[发明专利]用于从回旋加速器提取粒子束的剥离部件、剥离总成和方法

说明书

技术领域

本发明涉及诸如回旋加速器的带电粒子加速器领域。特别是，本发明涉及用于从回旋加速器提取粒子束的剥离部件、剥离总成和方法。

背景技术

回旋加速器大量用于诸如医疗应用(例如，产生放射性同位素或粒子治疗)、科学研究和工业应用的许多应用中。

回旋加速器是一种再循环粒子加速器，这种加速器在高真空下工作并且将离子加速到高达几MeV甚至更高的能量。由离子源预先产生的带电粒子在回旋加速器中以螺旋运动的方式被加速，并且在所述螺旋运动的末尾借助于提取系统从回旋加速器被提取。

在回旋加速器中粒子加速一方面通过利用由电磁铁产生的磁场(该磁场使来自离子源的粒子在垂直于所述磁场的平面中遵循圆形路径)，另一方面借助于由RF系统(包括高频电源)产生的电场，该RF系统能够施加使粒子逐渐加速的高频交变电压。

结果，粒子通过获得能量(能量的增加意味着粒子轨道半径的增加)遵循螺旋路径直到回旋加速器的外径，在这里它们(粒子)或者被提取到回旋加速器的外面，或者在特定应用中在回旋加速器自身里面例如被用于产生同位素。但是，在大多数应用中，需要将离子束提取到回旋加速器的外面，并且将离子束引导到能够利用离子束的靶。在这种情况下，提取系统通常安装在回旋加速器的内部的外半径附近。

为了提取带正电粒子，通常的提取方法借助于静电偏转器来实现，该静电偏转器产生很强的电场，能够将被加速的粒子从其加速轨道偏离到提取轨道。这种静电偏转器通常由叫做隔膜(septum)的很薄的电极构成，该薄电极设置在回旋加速器的最后的内部轨道和提取轨道之间，粒子通过该提取轨道被提取。但是，这种提取方法具有如下的两个主要缺点。第一个缺点是这种提取方法的提取效率非常受限制，由于隔膜被截取的粒子束加热因而限制能够被提取的最大粒子束强度。第二个缺点是隔膜对粒子的截取对回旋加速器构成很强的放射激化。

另一种提取方法从(本申请人的)EP0853867中知道，其中离子束能够从回旋加速器提取而不用任何提取系统。但是，这种技术的主要缺点在于所述方法很复杂。

另一种常用的提取方法是剥离提取法，这种方法利用碳剥离器箔以便剥离来自负离子源的负离子束，通过剥离负离子的一个或多个电子该负离子束被转换成正离子束。这种方法的剥离效率能够高达99％并且比前面的方法简单得多并且取决于材料的厚度。剥离材料越厚，离子束增大越多。结果，当剥离器箔的厚度增加时离开回旋加速器的离子束的散射增大。

通常，碳剥离器箔安装在探头或叉上并且借助于回旋加速器外部区域中的剥离器臂插入回旋加速器的真空室的里面(这种插入在现有技术中是已知的)。剥离器箔通常用碳制成，并且具有2cm×2cm量级的尺寸。高强度的负离子束(例如H^-或D^-)在加速器的内部沿着螺旋路径被加速，并且然后它被这种剥离器箔散射。在所述负离子束和所述剥离器箔的表面碰撞期间，由于所述剥离器箔物质的原子核和负离子束之间的库仑力，负离子束的两个电子被剥离器箔剥离。结果，例如，获得诸如质子的所需带电粒子，同时两个被剥离的电子借助于接地的探测电子设备用于测量负离子束的电流。

由于在回旋加速器中，在提供加速轨道的旋转分量的磁场中发生这种相互作用，粒子的特定电荷的变化导致在剥离器箔后面的离子轨道方向的变化。这种特定的效果通常被用于从回旋加速器提取离子束，如图1所示，其中，在剥离器箔100前面的负离子H^-轨道由实线表示，而在剥离器箔100后面的正离子H⁺轨道用虚线表示，其中B表示垂直于该离子束轨道的磁场方向。两个被剥离的电子2e^-用于借助于接地的探测电子设备101测量离子束的电流。

图2类似地示出在回旋加速器的提取区域中剥离负离子束的过程，在该提取区域中设置剥离器箔100。在通过剥离器箔100之后负离子束改变其轨道半径并且因此离开回旋加速器。

在许多应用中，由回旋加速器产生的离子束的能量不是固定的。事实上，通常需要产生具有不同能量(即具有不同轨道半径)的若干个离子束，在这种情况下，每个所需离子束在提取区内具有对应的箔位置，以便将离子束提取到回旋加速器的外面。