TW463534B - Method and system of reducing axial beam focusing - Google Patents

Description

〇353 4 五、發明說明（1) 發明領域 本發明之發明領域係有關於一種用於使粒子迴旋加速器 中之磁鐵尺寸達到最小的方法及系統。 發明背景 輕射同位素的生產主要由適當的粒子加速器進行，例如 一粒子迴旋加速器’其中加速離子束（即電荷粒子束）。經 入射離子束及標的介質之間的核反應形成輻射同位素，該 介質可為加壓氣體，液或固艘。 粒子迴旋加速器使用磁場以偏移加速離子入環形軌道 中°離子束在加速程序中連續攝入能量，而因此作用多圈 螺旋’直到離子已到達磁極邊緣之最後狀態為止D在磁場 中相當長的螺旋形離子束路徑需要離子束的磁場聚焦性質 以維持離子束的集中性。現代的粒子迴旋加速器使用所謂 的"扇形區聚焦” ’係經磁極中的塑形區域以得到改進的離 子束軸向聚焦。此係將磁鐵的磁極表面分割成數區，一般 $每極3或4區，即總數為6或8。該區域表示磁極之間一相 當大的距離’因此稱為”谷底"。 在粒子迴旋加速器中龅早, ^ a離子加速係經一所謂的射頻電極系 統執订，此系統維持高的鼾r ^ r、 π & hg + Μ I )電壓，其去除對應粒子 沿故加速Is中離子的軌道回授時 盈，如粒子迴旋加速器磁H 周期（或其^數）振 質量/電荷比所給定者。起相私中/均磁場及加速離子的 立的M D ”形中空電極，其中加$ 電極的形狀似兩個對 場及離子的能量無關。每-欠離子、離子束軌道與作用的磁 母-人離子束進入或離開一電極時，

ΜΓ {：· ο 3 5 3 4 五、發明說明（2) ------- 其可得到能量且增加該執道的平彳查。 在磁極的加速真空空間者一離^束可進行軌道回授’而 增加其軌道半徑。最後’將從磁極邊緣之轨道取出離子 束。以入射特元的標的材料。由於不同的磁極間隙，在扇 形區域中的磁場比谷底區域中的磁場強，磁場愈強則軸向 離子聚焦也愈強，但是結果當然平均磁場將變得較小，此 需要磁鐵具有較大直徑以確保得到所需要的能量。 為了使粒子迴旋加速器變得更精緻（即具有較小的磁極 直徑）’必需維持相當高的平均磁場。此暗示必需維持磁 極間隙儘可能地小。此又維持低電功率耗損，但是卻導致 兩項不需要的效應》 第一，在真空泵抽時將導致磁極間隙中的磁導減少，且 第二射頻加速電極的空間非常小。 第一效應的特性導致減少的開口區，對於真空泵抽磁導 產生負向效應，導致真空變壞。在PET(正子放射斷層掃 晦）的同位素生產設備之例子中比加速的離子具有一由維 繫在原子上之電子產生負電荷。額外電子的結合力相當微 弱，在與加速離子及真空之靜置氣體元件之間交互作用 時’該電子很容易被”撞開"。此"撞擊"離子可導致不可逆 的中性化，而失去其電及磁場的感應性，低真空磁導導致 大量的靜置氣體，因此導致較高的離子束耗損，反之亦 然。此為相當重要的外部，尤其是在用於負氩離子之PET 加速時，一放射性追蹤劑生產系統的例子時。 第二項問題在某些程度上可由磁鐵間隙最大處之谷底區

'發明說明（3) _ 中射頻加速電極加以補償，因此可 速電極下降，從射頻功率耗損的 載電容對射頻加 有利。明顯的解決方法為維持扇的J項改進相當 以在扇形區域中維持高磁場，且在以當小， 間隙以對於射頻加速電極產生一良 擴充夺底區 好的泵柚磁導。 生艮好的環境，且同時得到 但是，如所述，如果谷底區間隙得太大，在谷底區 磁場強度比，於扇形區場強將變得太小，1由。表示軸向 離子聚焦（每軌道旋轉中軸向離子束數目）將增加，且最後 接近Vz = 1/2之諧振，其將妨礙穩定的離子加速。 某些現代的粒子迴旋加速器（小於2〇Mev質子能量）係基 於稱為深谷底區"之設計，在此磁極包含直接固定到磁輥 上的大（厚）的扇形區板’產生適於射頻電極之非常大的谷 底區間隙’且在此型式的粒子迴旋加速器中，Vz的值在諸 振值Vz = l/ 2上。此粒子迴旋加速器將有一較低的平均磁 場，此磁場大小視大的谷底區間隙而定，該間隙係由任何 給定離子能量之大的磁極半徑而定。因此，此粒子迴旋加 速器將實際上大於一項基於Vz值低於Vz= 1/2之諧振的設 計。此方面更強而有力的資訊例如可參見由John J· Livingood的，，循環粒子加速器原理"（美國紐澤西州普林斯 敦D. Van Nostrand 公司）。 結果，在設計一精緻的粒子迴旋加速器磁鐵時，有兩種 方式可使用，即選擇一低於的Vz值’或極大於〇·5以遠 離上述Vz = l/2之諧振。

463534 丘、發明說明（4) 第一項選擇導致一精緻設計，但是具有太小之谷底區間 隙的設計將滿足低功率射頻系統及一令人滿意之真空磁導 的要求，而另一項選擇導致太大的磁鐵，以達到尺寸的要 求。對於精緻之粒子迴旋加速器磁鐵的最佳平均設計要求 似乎將由於與軸向聚焦相關的限制而不適用。 因此，必需要有一種粒子迴旋加速器設計方法以最適化用 於PET同位素生產設備的粒子迴旋加速器裝置，以考量對 立參數’而允許非常精緻的裝置，其適於如安裝在一地區 性醫院中，其中有限的空間有一般的情況。粒子迴旋加速 器本身的精緻性將也使得系統的整個變小，其中包含整個 輻射屏蔽’未來此將為此一設備中一項金科玉律。也需要 有一系統，其採取此一方法的優點。 發明概述 本發明提出一種使得用於生產放射性追縱劑的粒子迴旋 加速器系統中磁鐵系統的大小’尤其是磁極的直徑達到最 小的方法。本發明的方法及粒子迴旋加速器使用一操作模 式，其Vz值低於Vz = l/2時的諧振值。首先，在一給定之相 當小的安培圈數（尤其是15到30mm)内固定扇形區間隙，以 足以得到良好的真空系柚磁導’且應用可接受的電容的功 率耗損罩住一窄間隔的射頻電極。對於介質場強，現在h 值必需低於V z = 1 / 2，但是仍太靠近β本發明的方法包含梦 驟為增加安倍圈數/線圈電流’使得扇形區場變得比軟鋼 的飽合值大’此值約為2.15Tesla。此對於Vz值有兩個主 要的效應：

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ΐ·由於扇形區中的飽合效應，谷底區場將增加比扇形區 場的正比增加還多。 2.方位場形從方波形轉換成約正弦波形。 本發明的方法參見申請專利範圍i，其更進一步的步驟 可參見申請專利範圍2，3。依據本發明之方法的粒子迴旋 加速器系統如由申請專利範圍4中得知，其更進一步的實 施例見申請專利範圍5及6。 ' 圖式之簡單說明 由下文中的說明可更進一步了解本發明之特徵及優點， 閱讀時並請參考附圖β 圖1示本發明之精緻粒子迴旋加速器中一對磁極的透視 圖。 圖2示從上磁極所示之上視圖的上磁極之扇形區，且示 在兩谷底區中加速射頻電極的某些部位。 圖3示在本發明裝置中，沿一離子束追縱之一部位磁場 的改變β 較佳實施例之詳細說明： 本發明中提出一種用於PET同位素生產設備的粒子迴旋 加速器裝置。本發明的裝置考量對立的參數，因此可將系 統簡化’而得到一個極為精緻的設計。一般將此一決定稱 為"MINI trace"裝置。該MINI trace裝置同時也對該PET同 位素生產系統結構一整合的輻射屏蔽，以產生使用在醫學 診斷中的短壽命期之活性輻射追蹤劑。 但是，MINItrace精緻之磁鐵設計係基於低於0.5之Vz d 6 35 3 4 五、發明說明（6) ' 值，但對於射頰電極而言仍存在令人滿意的空間，且且有 良好的真空磁導， ^ 下文說明本發明的系統： 圖1示一對磁極，一第一磁極1及第二磁極2用於本發明 所示之實施例的粒子迴旋加速器中，兩磁極均具有數目相 同的扇形區4，如在所示之實施例中有4個扇形區。在磁極 4中產生谷底區6 ^結果，在所示實施例中有四個谷底區β 在磁極1 ’2令經配置在磁軛（圖中沒有顯示）的線圈（圖令 沒有顯示）產生一電磁場《大電流饋入線圈繞線中以形成， 一強電磁鐵，因此產生一磁場以用於偏移或聚焦一粒子迴 旋加速器裝置中的離子束。在圖2中示第一磁極1在平行於 扇形區表面4的平面上。圖2示在兩個產生的淺谷底區中兩 對加速射頻電極8，9中一對應的部位。須注意，在此實施 例中，扇形區4的表面面積大於谷底區6的面積。 一般必需限制扇形區場強使低於軟鐵的飽合值，預期場 強約2· 15Tes la。但是，可經由使得磁鐵線圈較大，使提 供更多的圈數，而增加場強，因此發生兩項可令Vz值減少 的效應。 由於完全飽合的扇形區鋼，將產生相當大的逸散磁場洩 漏到谷底區中，而導致谷底區磁場比扇形區磁場以正比方 式增加。此將減少轴向聚焦’即V z值將增加。 在圖3中，在中間平面中磁場B的變動係沿兩磁極1 ’2之 間一約略呈圓形軌跡分佈。在角度90到180度中定位的磁 極谷底區，及在角度270到3 60之間定位的磁鐵谷底區’當

第11頁 46353 4 ______ 玉、發明說明（7) 間隙距離介於對立的磁極扇形區4時，指示的射頻加速電 極提供一類似的間隙。 經由增加扇形區磁場，該方位場形將從方波形狀轉換為 正弦波形狀，考量飽合效應之故β此場形的改變更進一步 減少V ζ的數值。 經使用此方法’可選擇一比傳統扇形區磁鐵磁場還要大 的谷底區間隙，且仍維持V ζ低於V z = 1 / 2諸振之下。此方法 之最後結果為可對一粒子迴旋加速器得到一更精敏的磁鐵 系統’以可產生PET同位素’且粒子迴旋加速器的直徑可 相對減少。 為了更進一步改進維修作業’且近接磁極系統，且對於 中央配置的離子源（圖中沒有顯示）及抽取系統（圖中沒 有顯示）’最好位在磁鐵使得磁極1，2的平面呈垂直定 位’此可經由一組配置在磁軛中垂直安裝的樞轴而簡化磁 極的簡單分隔。其結果為當維修時為了近接該系統，磁極 =需分開’然後射頻磁極8，9仍為包含上下電極板的單一 單元’其中離子可在上下電極板之間加速。由釋放谷底區 外殼的谷底區可執行此項分隔作業’其中定位磁極，且經 由該紐拖輛將谷底區外殼分為兩部份。一部份包含第一磁 極1 ’及射頻電極系統8，9，且另一枢軸部位包含第二磁 極2 〇 然後傳统上將射頻電極饋入一到該兩電極8 , 9的終端連 且將計數終端速結餚入兩磁極。 表1示本發明中改進粒子迴旋加速器震置的方法之設

1· 第12頁 Δ 6353 4 五、發明說明（8) 計，其可用於一PET同位素產生設備。 此表顯示依據習知技術之狀態應用所謂的深谷底區技術 在本方法及基本方法之間的主要差異》 表1 選擇深谷底區技術 否 是 深谷底區技術不會 提升精緻設計 dead end 提升高飽合扇形區 是 否 選擇谷底區間隙 間隙的大小將定義 射頻系統及真空磁 導的重要技術 間隙的大小將定義 射頻系統及真空磁 導的重要技術 定義參數 設定扇形區間隙（1 5 到 3 0 m m) 定義最大磁鐵場 (2.15Telsa) 磁鐵模式 增加磁場直到扇形 區/谷底區場比可用 於一可接受的軸向 聚焦 計算最小扇形區間 隙，扇形區/谷底區 場比可用於一可接 受軸向聚焦 計算平均磁場 計算平均磁場 計算磁極半徑 計算磁極半徑 大部份的精緻設計 是 否. 本發明的粒子迴旋加速器裝置的較佳實施例中，如圖1 所示.磁極的最大Vz直徑為700mra。各磁極的高度約i2〇mni，

第13頁 46353 4 五、發明說明（9) 且扇形區4的有效實際半徑由於斜面切割邊之故約32〇mm。 此磁極包含低值破鋼，其結構形成磁極扇形區4的材料， 且同時顯示谷底區6。圖1 ’2沒有顯示攜帶電線圈的磁 軛。磁輥由樞轴分開’且在水平面上，由其樞軸樞稱磁軛 之半。在枢稱位置上，如圖2項之方法近接磁極1。以高準 雀度方式分開磁輕’以去除任何可能的空氣間隙，此外當 作用強磁場時’該磁軛將動作以去除任何空氣間隙。 當經由在磁場中於射頻電極上感應射頻壓而在約8〇轉内 加速離子時’將本較佳實施例中將加速負氬離子到約 iOMeV的能量。設計此裝置如一第四諧波加速器裝置，如 在一離子束的軌道迴轉期間，將使用四個周期的加速射頻 電壓。然後該操作的射頻頻率將微大於1〇〇MHz，該項使射 頻電極系統定位在兩對立谷底區的設計導致每次回授離子 束具有四次的能量脈衝。在較佳實施例中，一扇形區4佔 約55度，且然後谷底區約35度。兩射頻電極各包含兩對立 =板’當磁場關閉時’兩射頻電極各包含兩對立銅板， =對=表面之間的距離與磁極扇形區之間的間隙距離相 射頻電極以安裝在兩谷底區之間，使得可考量作 槁：靼错時’可維持一適當之高張力迴轉°當然該射頻電 故+ 一對應之磁鐵的銅扳材料的電容α此射頻結構的 伴隨著射頻電極的雜散電容^呈現一諧振頻率， :::匹配所需要的操作RF頻率，而使得到射頻加速系統 =功率遷移達到最小化，因此可得到最大可能的射頻 加速場》

第14頁 46353 4 五、發明說明（ίο)

崎马一固疋π T 州雙 實施例的粒子迴旋加速器 統。由一回授系統控制射 配。一粒子迴旋加速器控 作用 正弦波 可操作 頻產生 制器系 氩離子 熟習 細節在 熟習 這些將 位，而 雖然 需了解 的精神 在射頻 射頻信 如一等 系統以 統也控 之離子 離子加 此將不 本技術 可以從 文中已 可對上 及觀點 %书&乐 號，此 時扇形 維持系 制與加 東得到 速裝置 再予說 者可更 進一步 其他的 應較佳 述實施 意指依據本 區之聚焦系 統之最適四 速射頻場頻 最適當的褲 者應已熟知 明。 進一步動作 說明’因為 文獻中得到 實施例說明 例加以更改 率有關的電磁場’因此負 作。 適當的離子源，因此，其 以補充數種熟知之效應’ 此並不為本發明之一部 0 本發明，但嫺熟本技術者 及變更，而不偏離本發明

Claims (1)

1. 46353 4 案號 88116604 年T月β a t、申請專利範圍 1 . 一種將用於將生 統之磁極尺寸最小化 選擇一操作模式 臨界諧振值； 然後選擇一谷底 非深谷底區 參數 於加 接受一 鳴Si 磁極 之加 波形 場， 數 計。 2. 磁鐵 區域 為飽3. 擇表 速負氫離 經由設定 參數，以 速器所需 增加磁場 其方式 窄間隔 子的所 大小為 簡化一 要的足 ，以將 產放射性追縱劑的粒子迴旋加速器系 之方法，該方法包含下列步驟： ，其定義此模式的Vz值低於Vz = l/ 2的 區技術，其具有多個淺的谷底區，而 為選擇定義一谷底區間隙的第一磁極 射頻電極系統，且簡化得到夠低之適 需要的真空磁導； 1 5到3 0 mm的扇形區間隙，而定義第二 真空磁導，其可得到一適於負氫離子 夠低之壓力； 一磁方位場從方波形轉換成近似正弦 從增加一磁場及第一和第二磁極參數中計算一平均磁 從平均磁 以獲得粒 如申請專 扇形區材 低於飽合 合效應更 如申請專 示四個等 場中，以磁極直徑的型式計算第三磁極參 子迴旋加速器系統中最小的電磁系統之設 利範圍第1項之方法，其中尚包含步驟為在 料中使其達到高度的磁飽合，而仍維持谷底 程度，因此增加磁化扇形區的磁場，此係因 進一步減少一Vz之數值之故。 利範圍第2項之方法，其中尚包含步驟為選 大小之扇形區間隙的磁極及四個對應的谷底

   O:\60\60465.ptc 第1頁 2001.09. 19.017 4 6353 L Β3ΠΒΒ〇4 修正 \、申請專利範園 區扇形區’各谷底區約為對應磁鐵扇形區的2 / 3。 4. 一種用於加速負氩離子以生產放射性追蹤劑的粒子迴 旋加速器令使其磁極之直徑達到最小化的系統，該系統包 含： 一電磁系統，此系統包含一對線圈及一磁辆，其包含 一第一（1 )及一第二（2 )環形磁極，此表示磁極扇形區（4) 及谷底區（6 )， 速電極（8，9 )， 在谷底區外殼中 器加速系統，當 時，可從一中心 的強磁場而偏移 其中各磁極 四個扇形區部位 目之安培圈數， 子束真空傳導有 得到所需要的真 位，而·非谷底區 正弦波形狀。 5. 如申請專利 使得以一 V ζ值操 6. 如申請專利 直徑約為7 0 0 m m， 用於生產醫用之 至少兩 及第一 的射頻 一適當 離子源 離子束 形成四 的距離 且該四 一適當 空，且 ，以將 對立的 及第二 電極（8 的射頻 中釋出 及聚焦 個扇形 約1 5到 個谷底 的空間 谷底扇 磁極（1 ，9)以 電壓作 形區，其包 ，2 )，及包 形成 用到 負離子，經 在第一及第 及四 區部位 3 0 m m之間， 區存在一段 ，使得當加 該電磁場適於飽合 一方位磁場從方波 一粒子 射頻電 由電磁 二磁極 個谷底 以產生 距離， 速離子 該四個 形狀轉 含射 含被 迴旋 極（8 系統 之間 區部 具有 可允 束時 扇形 換成 頻加 定位 加速 ，9) 作用 T 位， 低數 許離 ，以 區部 近似 範圍第4項之系統，其中選擇操作模式， 作，此V2值低於Vz = l/ 2時之臨界諸振值< 範圍第5項之系統，其中環形磁極的最大 以得到一小的粒子迴旋加速器系統，以 放射性追蹤劑，尤其是正子放射斷層掃

   Q:\60\60465.ptc 第2頁 2001.09. 19.018 463534 修正 案號 88116604 六'申請專利把圍 目苗。 0;\60\60465.ptc 第3頁 2001.09. 19. 019 III··!