专利名称：用于以回旋加速器生产粒子束的内部双离子源的制作方法
技术领域：
本发明涉及回旋加速器领域。更特别地，本发明涉及用于回旋加速器的内部离子 源组件。
背景技术：
回旋加速器是再循环粒子加速器，其工作于高真空之下并且在该加速器中由离子 源产生的带电粒子以圆周运动来加速。这一方面通过使用引起来自所述源的粒子沿着在垂 直于磁场的平面内的圆形路径前进的磁场，并且另一方面通过使用施加于所谓D形电极的 高频交变电压来实现，所述D形电极赋予穿过它的粒子以能量的增加。内部离子源典型地包括圆柱形腔室或离子源主体。电场被创建于阴极和阳极之 间。阴极产生电子并且电子沿着描绘出使电子从一个阴极到另一个行进得非常长的非常小 的螺旋状路径的回旋加速器的磁场线前进。气体(典型为氦气或另外的气体，取决于粒子 束所希望的粒子)被注入所述离子源的内部。电子在它们的行进期间损失它们的部分能量 于气体中并且造成电离，电离结果形成等离子体柱。离子源能够产生带负电的和/或带正 电的粒子。某些回旋加速器模型被设计具有内部离子源，而其他回旋加速器模型则被设计具 有外部离子源。在装备有内部离子源的回旋加速器中，离子源位于回旋加速器所谓的中心区之 内。由所述离子源产生的离子被通过缝隙从离子源主体内直接抽取出并且由施加于离子源 主体与称为拉引器的电极之间的电压差从所述缝隙中牵引出，其中所述电极由电源被加偏 压以处于交变电位。在从离子源中抽取出之后，离子移动穿过典型称为D形电极的电极。 回旋加速器还包括产生用于在圆形路径中引导和约束粒子的磁场(垂直于粒子的方向) 的电磁体；以及能够将交变电压施加于所述D形电极并且因此使产生于所述D形电极之间 的间隙内的电场的极性快速交变的高频电源。由于在D形电极内部不存在电场，因而行进 穿过D形电极的粒子不受电场影响。因而，如果施加于D形电极的电场在粒子处于D形电 极内部时被反转，则每次粒子穿过该间隙时，它们就通过获得能量而愈加得到沿着螺旋形 路径的加速。某些回旋加速器被设计用于加速带正电的离子，而其他回旋加速器则被优化 用于加速带负电的离子。在所述螺旋形路径的末端存在用来抽取所加速的负电离子(例如 Η")的抽取部件，例如碳脱离器。当正电离子已经被加速时，静电偏转器被用来实现从回旋 加速器中抽取粒子。在具有外部离子源的回旋加速器中，由所述离子源生成的离子被首先从外部离子 源传送到所述回旋加速器之内并且然后被偏转以与具有内部源的回旋加速器的情形一样 进行加速。与具有内部离子源的回旋加速器相比，具有外部离子源的回旋加速器的优点在 于离子源容易接近以进行维护工作，同时真空条件始终得以维持。在回旋加速器中的内部 离子源是易碎的以及由于磨损需要定期更换。更换内部离子源是麻烦的且耗时的中断真 空，打开粒子加速器，更换离子源，关闭粒子加速器以及对粒子加速器进行抽气直到获得好的真空。当回旋加速器被用于在商业上生产放射性药物同位素(例如，PET或SPECT同位 素)时，射束生产的可用时间(uptime)和可靠性变成了重要及关键的因素。为了增加可用 时间和可靠性，则要安装回旋加速器的冗余设备和系统(例如，使用多脱离器元件来抽取 H_射束)。实际上，内部离子源是回旋加速器中唯一不冗余的基本元件。而且，在内部离子 源需要更换时的维护过程中，执行维护的人员被暴露于活化材料的辐射之下。因此，对于具 有内部离子源的回旋加速器，万一内部离子源在用于放射性药物用途的同位素的生产期间 失效，尤其是对于生产短寿命同位素(例如，18F半衰期=110分钟)的回旋加速器，则需要 提供有效且快速的后备解决方案。Conard等人，在“ IBA的回旋加速器开发现状和未来(Current Status and future of cyclotron development at IBA) ”(EPAC 会议学报，法国，尼斯(1990))中描述了生产 质子和氘核这两种粒子的两种回旋加速器Cyclone 10/5和Cyclone 18/9。两种内部冷阴 极PIG类型的离子源被使用于这种用途。两个离子源集成于同一回旋加速器中用于生产两 种不同粒子，这在技术上能够实现，因为粒子的不同物理性质由于质量差异，粒子具有不 同的磁刚度并且因而粒子经历不同的弯曲。对于质子和氘核，这些回旋加速器分别工作于 谐波2和4。这些不同的性质允许将两个离子源安装于在回旋加速器的中心区内界定清晰 的几何构型中以便不同粒子的射束路径在加速的首次回转期间没有干扰或碰撞一个或另 一个离子源。对于这些回旋加速器，根据放射性同位素生产的需要来生产质子或氘核束是 可能的。但是，在大部分实际情形中需要具有尽可能好的可用时间的单一类型的射束来生 产放射性同位素(例如，质子用于通过反应18O (p，n) 18F来生产18F)。目前，迄今为止还没有人提出实际的解决方案以一方面增加具有内部离子源的回 旋加速器的可用时间和工作可靠性以及另一方面减少人员在维护过程中的辐射暴露。本发 明旨在提供以上讨论的维护和射束的可用时间的问题的解决方案。发明目的本发明旨在提供克服现有技术的问题的设备。特别地，本发明旨在提供将用于生产相同粒子的两个独立离子源集成于回旋加速 器的中心区内的所谓的“双(TWIN)”离子源系统。
发明内容
根据本发明的优选实施例，本发明提供了用于产生粒子束的回旋加速器，如同在 所附的权利要求中描述的。具体实施例通过将独立的权利要求与一个或多个从属的权利要 求结合来描述。根据本发明的回旋加速器包括·用于产生粒子离子的第一内部离子源(1)；·由用于加速所述粒子离子的间隙(5)使其彼此隔开的D形电极组件(3)和反D 形电极组件(4)；所述反D形电极(4)优选接地或者一般地可连接至参考电压；组件可以分 别包括一个或多个D形电极和反D形电极。·发生器，该发生器能够将交变高压施加于所述D形电极组件(3)，使得在所述间 隙之间(即之中)有可能具有电场；·用于产生磁场垂直穿过D形电极以引起粒子离子盘旋以及多次遇到所述D形电极组件的加速电压的装置；·用于象所述第一内部离子源(1)那样产生相同的粒子离子的第二内部离子源 (2),其中所述回旋加速器能够生成由第一内部离子源或第二内部离子源或者同时由 这两个离子源产生的高能粒子束。此外，根据优选的实施例，回旋加速器的特征在于相对于中心垂直轴的双重旋转 对称。中心垂直轴被定义为穿过回旋加速器的中心并且与回旋加速器内的磁场取向平行的 轴。根据另一实施例，源被布置于与中心轴基本上相同的距离但是不一定相对于中心轴对 称。根据一种实施例，回旋加速器的特征还在于回旋加速器的中心区内的不同元件的 最优的紧密的几何图形。第一内部离子源(1)与第二内部离子源(2)相对于中心垂直轴的 距离被最小化以避免在加速的首次回转期间的粒子损失。根据该实施例，所述第一内部离 子源(1)和所述第二内部离子源( 相对于所述中心垂直轴的距离被减小以便增大在来自 所述第一 /第二内部离子源的行进180°之后的射束与所述第二 /第一内部离子源之间的 距离，由此在加速的首次回转期间的粒子损失得以最小化。换言之，将源定位于技术上可能 的最小距离处以便确保在由一个源产生的粒子与另一个源的主体之间没有碰撞。当源相对 于回旋加速器的中心轴对称地布置时，可能的碰撞会在粒子已经从一个源到另一个源行进 180°时发生。在技术上最小的可能距离取决于源和电极的形状，以及可以由在粒子源和D 形电极之间最小的必要距离所确定。根据另一实施例，本发明的回旋加速器的特征还在于调整和最优化第一内部离子 源(1)和第二内部离子源O)的形状以避免在加速的首次回转期间的粒子损失。根据该实 施例，所述第一内部离子源(1)和所述第二内部离子源O)的主体包括在所述主体外围的 取向远离所述回旋加速器的中心垂直轴的凹口(40)。所述凹口被布置以避免由一个源产生 的粒子与另一个源的主体的碰撞。根据又一种实施例，回旋加速器的特征在于调整和最优化反D形电极组件的 形状，以及可能还有D形电极组件的形状，以便改善在间隙(5)中间的加速场。根据该实施 例，所述反D形电极组件(4)中在所述粒子束横越所述间隙(5)的位置的拐角被减少，由此 在间隙内的所述电场的场质量得以改善。换言之，反D形电极(4)组件，以及可能还有D形 电极组件(3)，按照粒子横越间隙(5)发生于其中在所述间隙(5)内没有拐角或弯曲的区域 内这样的方式来配置。
图1示出了根据本发明的回旋加速器的中心区的表示(在回旋加速器的正中面上 的投影)。图2示出了根据本发明的同一回旋加速器的中心区的三维表示。图3示出了内部离子源的工作原理的示意性表示，典型的内部离子源的主体的透 视图，以及离子源部分的顶视图。图4示出了第二离子源的离子的回转图形，说明离子在第一回转期间由与第一离 子源的碰撞所致的损失。
图5示出了第二离子源的离子的回转图形，其中第一和第二离子源的背面已经被
重塑形。图6示出了根据本发明的最优的中心区构型的第二离子源的离子的回转图形。图7示出了根据本发明的内部离子源部分的透视图和顶视图。
具体实施例方式现在，本发明将相对于附图详细地描述。但是，很明显本领域技术人员可以理解几 种等价的实施例或者实施本发明的其他方式。给出了关于在ISMeV的回旋加速器中的两个 内部H-质子离子源的装配的详细描述、附图和计算结果。很明显，本发明能够应用于任意 类型的回旋加速器。因此，本发明的精神和范围仅由权利要求书的范围所限定。图1示出了本发明的优选实施例的回旋加速器的中心区的表示。该回旋加速器的 中心区包括·用于生产带电离子的第一离子源(1)·用于生产带电粒子的第二离子源O)，第二离子源(2)与第一离子源(1)相同 与高频功率发生器连接的D形电极组件(3)，其中该高频发生器能够将交变高压 施加于所述D形电极(3) 接地并且与D形电极(3) —起加速穿过间隙(5)的粒子的反D形电极组件⑷。D形电极被布置为具有两个侧面部分3的单一电极，而反D形电极则被布置为具有 四个子部分4的组件。具有一个或多个D形和反D形的组件的其他布局为本领域技术人员 所了解，并且由此包含于本发明的范围之内。具有两个内部离子源的回旋加速器，如图1和图2所示，具有相对于中心垂直轴的 双重旋转对称。中心轴在此被定义为穿过回旋加速器的中心并且与磁场的取向平行的轴。 离子源被安装于相对于中心轴的径向方向上。回旋加速器能够或者通过使用第一离子源(1)或者通过使用第二离子源(2)，或 者通过同时使用这两个离子源来生成高能质子束。典型位于粒子加速器的中心的离子源(1或2)产生由在离子源主体和拉引器之间 创建的电场从离子源中牵引出的低能离子。离子被加速至D形电极(3)，这时由于电场而横 越D形电极(3)与反D形(4)之间的第一间隙(5)。根据优选的实施例，所使用的离子源的类型是如图3所示的冷阴极PIG离子源。 离子源被用气体(例如氢气)馈送。使用电源(12)在阳极(11)和阴极(10)之间创建电 势。电子从阴极中发射出并且等离子体(13)被创造于离子源的所谓囱罩(chimney)之内， 在此，电子约束通过使用回旋加速器的磁场B来建立。离子通过抽取孔(14)来抽取。典型 的离子源20的主体的三维视图与顶部25视图(在安装于回旋加速器内时沿着垂直于磁场 方向的平面的截面)一起同样示出于图3上。由于两个离子源当的粒子是相同的，因而射束光学是正好相同的，即粒子具有相 同的磁刚度并且将具有相同的曲率半径。因此，来源于第一离子源的粒子在加速的首次回 转期间通常会碰撞第二离子源。这被示出于图4中，其中图4是焦点在中心区上的回旋加 速器的正中面视图。出发点是现有的具有两个内部离子源的回旋加速器构型一个用于质 子以及一个用于氘核(提供ISMeV的质子和9MeV的氘核的射束)。氘核离子源由与第一质子离子源相同的质子离子源所替换。第一离子源1和第二离子源2被示出于图4上并且具 有如图3 05)所示的形状。来自第二质子离子源O)的质子的加速和回转图形被算出并示 出于图4上，平面圆形和平面方形分别表示D形电压C3)为最大值和为O时的质子的位置。 可以看出，离子碰撞上定位于180°的第一离子源(1)的背面，因此所有射束在加速的首次 回转期间就均已损失。尽管双离子源解决方案对于质子/氘核回旋加速器构型行得通，但 是氘核离子源由质子离子源简单替换行不通。将两个离子源集成于同一回旋加速器内用于 生产两种不同的粒子，这在技术上能够实现，因为粒子的不同物理性质由于质量差异，粒 子具有不同的磁刚度并且因此粒子具有不同的曲率半径。在回旋加速器的研究和发展领域内，将两个内部离子源安装于同一回旋加速器内 用于生产相同的粒子(例如质子)的想法还从未有人设想过。确实，内部离子源是加速及 磁性结构的集成部分。由于两个离子源的粒子是相同的，射束光学也正好相同，即粒子具有 相同的磁刚度并且将具有相同的曲率半径。因此，来源于第一离子源的粒子在加速的首次 回转期间通常会碰撞上第二离子源。另外，离子源还具有特定的物理尺寸，这使得将生产相 同粒子的两个离子源集成于回旋加速器的中心区内并不简单并且甚至从未被考虑过。为了解决将两个相同的离子源安装于同一回旋加速器内的技术问题，迭代处理被 启动以最优化回旋加速器的中心区。通常根据本发明，在施加给定的磁场和加速电压时，源 按照由一个源产生的粒子没有被另一个源的主体所阻挡这样的方式来布置。首次优化是要 修改离子源(1和2、的形状以进一步确保射束在没有干扰(即碰撞)第二离子源的情况 下进行其首次回转。关于粒子轨迹的新的计算被进行并示出于图5中。通过剪切离子源 主体的背面，即通过在离子源的主体中创建凹口，由第一离子源产生的射束能够绕过(pass around)第二离子源。由于双离子源构型的对称性，由第二离子源产生的射束将同样绕过第 一离子源。为了进一步优化根据本发明的优选实施例的回旋加速器的中心区，能够进行两个 附加的修改，尽管这些修改也能够独立于凹口实施例进行。第一个修改是朝着中心移动两 个离子源使得所述第一内部离子源1和所述第二内部离子源2相对于中心垂直轴的距离被 减小以便增加在来自所述第一 /第二内部离子源的行进了 180°之后的射束与所述第二 / 第一内部离子源之间的距离，由此在加速的首次回转期间的粒子损失得以最小化。优选地， 使源达到鉴于离子源的尺寸在技术上是可能的最紧密的几何图形。“在技术上可能”考虑到 了两个离子源必须距D形电极(3) —段距离的事实，所述距离的存在使得在源(1，2)与D 形电极⑶之间的电场能够加速射束。此外，两个离子源不能够被并排地布置于电场之内。 否则，粒子会被不同地加速以及它们不能够具有相同的曲率半径。如同能够在图6中看出 的，在轨道与第二离子源之间的空隙与图5比较时已经增大(从大约3mm到大约8mm)。能够进行的第二个修改是修改反D形(4)的形状以便去除加速间隙内的在(即远 离)轨道横越的位置处的拐角。可在图5中看出，在第二、第三和第五间隙横越时，粒子靠 近于加速间隙几何图形内的弯曲或拐角通过。反D形的形状的修改的结果被示出于图 6上粒子横越间隙5发生于在所述间隙内没有拐角或弯曲的区域。优选地，这些是边缘是 直的和平行的区域，如同在图中所看出的。通过这种方式，在轨道横越处的间隙的几何图形 在场质量方面得以提高，因为不再有场不均性由D形电极和反D形电极的拐角(6)所引起 并且场是更均勻的。可能需要不仅调整一个或多个反D形电极的几何图形，而且调整整一个或多个D形电极(3)的几何图形，以便获得这种最优的间隙几何图形。在图6示出了计算结果之后，具有专用形状的离子源被设计并且三维视图被示出 于图7(30)上。顶视图(35)示出了已经被设计以一方面避免离子在加速的首次回转期间 碰撞上离子源的背面以及另一方面允许离子源适合回旋加速器的中心区内的紧密的几何 形状的专用形状。在图7(35)上示出的最优的专用形状与在图3 05)上示出的标准的离子 源形状明显不同。虚线38(图7)表示在图3中表示的标准离子源的标准形状。与标准离 子源形状相比，凹口 GO)被创建于离子源的背面上。在图7上的打叉区域00)表示凹口。 该凹口 GO)增大了在用第一 /第二离子源产生的行进了 180°之后的射束与第二 /第一离 子源的主体之间的距离。根据本发明的优选实施例，从第一离子源切换到第二离子源或相反是完全自动的 并且能够由回旋加速器控制系统的用户界面执行。因此，通过使用本发明可获得许多优点。实际上，本发明的实施例的特征在于以下 优点·射束的可用时间以及射束生产的可靠性的极大增加。在生产期间切换到第二备 用离子源是简单的、快速的并且能够是完全自动的。 减少的维护。由于双离子源系统，整体离子源寿命大大延长并且因此维护干预的 数量减少并且人员的辐射暴露得以进一步限制。
权利要求
1.一种用于生成粒子束的回旋加速器，所述回旋加速器包括 用于产生粒子离子的第一内部离子源(1)； D形电极组件(3)和反D形电极组件(4)，由用于加速所述粒子离子的间隙(5)彼此 隔开； 发生器，能够将交变高压施加于所述D形电极(3)以在所述间隙内产生电场； 用于产生垂直穿过所述D形电极的磁场以引起所述粒子离子盘旋以及遇到所述D形 电极组件的加速电压的装置；其特征在于所述回旋加速器包括第二内部离子源O)，所述第二内部离子源( 被配 置以产生与所述第一内部离子源(1)相同的粒子离子，由此所述回旋加速器被配置以生成 或者由所述第一内部离子源(1)或者由所述第二内部离子源0)，或者同时由这两个离子 源产生的高能粒子束。
2.根据权利要求1的回旋加速器，其特征在于所述回旋加速器具有相对于中心垂直轴 的双重旋转对称，所述中心垂直轴被定义为穿过所述回旋加速器的中心的以及与所述磁场 的取向平行的轴。
3.根据以上任一权利要求的回旋加速器，其特征还在于所述第一内部离子源(1)和 所述第二内部离子源O)的主体包括在所述主体的外围处的取向远离所述回旋加速器的 中心垂直轴的凹口(40)，所述凹口被布置以避免由一个源产生的粒子与另一个源的主体碰撞。
4.根据以上任一权利要求的回旋加速器，其特征还在于所述第一内部离子源(1)和所 述第二内部离子源(2)相对于所述中心垂直轴的距离是技术上可能的最小距离。
5.根据以上任一权利要求的回旋加速器，其特征还在于所述反D形电极(4)组件被配 置成使得粒子对所述间隙(5)的横越发生于在所述间隙(5)中没有拐角或弯曲的区域处。
6.根据权利要求5的回旋加速器，其中所述反D形电极组件和D形电极组件被配置成 使得粒子对所述间隙(5)的横越发生于在所述间隙(5)中没有拐角或弯曲的区域处。
全文摘要
本发明涉及包含用于生产相同粒子的两个内部离子源(1，2)的回旋加速器。第二离子源能够被用作后备离子源，这大大提高了回旋加速器的可用时间和可靠性并且减少了维护干预。有利地，回旋加速器的特征还在于回旋加速器内的不同元件的最优化的紧密几何图形。本发明的回旋加速器的特征还可以在于调整和最优化第一和第二内部离子源的形状以避免在加速的首次回转期间的粒子损失。回旋加速器的特征还可以在于调整和最优化反D形电极组件(4)的形状以及可能还有D形电极组件以便改进在间隙(5)中间的加速场。
文档编号H05H13/00GK102100128SQ200980128125
公开日2011年6月15日 申请日期2009年5月29日 优先权日2008年6月9日
发明者M·吉约特, M·阿比斯, W·克里文 申请人:离子束应用股份有限公司