JP2010251323A - 粒子線を生成するためのイオン源、イオン源用の電極並びにイオン化されるガスをイオン源内に導入するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的なガス供給並びに、イオン源の作動ガス交換時の迅速な反応時間を可能にすること。
【解決手段】プラズマチャンバと電極を有しており、当該電極はプラズマチャンバの方へ延在しており、イオン化されるガスのためのガス線路が前記電極の全長にわたって当該電極に対して平行に延在している、粒子線を生成するためのイオン源。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子線を生成するためのイオン源、並びにこのようなイオン源用の電極に関する。本発明はさらに、イオン化されるガスをこのようなイオン源内に導入するための方法に関する。

粒子治療、殊にがんの粒子治療では、粒子線が例えば、例えば炭素イオン等のプロトンまたは重イオンから生成される。この粒子線は、加速システム内で生成され、処理空間内に案内され、流出窓を介してそこへ流入する。特別な実施形態では、粒子線は加速システムによって交互に、異なる処理空間内に転じられる。処理空間内では、治療される患者が例えば患者用ベッドの上に位置付けされ、場合によっては動かないようにされる。

粒子線を生成するために、加速システムはイオン源、例えば電子−サイクロトロン−共鳴イオン源（ＥＺＲイオン源）を含んでいる。イオン源内では、特定のエネルギー分布を伴う自由イオンの配向された運動が実現される。ここでイオンの出射エネルギーは非常に正確である。正に充電されたイオン、例えばプロトンまたは炭素イオンは、特定の腫瘍の放射に対して理想的である。この理由は、これらが加速器によって高いエネルギーにされ、他方では、これらがそのエネルギーを体組織内に、非常に正確に再び放出するということである。イオン源内で生成される粒子は、環状加速器内で、５０ＭｅＶ／ｕを上回って循環路上で循環する。これによって、治療のために、正確に事前に定められたエネルギー、フォーカシングおよび強度を有するパルス状または連続した粒子線が供給される。

イオン源は、真空の、作動ガスをイオン化するためのプラズマチャンバを含んでいる。このプラズマチャンバの周辺には、永久磁石が同心状に配置されている。この永久磁石はプラズマを形成し、保持する。イオン化されるべきガスは、プラズマチャンバ内に接続箇所を介して供給される。供給されたこのガスをイオン化するプラズマチャンバ内で自由電子が、マイクロ波ビームによって加速される。マイクロ波ビームは、接続箇所内に配置されている中空導体を介して同じようにプラズマチャンバ内に導入される。さらに接続箇所を通って、プラズマチャンバの方向において電極が延在する。これはいわゆるバイアス電極であり、プラズマチャンバのハウジングに対して負に帯電され、プラズマチャンバから自由電子を突き放し、従ってこれをプラズマチャンバ内に閉じ込める。電子は、衝突イオン化によってイオン（プラズマ）を、プラズマチャンバ内で生成する。

接続箇所では、電極に対して横向きに、結合シリンダが延在している。この結合シリンダには、側方に管が延在している。この管を通って、その放出部が接続箇所の方に配向されている湾曲されたガス線路を介して、イオン化されるべきガスが接続箇所内に達し、ここから中空管を介してプラズマチャンバ内に達する。結合シリンダには、真空ポンプが設けられている。これによって、プラズマチャンバ内に達しないガスが導かれる。

ガスをプラズマチャンバ内に導く上述の装置は多数の欠点を有している。ガス線路の直径が種々の区間において著しく変化しており、ガスフローに対する無駄ゾーンが形成されてしまう。これによって、幾つかのガス粒子の滞在時間が格段に長くなるので、別のものへの作動ガスを交換するのに数分間かかってしまう。さらに、ガスがガス線路から直接的に、真空ポンプを介して、結合シリンダ内に導入されるので、ガスの大部分は吸い上げられ、プラズマチャンバに達しない。プラズマチャンバに達するガスの割合は、真空ポンプの効率に依存しており、推測することができるだけである。

本発明の課題は、効率的なガス供給並びに、イオン源の作動ガス交換時の迅速な反応時間を可能にすることである。

上述の課題は、プラズマチャンバと電極を有しており、当該電極はプラズマチャンバの方へ延在しており、イオン化されるガスのためのガス線路が前記電極の全長にわたって当該電極に対して平行に延在している、粒子線を生成するためのイオン源によって解決される。上述の課題はさらに、接続フランジと電極管を含んでおり、当該接続フランジにはガス線路用のガス接続部が設けられており、当該ガス線路は前記電極管の全長にわたって延在している、イオン源用の電極によって解決される。上述の課題はさらに、イオン源はプラズマチャンバと、当該プラズマチャンバの方へ延在する電極とを含んでおり、ガスを前記電極の全長にわたって、前記電極に対して平行に、殊に前記電極内部で、前記プラズマチャンバに導入する、イオン化されるガスを、粒子線を生成するイオン源内に導入するための方法によって解決される。

上述の課題は、本発明と相応に、プラズマチャンバと、プラズマチャンバに向かって延在している電極を有する粒子線を生成するイオン源によって解決される。ここで、イオン化されるガスに対するガス線路は、電極の全長にわたって、電極に対して平行に延在している。

この電極は、イオン源電圧に関して負に帯電されているバイアス電極のことであり、この電極は、プラズマチャンバ内で自由にされている電子をはじき飛ばすために使用される。

本発明は、イオン化されるべきガスができるだけ幅広くイオン源内に導入され、プラズマチャンバのすぐ近くで、ガス線路から流出し、これによってガス粒子の非常に多くの部分がプラズマチャンバに達することによって、特に効果的なガス供給が行われるという考えに基づいている。これを可能にするために、ガスは「下方から」真空ポンプに対して結合シリンダを介して導入されるのではなく、ガス線路は別の側から、すなわち電極の領域に導入され、イオン源内で、直線状の経過を電極に対して平行に有している。すなわち、ガスフローはイオン源内で偏向せずに流れる。ガス線路は直線状なので、これは技術的に特に簡単に実現され、イオン源内にもたらされる。さらに、ガス線路は殊に、実質的に一定の横断面を有している。従って、無駄ゾーンは生じない。さらにガス線路は、電極の全長に沿って延在しており、これによってガスフローは少なくとも、電極が延在しているのと同じ程度に深く、イオン源内に導入される。ガス線路はここで、プラズマチャンバのすぐ近くへと流れるので、真空ポンプの作動によってガス供給が妨害されることはなく、これによって、導入されたガスから生成されたイオンの効果が格段に改善される。

構造的に特に簡単な構成では、ガス線路は有利には電極管の内部に延在する。電極は実質的に中空体として構成されているので、ガス線路が電極管内に導かれることによって良好な空間利用が実現される。この場合には、ガス線路を案内するためのイオン源での付加的な開口部は必要ない。

有利には、ガス線路は電極に対して同心状に配置されている。プラズマチャンバから到来する電子を突き放す時の特に良好な効果に関して、電極はプラズマチャンバの対称軸に沿って延在している。電極に対して同心状にガス線路を配置する場合には、ガス線路も、プラズマチャンバの対称軸に沿って延在する。従ってガスは、プラズマチャンバの中央に流れ込むことができる。

有利には、電極が、ガス線路を供給線路と接続するためのガス接続部を備えた接続フランジを有していることによって、方向転換の無いガスフローが実現される。ここでこのガス接続部はガス線路とアライメントされている。すなわち、ガス接続部はガス線路と、１つの線上に位置し、それを介してガスがガス蓄積部からガス線路へ、ひいてはイオン源に達する分断可能な供給線路がようやく、場合によっては湾曲を有する。

有利な実施形態では、冷却剤が電極管を通って流れ、冷却剤に対する環流管を有している。この環流管内にはガス線路が配置されている。冷却するために、接続フランジの領域において、非導電性の冷却剤、例えば脱イオン水または油が電極管内に供給される。ここでこの冷却剤は、プラズマチャンバに接してしる電極先端部の方向に流れる。電極先端部の領域には、環流線路の開口部が設けられている。ここに、上述した冷却剤が流れ込み、環流線路の他方の終端部では、接続フランジの領域において電極から導出される。

有利にはガス線路は、包囲している環流線路に対して同心状に設けられており、環流線路は電極管に対して同心状に配置されている。電極間の半径方向において均一な温度分布が得られるように、環流線路は、通常は電極管に対して同心状に配置される。従って電極管に対するガス線路の対称的な配置に関して、ガス線路が環流線路内に配置されているのは特に有利である。

別の有利な実施形態では接続フランジは冷却剤を導入するための第１の接続部分と、冷却剤を排出するための第２の接続部分とを有しており、ガス接続部はこれらの接続部のうちの１つに配置されている。ここではガス接続部を構成し、ガス線路をイオン源の接続箇所内に導く、付加的な孔は、接続フランジの領域において不要である。

有利には電極管の端面側に、イオン化されるべきガスのための流出開口部が設けられている。従ってこの流出開口部はプラズマチャンバの方に配向され、作動ガスは、電極管を離れた後にも同じように、直接的および方向変換せずにプラズマチャンバ内へと流れ込む。

有利な実施形態では電極管は、内部に流出開口部が構成されている、交換可能な電極先端部を有している。イオンチャンバの作動時には、電極先端部は非常に頻繁に、さらされている高い温度によって損傷を被るので、これは交換可能に構成されて、ねじによって電極管に固定される。電極先端部は通常時には、開放された端面を有している。従ってガス線路に対する流出開口部は殊に、電極先端部の開放されたこの端面によって構成される。

別の有利な実施形態では、電極管と交換可能な電極先端部との間に結合箇所が配置されている。ここには穿孔が形成されている。電極管および電極先端部は両側で中空体として構成されている。しかし、これらの間に配置されている結合箇所は通常は中実体である。従ってガスフローをこの結合箇所を通って案内することができるようにするために、穿孔が設けられている。この穿孔は殊に、中央に延在している。電極の長手方向における冷却剤の流れはこの結合箇所によって制限される。冷却剤が、穿孔を通って、電極から流れ出すことがないように、ガス線路は結合箇所と接触している、または穿孔内に達する。ここで、ガス線路と結合箇所との間でこの接触領域は密閉されている。

上述の課題はさらに、本発明と相応に、イオン源のための電極によって解決される。ここでこの電極は接続フランジと電極管とを含んでいる。ここで接続フランジには、ガス線路用のガス接続部が設けられている。これは、電極管の全長にわたって延在している。

イオン源に関して述べた利点および有利な実施形態は、一貫して電極にも当てはまる。

有利にはガス線路は電極管に対して同心状に配置される。さらに有利には、電極管には冷却剤が流れ、電極管は冷却剤用の環流線路を有している。ここにはガス線路が配置されている。

さらに本発明では上述の課題は、イオン化されるガスを、粒子線を形成するイオン源に導入する方法によって解決され、ここでは、イオン源はプラズマチャンバと、プラズマチャンバの方へと延在する電極を含んでおり、ここでガスは電極の全長にわたって、電極に対して平行に、殊に電極内で、プラズマチャンバ内に導入される。

本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

長手部分における、粒子線を生成するイオン源の部分 図１に示された部分Ａの拡大図 図１の線Ｂ−Ｂ’に沿った概略的な断面図

全ての図において、相互に相応する部分および同じ作用を有する部分には同じ参照番号が付与されている。

図１には、粒子線を生成するためのイオン源２が示されている。これは、詳細に図示されていない粒子治療設備の一部である。イオン源２は、プラズマチャンバ４を有しており、このプラズマチャンバ内では粒子線が作動ガスのイオン化によって形成される。イオン化されるガスはガス線路６によってプラズマチャンバ４内に導入される。ガス線路６はここで、電極８に沿って延在している。この電極は自由電子をプラズマチャンバ４内に突き放すために設けられている。ガスをイオン化するために、プラズマチャンバ４内にはさらにマイクロ波ビームがマイクロ波接続部１０を通って接続箇所１２内に導入され、ここから、マイクロ波ビームが、内部で電極８もガス線路６とともに延在している中空導体１４を介してプラズマチャンバ４に供給される。

マイクロ波接続部１０と反対に、接続箇所１２にポンピング接続部１５が真空ポンプ用に設けられている。これはガス粒子を、接続部材の中空空間から吸い込む。

電極８は接続フランジ１６を含んでいる。これによって電極は接続箇所１２に固定される。電極はさらに中空の電極管１８を含んでいる。これはプラズマチャンバ４へ向かって延在している。電極８はさらに、交換可能な電極先端部２０を有している。ここでこの電極先端部は、結合箇所２２内に回し嵌めされており、これによって結合箇所２２を介して電極管１８に固定される。

イオン源２の領域では電極８は連続的に、矢印Ｋによって示されている冷却剤、例えば冷却水によって冷却される。冷却水を導入するために接続フランジ１６には第１の接続部２４が設けられている。第２の接続部２６を通って、冷却水Ｋが電極８から排出される。導入された冷却水Ｋは電極管１８の内部循環壁に沿って、結合箇所２２に達するまで流れる。電極管１８に対して同心状に環流線路２８が延在する。この環流線路を介して、加熱された冷却剤Ｋが第２の接続部２６まで案内される。ガス線路６は環流線路２８内に配置されており、図示されていないガス蓄積部からガスを供給するための別個の供給線路と接続されているガス接続部２９と、電極８の末端終端部での結合箇所２２との間で直線状に延在する。

図３から分かるように、電極管１８、環流線路２８およびガス線路６は相互に同心状に配置されている。電極管１８はさらに、中空導体１４に対して同心状に延在しているので、ガス線路６はプラズマチャンバの対称軸Ｄに沿って延在している。この場合にガスは、プラズマチャンバ内に中央で導入される。従って高い対称性がプラズマ生成時に得られる。これは安定した粒子線にとって重要である。

電極先端部２０の領域におけるガス線路６の正確な構造および配置は拡大して図２に示されている。電極先端部２０は実質的に中空に構成されており、ガス用流出開口部３０を構成する開放された端面を有している。ガスフローが中空の電極先端部２０に達するように、結合箇所２２内には穿孔３２が設けられている。ここで、ガス線路６が結合箇所２２内に達しているこの領域は防水性に密閉されている。従って冷却剤Ｋは穿孔３２内に達しない。

ガス線路６は図示の実施例では直線状に延在しており、その全長にわたって、電極先端部２０まで、実質的に一定の横断面を有している。従ってイオン化されるべきガスは偏向することなしにイオン源２内に導入される。ガス線路６のこのような構成によって、殊にその内部でガス粒子が長い時間にわたって滞在し得る無駄ゾーンが生じなくなる。従って例えば二酸化炭素から水素への作動ガス交換が非常に迅速に行われ、数秒の短い時間の後に、一定のガスフローが生じ、これによって安定した粒子線が得られる。

上述したガス線路６はさらなる利点を有している。すなわち、このガス線路はイオン源２の内部深くへ、プラズマチャンバ４の入口３４直前まで延在するという利点である。従って、ガス粒子は妨害されることなく、真空ポンプからプラズマチャンバ４へと達する。

２ イオン源、 ４ プラズマチャンバ、 ６ ガス線路、 ８ 電極、 １０ マイクロ波接続部、 １２ 接続箇所、 １４ 中空導体、 １５ ポンピング接続部、 １６ 接続フランジ、 １８ 電極管、 ２０ 電極先端部、 ２２ 結合箇所、 ２４ 第１の接続部、 ２６ 第２の接続部、 ２８ 環流線路、 ２９ ガス接続部、 ３０ 流出開口部、 ３２ 穿孔、 ３４ プラズマチャンバの入口、 Ａ 区間、 Ｄ 対称軸、 Ｋ 冷却剤フロー

Claims (14)

1. 粒子線を生成するためのイオン源（２）であって、
   プラズマチャンバ（４）と電極（８）を有しており、
   当該電極はプラズマチャンバ（４）の方へ延在しており、
   イオン化されるガスのためのガス線路（６）が前記電極（８）の全長にわたって当該電極（８）に対して平行に延在している、
   ことを特徴とするイオン源（２）。
2. 前記ガス線路（６）は電極管（１８）内に延在している、請求項１記載のイオン源（２）。
3. 前記ガス線路（６）は電極管（１８）に対して同心状に配置されている、請求項２記載のイオン源（２）。
4. 前記電極（８）は、前記ガス線路（６）を供給線路と接続するためのガス接続部（２９）を具備した接続フランジ（１６）を有しており、
   当該ガス接続部（２９）は前記ガス線路（６）とアライメントされている、請求項１から３までのいずれか１項記載のイオン源（２）。
5. 前記電極管（１８）を冷却剤（Ｋ）が流れ、当該電極管（１８）は冷却剤（Ｋ）に対する環流線路（２８）を有しており、当該環流線路内に前記ガス線路（６）が配置されている、請求項２または４記載のイオン源（２）。
6. 前記ガス線路（６）は、包囲している環流線路（２８）に対して同心状に配置されており、前記環流線路（２８）は電極管（１８）に対して同心状に配置されている、請求項３および５記載のイオン源（２）。
7. 前記接続フランジ（１６）は、前記冷却剤（Ｋ）の導入のための第１の接続部（２４）を有しており、前記冷却剤（Ｋ）の排出のための第２の接続部（２６）を有しており、前記ガス接続部（２９）は当該接続部（２４、２６）のうちの１つの接続部内に配置されている、請求項４記載のイオン源（２）。
8. 前記電極管（１８）には端面に、イオン化されるガスのための流出開口部（３０）が設けられている、請求項２から７までのいずれか１項記載のイオン源（２）。
9. 前記電極管（１８）は交換可能な電極先端部（２０）を有しており、当該電極先端部内に前記流出開口部（３０）が構成されている、請求項２から８までのいずれか１項記載のイオン源（２）。
10. 前記電極管（１８）と前記交換可能な電極先端部（２０）との間に結合箇所（２２）が配置されており、当該結合箇所内に穿孔（３２）が構成されている、請求項９記載のイオン源（２）。
11. イオン源（２）用の電極（８）であって、
    接続フランジ（１６）と電極管（１８）を含んでおり、
    当該接続フランジ（１６）にはガス線路（６）用のガス接続部（２９）が設けられており、当該ガス線路は前記電極管（１８）の全長にわたって延在している、
    ことを特徴とする電極（８）。
12. 前記ガス線路（６）は電極管（２８）に対して同心状に配置されている、請求項１１記載の電極（８）。
13. 前記電極管（１８）に冷却剤（Ｋ）が流れ、前記電極管（１８）は冷却剤（Ｋ）用の環流線路（２８）を有しており、当該環流線路内に前記ガス線路（６）が配置されている、請求項１１または１２記載の電極（８）。
14. イオン化されるガスを、粒子線を生成するイオン源（２）内に導入するための方法であって、
    前記イオン源（２）はプラズマチャンバ（４）と、当該プラズマチャンバ（４）の方へ延在する電極（８）とを含んでおり、
    ガスを前記電極（８）の全長にわたって、前記電極（８）に対して平行に、殊に前記電極（８）内部で、前記プラズマチャンバ（４）に導入する、
    ことを特徴とする、イオン化されるガスを、粒子線を生成するイオン源（２）内に導入するための方法。

Images