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Technisches Gebiet
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Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf eine Laserionenquelle, die Ionen durch Laserlichtbestrahlung erzeugt.
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Hintergrund
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Kürzlich ist eine, Strahlung von Hochenergiekohlenstoffionen verwendende Krebstherapie entwickelt worden. Ionenbeschleunigungsvorrichtungen sind in üblichen Kliniken eingesetzt worden und eine Behandlung mit solchen Vorrichtungen ist bereits begonnen worden. Um die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung dieses Typs weiter zu verbessern, ist eine Ionenquelle unabdingbar, welche hochdichte hexahydrische Kohlenstoffionen erzeugt. Konventionelle, Mikrowellenentladungsplasma verwendende Ionenquellen sind in dieser Hinsicht unzureichend und eine Entwicklung einer neuen Ionenquelle war sehr erwünscht.
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Eine Laserionenquelle ist als eine Ionenquelle entwickelt worden, welche die Fähigkeit hat, einen hochdichten Ionenstrahl zu erzeugen. Diese Laserionenquelle legt konvergierendes Laserlicht an ein Ziel an, ionisiert das Ziel durch Laserlichtenergie und extrahiert elektrostatisch aus dem Ziel erzeugte Ionen, um einen Ionenstrahl zu erzeugen.
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Jedoch hat die Laserionenquelle dieses Typs das folgende Problem. Laserionenquellen involvieren auch die Erzeugung von Partikeln während der Laserbestrahlung, die sich im Gehäuse der Quelle akkumulieren. Einige der Partikel bewegen sich zu einer Evakuierungsvorrichtung, und wenn beispielsweise eine Turbo-Molekularpumpe verwendet wird, dringen sie in ein Lager ein und verhindern eine normale Rotation oder lagern sich an einem Flügel an und werden die Ursache einer Verminderung der Abgaseffizienz. Einige der Partikel werden nach außerhalb der Ionenquelle geführt und beeinträchtigen negativ eine mit der Ionenquelle verbundene Vorrichtung.
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Um für praktische Anwendung dem Ionenstrom, der aus der Ionenquelle extrahiert ist, genug Energie zu geben und die Konvergenz zu steuern, ist eine Vorrichtung, die eine Gruppe von Beschleunigungselektroden oder eine elektrostatische Linse enthält, stromabwärts der Ionenquelle verbunden. Im Falle der Verwendung eines Beschleunigers, ist ein Linearbeschleuniger, wie etwa ein Funk-Frequenzquadrupol (RFQ) verbunden. Im Falle von Verwendung einer Ionen-Implementierungsvorrichtung, ist eine Uplink-Vorrichtung oder eine elektrostatische Linse verbunden. Dies führt zu einer Komplexität unabhängig von der Konfiguration und das Innere der Vorrichtung muss in einem sauberen Zustand gehalten werden. Daher ist die Freisetzung von Partikeln aus der Laserionenquelle ein großes Problem.
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Zitatenliste
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1
Japanische Patentanmeldung KOKAI Nr. JP 2009-37764 A
- Patentliteratur 2
Japanisches Patent Nr. JP 3 713 524 B2
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Zusammenfassung der Erfindung
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JP 2009-37 764 A beschreibt eine Ionenquelle mit einem plasmaerzeugenden Target, das innerhalb eines gefäßartigen Hochspannungsanschlusses installiert ist, der in einem isolierten Zustand innerhalb eines mit einem Gefäß eines Linearbeschleunigers gekoppelten Vakuumgefäßes mit Erdungspotential angeordnet ist, und eine zylindrische Elektrode zum Transportieren des Plasmas innerhalb des Hochspannungsanschlusses, das von dem plasmaerzeugenden Target erzeugt wird, bis zu einem Strahlbeschleunigungs-/Fokussierungsraum des Linearbeschleunigers, der an dem Hochspannungsanschluss angeordnet ist, so dass eine Spitzenposition der zylindrischen Elektrode mit einer Position eines offenen Endes einer Strahlbeschleunigungselektrode, die den Ionenstrahlbeschleunigungs-/Fokussierungsraum des Linearbeschleunigers bildet, übereinstimmen soll.
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US 7 405 397 B2 beschreibt eine Laser-Desorptions-Ionenquelle, die einen oder mehrere Ionenleiter verwendet, um Ionen in einer vom Ionentarget emittierten Wolke einzufangen und die Ionen durch eine Öffnung in eine nachgeschaltete Vakuumkammer zu leiten. In einer Konfiguration mit zwei HF-Mehrpol-Ionenleitern ist ein erster HF-Mehrpol-Ionenleiter, der neben dem Ionentarget angeordnet ist, so gewählt, dass er ausreichend groß ist, um einen wesentlichen Teil der Ionenfahne einzufangen, während der zweite HF-Mehrpol-Ionenleiter, der zwischen dem ersten Mehrpol-Ionenleiter und der Öffnung angeordnet ist, eine kleinere Abmessung hat, um die Fokussierung der Ionen in die Öffnung zu unterstützen. Der erste HF-Multipol-Ionenleiter leitet die Ionen in der Abluftfahne in den zweiten HF-Multipol-Ionenleiter, der dann die Ionen so fokussiert, dass sie durch die Apertur in die nachgeschaltete Vakuumkammer gelangen.
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WO 2009/031 179 A1 beschreibt einen Öffnungs-/Schließmechanismus zum Öffnen/Schließen einer Öffnung für den Durchgang von Ionen, die in einer Trennwand zwischen einer ersten Zwischenvakuumkammer und einer zweiten Zwischenvakuumkammer vorgesehen ist, die ein Differentialevakuierungssystem bilden. Der Öffnungs-/Schließmechanismus wird in Synchronisation mit dem Timing der Bestrahlung mit gepulstem Laserstrahl zur Ionisierung durch Atmosphärendruck-MALDI betrieben. Die Blende wird während eines Zeitraums geöffnet, der erforderlich ist, damit die von einer Probe erzeugten Ionen in der Nähe der Blende ankommen, um die Ionen durch sie hindurchzulassen. Die Blende ist während der anderen Periode geschlossen, um den Gasstrom von der ersten Zwischenkammer zur zweiten Zwischenkammer abzutrennen.
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EP 1 082 750 B1 beschreibt eine Ionenquelle zur Verwendung mit einem Ionenfallen-Massenspektrometer. Die Ionenquelle umfasst eine Elektronenquelle, die einen Strom von Elektronen erzeugt. Die Elektronen werden durch die Wirkung einer Repellerplatte und einer Elektronenlinse in eine Ionisationskammer injiziert. In der Ionisationskammer interagieren die Elektronen mit einer Gasphasenprobe, um durch den Elektronen-Ionisationsprozess Proben-Ionen zu erzeugen, oder mit einem Reagenzgas, um Reagenz-Ionen als Teil eines chemischen Ionisationsprozesses zu bilden. Die erzeugten Probenionen werden durch die Wirkung eines Ionenabweisers und einer Ionenlinse aus der Ionisationskammer extrahiert. Die Potentiale am Elektronenabweiser und an der Ionenlinse sowie am Ionenabweiser und an der Ionenlinse werden so gesteuert, dass der Elektronenstrom zu den entsprechenden Zeitpunkten während der Messung der Probenionen von der Ionisationskammer oder der Probenionenstrahl von einer Ionenfalle weggelenkt wird.
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US 4 408 338 A beschreibt eine physikalische Barriere für Trümmer, die von einer beliebigen gepulsten elektromagnetischen Strahlungsquelle abgegeben werden. Ein Shutter wird im Pfad der elektromagnetischen Strahlung in einem Abstand positioniert, der ausreichend weit von der Quelle der elektromagnetischen Strahlung entfernt ist, so dass ein emittierter Impuls elektromagnetischer Strahlung und die gleichzeitig mit dem Impuls entladenen Trümmer räumlich voneinander getrennt werden und aufgrund der inhärenten Differenz in der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Trümmer und des Impulses zu unterschiedlichen Zeiten am Shutter ankommen. Die Bewegung des Shutters wird mit der Erzeugung eines elektromagnetischen Impulses synchronisiert, so dass der elektromagnetische Impuls auf einen offenen Shutter trifft, während die sich langsamer ausbreitenden Trümmer, die gleichzeitig mit dem Impuls ausgestoßen werden, auf einen geschlossenen Shutter treffen.
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US 4 866 517 A beschreibt eine Laserplasma-Röntgenvorrichtung zur Verwendung bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen durch Beschuss eines Zielmaterials mit einem gepulsten Laserstrahl, wobei das Zielmaterial aus Materialien ausgewählt wird, die sich bei Raumtemperatur in einer Gasphase befinden und die in einer ausgewählten von flüssigen und festen Phasen gekühlt werden. Eine solche ausgewählte Phase des Zielmaterials wird kontinuierlich einem Brennpunkt des gepulsten Laserstrahls zugeführt, um einem Bombardement unterzogen zu werden und die Röntgenstrahlen zu erzeugen. Bei der Erzeugung der Röntgenstrahlen wird das Zielmaterial in die Gasphase überführt, um in die ausgewählte Phase rezykliert zu werden.
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Die Röntgenstrahlen werden außerhalb der Kammer durch eine Röntgentoreinheit geleitet, die synchron mit einer Wiederholfrequenz des gepulsten Laserstrahls geöffnet wird.
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US 2004/0 013 226 A1 beschreibt eine gesteuerte Blende, die eine Öffnung durch eine Barriere, die zwei Teile des Geräts trennt, bereitstellt, damit ein Strahlungsimpuls von einem Teil des Geräts zu einem zweiten Teil gestrahlt werden kann. Die gesteuerte Blende verschließt die Öffnung zwischen den Strahlungsimpulsen, um den Gasfluss zwischen dem ersten und zweiten Teil zu minimieren.
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US 2006/0 067 476 A1 beschreibt eine lasererzeugte Plasmavorrichtung, die eine Verschlussanordnung zur Abschwächung der verunreinigenden Wirkung von durch das Plasma erzeugten Trümmern umfasst. Die Verschlussanordnung umfasst einen drehbaren Verschluss mit mindestens einer Öffnung, die während einer ersten Drehperiode des Verschlusses eine Sichtlinie zwischen einer Strahlungsquelle und einem Ausgang der Vorrichtung ermöglicht und während einer zweiten Drehperiode die Sichtlinie zwischen der Strahlungsquelle und dem Ausgang versperrt. Die Verschlussanordnung in dieser Ausführungsform umfasst auch einen Motor, der so konfiguriert ist, dass er den Verschluss dreht, um den Durchgang der Röntgenstrahlen durch die mindestens eine Öffnung während der ersten Rotationsperiode zu ermöglichen, und um danach den Verschluss zu drehen, um den Durchgang der Trümmer durch die mindestens eine Öffnung während der zweiten Rotationsperiode zu behindern.
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Technisches Problem
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserionenquelle bereitzustellen, die dazu in der Lage ist, durch Laserbestrahlung erzeugte Partikel auf das Gehäuse der Ionenquelle zu beschränken und dadurch das Auslecken der Partikel zu einem Vakuum-Evakuierungssystem oder zu einer mit der Ionenquelle verbundenen Anschlussstufen-Vorrichtung zu unterdrücken.
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Problemlösung
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Die obige Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Beispiele und technische Beschreibungen von Vorrichtungen, Produkten und/oder Verfahren in der Beschreibung und/oder den Zeichnungen, die nicht unter die Ansprüche fallen, werden nicht als Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, sondern als Hintergrundwissen oder Beispiele, die zum Verständnis der Erfindung nützlich sind. Gemäß einem Beispiel ist eine Laserionenquelle konfiguriert, um Laserionen durch Anlegen eines Laserstrahles zu erzeugen, wobei die Laserionenquelle umfasst: ein zu evakuierendes Gehäuse; eine im Gehäuse angeordnete und ein Ziel, das Ionen durch Bestrahlung mit Laserlicht erzeugt, umfassende Bestrahlungsbox; einen Ionenstrahl-Extraktionsmechanismus, der Ionen aus der Bestrahlungsbox elektrostatisch extrahiert und die Ionen außerhalb des Gehäuses als einen Ionenstrahl führt; ein an einem Ionenstrahlauslass des Gehäuses vorgesehenes Ventil, wobei das Ventil während einer Ionenstrahlemission geöffnet ist und zu anderen Zeiten geschlossen ist; und einen Verschluss, der zwischen dem Ventil und der Bestrahlungsbox vorgesehen ist, wobei der Verschluss intermittent bei Ionenstrahlemission geöffnet und zu anderen Zeiten geschlossen ist.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Querschnitt, der schematisch eine Konfiguration einer Laserionenquelle gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
- 2(a)-2(c) zeigen eine Abfolge von Timings von Schieberöffnungs-/Schließoperationen, Verschlussöffnungs-/Schließoperationen und Laserbestrahlungen der Laserionenquelle gemäß der ersten Ausführungsform.
- 3 ist ein schematisches Diagramm, das Ionenmengen zeigt, die ab dem Start einer Laserbestrahlung emittiert werden.
- 4 ist ein Querschnitt, der schematisch eine Konfiguration einer Laserionenquelle gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
- 5 ist ein Querschnitt, welcher schematisch die Konfiguration einer Laserionenquelle gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
- 6(a) und 6(b) sind Querschnitte, die beide eine Konfiguration einer Bestrahlungsbox einer Laserionenquelle gemäß einer vierten Ausführungsform zeigen.
- 7 ist ein Querschnitt, der schematisch eine Konfiguration einer Laserionenquelle gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt.
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Kurze Beschreibung von Ausführungsformen
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(Erste Ausführungsform)
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Nachfolgend werden Details der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschrieben.
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1 ist ein Querschnitt, welcher schematisch eine Konfiguration einer Laserionenquelle für Beschleunigerverwendung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
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Element 110 in 1 ist ein Edelstahlvakuumgehäuse. In der Mitte des Gehäuses 110 ist eine Bestrahlungsbox 120 zum Abdecken einer Laserbestrahlungseinheit angeordnet. Die Bestrahlungsbox 120 beinhaltet ein Element, das sich in Ionen verwandelt, oder ein Ziel 121, welches das Element enthält. Das Ziel 121 ist beispielsweise ein kohlenstoffbasiertes Plattenelement.
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In der Oberfläche der Bestrahlungsbox 120 ist ein Fenster 122 ausgebildet, das es Laserlicht gestattet, einzutreten. Über ein optisches System (nicht gezeigt), wird Laserlicht 131 in die Bestrahlungsbox 120 geführt und wird das konvergierende Laserlicht 131 am Ziel 121 angelegt. Als eine Lichtquelle, die das Laserlicht emittiert, kann ein CO2-Laser (Kohlendioxidgaslaser) oder ein Nd-YAG-Laser verwendet werden.
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Die Bestrahlungsbox 120 wird durch Isolationshalterungen 111 gehaltert. Eine (nicht gezeigte) Hochspannungsversorgung legt eine Hochspannung an die Bestrahlungsbox 120 an. Für eine Positivionenstrahlerzeugung wird ein positives elektrisches Potential angelegt. Für eine Negativionenstrahlerzeugung wird ein negatives elektrisches Potential angelegt.
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An einer Seite (rechte Seite in 1) der Bestrahlungsbox 120 ist ein Fenster 123 zur Entnahme von Ionen ausgebildet. Eine Extraktionselektrode 112 ist so angeordnet, dass sie zur Seite der mit dem Fenster 123 versehenen Bestrahlungsbox 120 weist. Die Extraktionselektrode 112 ist ein scheibenförmiger Leiter mit einem kreisförmigen Loch im Zentrum und wird auf Erdungspotential gehalten, um Ionen von innerhalb der Bestrahlungsbox 120 zu extrahieren.
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In der oberen Oberfläche des Gehäuses 110 ist ein Abgasauslass 113 ausgebildet. Eine (nicht gezeigte) Vakuumpumpe ist mit dem Abgasauslass 113 verbunden und evakuiert das Gehäuse 110. In einem Teil einer Seite des Gehäuses 110, das zur Seite der Bestrahlungsbox 120, die mit dem Fenster 123 versehen ist, weist, ist ein Ionenstrahlauslass 116 ausgebildet. Der Ionenstrahlauslass 116 umfasst ein Zylinderelement 114, das mit einer Seite des Gehäuses 110 verbunden ist, und einen Flansch 115 am Ende des Zylinderelements 114.
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Die Ionenquelle 110, die beispielsweise das Gehäuse 110, die Bestrahlungsbox 120 und die Extraktionselektrode 112 umfasst, ist mit einem Linearbeschleuniger 200, wie etwa einem RFQ, auf der nächsten Stufe durch den Flansch 115 verbunden. Wenn die Laserionenquelle anstelle eines Beschleunigers als eine Ionenimplementierungsvorrichtung verwendet wird, ist statt des Linearbeschleunigers 200 eine elektrostatische Linse verbunden.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist zusätzlich zu den oben beschriebenen Basiselementen ein Ventil 140 zwischen dem Flansch 115 und dem Linearbeschleuniger 200 vorgesehen. Das Ventil 140 ist beispielsweise ein Schieber oder eine Klappe, die angebracht ist, um Strahlen zu gestatten, seine/ihre Öffnungen zu passieren und weist die Funktion des Öffnens und Schließens einer Strahldurchgangsführung unter Aufrechterhaltung der Luftdichtigkeit auf. Der Ionenstrahlauslass 116 des Gehäuses 110 ist mit einem Verschluss 150 verbunden, der bei hoher Geschwindigkeit zu öffnen und zu schließen ist.
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Das Ventil 140 folgt einer Betriebssequenz, in welcher das Ventil 140 geschlossen ist, außer wenn ein Ionenstrahl abgegeben wird. Wenn beispielsweise die Ionenquelle in einem Beschleuniger enthalten ist, ist die Zeit zum tatsächlichen Emittieren von Ionen relativ kurz und ist die relative Zeit für die Evakuierung viel länger. Das Ventil 140 wird nämlich nur geöffnet, wenn Ionen emittiert werden und wird zu anderen Zeiten geschlossen, um das Einströmen von Partikeln bei Vakuum-Evakuierung zu verhindern.
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Der Verschluss 150 ist für einen vorgegebenen Zeitraum synchron zu einem Laserlicht-Antriebsimpuls offen, wenn ein Ionenstrahl emittiert wird. Der Verschluss 150 wird geschlossen, wenn Ionenerzeugung durch Anlegen von Laserlicht an das Ziel 121 zum Konditionieren der Ionenquelle 100 überprüft wird.
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Als Nächstes wird der Betrieb der Laserionenquelle 100, die entsprechend konfiguriert ist, beschrieben.
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Unter der Bedingung, dass das Gehäuse 110 durch beispielsweise eine mit dem Abgasauslass 113 verbundene Vakuumpumpe voll evakuiert ist, liegt beispielsweise an der Bestrahlungsbox 120 ein positives elektrisches Potential an, und ist die Extraktionselektrode 112 auf elektrischem Erdungspotential, wenn eine impulsangetriebene Laserlichtquelle (nicht gezeigt) konvergierendes Laserstrahl 131 am Ziel 121 anlegt, erhitzt das auf das Ziel 121 konvergierende Laserlicht 131 einen winzigen Teil des Ziels 121 am Laserkonvergenzpunkt auf eine hohe Temperatur. Der auf eine hohe Temperatur erhitzte Teil verwandelt sich in Plasma und wird in den Raum (132) abgegeben. Die Atome und Ionen im Plasma empfangen Energie aus dem Laserlicht 131 und es werden mehrwertige Ionen erzeugt.
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Die in den Raum in der Bestrahlungsbox 120 emittierte Materie 132 wird eine Plasmafahne oder kurz Fahne genannt. Die Bestrahlungsbox 120 ist mit dem Fenster 123 in einer Richtung versehen, in der die Fahne 132 emittiert wird, und die Extraktionselektrode 112 auf elektrischem Erdungspotential ist außerhalb des Fensters 123 vorgesehen. Daher werden Ionen aus der Bestrahlungsbox 120 durch das elektrische Feld zwischen der Bestrahlungsbox 120 und der Extraktionselektrode 112 extrahiert und gleichzeitig beschleunigt, um einen Ionenstrahl 133 zu bilden. Der Ionenstrahl 133 wird durch den Linearbeschleuniger 200 weiter beschleunigt.
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In der Bestrahlungsbox 120 werden nicht nur Ionen, sondern auch eine große Zahl an Partikeln durch Laserbestrahlung zur Erzeugung eines Ionenstrahls erzeugt. Entsprechend konventionellen Konfigurationen verbleiben Partikel in der Bestrahlungsbox 120 oder dem Gehäuse 110, aber einige Partikel fließen in den Linearbeschleuniger 200 oder eine (nicht gezeigte) Abgaspumpe in der nachfolgenden Stufe. Jedoch ist die als Linearbeschleuniger 200 verwendete Struktur des RFQ kompliziert und schwach gegenüber dem Einfluss von Schmutz. Im Fall, bei dem eine Turbomolekularpumpe als die Abgaspumpe verwendet wird, stört der Einstrom von Partikeln in eine Lagerung die normale Rotation, und wenn sich Partikel an einer Schaufel anlagern, verursacht dies Reduktion bei der Abgaseffizienz.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird das Problem gelöst, indem das Ventil 140 und der Verschluss 150 vorgesehen sind, und die Öffnungs-/Schließ-Zeitpunkte des Ventils 140 und des Verschlusses 150 gesteuert werden.
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Die 2A-2C zeigen eine Öffnungs-/Schließsequenz des Ventils 140 und des Verschlusses 150. 2A zeigt Zeitpunkte der Schieberöffnungs-/Schließoperationen. 2B zeigt Zeitpunkte von Verschlussöffnungs-/Schließoperationen. 2C zeigt Zeitpunkte von Laserbestrahlungen.
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In einem normalen Betrieb wird das Ventil 140 geschlossen, wenn das Gehäuse 110 vor dem Betrieb evakuiert wird, bevor der Betrieb der Ionenquelle 100 gestartet wird und wird der Schieber 140 geöffnet, wenn der Betrieb der Ionenquelle 100 gestartet wird. Dann wird eine Impulsbestrahlung des Laserlichts 131 zur Erzeugung von Ionen auf dem Ziel 121 in der Bestrahlungsbox 120 durchgeführt. Der Verschluss 150 wird etwas vor Impulsbestrahlung des Laserlichts 131 geöffnet, und zumindest 10 µs nach Laserbestrahlung geschlossen. Der Verschluss 150 wird anschließend synchron zur Laserbestrahlung geöffnet und geschlossen.
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In der Bestrahlungsbox 120 wird Plasma durch Laserbestrahlung erzeugt und wird ein Ionenstrahl durch die Extraktionselektrode 112 extrahiert. Wie in 3 gezeigt, werden innerhalb eines extrem kurzen Zeitraums nach Start der Laserbestrahlung die notwendigen Ionen A (Mehrwertige Ionen) extrahiert, aber die Anzahl von Ionen B mit niedrigeren Valenzen und Partikeln etc. steigt nach dem Zeitraum an. Daher können nur notwendige Ionen effizient durch Öffnen des Verschlusses 150 nur innerhalb eines extrem kurzen Zeitraums von Laserbestrahlung extrahiert werden. Weiterhin können Zeitpunkte des Verschlussöffnens-/Schließens abhängig davon gesteuert werden, welche Ionen notwendig sind.
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Wenn der Betrieb der Ionenquelle 100 endet, wird die Bestrahlung mit Laserlicht 131 gestoppt und wird der Schieber 140 geschlossen, wodurch der Fluss von Partikeln im Gehäuse 110 in den Linearbeschleuniger 200 verhindert wird, während die Ionenquelle 100 arbeitet.
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Es gibt einen Fall, bei dem die Ionenerzeugung durch Anlegen von Laserlicht 131 am Ziel 121 zum Konditionieren der Ionenquelle 100 überprüft wird. In diesem Fall wird das Ventil 140 geschlossen und Partikel können eine blockierende Oberfläche des Ventils 140 durch das Ausstoßfenster 123 erreichen. Eine Verschmutzung des Ventils 140 durch Partikel verursacht einen Ausfall und sollte mit größtem Aufwand vermieden werden. In der vorliegenden Ausführungsform, da der Verschluss 150 zwischen dem Ventil 140 und der Bestrahlungsbox 120 vorgesehen ist, kann die Verschmutzung des Ventils 140 verhindert werden, indem der Verschluss 150 unter Konditionierung geschlossen gehalten wird.
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Falls der Verschluss 150 wie oben beschrieben unter Konditionierung geschlossen gehalten wird, kann die Verschmutzung des Ventils 140 durch Partikel verhindert werden, aber es wird der Verschluss 150 verschmutzt. Jedoch ist das Reinigen des Ventils 140 sehr schwierig und die Kosten des Ersatzes des Ventils 140 sind hoch, während das Reinigen des Verschlusses 150 relativ leicht ist und die Kosten eines Ersetzens des Verschlusses 150 niedrig sind. Daher ist das Blockieren von Partikeln durch den Verschluss 150 bei der Konditionierung sehr vorteilhaft.
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Wenn das Gehäuse 110 durch beispielsweise eine mit dem Abgasauslass 113 verbundene Vakuumpumpe evakuiert wird, kann die Menge an Partikeln, die außerhalb des Abgasauslasses 113 strömen, reduziert werden, da der Abgasauslass 113 in der oberen Oberfläche des Gehäuses 110 ausgebildet ist. Weiterhin ist das Evakuieren des Gehäuses 110, so dass der Druck in der Ionenquelle 100 niedriger als derjenige im Linearbeschleuniger 200 wird, effektiv beim Verhindern eines Stroms von Partikeln in den Linearbeschleuniger 200.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht das am Ionenstrahlausgang des Gehäuses 110 vorgesehene Ventil 140 das Eindämmen von durch Laserbestrahlung erzeugten Partikeln im Gehäuse 110, wodurch der Strom von Partikeln in eine mit der Ionenquelle 100 verbundene Vorrichtung, wie etwa dem Linearbeschleuniger 200, in der nachfolgenden Stufe unterdrückt wird. Weiterhin kann der Verschluss 150 verhindern, dass das Ventil 140 durch Partikel bei der Konditionierung der Ionenquelle 100 verschmutzt wird. Weiterhin kann eine Vakuumevakuierung aus der oberen Oberfläche des Gehäuses 110 die Menge an Partikeln vermindern, die in ein Vakuumevakuierungssystem strömen, wodurch der Verschleiß der Vakuumpumpe reduziert wird.
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Die Laserionenquelle kann höherdichtige Ionen durch Laserbestrahlung erzeugen als konventionelle Ionenquellen und es wird erwartet, dass sie hauptsächlich auf dem Forschungsgebiet der Hochenergie-Physik verwendet wird und in einem Beschleuniger für Krebsbehandlung verwendet wird. Daher ist die vorliegende Ausführungsform, die das Problem von für die Laserionenquellen einmaligen Partikeln löst, sehr vorteilhaft bei Anwendung auf diese Art von technischem Gebiet.
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(Zweite Ausführungsform)
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4 ist ein Querschnitt, der schematisch eine Konfiguration einer Laserionenquelle für Beschleunigerverwendung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt, wobei insbesondere ein Mechanismus zum Verhindern des Stroms von Partikeln in ein Vakuumevakuierungssystem gezeigt wird. Denselben Elementen wie denen in 1 werden dieselben Bezugszeichen zugewiesen und deren detaillierte Beschreibung wird weggelassen.
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Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass eine Prallplatte 161 neben dem Abgasauslass 113 des Vakuum-Gehäuses 110 angrenzt und unter dem Abgasauslass 113 vorgesehen ist. Weiter kann als Vakuumevakuierungssystem eine Turbomolekularpumpe 163 mit dem Abgasauslass 113 über ein Ventil 162 verbunden sein und kann eine Rotationspumpe 165 mit dem Abgasauslass 113 über ein Ventil 164 verbunden sein.
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Es wird angenommen, dass die Partikel, die erzeugt werden, wenn die Ionen erzeugt werden, im unteren Teil des Vakuumgehäuses 110 akkumulieren. Insbesondere verursacht der Anfang der Evakuierung ab dem Atmosphärendruck einen heftigen Strom, der dazu neigt, Partikel zu involvieren. In der vorliegenden Ausführungsform macht es der im oberen Teil des Vakuumgehäuses 110 ausgebildete Abgasauslass 113 schwierig, bei Evakuierung Partikel zu ziehen. Weiterhin ist die Prallplatte 161 unter dem Abgasauslass 113 vorgesehen. Die Prallplatte 161 hindert schwere Partikel daran, den Abgasauslass 113 zu erreichen, wodurch der Strom von Partikeln in das Vakuumevakuierungssystem weiter vermindert wird.
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Verschiedene Teile des Abgasauslasses 113 für Vorevakuierung und Hochvakuum zu verwenden, schützt auch die für das Hochvakuum eingesetzte Turbomolekularpumpe 163. Spezifischer wird die Evakuierung durch die Rotationspumpe 165 durchgeführt, ohne die Turbomolekularpumpe 163 zu verwenden, bis der Luftdruck auf 0,1 Pa geht, was nahe an Molekularstrombedingung ist und wird die Turbomolekularpumpe 163 nur verwendet, wenn der Luftdruck unter 0,1 Pa fällt, wodurch ein verbesserter Evakuierungssystem-Schutzeffekt erzeugt wird.
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Die vorliegende Ausführungsform führt selbstverständlich dieselben Vorteile wie die erste Ausführungsform durch, und kann weiterhin den Strom von Partikeln in ein Vakuumevakuierungssystem unterdrücken, indem die Prallplatte 161 unter dem Abgasauslass 113 vorgesehen wird. Zusätzlich ermöglicht das Verwenden unterschiedlicher Teile der Auspuffauslässe 113 zum Vor-Evakuieren und für das Hochvakuum einen sichereren Schutz der für die Hochvakuumevakuierung verwendeten Turbomolekularpumpen 163. Es ist am Bevorzugtesten, sowohl die Verwendung verschiedener Teile der Abgasauslässe 113 für Vorevakuierung und Hochvakuum und das Bereitstellen der Prallplatte 161 anzunehmen, aber das Verwenden nur einer der Konfigurationen führt den relevanten Vorteil durch.
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(Dritte Ausführungsform)
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5 ist ein Querschnitt, welcher schematisch eine Konfiguration einer Laserionenquelle für Beschleunigerverwendung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt. Denselben Elementen wie in 1 werden dieselben Bezugszeichen zugewiesen und deren detaillierte Beschreibungen werden weggelassen.
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Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass eine Strahlführung 170 in einem Raum zwischen der Extraktionselektrode 112 und dem Auslassflansch der Ionenquelle vorgesehen ist. In der Strahlführung 170 sind Scheiben, die alle ein Loch in ihrem Zentrum aufweisen, koaxial in einer Achsenrichtung in vorgegebenen Intervallen angeordnet.
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Ionen werden durch die Extraktionselektrode 112 konvergiert und werden ungefähr zu parallelen Strahlen. Jedoch breiten sich neutrale Partikel weiterhin bei einer Emissionsanfangsrate aus. Falls die Strahlführung 170 mit in Intervallen angeordneten Scheiben vorgesehen ist, haften sich Kohlenstoffatome und Partikel an den Scheiben in einer verteilten Weise an. Falls Partikel etc. auf der Strahlführung 170 dick akkumulieren, könnten sie abgehen, aber die Dispersion der Partikel etc. verlängert die Zeit, bevor sie abgehen. Falls die Partikel nicht abgehen, kann Schmutz im Vakuumgehäuse 110 nur durch Ersetzen der Strahlführung 170 entfernt werden.
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Die vorliegende Ausführungsform führt natürlich dieselben Vorteile wie die erste Ausführungsform durch und kann Schmutz wie etwa im Vakuumgehäuse 110 verbleibende Partikel durch Bereitstellen der Strahlführung 170 reduzieren, um Partikel etc. dazu zu bringen, daran anzuhaften.
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(Vierte Ausführungsform)
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Die 6A und 6B sind Querschnitte, die beide eine Konfiguration einer Bestrahlungsbox einer Laserionenquelle für Beschleunigerverwendung gemäß einer vierten Ausführungsform zeigen. Denselben Elementen wie jenen in 1 werden dieselben Bezugszeichen zugewiesen und deren detaillierte Beschreibungen werden weggelassen.
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Die vorliegende Ausführungsform setzt ein Evakuierungssystem mit einer verbesserten Konfiguration für die Bestrahlungsbox 120 ein. In 6A wird ein Abgasauslass 181 mit einer Labyrinthstruktur in der oberen Oberfläche der Bestrahlungsbox 120 ausgebildet, wodurch der Ausfluss von Partikeln verhindert wird. In 6B wird ein Abgasauslass 181 mit einer Labyrinthstruktur an einer Seitenoberfläche der Bestrahlungsbox 120 ausgebildet, wodurch Ausstrom von Partikeln verhindert wird.
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Der Raum in der Bestrahlungsbox 120 zum Erzeugen der Fahne 132 muss in einem Hochvakuumzustand aufrechterhalten werden. Daher muss die Leitfähigkeit der Evakuierung hoch sein. Jedoch lecken Partikel leicht nach außerhalb, falls ein einfacher Auslass verwendet wird. Daher verhindert die vorliegende Ausführungsform den Ausfluss von Partikeln aus der Bestrahlungsbox 120, während eine hinreichende Evakuierungsleitfähigkeit durch Ausbilden der Abgasauslässe 181, 182 mit einer Labyrinthstruktur erzielt wird, die in 6A bzw. 6B gezeigt werden.
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Die vorliegende Ausführungsform führt natürlich dieselben Vorteile wie die erste Ausführungsform aus, und kann den Ausfluss von Partikeln aus der Bestrahlungsbox 120 unterdrücken und ist weiter wirksam bei der Verhinderung einer Verschmutzung des Linearbeschleunigers 200 und Unterdrückung von Partikelstrom in ein Vakuumevakuierungssystem.
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(Fünfte Ausführungsform)
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7 ist ein Querschnitt, der eine Konfiguration einer Laserionenquelle für Beschleunigerverwendung gemäß einer fünften Ausführungsform schematisch zeigt. Denselben Elementen wie jenen in 1 werden dieselben Bezugszeichen zugewiesen und deren detaillierte Beschreibung wird weggelassen.
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Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass ein Tablett 190 (191, 192) zum Empfangen von Partikeln im Gehäuse 110 und in der Bestrahlungsbox 120 vorgesehen ist. Spezifischer ist ein Tablett 191 auf dem Boden des Gehäuses 110 angebracht und ist ein Tablett 192 auf dem Boden der Bestrahlungsbox 120 angeordnet. Durch Laserbestrahlung erzeugte Partikel akkumulieren oft am Boden der Bestrahlungsbox 120 oder dem Ionenquellengehäuse 110. Die Bereitstellung von Tabletts 191, 192, die solche Größen aufweisen, dass sie fast die gesamte Bodenoberfläche abdecken, erleichtern das Sammeln der Partikel. Da die Isolierungshalter 111 auf der Bodenoberfläche des Ionenquellgehäuses 110 angeordnet sind, kann das Tablett 191 unterteilt sein, um die Isolationshalter 111 zu vermeiden.
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Die vorliegende Ausführungsform bewirkt selbstverständlich dieselben Vorteile wie die erste Ausführungsform und kann die Wartbarkeit verbessern, weil das Tablett 190 aus dem Vakuumgehäuse 110 und der Bestrahlungsbox 120 entnommen und gereinigt werden kann, statt auf dem Bodenteil des Vakuumgehäuses 110 und der Bestrahlungsbox 120 akkumulierte Partikel zu entfernen.
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(Modifikation)
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und Ausführungsformen können kombiniert werden. Weiter sind die Strukturen und Materialien etc. von Elementen nicht auf die in den Ausführungsformen beschriebenen beschränkt und können angemessen gemäß den Spezifikationen modifiziert werden.
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Als ein Beispiel eines Schwerpartikels ist Kohlenstoff verwendet worden. Jedoch können in einigen Fällen Helium (He), Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Neon (Ne), Silizium (Si) und Argon (Ar) verwendet werden.
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Beispielsweise muss die Wandoberfläche der Bestrahlungsbox nicht eine Platte sein und kann ein Sieb sein. Das Ziel ist nicht auf ein kohlenstoff-basiertes beschränkt und kann ein Element sein, dass sich in mehrwertige Ionen umwandelt, oder eines, welches das Element enthält. Weiterhin ist die Laserlichtquelle nicht auf den Kohlendioxidlaser oder den YAG-Laser beschränkt und kann jegliche Vorrichtung sein, die zur Hochenergie-Kurzimpulsbestrahlung (mehrere J/Impuls) befähigt ist.
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Das am Ionenstrahlauslass des Vakuumgehäuses vorgesehene Ventil ist nicht auf einen Schieber oder eine Klappe beschränkt und kann jegliches Ventil sein, das den Ionenstrahlauslass des Vakuumgehäuses öffnen und schließen und Luftdichtheit des Vakuumgehäuses und der externen Vorrichtung, wie etwa einem Linearbeschleuniger, aufrechterhalten kann. Der Verschluss muss nicht am Ionenstrahlauslass des Vakuumgehäuses vorgesehen sein, und kann irgendwo zwischen dem Ventil und der Extraktionselektrode angeordnet sein. Beispielsweise kann der Verschluss in der Nähe der Extraktionselektrode angeordnet sein, nicht der Ionenstrahlauslass des Vakuumgehäuses. Weiterhin kann eine Seite des Vakuumgehäuses als die Extraktionselektrode verwendet werden.
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Während gewisse Ausführungsformen beschrieben worden sind, sind diese Ausführungsformen nur exemplarisch präsentiert worden, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken. Tatsächlich können hierin beschriebene neue Ausführungsformen in einer Vielzahl anderer Formen ausgeführt werden; weiterhin sind verschiedene Weglassungen, Substitutionen und Änderungen in Form der Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, machbar, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Die beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente sollen solche Formen oder Modifikationen, wie sie innerhalb des Schutzumfangs und Geistes der Erfindung fallen würden, abdecken.
