用于调整来自带电粒子源的粒子束的强度的设备的制作方法

本发明涉及产生从1ev/电荷至几10¹²ev/q的能量范围内的带电粒子束的仪器的技术领域。

取决于加速粒子的电荷、质量和动能，这类仪器在许多领域都有应用：

粒子加速器的设备，

离子注入(表面处理等……)，

医疗领域(强子治疗、放射性同位素生产、纳米药物……)，

真空沉积，

微蚀刻，

用于航天器的离子推进，

用于样品分析的加速度质谱仪，

年代测定。

本发明更具体地涉及调整所产生的带电粒子束的强度(或粒子的电流或流量)，以调整其对目标样品的影响并且能够改变相同仪器的可能用途。

背景技术：

目前，可以以不同方式对带电粒子束进行电流调整，具体为：

通过改变带电粒子源的强度

通过使用可移除机械部件(例如槽系统、光圈)对射束进行准直

通过脉冲产生具有各种占空比的脉冲。

然而，上面提到的各种技术引发了许多技术问题：

例如，脉冲射束不能用于带电粒子束的所有应用，

带电粒子源的强度的设定以及机械可移除准直器的使用不满足某些应用所需要的反应性约束。

在文献us8,896,238的示例中，可以调整来自离子源的射束的电流，该离子源在回旋加速器类型的特定加速器内生成弯曲离子束。使用连接至高频生成器的d形电极来调整射束的强度，高频生成器向d形电极施加可以通过调节器调整幅度的交变高电压。在d形电极与连接至地的反电极之间加速离子通过间隙，并且由于向d形电极施加不同幅度的电压，因此离子限定了具有不同半径的圆形路径。与反电极间隔开的固体掩蔽物与反电极一起限定了遵循曲率超过临界值的轨迹的离子通过的空间，并且限定了用于曲率低于相同临界值的离子的障碍物。与掩蔽物的存在相结合地调整施加至d形电极的电压的幅度——这修改了离子的各种轨迹，使得可以调整离子的数量并且因此调整由源最终发射的电流。

然而，该设备特定于由回旋加速器的源发射的具有弯曲轨迹的带电粒子，并且不能应用于发射线性带电粒子束的设备。

文献us3,286,123涉及一种发射线性粒子束的设备。在该设备中，在多孔电极、偏转系统和沿其发射轴线分布的多个透镜的作用下并且在偏转器的存在下，取决于透镜的位置和焦距，带电粒子束根据可变轮廓从其原始路径偏转，并且一些带电粒子束可以由垂直于粒子的发射轴线放置的收集器来收集。然而，该设备的应用与本发明所针对的应用不相容，因为该带电粒子束肯定从其原始轴线偏转并且在给定的固定位置处不可恢复。

生成线性带电粒子束并且设置有调整装置的其他设备是已知的，但是这种调整是对射束的能量进行的，而不是对粒子的电流(量)进行的：

文献ep2592642涉及一种发射带电粒子束的设备，该设备包括能够作为偶极子、四极子和六极子激发的所在地的一系列八极元件(302，304，306，308)，其中，第一两个元件实现射束的高度和能量分散，其中两个芯元件由准直器隔开，准直器设置有槽形孔，该槽形孔使具有给定能量的一部分粒子通过，并且拦截其他粒子。因此，该设备使得可以调整带电粒子束的能量，但是不调整出射射束的强度，出射射束的强度基本保持相同，

此外，文献us8039822涉及一种带电粒子治疗设备，带电粒子治疗设备包括用于生成带电粒子束的加速器，其中被动能量调整器包括吸收元件和控制单元。控制单元适于在加速器中包含的能量的主动调节与能量调整器对被动能量的调整之间进行切换，以将带电粒子束的能量从高能量水平逐步修改为低能量水平。特别地，这导致缩短在能量水平之间切换时的死区时间，但是仍然不能调节出射射束的强度。

文献us9,224,569公开了一种具有气室的高亮度离子源，该气室包括各种隔室，每个隔室都设置有不同的气体。使用偏转板使电子束选择性地通过一个隔室以提供某种类型的离子来处理样品。可以通过将电子引导通过包含不同种类气体的其他隔室来容易地改变所提供的离子种类，以用另一种离子来处理样品。如果所生成的离子的性质快速且容易地改变，则离子种类的数量减少至气室的隔室的数量，并且各种可能离子的可能的不同射束强度也减少至气室中的隔室的数量。该系统不允许所提供的射束的强度连续改变。

因此，还没有找到令人满意的解决方案来连续地调整由提供线性加速器的源发射的带电粒子束的强度。

技术实现要素：

本发明旨在通过提供一种用于调整带电粒子束的强度的设备来解决该问题，该设备包括：

4×n个连续的偏转系统，其中，n＝1或2，其中，偏转系统沿着所述粒子束的轴线a0定位，并且能够使所述束在同一方向上相对于轴线a0偏转，其中，对于两个连续系统，偏转方向交替，

用于针对每个偏转系统2施加偏转所述束的力并且用于改变所施加的力的装置，

具有槽的两个准直器，所述槽具有宽度从中心朝周边增加的开口，两个准直器分别位于第一偏转系统与第二偏转系统之间以及第三偏转系统与第四偏转系统之间，其中，第一准直器的槽沿着平行于偏转轴线的轴线居中，其中，第二准直器的槽的中心轴线沿与所述第一槽相反的方向定向，因此，第一准直器41的槽61的开口面向所述束的发射轴线a0的一侧，并且第二准直器41的槽62的开口面向所述束的发射轴线a0的相反侧，

所述偏转系统对所述粒子束施加电磁力，对于前两个偏转系统，电磁力具有增加的幅度，并且对于后两个偏转系统，电磁力具有减小的幅度。

根据本发明的设备还可以具有以下特征中的一个和/或另一个：

所述偏转系统中的每个偏转系统是电类型的或磁类型的，

当偏转系统是电类型时，每个系统由被提供电位且分别布置在发射轴线a0的两侧的两个平行板组成，

当偏转系统是磁类型时，所述偏转系统中的每个偏转系统由磁偶极子组成，

准直器的槽具有大体v形，v形具有直的相对边缘或弯曲的相对边缘，所述弯曲的相对边缘朝向准直器的其余部分拱起或者朝向由这些边缘限定的空的空间拱起，

每个准直器沿着轴线放置，使得每个准直器的槽被定位在发射轴线a0的一侧，同时相对于这样的轴线a0偏移距离d，

或者，每个准直器沿着轴线放置，使得每个准直器的槽被定位成与发射轴线a0共线，

当设备包括8个偏转系统时，这些系统中的四个系统相对于发射轴线布置成在第一方向上偏转所发射的束，并且这些系统中的四个系统相对于发射轴线布置成在垂直于第一方向的第二方向上偏转所发射的束。

本发明涉及一种用于使用上述设备将沿轴线a0发射的带电粒子束从其发射轴线偏转的方法，其中，对于4n个连续的偏转系统，该方法包括以下步骤：

通过第一偏转系统在给定方向上并且以第一取向施加用于偏转所述束的第一力，

通过第二偏转系统在相同方向上并且以与第一取向相反的取向施加第二偏转力，所述第二偏转力大于第一力，

通过第三束偏转系统在相同方向上并且以第一偏转取向施加用于偏转所述束的第二力，

通过第四偏转系统在相同方向上并且以与第一取向相反的取向施加第一偏转力。

理想地，偏转系统是电类型的，并且每个偏转系统包括平行于轴线a0并且布置在这样的轴线a0的两侧的两个板，其中，施加至同一系统的两个板的电位是对称的或非对称的。

根据另一可能的实施方式，每个偏转系统由布置在轴线(a0)两侧的两个板组成，其中，不同偏转系统的两个或更多个板接地，其中，所述板的偏转系统的偏转所述束的力不同，其中，对施加在下述偏转系统上的每个偏转力应用校正因子(ibu)：所述偏转系统的一个板连接至地以校正所述束的出射角。

根据另一个特征，向一个或更多个偏转系统施加另外的可调偏转力，以校正所述束的出射角。

本发明还涉及一种用于发射具有可调强度的带电粒子束的组件，所述组件沿着所述束的发射轴线a0依次包括：

以发射轴线a0为中心的带电粒子束的发射源，所述发射源优选地是ecr类型，

提取系统，

einzel类型的透镜，

具有圆形中心孔的准直器，

用于在第一准直器的出口处调整所述束的强度的设备，

具有圆形中心孔的第二准直器，

在第二准直器的出口处对粒子进行速度滤波的设备。

附图说明

在参照附图阅读了以下非限制性描述之后，本发明的其他数据、特征和优点将变得明显，附图分别表示：

图1示出了用于发射具有可调强度的带电粒子束的组件的透视图，该组件设置有根据本发明的强度调整设备，

图2示出了图1的调整设备的示意性纵向剖视图，其突出显示了这样的设备的v形槽准直器，

图3示出了针对各种施加电压的与图2的视图类似的四个视图，

图4以曲线图示出了取决于施加至偏转系统的电压u2的在调整设备出口处的粒子束的强度i相对于在入口处的射束强度i0的演变，

图5示出了示出施加有对称电位(5(a))和非对称电位(5(b))的电位线的图2的设备，

图6示出了在对称电位(图6(a))和非对称电位(图6(b))的情况下的射束的发射率，其中，所示的椭圆对应于特定射束线的接受，并且突显了以下事实：使用电位非对称性(同时保持力对称性)可以校正设备的光学像差，以使射束与线的其余部分兼容。

具体实施方式

根据图2，本发明涉及一种用于调整粒子束1的强度的设备。

该设备位于ecr类型的粒子源、提取系统、einzel类型的透镜以及具有在所示的示例中直径为20mm的圆形中心孔的准直器的下游，并且位于具有圆形中心孔的第二准直器以及可选地粒子速度滤波器的上游，所述粒子速度滤波器使得上述这些用于各种应用。

粒子源、提取系统、透镜和第一准直器的组件沿着轴线a0输出具有强度i0的带电粒子束。

根据本发明的用于调整带电粒子束的强度的设备包括：

4×n个偏转系统2，其中，n＝1(或者根据未示出的替选实施方式，n＝2)，其中，两个偏转系统沿着所述粒子束的发射轴线a0定位，

用于针对每个偏转系统2施加偏转射束的力的装置3(仅示意性地示出了这样的装置中的一个)，

具有v形槽的两个准直器41、42，两个准直器分别置于第一偏转系统与第二偏转系统之间以及第三偏转系统与第四偏转系统之间，每个准直器设置有用于使相对于其发射轴线偏转的射束通过的槽61、62，其中，准直器的每个槽61、62的宽度从中心朝周边增加，其中，第一准直器41的槽61置于射束的发射轴线a0的一侧，其中，第二准直器41的槽62置于射束的轴线a0的另一侧，其中，槽的开口彼此沿相反的方向定向。

在图中所示的示例中，根据本发明的设备的偏转系统是静电类型的，并且每个偏转系统由布置在射束的发射轴线a0的两侧的两个平行板7组成。各个系统的板相对于轴线a0平行且等距。在同一系统的两个板7之间施加有电位差ui(具体参见图3)，该电位差ui构成针对射束的偏转力f，该偏转力f使射束沿图3中标记的方向x从原始轨迹a0偏离在该轴线a0的一侧。

还可以使用磁类型的偏转系统，这使得调整适用于高能束并且使得所施加的偏转力将是磁类型的，其中，用与用于电类型的偏转系统的图相同的图示意性地示出这样的替选实施方式。

在该第一示例中，第一系统和第四系统施加的偏转力的绝对值(2u1)相等，并且第二系统和第三系统施加的力的绝对值(2u2)相等，以在设备出口处将射束带回到轴线a0上。

另外，根据该第一示例，电压u1和u2由以下等式约束：

3u1＝u2。

1)当带电粒子束通过第一偏转系统21时，该带电粒子束被由该第一系统施加的偏转力f(u1/-u1)偏转在轴线的一侧(图2的x轴的正侧)。

该偏转使射束处于该射束在其路径中遇到的第一准直器41的槽61的高度。

根据图2，该第一准直器4i在所示示例中具有圆形板的形状，但是当然可以具有其他形状，所述其他形状限定有在准直器垂直于射束的发射轴线a0安装时与射束的发射轴线a0重合的中心c并且设置有大致v形的槽，该槽的尖端在中心c上方并且因此关于发射轴线a0在偏转力的方向上移位距离d。

取决于由第一系统21施加至射束的偏转力f1，射束将或多或少偏转在发射轴线a0的一侧(上方)，并且这样的射束的较大部分或较小部分将通过槽，并且其余部分被第一准直器41的板拦截。

2)离开第一准直器41的偏转射束的一部分然后在第二偏转系统22处打开，第二偏转系统22是偏转力f2(-u2/u2)的所在地，该偏转力f2沿在第一系统的偏转力的方向相反的方向上并且具有比第一系统的偏转力的幅度大的幅度，以用于使这样的射束部分偏转在发射轴线a0的另一侧(下方)。

3)在轴x的负侧的射束部分在第三偏转系统23处打开，该第三偏转系统23是偏转力f3(u2/-u2)的所在地，该偏转力f3在与第二系统的偏转力的方向相反的方向上并且具有相等或等效幅度，以用于使射束部分朝向轴x的另一侧(在保持在负侧的同时朝正侧)偏转靠近轴线a0。

这样的射束部分在第三偏转系统23的出口处遇到设置有v形槽62的第二准直器42，v形槽62的开口与第一准直器的开口相反地定向(即，在所示的示例中，朝向轴x的负侧)，以根据在前系统的偏转力使较多或较少的粒子通过。

4)最后的偏转系统24是偏转力f4(-u1/u1)的所在地，该偏转力f4将通过两个槽61、62的“修整”射束精确地带回初始发射轴线a0。该偏转力f4的方向与由前面偏转系统施加的幅度较小的力相反。

根据图3，由每个偏转系统施加的电位(或施加的射束偏转力)的变化使得可以改变在设备出口处的射束的强度：

在图3(a)的示例中，所有粒子都停止，因为射束的到达点是在每个准直器上(已经通过第一槽61的射束部分不通过第二槽62，而是被准直器42拦截，因为该射束部分在第二槽的上方到达准直器)，

在图3(c)的示例中，几乎所有粒子都通过设备(基本上所有粒子都通过第一槽，并且离开第一准直器的几乎所有射束部分都通过第二槽)，

图3(b)和图3(d)的示例说明了介于情况3(a)与情况3(c)之间的中间情况。

根据图4，可以通过改变强度u2来在设备出口处获得由源发射的射束的在0％与96％之间的带电粒子束强度的变化，其中，在所示的示例中，比例3u1＝u2。

改变电压

根据第二可能实施方式，由四个连续的偏转系统施加的偏转力两两不同：第一系统为2u1，第二系统为2u2，第三系统为2u3，第四系统为2u4，其中，对于每个系统，两个板小于或大于绝对值相等且方向相反的电位。

例如，电压u1、u2、u3、u4可以通过以下关系来约束：

u2＝-u*u2a+u2b+b*u

u3＝u*u3a+u3b+b*u

其中：

u是挡板的电压参数，以伏特为单位，

k是无量纲系数，它表示两个外板21、24之间施加的电压与两个内板22、23之间施加的电压之间的正比，

u1a、u2a、u3a、u4a、u1b、u2b、u3b、u4b、b、d是校正因子，以伏特为单位。

其中，系数k＝3，射束必须在无移位或偏转的情况下离开挡板。为此，u1a、u2a、u2a、u2a各自被设置为等于1，并且u1b、u2b、u3b、u4b、b、d被设置为0。

如上所述，通过由具有v形槽的准直器部分地拦截射束来获得强度调整。拦截的幅度取决于偏转，偏转本身取决于所考虑的挡板21的电压。对于相同的电压参数u，校正因子u1a、u2a、u3a、u4a、u1b、u2b、u3b、u4b、b、d相同。例如，这些校正因子可以被设置为：

k在2.5与3.5之间；u1a、u2a、u3a、u4a在0与2之间；u1b、u2b、u3b、u4b在-1,000v与+1,000v之间，b、d在0与2之间。

改变槽的形状

此外，可以改变槽的形状以改变调整行为(例如通过使调整对于低电流更精确)。因此，槽的相对边可以是直的或不是直的，其中，曲线朝向准直器的实心部分拱起，或者相反朝向槽的空的空间拱起。每个准直器的槽被设置成相对于中心c偏移，以在偏转系统未通电时切断输出射束。

例如，槽可以被提供如下：

对于低强度，灵敏度更高，

范围从2μa到200μa，准确度为2％，

感兴趣的是对于低强度具有低变形的曲线，这导致在中心处具有几乎径向斜面并且具有朝向周边增加的开口的扩口的槽轮廓，

或者使槽朝向周边闭合以用于限制强度，

或者偏移在中心下方，以在即使没有电位施加至板时也能确保最小强度。

调整设备可以耦合至位于最后的偏转系统下游的(法拉第笼或非交叉测量类型的)电流测量系统，以通过作用于由偏转系统施加的偏转力的控制环路来执行对电流的微调。

按照图5(a)，施加至同一偏转系统的偏转板的电位可以是对称的，以限制电源的数量(图6a中可见的收集的射束强度)。

反之，同一系统的两个板使用非对称电位(图5(b))是可能的：系统22和23的两个板的电位的绝对值分别高达3,500v和6,500v)，这样使在出口处能够实现更好的射束特性，然后这在给定区域内完全适合(发射率和像差的限制，参见图6b)。

入射射束相对于轴线a0偏转的情况

如果存在在射束上的入射角、机械结构的未对准或者场不对称——这涉及到射束相对于轴线a0以角度α(u)离开挡板的结构的，则需要替选实施方式。射束的出射角α(u)可以是挡板的参数u的函数并且因此不是恒定的。

本发明使得可以通过破坏施加至挡板的电压的对称性来瞬时校正该偏转角。这可以通过将具有不同电压u1、u2、u3或u4的两个或更多个板接地并且通过分别改变相应的校正因子u1b、u2b、u3b和u4b来实现。

在挡板的改进配置中，每个电压u1、u2、u3和u4必须保持施加至至少一个板。

可以针对挡板的参数u的每个设定点、通过实验确定校正因子的值。

因此，通过i(u,uib)来描述改进的挡板对强度的调整，其中，uib是板中之一已经接地的相应电压ui的校正因子，其中i＝1,2,3,4。

作为替选实施方式，可以通过向一个或更多个板施加另外的单独可调电压而不是将其接地来校正出射角。

用于挡板的该实施方式的公式

将板中之一接地需要将相对板的电压加倍，以引导射束通过挡板。用于挡板的常规公式可以被修改如下：

u1'＝2*u1，如果上板24或下板21接地。

u2'＝2*u2，如果上板23或下板22接地。

u3'＝2*u3，如果上板22或下板23接地。

u4'＝2*u4，如果上板21或下板24接地。

改进的挡板的一个可能的实际实施方式是将上板21和24接地并且将压u1和u4加倍。可以通过根据挡板参数u:u1b(u)修改u1b来校正由挡板引入的方向。在这种情况下，通过i(u,u1b(u))来定义改进的挡板对强度的调整。

例如，对于该实施方式并且利用该特定结构，针对在1μa与300μa之间的范围内的一些测量强度，已得到以下参数(u1a＝2，u2a＝1，u3a＝1，u4a＝2，b＝d＝0，k＝2.7是恒定的)。

利用这些值，在射束轴线上在测量平面的位置处找到射束的中心。

为了不间断地覆盖整个间隔，需要找到校正因子与挡板电压之间的关系u1b(u)。通常，需要找到所有关系uib(u)，其中i＝1,2,3,4。

应该注意的是，挡板的参数和校正因子没有通用值，并且对于其他设施可以是不同的。

将下板接地得到相同的结果。

还可以以相反的顺序施加电压，并且还可以反转准直器的方向和所施加的电压的符号。用于改进的挡板的公式保持不变。

八个偏转系统的情况

此外，根据本发明的设备可以包括另外一组如上所述的四个偏转系统，其将在图2中示意性示出的方向y上调整粒子的强度。这样的偏转系统的板则将垂直于第一组偏转系统的板。

设备的可能尺寸

长80cm；板为15cm×10cm；板间距离为8cm；两个连续板之间的距离为3cm至4cm；槽的边为4cm，开口角度为60°。

可能的应用

质子治疗、强子治疗：用于例如肿瘤的每个体素的受控辐射。

更具体地，本发明在质子治疗——尤其是使用线性加速器来加速质子束、并且特别是使用脉冲质子束的质子治疗——中得到应用，其中，本发明可以用于调整或改变用于放射疗法治疗的质子束的强度。

离子注入：根据扫描来调整局部注入的剂量。

光谱测定：避免使检测器饱和

微蚀刻：在扫描期间调整蚀刻的局部功效。