專利名稱：離子源及其電極以及將待電離的氣體導(dǎo)入離子源的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生粒子束的離子源以及用于這種離子源的電極。本發(fā)明此 外還涉及將待電離的氣體導(dǎo)入這種離子源的方法。
背景技術(shù)：
尤其在對癌癥進(jìn)行粒子治療時，例如由質(zhì)子或重離子，例如碳離子，產(chǎn)生粒子束。 粒子束在加速器中產(chǎn)生，被導(dǎo)向治療室并經(jīng)過出口窗進(jìn)入治療室。按一種特殊的設(shè)計，來自 加速器的粒子束可以交替地導(dǎo)向不同的治療室。在治療室內(nèi)要治療的病人例如定位在病人 臥臺上以及必要時使之固定不動。為產(chǎn)生粒子束，加速系統(tǒng)含有離子源，例如電子回旋共振離子源(EZR-離子源)。 在離子源內(nèi)產(chǎn)生有規(guī)定能量分布的自由離子定向運動，此時離子的逸出能量是非常精確 的。在這里，正電荷離子，如質(zhì)子或碳離子，理想地用于放射某些特定的腫瘤。其原因在于， 它們借助加速器可以具有高的能量，而它們又重新將其能量非常精確地釋放到身體組織 中。在離子源中產(chǎn)生的粒子在環(huán)形加速器內(nèi)以超過50MeV/u的能量在一個圓形軌道上循 環(huán)。因此為治療提供一種有事先準(zhǔn)確規(guī)定的能量、聚焦和強(qiáng)度的脈沖式或連續(xù)的粒子束。離子源包含用于電離工作氣體的等離子體腔，在所述等離子體腔中為真空。圍繞 等離子體腔同心地布設(shè)了成形和保持等離子體的永磁體。待電離的氣體通過連接件被供入 到等離子體腔中。位于對輸入的氣體進(jìn)行電離的等離子體腔中的自由的電子，通過微波射 線進(jìn)行加速。所述微波射線通過布設(shè)在連接件中的空心導(dǎo)體，同樣被導(dǎo)入等離子體腔中。此 外，電極、即所謂的偏置電極穿過所述連接件朝等離子體腔的方向延伸，所述電極相對于等 離子體腔的殼體而言帶負(fù)電荷并且從等離子體腔中離析出自由的電子，并且將這些自由的 電子以此鎖閉在等離子體腔內(nèi)。電子通過碰沖電離在等離子體腔內(nèi)產(chǎn)生離子(等離子體)。在連接件上，垂直于電極布設(shè)著連接缸，在所述連接缸旁側(cè)向延伸一管件。通過所 述管件，待電離的氣體通過其出口對準(zhǔn)連接件方向的彎曲的氣體管道，到達(dá)連接件，并且從 這兒出發(fā)經(jīng)空心導(dǎo)體到達(dá)等離子體腔。在連接缸上設(shè)有真空泵，以便引導(dǎo)未到達(dá)等離子體 腔的氣體。上述的用于將氣體導(dǎo)入等離子體腔的裝置具有一系列的缺點。氣體管道的直徑， 在不同的部段上變化得非常厲害，從而形成了氣流的死區(qū)。因為由此明顯地延長了一些氣 體微團(tuán)的停留時間，所以工作氣體的變換可能持續(xù)數(shù)分鐘。為此將氣體從氣體管道中直接 經(jīng)真空泵導(dǎo)入連接缸中，從而使大部分氣體被吸入，而不到達(dá)等離子體腔。到達(dá)等離子體腔 的氣體份額，取決于真空泵的效率且只可以估計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，實現(xiàn)有效地輸送氣體以及在變換離子源的工作氣 體時能夠具有快速的反應(yīng)時間。該技術(shù)問題按照本發(fā)明是通過一種用于產(chǎn)生粒子束的離子源加以解決的，所述離子源包含等離子體腔和延伸到所述等離子體腔的電極，其中用于待電離的氣體的氣體管 道，平行于電極地沿電極的全長延伸。所述電極在此處涉及一種相對于離子源電壓而言帶負(fù)電荷的偏置電極，它被用于 對釋放在等離子體腔中的電子進(jìn)行離析。本發(fā)明以下列思想為出發(fā)點，S卩，通過將待電離的氣體盡可能多地導(dǎo)入離子源中 的方式，獲得特別有效的氣體輸送，從而使待電離的氣體在等離子體腔附近從氣體管道中 流出，并以此使絕大部分的氣體微團(tuán)到達(dá)等離子體腔中。為了實現(xiàn)這一點，氣體不是“從下 面”經(jīng)由用于真空泵的連接缸被導(dǎo)入的，氣體管道而是從另一側(cè)，即在電極區(qū)域被引入的， 并且在離子源中具有平行于電極的筆直的走向，也就是說，氣流在離子源內(nèi)是無轉(zhuǎn)向地流 動的。因為氣體管道是筆直的，所以尤其便于在技術(shù)上加以實現(xiàn)并且安裝到離子源中。除 此以外，氣體管道尤其具有基本上恒定不變的橫截面，因而不產(chǎn)生死區(qū)。此外，氣體管道沿 電極的全長延伸，從而使氣流至少如電極延伸那么深地被導(dǎo)入離子源中。氣體管道此時通 向等離子體腔附近，氣體的輸送因而沒有因為真空泵的運行而受到妨礙，并且從輸入的氣 體中產(chǎn)生離子的效率獲得了明顯的改善。通過將氣體管道優(yōu)選布設(shè)在電極管內(nèi)的方法，獲得設(shè)計上尤其簡單的結(jié)構(gòu)形式。 因為電極基本上被設(shè)計成空心體，通過將氣體管道敷設(shè)在電極管內(nèi)的方法，實現(xiàn)良好的空 間利用率。此時在離子源上不需要為了穿過氣體管道而開設(shè)附加的孔。優(yōu)選將氣體管道布設(shè)得相對于電極同心。鑒于在離析來自等離子體腔的電子時的 尤其高的效率，使電極沿等離子體腔的對稱軸延伸。在相對于電極同心地布設(shè)氣體管道時， 氣體管道也沿等離子體腔的對稱軸延伸，從而使氣體可以居中地流入等離子體腔中。通過優(yōu)選使電極具有連接法蘭、而所述連接法蘭具有用于連接氣體管道和供氣管 路的氣體連接端的方法，實現(xiàn)無轉(zhuǎn)向的氣體流動，其中所述氣體連接端對準(zhǔn)氣體管道。這就 意味著，氣體連接端與氣體管道處于一條直線上，并且只有可分離的供氣管路，或許才具有 曲率，其中來自氣體蓄儲器的氣體通過所述可分離的供氣管路，到達(dá)氣體管道并進(jìn)而到達(dá) 離子源中。按照一種優(yōu)選的實施方式，電極管可被冷卻劑穿流且具有用于冷卻劑的回流管 路，在所述回流管路中布設(shè)了氣體管道。為了達(dá)到冷卻的目的，在連接法蘭區(qū)域?qū)⒉粚?dǎo)電的 冷卻劑，例如去離子的水或者油，輸送到電極管中，其中冷卻劑朝緊貼等離子體腔的電極頭 的方向流動。在所述電極頭區(qū)域，開設(shè)回流管路的孔，上面述及的冷卻液流入所述孔中并且 在位于連接法蘭區(qū)域的回流管路的另一端，從電極中流出。優(yōu)選將氣體管道布設(shè)得相對于環(huán)形的回流管路同心，以及將回流管路布設(shè)得相對 于電極管同心。為了在電極管的徑向產(chǎn)生均勻的溫度分布，常常將回流管路布設(shè)得相對于 電極管同心。鑒于氣體管道相對于電極管的對稱布置，因而將氣體管道布設(shè)在回流管路內(nèi) 是尤其有利的。按照另一種優(yōu)選的實施方式，連接法蘭具有用于導(dǎo)入冷卻劑的第一連接端以及用 于排出冷卻劑的第二連接端，并且氣體連接端被布設(shè)在其中一個連接端上。此時在連接法 蘭區(qū)域不需要開設(shè)附加的孔，來構(gòu)成氣體連接端且將氣體管道導(dǎo)入離子源的連接件中。有利地使電極管的端面設(shè)有用于待電離的氣體的排放口。所述排放口因而對準(zhǔn)等 離子體腔，從而使工作氣體在離開電極管之后，同樣直接地且不轉(zhuǎn)向地匯流到等離子體腔中。按照一種優(yōu)選的實施方案，電極管具有可更換的電極頭，在所述電極頭中設(shè)有排 放口。因為當(dāng)離子腔工作時，電極頭常常被它所遭受的高溫?fù)p壞，所以將該電極頭設(shè)計成可 更換的且通過螺紋固定在電極管上。電極頭通常具有敞口的端面，氣體管道的排放口因而 尤其通過電極頭敞口的端面構(gòu)成。按照另一種優(yōu)選的實施方案，在電極管和可更換的電極頭之間布設(shè)聯(lián)接件，在所 述聯(lián)接件中設(shè)有孔。電極管和電極頭雙方都被設(shè)計成空心體，但是布設(shè)在兩者之間的聯(lián)接 件通常是個實心體。為了能夠穿過聯(lián)接件輸送氣流，因此設(shè)計一種尤其居中地分布的孔。冷 卻劑的液流在電極的縱向被聯(lián)接件所限制。為了使冷卻劑可以通過孔而不從電極中流出， 氣體管道觸點接通聯(lián)接件或者伸入到所述孔中，其中氣體管道和聯(lián)接件之間的接觸區(qū)域被 密封。上述技術(shù)問題按照本發(fā)明此外還通過一種用于離子源的電極加以解決，所述電極 包含連接法蘭和電極管，其中在所述連接法蘭上設(shè)有用于氣體管道的氣體連接端，所述氣 體管道沿電極管的全長延伸。針對離子源所列舉的優(yōu)點以及優(yōu)選的實施方式，大體上可推廣到電極上。有利地將氣體管道布設(shè)得相對于電極管同心。此外，電極管可被冷卻劑穿流且具 有用于冷卻劑的回流管路，在所述回流管路中布設(shè)氣體管道，也是有利的。上述技術(shù)問題按照本發(fā)明此外還通過一種將待電離的氣體導(dǎo)入用于產(chǎn)生粒子束 的離子源中的方法加以解決，其中所述離子源包含等離子體腔和延伸到等離子體腔的電 極，并且此時氣體平行于電極地沿電極的全長且尤其在電極內(nèi)被導(dǎo)入等離子體腔中。


借助附圖對本發(fā)明的實施例予以詳細(xì)說明。其中圖1示出了用于產(chǎn)生粒子束的離子源的局部縱向剖面圖，圖2示出了圖1中的剖切局部II的放大圖，以及圖3示出了沿圖1中的剖切線III剖開示出的橫截面示意圖。在所有的附圖中相互對應(yīng)且作用相同的零件用相同的附圖標(biāo)記標(biāo)注。
具體實施例方式在圖1中示出用于產(chǎn)生粒子束的離子源2，它是未詳細(xì)示出的微粒治療設(shè)備的一 部分。所述離子源2包含等離子體腔4，在所述等離子體腔4中，通過工作氣體的電離產(chǎn)生 粒子束。待電離的氣體借助于氣體管道6被導(dǎo)入等離子體腔4中。所述氣體管道6在此沿 電極8延伸，所述電極8被設(shè)計用于對等離子體腔4中自由的電子進(jìn)行離析。為了電離氣 體，除了將通過微波連接端10導(dǎo)入的微波射線導(dǎo)入等離子體腔4中之外，還導(dǎo)入連接件12 中，并且使微波射線從那兒出發(fā)經(jīng)空心導(dǎo)體14被輸送給等離子體腔4，其中包含氣體管道6 的電極8也在所述空心導(dǎo)體14中延伸。在微波連接端10的對面，在連接件12上設(shè)有用于真空泵的泵連接端15，所述真空 泵從連接件的空腔中抽吸氣體微團(tuán)。電極8包括連接法蘭16以及延伸到等離子體腔4的空心的電極管18，借助于所述連接法蘭16，所述電極8被固定在連接件12上。電極8此外還具有可更換的電極頭20，所 述電極頭20被旋緊在聯(lián)接件22上且因此通過聯(lián)接件22被固定在電極管18上。在離子源2工作時，借助于通過箭頭K表示的冷卻劑，例如借助于冷卻水對電極8 連續(xù)地加以冷卻。為了導(dǎo)入冷卻水，在連接法蘭16上設(shè)有第一連接端24。通過第二連接端 26，冷卻水K從電極8中流出。被導(dǎo)入的冷卻水K沿電極管18的內(nèi)環(huán)形壁流動，直至到達(dá) 聯(lián)接件22?；亓鞴苈?8相與電極管18同心地延伸，變熱的冷卻劑K經(jīng)過所述回流管路28 被輸送到第二連接端26。氣體管道6被布設(shè)在回流管路28內(nèi)，且在氣體連接端29和位于 電極8末端的聯(lián)接件22之間直線地延伸，所述氣體連接端29可與單獨的用于從未示出的 氣體蓄儲器中供給氣體的供氣管路連接。電極管18、回流管路28以及氣體管道6，如從圖3可看出的那樣，是彼此同心地布 設(shè)的。電極管18此外還與空心導(dǎo)體14同心地延伸，從而使氣體管道6沿等離子體腔的對 稱軸D延伸。此時氣體被居中地導(dǎo)入等離子體腔，因而在產(chǎn)生等離子體時具有高度的對稱 性，這種對稱性對于粒子束的穩(wěn)定很重要。氣體管道6在電極頭20區(qū)域的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和布置，在附圖2的放大示意圖中示出。 電極頭20基本上被設(shè)計成空心的且具有構(gòu)成氣體排放口 30的敞開的端面。為了使氣流到 達(dá)空心的電極頭20，在聯(lián)接件22上設(shè)有孔32。此時氣體管道6伸入到聯(lián)接件22中的區(qū)域， 是不透水地密封的，因而冷卻劑K不能到達(dá)孔32中。氣體管道6在所示出的實施例中具有筆直的走向，且在其延伸到電極頭20的總長 上，具有基本上恒定不變的橫截面。待電離的氣體可以因此被不轉(zhuǎn)向地導(dǎo)入離子源2中。由 于氣體管道6的這種構(gòu)造，尤其不產(chǎn)生能夠長時間地駐留氣體微團(tuán)的死區(qū)。工作氣體的轉(zhuǎn) 換，像例如從二氧化碳轉(zhuǎn)換為氫氣，因而可以很快地實現(xiàn)，而且可以在幾秒鐘的短時間內(nèi)調(diào) 節(jié)出恒定不變的氣流且以此調(diào)節(jié)出穩(wěn)定的粒子束。上述氣體管道6以下列其它的優(yōu)點見長，S卩，它伸入離子源2的內(nèi)部直至延伸到等 離子體腔4的輸入端34跟前，從而使氣體微團(tuán)不受真空泵擾動地到達(dá)等離子體腔4。
權(quán)利要求
一種用于產(chǎn)生粒子束的離子源(2)，包含等離子體腔(4)以及延伸到等離子體腔(4)的電極(8)，其中用于待電離的氣體的氣體管道(6)，平行于所述電極(8)地沿所述電極(8)的全長延伸。
2.按照權(quán)利要求1所述的離子源(2)，其中所述氣體管道(6)在所述電極管(18)內(nèi)部 延伸。
3.按照權(quán)利要求2所述的離子源(2)，其中所述氣體管道(6)與電極管(18)同心地布設(shè)。
4.按照上述權(quán)利要求中任一項所述的離子源(2)，其中所述電極(8)具有連接法蘭 (16)，所述連接法蘭(16)具有用于連接所述氣體管道(6)和供氣管路的氣體連接端(29)， 其中所述氣體連接端(29)與所述氣體管道(6)對準(zhǔn)。
5.按照權(quán)利要求2或者4中任一項所述的離子源(2)，其中所述電極管(18)被冷卻劑 (K)穿流且具有用于冷卻劑(K)的回流管路(28)，所述氣體管道(6)被布設(shè)在所述回流管 路(28)中。
6.按照權(quán)利要求3和權(quán)利要求5所述的離子源(2)，其中所述氣體管道(6)布設(shè)得與 環(huán)形的回流管路(28)同心，并且所述回流管路(28)布設(shè)得與所述電極管(18)同心。
7.按照權(quán)利要求4所述的離子源(2)，其中所述連接法蘭(16)具有用于導(dǎo)入冷卻劑 ⑷的第一連接端(24)和用于排出冷卻劑⑷的第二連接端(26)，并且將所述氣體連接端(29)布設(shè)在其中一個連接端(24，26)中。
8.按照權(quán)利要求2至7中任一項所述的離子源(2)，其中所述電極管(18)的端面設(shè)有 用于待電離的氣體的排放口(30)。
9.按照權(quán)利要求2至8中任一項所述的離子源(2)，其中所述電極管(18)具有可更換 的電極頭(20)，在所述電極頭(20)中設(shè)有排放口(30)。
10.按照權(quán)利要求9所述的離子源(2)，其中在所述電極管(18)和可更換的電極頭(30)之間布設(shè)聯(lián)接件(22)，在所述聯(lián)接件(22)中設(shè)有孔(32)。
11.一種用于離子源⑵的電極(8)，包含連接法蘭(16)和電極管(18)，其中在所述連 接法蘭(16)上設(shè)有用于氣體管道(6)的氣體連接端(29)，所述氣體管道(6)沿所述電極管 (18)的全長延伸。
12.按照權(quán)利要求11所述的電極(8)，其中將所述氣體管道(6)布設(shè)得與電極管(28) 同心。
13.按照權(quán)利要求11或者12所述的電極(8)，其中所述電極管(18)被冷卻劑⑷穿 流且具有用于冷卻劑的回流管路(28)，在所述回流管路(28)中布設(shè)了氣體管道(6)。
14.一種將待電離的氣體導(dǎo)入用于產(chǎn)生粒子束的離子源(2)中的方法，其中所述離子 源(2)包含等離子體腔(4)和延伸到等離子體腔(4)的電極(8)，以及氣體平行于所述電極 ⑶地沿該電極⑶的總長并且尤其在該電極⑶內(nèi)被導(dǎo)入等離子體腔⑷中。全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生粒子束的離子源以及用于這種離子源的電極。本發(fā)明此外還涉及將待電離的氣體導(dǎo)入這種離子源的方法。用于產(chǎn)生粒子束的離子源(2)包含等離子體腔(4)和延伸到所述等離子體腔(4)的電極(8)。待電離的氣體經(jīng)氣體管道被導(dǎo)入離子源(2)中，其中所述氣體管道(6)平行于所述電極(8)地沿電極(8)的全長延伸，從而使氣體在等離子體腔(4)的輸入端(34)附近從氣體管道(6)流出。
文檔編號A61N5/10GK101868114SQ201010163498
公開日2010年10月20日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者托馬斯·尤爾 申請人:西門子公司