter 1 durch den Spiegelhalter 17a ganzheitlich ausgebildet, damit die Anordnungsposition des Spiegels 17 frei wählbar ist, und die Notwendigkeit einer axialen Ausrichtung der Kondensorlinse 4 eliminiert wird.
(Andere Ausführungsbeispiele)
Während bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, sind diese Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaft dargestellt worden und beabsichtigen nicht, den Umfang der Erfindung zu begrenzen. Tatsächlich können die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele in einer Vielzahl von anderen Formen ausgebildet sein; außerdem können verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemacht werden, ohne von dem Geiste der Erfindung abzuweichen. Die begleitenden Ansprüche und ihre Äquivalente sollen solche Formen oder Modifikationen abdecken, die in den Umfang und den Geist der Erfindung fallen.
Während z.B. der Linsenhalter 12 an dem Laserstrahleintrittsfenster 1a des Vakuumbehälters 1 starr befestigt ist, und die Kondensorlinse 4 in dem Linsenhalter 12 der Laserionenquelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eingepasst ist, ist die vorliegende Erfindung auf eine solche Anordnung nicht begrenzt, und die Kondensorlinse 4 kann alternativ direkt in dem Laserstrahleintrittsfenster 1a des Vakuumbehälters 1 eingepasst sein.
Die vorstehend beschriebene Anordnung des sechsten Ausführungsbeispiels kann mit irgendeinem des zweiten bis fünften Ausführungsbeispiels kombiniert werden.

Claims

Laserionenquelle (20), aufweisend: einen Vakuumbehälter (1), dessen Inneres geleert ist, um ein Vakuum zu erzeugen, wobei der Vakuumbehälter (1) mit einem Laserstrahleintrittsfenster (1a) ausgebildet ist, um zuzulassen, dass ein Laserstrahl (L) eintritt; ein Ziel (2), das in dem Vakuumbehälter (1) angeordnet ist, so dass es mit dem Laserstrahl (L) bestrahlt wird, um Ionen zu erzeugen; eine Kondensorlinse (4) zum Fokussieren des Laserstrahls (L) auf das Ziel (2), wobei die Kondensorlinse (4) in der Richtung der optischen Achse des Laserstrahls (L) und an dem Laserstrahleintrittsfenster (1a) des Vakuumbehälters (1) angeordnet ist, wobei die Kondensorlinse (4) die Rolle einer Vakuumtrennwand übernimmt; einen Linsenanpassungsmechanismus (3) zum Kontaktieren eines O-Rings (13) durch die Kondensorlinse (4) unter Druck, wobei der Linsenanpassungsmechanismus (3) bewerkstelligt, dass die Kondensorlinse (4) die Rolle einer Vakuumtrennwand übernimmt, wobei der Linsenanpassungsmechanismus (3) einen Linsenhalter (12) und die Kondensorlinse (4) umfasst, und die Kondensorlinse (4) von dem Linsenhalter (12) gehalten wird; und ein Halteranpassungselement (14), an dem der Linsenhalter (12) angeordnet ist, und das an dem Vakuumbehälter (1) starr befestigt ist, wobei an einer inneren Umfangsoberfläche des Halteranpassungselements (14) ein Innengewinde ausgebildet ist und an einer äußeren Umfangsoberfläche des Linsenhalters (12) ein Außengewinde ausgebildet ist, das in das Innengewinde eingreifen kann, und die Kondensorlinse (4) in einer Richtung der optischen Achse des Laserstrahls (L) bewegt wird, indem der Linsenhalter (12) gedreht wird.
Laserionenquelle (20), aufweisend: einen Vakuumbehälter (1), dessen Inneres geleert ist, um ein Vakuum zu erzeugen, wobei der Vakuumbehälter (1) mit einem Laserstrahleintrittsfenster (1a) ausgebildet ist, um zuzulassen, dass ein Laserstrahl (L) eintritt; ein Ziel (2), das in dem Vakuumbehälter (1) angeordnet ist, so dass es mit dem Laserstrahl (L) bestrahlt wird, um Ionen zu erzeugen; ein Vakuumfenster (15), das an dem Laserstrahleintrittsfenster (1a) des Vakuumbehälters (1) angeordnet ist, um den Laserstrahl (L) in den Vakuumbehälter (1) einzuführen, und die Funktion einer Vakuumtrennwand aufweist; und eine Kondensorlinse (4), die außerhalb des Vakuumbehälters (1) angeordnet ist, um den Laserstrahl (L) auf das Ziel (2) durch das Vakuumfenster (15) zu fokussieren, wobei das Vakuumfenster (15) und die Kondensorlinse (4) in der Richtung der optischen Achse des Laserstrahls (L) angeordnet sind, und das Vakuumfenster (15) und die Kondensorlinse (4) in der Richtung der optischen Achse des Laserstrahls (L) ganzheitlich bewegbar gemacht sind.
Laserionenquelle (20) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: einen Spiegelhalter (17a), der starr an der Außenoberfläche des Vakuumbehälters (1) befestigt ist, wobei ein Spiegel (17) an den Spiegelhalter (17a) angepasst ist, um den Laserstrahl (L) in den Vakuumbehälter (1) einzuführen.
Schwerteilchenstrahl-Therapiegerät (300) mit einer Laserionenquelle (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.