用于高质量离子束形成的系统、设备和方法技术方案

与光束系统有关的系统、设备和方法的实施例。一种示例光束系统，包括：带电粒子源，其被配置为产生带电粒子束；预加速器系统，其被配置为加速光束；以及加速器，其被配置为加速来自预加速器系统的光束。预加速器系统可以使得光束在它从源传播到加速器的输入孔径时会聚。预加速器系统可以进一步减少或消除由从加速器朝向源行进的回流引起的源干扰或损坏。器朝向源行进的回流引起的源干扰或损坏。器朝向源行进的回流引起的源干扰或损坏。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高质量离子束形成的系统、设备和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年6月25日提交的题为“SYSTEMS,DEVICES,AND METHODS FOR HIGH QUALITY ION BEAM FORMATION(用于高质量离子束形成的系统、设备和方法)”的美国临时申请序列号63/044,310、和于2019年9月3日提交的题为“EINZEL LENS FOR LOW ENERGY ION BEAM TRANSPORT(用于低能量离子束传输的单透镜)”的美国临时申请序列号62/895,203、和于2019年8月30日提交的题为“NEUTRON GENERATING TARGET FOR NEUTRON BEAM SYSTEMS(用于中子束系统的中子产生靶)”的美国临时申请序列号62/894,106、和于2019年8月30日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR GAS PUFF BEAM IMAGING(用于气体喷吹束成像的系统和方法)”的美国临时申请序列号62/894,220、和于2019年8月30日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR FAST BEAM POSITION MONITORING(用于快速光束位置监测的系统和方法)”的美国临时申请序列号62/894,290的优先权，其全部通过引用以其整体并入本文。


[0003]本文描述的主题大体涉及形成用于串联加速器系统的高质量离子束的系统、设备和方法。

技术介绍

[0004]硼中子捕获治疗(BNCT)是一种治疗多种类型癌症的方式，包括一些最困难的类型。BNCT是一种使用硼化合物选择性地治疗肿瘤细胞同时保留正常细胞的技术。将包含硼的物质注射到血管中，并且硼聚集在肿瘤细胞中。然后患者接收利用中子(例如，以中子束的形式)的放射治疗。中子与硼反应以杀死肿瘤细胞，同时减少对周围正常细胞的伤害。长期临床研究已经证明，能量谱在3
‑
30千电子伏(keV)范围内的中子束更好实现更有效的癌症治疗，同时降低对患者的辐射负荷。该能谱或范围通常被称为超热(epithermal)。
[0005]用于产生超热中子(例如超热中子束)的大多数常规方法是基于质子与铍或锂(例如铍靶或锂靶)的核反应。在这两种情况下，产生的中子的能谱被移动到更高的能量，因此需要慢化。这样的将中子减慢到所需能量(例如，在超热光谱内)，连同形成BNCT所需的中子束，通常是使用束成形组件(BSA)来实现的。
[0006]回旋加速器沿着螺旋路径从加速器的中心向外加速带电粒子。粒子通过静磁场保持螺旋轨迹，并通过快速变化的(射频)电场被加速。质子与铍靶的反应的特征在于中子的高产率，这使得能够维持相对低的质子束电流，例如，在质子的回旋加速器可实现的限制范围内。质子束的能量也在回旋加速器的限制范围内。因此，基于回旋加速器和铍靶的中子源的特征在于高中子产率。然而，产生的中子的能谱向更高的能量移动，并且如上文所描述的，在复杂的BSA中需要大量的慢化。这样的复杂的BSA对于减慢中子和形成理想BNCT应用所需的中子束效率低下。
[0007]高能加速器通常是昂贵的，并且具有更高能量的质子和中子导致系统组件的激活
更高，这使得具有铍靶的系统对BNCT治疗中心的吸引力降低。
[0008]在具有铍靶的基于回旋加速器的系统中所形成的超热中子束具有与具有锂靶的系统相当的通量密度。然而，具有锂靶的系统导致较低质子束能量，通常在1.9
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3.0兆电子伏特(MeV)的范围内。为锂靶设计的现有质子束加速器可分为两类：基于RF的加速器和静电加速器。
[0009]基于RF的加速器：通常，当前所需能量范围的基于RF的质子加速器基于射频四极或RFQ。RFQ是一种线性加速器，它以高效率聚焦和加速连续的带电粒子束，同时保持发射度。聚焦以及加速由射频(RF)电场执行。虽然RFQ技术成熟，但是它对于制造和操作仍然昂贵且没有吸引力地复杂。而且，为10毫安(mA)或更高的平均电流建立RFQ系统是困难的。
[0010]静电加速器：目前所需的能量范围对于静电加速器来说是触手可及的。静电加速器通过使带电粒子经受静态高压电势来加速带电粒子。例如，高压端子被保持为数百万伏量级的静态电势(例如，也称为加速电压)。静电加速器通常比其他传统解决方案基本上更便宜、更紧凑且更节能。静电加速器还有利地提供了通过改变质子束能量来调整产生中子光谱的能力。
[0011]在直接加速的静电加速器系统中产生高于2兆伏(MV)的必要加速电压非常具挑战性，这限制了理想质子束的可实现能量。在静电加速器的高压端放置质子源限制了形成具有低发射度的注入质子束的能力，这限制了加速束的质量。静电加速器的高压端处的质子注入器/源的控制和维护在技术上也非常具有挑战性。
[0012]串联加速器是一种静电加速器，它可以采用使用单个高压端子对离子粒子进行两步加速。例如，高压用于形成越来越正的梯度，该梯度被施加到入射的负光束以加速它，此时串联加速器将负光束转换为正光束，并且然后再次使用高压形成反向递减的正梯度，该梯度加速(例如，推动)来自串联加速器的正光束。由于高压可以使用两次，因此产生粒子能量为3MeV的质子束通常仅需要1.5MV的加速电压，这在现代电绝缘技术的范围内。而且，串联加速器的离子源被置于接地电势，这使离子源的维护和控制更容易。
[0013]在利用基于等离子体的离子源的离子束系统中，从等离子体的边界表面(称为弯月面)提取离子。边界表面的形状和参数的特征在于强烈依赖于提取的电流密度、局部电离率、复合和扩散、以及施加的电场分布。新生离子束通常是高度发散的、异常的(磁偶极子分离相同极性的电子和离子的效应)，并且由于低初始能量而受到空间电荷效应。因此，各种现有解决方案面临若干缺点。
[0014]具有足够高电流的单孔负氢离子源通常面临许多挑战，诸如由于高电流束产生条件导致的高初始束发散；由于高电流束产生所需的高气体负载，离子源孔中的受限束加速；以及由于光束的空间电荷的光束发散，这在光束粒子的较低能量下更为明显。
[0015]出于这些和其他原因，需要为串联加速器系统提供高质量离子束的改进的、高效的和紧凑的系统、设备和方法。

技术实现思路

[0016]本文描述了用于形成可以在各种加速器系统中使用的高质量离子束的系统、设备和方法的示例实施例。本公开的实施例涉及光束系统、其中的设备及其使用方法。一种示例光束系统，包括：粒子源(例如，离子源)，其被配置为以束形式产生粒子；预加速器系统，其
被配置为加速来自源的粒子；以及加速器，其被配置为加速来自预加速器系统的粒子。预加速器系统可以使得光束在它从源传播到加速器的输入孔径时会聚。预加速器系统可以进一步减少或消除由从加速器朝向源行进的回流引起的源干扰或损坏。
[0017]在检查以下附图和详细描述后，本文所描述的主题的其他系统、设备、方法、特征和优点对于本领域技术人员来说将是或将变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光束系统，包括：粒子源，其被配置为发射带电粒子束；预加速器系统，其被配置为加速来自所述粒子源的所述带电粒子束；以及加速器，其被配置为加速来自所述预加速器系统的所述带电粒子束。2.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述粒子源是离子源，并且所述带电粒子束是包括负氢离子的离子束。3.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述预加速器系统包括以下中的至少一个：静电透镜、预加速器设备、或磁聚焦设备。4.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述预加速器系统包括：静电透镜、预加速器设备和磁聚焦设备。5.根据权利要求4所述的光束系统，其中，所述静电透镜是单透镜，所述预加速器设备是包括多个加速端子的预加速器管，并且所述磁聚焦设备是螺线管。6.根据权利要求4所述的光束系统，其中，所述静电透镜在所述粒子源的下游，所述预加速器设备在所述静电透镜的下游，并且所述磁聚焦设备在所述预加速器设备的下游。7.根据权利要求4所述的光束系统，其中，所述静电透镜是单透镜，包括：两个接地电极，其以间隔关系相互耦接；以及偏置电极，其位于所述两个接地电极之间并由在其间延伸的绝缘体支撑，其中，以下中的一个或多个被配置用于负偏置：所述偏置电极，或所述两个接地电极。8.根据权利要求5所述的光束系统，其中，所述预加速器管包括第一预加速器管端子和第二预加速器管端子。9.根据权利要求8所述的光束系统，其中，所述第一预加速器管端子能够与第一电源电耦接。10.根据权利要求9所述的光束系统，其中，所述第二预加速器管端子能够与地电耦接。11.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述加速器是串联加速器，其包括多个输入电极、电荷交换设备和多个输出电极。12.根据权利要求11所述的光束系统，其中，所述带电粒子束是负离子束，以及所述多个输入电极被配置为加速来自所述预加速器系统的负离子束，所述电荷交换设备被配置为将所述负离子束转换为正射束，以及所述多个输出电极被配置为加速所述正射束。13.根据权利要求12所述的光束系统，还包括：靶设备，其被配置为根据从所述串联加速器所接收的所述正射束形成中性射束。14.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述预加速器系统位于所述粒子源的附近且位于所述粒子源的下游。15.根据权利要求4所述的光束系统，其中，所述预加速器设备位于所述静电透镜的下游。16.根据权利要求4所述的光束系统，其中，所述磁聚焦设备位于所述预加速器设备的下游。17.根据权利要求4所述的光束系统，其中，所述预加速器设备位于以下中的一个或多个的下游：所述静电透镜，或所述粒子源。18.根据权利要求4所述的光束系统，其中，所述磁聚焦设备位于以下中的一个或多个
的下游：单透镜、预加速器管，或所述粒子源。19.根据权利要求1所述的光束系统，还包括一个或多个真空泵室。20.根据权利要求19所述的光束系统，其中，第一真空泵室位于所述预加速器系统与所述加速器之间。21.根据权利要求20所述的光束系统，其中，第二真空泵室位于所述粒子源与所述预加速器系统之间。22.根据权利要求1所述的光束系统，其中，一个或多个真空泵室位于所述加速器上。23.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述粒子源包括壁，所述壁具有与其相邻的一个或多个细丝。24.根据权利要求23所述的光束系统，还包括：第一冷却设备，其被配置为冷却所述壁。25.根据权利要求24所述的光束系统，还包括：第二冷却设备，其被配置为冷却单透镜。26.根据权利要求24或25所述的光束系统，其中，所述第一冷却设备和所述第二冷却设备被配置为使用流体冷却剂。27.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述预加速器系统被配置为使得所述带电粒子束从所述粒子源传播以在所述加速器的输入孔径处会聚。28.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述预加速器系统被配置为散焦并收集从所述加速器朝向所述粒子源传播的被电离的回流。29.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述预加速器系统被配置为将来自所述粒子源的粒子束从发散状态转变为会聚状态。30.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述预加速器系统包括静电透镜，所述静电透镜被配置为将来自所述粒子源的粒子束从发散状态转变为会聚状态。31.根据权利要求30所述的光束系统，其中，所述静电透镜能够控制以调整光束聚焦或调整回流散焦。32.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述预加速器系统包括磁聚焦设备，所述磁聚焦设备能够控制以调整光束聚焦或调整回流散焦。33.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述预加速器系统包括预加速器管，所述预加速器管能够控制以调整光束聚焦或回流散焦。34.根据权利要求30至33中的任一项所述的光束系统，还包括：多个电源，其被配置为可调整地向所述磁聚焦设备、所述静电透镜和所述预加速器管输出可变功率。35.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述系统被配置为在进入所述加速器之前将所述带电粒子加速到它们的最大横截面。36.根据权利要求35所述的光束系统，其中，所述带电粒子是负氢离子。37.根据权利要求36所述的光束系统，其中，所述系统被配置为在进入所述加速器之前将所述带电粒子加速到100keV的能量。38.根据权利要求35所述的光束系统，其中，所述系统被配置为在所述预加速器系统的预加速器管中的位置处将所述带电粒子加速到它们的最大横截面。39.根据权利要求38所述的光束系统，其中，所述位置在所述预加速器管的中心区域。40.根据权利要求1所述的光束系统，还包括：真空泵室，其被配置为将离开所述加速器的气体去除到所述预加速器系统中。
41.根据权利要求1所述的光束系统，其中，所述粒子源被定位成使得所述带电粒子束沿着穿过所述加速器的相同或基本上相似的轴而被发射，穿过所述加速器的带电粒子沿着所述轴被加速。42.根据权利要求1所述的光束系统，还包括控制系统。43.根据权利要求42所述的光束系统，其中，所述控制系统被配置为从计算设备接收操作参数或指令。44.根据权利要求43所述的光束系统，其中，所述控制系统被配置为向所述计算设备发送操作数据。45.根据权利要求42所述的光束系统，其中，所述控制系统被配置为控制以下中的至少一个：被施加到所述粒子源的电极的电压，被施加到所述预加速器系统的静电透镜的电压，被施加到所述预加速器系统的预加速器设备的电压，被施加到所述预加速器系统的磁聚焦设备的电压，被施加到所述加速器的电压，由所述光束系统的电源输出的电压，针对对准的光束位置的调整，光束焦点位置的调整，或回流散焦量的调整。46.根据权利要求1至45中的任一项所述的光束系统，其被配置用于硼中子捕获治疗(BNCT)。47.一种操作光束系统的方法，所述方法包括：从粒子源发射包括带电粒子的光束；用预加速器系统朝向加速器加速所述光束；以及用所述加速器加速所述光束。48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述预加速器系统包括以下中的一个或多个：静电透镜、预加速器设备、或磁聚焦设备。49.根据权利要求48所述的方法，其中，所述静电透镜是单透镜，所述预加速器设备是包括多个加速端子的预加速器管，并且所述磁聚焦设备是螺线管。50.根据权利要求47所述的方法，其中，所述加速器是串联加速器。51.根据权利要求50所述的方法，其中，所述串联加速器包括电荷交换设备。52.根据权利要求47所述的方法，其中，用所述预加速器系统朝向所述加速器加速所述光束包括：加速所述光束，以使得所述带电粒子在进入所述加速器之前达到它们的最大横截面。53.根据权利要求52所述的方法，其中，所述带电粒子是负氢离子。54.根据权利要求52所述的方法，其中，所述带电粒子在所述预加速器系统的预加速器管内达到它们的最大横截面。55.根据权利要求47所述的方法，还包括：用所述预加速器系统会聚所述光束。56.根据权利要求47所述的方法，还包括：调整被提供给所述预加速器系统的功率以控制所述光束的会聚。57.根据权利要求56所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：TAE技术公司，
类型：发明
国别省市：