电子回旋共振离子源产生脉冲多离子种类束流的方法及系统

1.本发明涉及一种离子加速器技术领域，特别是关于一种用于电子回旋共振离子源产生脉冲多离子种类束流的方法及系统。


背景技术：

2.传统离子加速器所用电子回旋共振离子源提供所需离子束流时，通常将含有目标离子种类元素的气体单质或化合物(甚至固态单质或化合物)以精确控制的流量馈入离子源放电室，同时将电子回旋共振加热所需微波功率馈入等离子体放电室。离子源能够产生并引出的离子束流由馈入的元素组分决定，其中包含少量的本底元素离子。离子源在传统情况下能够产生并引出连续的混合离子束流，后来有研究人员发现将微波功率以脉冲得形式馈入离子源放电室可以在微波下降沿对应时间观察到离子源引出束流的爆发性增长，即afterglow效应。利用该效应可以达到直流模式下无法达到的离子束流强，但是依然并没有解决离子源馈入气耗量大、离子束流种类无法快速切换的问题。
3.在离子束放射治疗方向，由于质子重离子所具有的特征布拉格峰，使得离子束可以在所需的人体深度释放大部分能量，精准杀死肿瘤组织而不会对束流路径上的人体组织造成显著伤害，近年来已成为最先进的肿瘤治疗手段；同时，由于不同离子对应不同的特征布拉格峰，所以当前离子线放疗通常会采取质子放疗、重离子放疗以及多离子放疗等方法，其中多离子放疗代表离子放疗的最先进手段，国际上通常用多台离子源作为加速器前端离子注入源，其中一台离子源运行时、其他离子源处于待束运行状态，在需要离子束流切换时则选择其中一台待束离子源配合加速器运行。本发明涉及一种脉冲离子束系统，可以应用于加速器前端的离子源上，用一台离子源以脉冲间隔的形式产生所需的不同离子种类的束流，用以配合后端加速器运行进行肿瘤治疗。此外，在碳离子束放射治疗加速器中，由于碳等离子体会有部分离子逃逸至离子源腔体内壁造成腔体内壁甚至绝缘部件内壁的污染，从而导致离子源在运行一段时间后必须对离子源腔体进行停机清洗，大大降低了放疗加速器的使用效率。本发明涉及的脉冲离子束技术，可以在一个脉冲下提供碳离子束而在下一个脉冲提供氧离子束，利用氧等离子体的清洗效应对离子源腔体内部进行清洗，从而延长离子源维护寿命提高放疗加速器的使用效率。
4.在材料辐照方向。传统加速器通常提供单一离子种类加速至辐照终端进行材料辐照，若要实现不同离子对材料的辐照则需要用多台离子源切换完成。受制于束流切换时间，离子源和束线得准备通常都需要数小时甚至更多时间，该种情况下的辐照试验无法达到真实模拟不同离子束协同照射的效果。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种电子回旋共振离子源产生脉冲多离子种类束流的方法及系统，其可以在百毫秒到数分钟的时间内完成离子种类切换，因此能够大大缩短束流切换时间从而为离子放射治疗提供更优的放射方案，同时由于不同的离子种类
可以随着脉冲波形周期性的变化，因此可以较为真实反映多离子照射材料的试验效果，有利于材料辐照科学的发展。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电子回旋共振离子源产生脉冲多离子种类束流的系统，其包括：等离子体放电室，设置在离子源腔体内，用于产生所需等离子体；电子回旋共振离子源磁体，设置在离子源腔体外部，用于提供等离子体约束磁场；微波源，设置在离子源腔体注入端，用于将产生的微波功率传输至所述等离子体放电室，将所述等离子体放电室内部存在的气体原子分子等电离，产生所需的等离子体；脉冲式气体馈入系统，设置在离子源腔体注入端，用于将单种气体或多种气体馈入离子源腔体内，实现离子源所需气体的精确馈入；离子源冷电子枪，设置在离子源腔体注入端，用于阻止等离子体中轴向电子的逃逸并提供额外冷二次电子注入离子源腔体内，以调节离子束引出流强；离子源引出部件，设置在离子源腔体引出端，用于引出离子束流。
7.进一步，还包括真空获取设备，用于提供所需等离子体产生和高效引出的真空条件。
8.进一步，所述离子源引出部件包括高压电场和绝缘陶瓷；所述高压电场设置在离子源腔体引出电极两端，用于提供引出用高压电场，加载至所需电位；离子源腔体引出端设置有所述绝缘陶瓷。
9.进一步，所述脉冲式气体馈入系统包括气源、气体管路、机械泵、快速脉冲阀和定时控制系统；
10.所述气源为单种气体的气源或多种不同种类气体的气源；
11.所述机械泵经管路与所述等离子体放电室连接，通过所述机械泵将气路输运管道抽取真空；所述气源的输出端经所述快速脉冲阀与所述气体管路的一端连接，所述气体管路的另一端与所述机械泵与所述等离子体放电室之间的管路连接，在该管路上，位于与所述气体管路的连接点两侧，分别设置有另一所述快速脉冲阀连接；各所述快速脉冲阀均与所述定时控制系统连接，由所述定时控制系统控制其工作。
12.进一步，所述快速脉冲阀的个数根据气体的种类进行设定。
13.进一步，所述微波源将微波功率源接入所述定时控制系统，按照需求提供所需频率、所需占空比的方波信号；在方波信号的调制下，微波功率按照所需波形输出至离子源的所述等离子体放电室。
14.一种电子回旋共振离子源产生脉冲多离子种类束流的方法，其基于上述系统实现，包括：通过真空获取设备获取离子源腔体内的真空环境；将微波源的功率微波馈入烘烤等离子体放电室进行微波锻炼，待真空达到设定级别时，馈入微波功率进行等离子体放电室烘烤锻炼；在微波锻炼结束后，停止微波馈入，开始加载离子束引出高压电场锻炼；高压电场锻炼结束后，进行气体馈入，确保机械泵处于常开运行状态，及时抽取气路管道真空，通过脉冲式气体馈入系统采用不同的开关顺序控制实现气体的单项馈入、多气体混合馈入以及气体快速切换馈入；通过定时控制系统设置微波源的微波功率以和气体脉冲系统相同的脉冲周期以及占空比馈入等离子体放电室，实现馈入气体的快速电离，并引出离子束流。
15.进一步，所述微波锻炼包括：
16.在初期加载微波时，在离子源相关真空探测设备观察到真空度在数量级上有变差现象，待真空恢复至之前无变差现象状态时继续加载微波；直到微波功率加载至正常运行
功率及以上。
17.进一步，所述高压电场锻炼包括：
18.控制高压电源由小到大加载引出电压，观察真空探测器有无真空变差现象，同时观察高压电源有无打火情况，待真空探测设备示数稳定后以及高压电源无持续打火后，继续加载高压，直至引出高压加载至运行高压值及以上。
19.进一步，还包括冷电子馈入的步骤；通过冷电子馈入，调节离子束流的引出流强。
20.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
21.1、本发明可以用电子回旋共振离子源系统产生并引出超过直流模式束流强度数倍的强流高电荷态离子束，解决如离子放射治疗等大加速器装置强流离子束的注入需求。
22.2、本发明的离子源可根据时间脉冲切换馈入工作气体种类，实现离子源引出不同离子的脉冲快速切换；例如应用该技术可以在肿瘤治疗加速器实现多离子间隔切换辐射治疗；应用于材料辐照可以实现多离子切换辐照。
23.3、本发明的离子源其气体和微波功率均以某个脉冲周期和占空比运行，大大增加了离子源的运行寿命、大幅延长离子源系统的维护周期，可应用于诸如离子放射治疗等大型的加速器医疗器械等领域。
24.4、本发明利用离子切换技术，可以使用氧等离子体的清洁效应在一个脉冲下进行等离子体放电室的氧等离子体清洗，从而为下个脉冲提供其他所需离子束流提供更好的腔体条件，增加离子源维护寿命。
25.5、本发明离子源可运行在脉冲模式，直流模式以及脉冲直流混合模式。
附图说明
26.图1是本发明一实施例中离子源结构示意图；
27.图2是本发明一实施例中气体脉冲系统结构示意图；
28.图3是本发明一实施例中多离子种类脉冲束示意图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
31.为了契合离子加速器对强流脉冲离子束的迫切需求、为了解决离子源在直流供束模式下工作周期较短而不利于加速器长期高效可靠运行的问题，本发明提供的电子回旋共振离子源产生脉冲多离子种类束流的方法及系统，包括脉冲式气体馈入系统、电子回旋共振离子源磁体、离子源注入部件、离子源引出部件、引出高压电源、离子源冷电子枪以及微波源。本发明面向多离子束放射治疗、多离子材料辐照等关键方向，从而实现强流离子束的
高效产生，并在此基础上产生新的离子加速器设计和运行模式，实现更广阔的应用前景。
32.在本发明的一个实施例中，提供一种电子回旋共振离子源产生脉冲多离子种类束流的系统。本实施例中，如图1所示，该系统包括：
33.等离子体放电室5，设置在离子源腔体内，用于产生所需等离子体；
34.电子回旋共振离子源磁体1(以下简称离子源磁体1)，设置在离子源腔体外部，用于提供等离子体约束磁场；
35.微波源2，设置在离子源腔体注入端，用于将产生的微波功率传输至等离子体放电室5，将等离子体放电室5内部存在的气体原子分子等电离从而产生所需的等离子体；
36.脉冲式气体馈入系统3，设置在离子源腔体注入端，用于将单种气体或多种气体馈入离子源腔体内，实现离子源所需气体的精确馈入；
37.离子源冷电子枪4，设置在离子源腔体注入端，用于阻止等离子体中轴向电子逃逸并提供额外冷二次电子注入离子源腔体内，以调节离子束引出流强；
38.离子源引出部件，设置在离子源腔体引出端，用于引出离子束流9。
39.上述实施例中，还包括真空获取设备6，用于提供所需等离子体产生和高效引出的真空条件。
40.上述实施例中，离子源引出部件包括高压电场7和绝缘陶瓷8。高压电场7设置在离子源腔体引出电极两端，用于提供引出用高压电场，加载至所需电位；且离子源腔体引出端设置有绝缘陶瓷8，通过绝缘陶瓷8避免连续放电击穿。
41.本实施例中，在引出高压电场7作用下，通过脉冲方式馈入的气体被脉冲馈入的微波源2所加热电离产生的等离子体，以afterglow的脉冲形式引出强流离子束9。引出离子束的种类受限于气体馈入系统能够提供的最大气源数量。
42.上述实施例中，如图2所示，脉冲式气体馈入系统3包括气源、气体管路316、机械泵311、快速脉冲阀和定时控制系统309。其中，气源可以为单种气体的气源，或多种不同种类气体的气源；相应的，快速脉冲阀的个数根据气体的种类进行设定，设置为气体种类数量的两倍。
43.机械泵311经管路与等离子体放电室5连接，通过机械泵311将气路输运管道抽取真空；气源的输出端经快速脉冲阀与气体管路316的一端连接，气体管路316的另一端与机械泵311与等离子体放电室5之间的管路连接，在该管路上，位于与气体管路316的连接点两侧，分别设置有另一快速脉冲阀连接。各快速脉冲阀均与定时控制系统309连接，由定时控制系统309控制其工作。
44.在本实施例中，以四种气体为例进行说明。脉冲式气体馈入系统3中设置有气源(312，313，314和315)和快速脉冲阀(301，302，303，304，305，306，307和308)。气源312中的气体1经快速脉冲阀301与气体管路316的一端连接，气源313中的气体2经快速脉冲阀302与气体管路316的一端连接，气源314中的气体3经快速脉冲阀303与气体管路316的一端连接，气源315中的气体4经快速脉冲阀304与气体管路316的一端连接。位于与气体管路316的连接点两侧，分别设置有快速脉冲阀305，306，307和308。
45.其中，脉冲式气体馈入系统3包括≥2条气路，每条气路前端连接≥2种气源。根据需求，通过控制快速脉冲阀可以实现单种气体馈入、多种气体馈入以及不同种类的气体快速切换馈入。通过定时控制系统309控制快速脉冲阀的开合时间和开合时间间隔，从而实现
离子源所需气体的精确馈入控制。
46.上述实施例中，离子源内部为真空环境，其工作所需真空度通常在10-5
mbar-10-9
mbar量级。
47.上述实施例中，离子源冷电子枪4由负偏压电源提供电场并使其状态正常。
48.上述实施例中，微波源2将微波功率源接入定时控制系统309，按照需求提供所需频率、所需占空比的方波信号；在微波功率源设置所需输出的微波功率，在方波信号的调制下，微波功率可按照所需波形输出至离子源等离子体放电室5。
49.上述实施例中，通过定时控制系统309设定脉冲时间周期和占空比，脉冲式气体馈入系统3和微波源2的功率均按照所设定的脉冲参数运行。
50.本发明使用时，离子源低占空比运行，大大节约离子源功率维持时间，延长离子源整体的运行寿命；通过气路的脉冲调制，可实现离子源长时间低气载运行，减轻真空获取设备的压力；通过不同气路的脉冲调制，可实现不同脉冲下馈入不同的气体，从而实现不同脉冲下不同离子束的多离子束分时供束。
51.在本发明的一个实施例中，提供一种电子回旋共振离子源产生脉冲多离子种类束流的方法，该方法基于上述各实施例中的系统实现。在本实施例中，该方法包括以下步骤：
52.1)通过真空获取设备6获取离子源腔体内的真空环境，使得电子回旋共振离子源的等离子体放电室5及其相连腔体管道工作于真空状态，通常要求提供离子束流前真空度在10-5-10-9
mbar级别。
53.2)微波锻炼。将微波源2的功率微波馈入烘烤等离子体放电室5。待真空达到设定级别时，可馈入微波功率进行等离子体放电室5烘烤锻炼。本实施例中，设定级别优选为10-7
mbar。
54.通常微波功率随着时间由小到大进行烘烤。在初期加载微波时，可在离子源相关真空探测设备观察到真空度在数量级上有变差现象，待真空恢复至之前无变差现象状态时继续加载微波。重复该步骤直到微波功率加载至正常运行功率及以上。
55.3)高压锻炼。在微波锻炼结束后，停止微波馈入，开始加载离子束引出高压电场7锻炼。控制高压电源由小到大加载引出电压，观察真空探测器有无真空变差现象，同时观察高压电源有无打火情况，待真空探测设备示数稳定后以及高压电源无持续打火后，继续加载高压，重复该步骤直至引出高压加载至运行高压值及以上。
56.4)高压电场锻炼结束后，进行气体馈入。确保机械泵311处于常开运行状态，以及时抽取气路管道真空，然后通过脉冲式气体馈入系统3采用不同的开关顺序控制实现气体的单项馈入、多气体混合馈入以及气体快速切换馈入；
57.在本实施例中，如图2、图3所示，气体的单项馈入方法为：
58.通过定时控制系统309打开快速脉冲阀301至常开状态，快速脉冲阀302、303、304、306和307处于常闭状态，快速脉冲阀305处于常开状态，则通过脉冲控制阀308可实现气源312气体1的脉冲馈入；同理，可实现气源313气体2、气源314气体3和气源315气体4的单气体馈入。
59.气体混合馈入方法为：以气源312气体1和气源314气体3混合馈入为例，通过定时控制系统309关闭快速脉冲阀302、304、305和306，打开快速脉冲阀301和303，则快速脉冲阀307和308可实现气源312气体1和气源314气体3的混合脉冲馈入，同理，可实现气源312气体
1和气源315气体4的混合馈入，可实现气源313气体2和气源314气体3的混合馈入以及实现气源313气体2和气源315气体4的混合馈入。
60.气体快速切换馈入方法为：以气体1切换至气体3为例，重复气体的单项馈入方法实现气体1的单种馈入，通过定时控制系统309关闭快速脉冲阀308和快速脉冲阀305的同时打开快速脉冲阀303，通过快速脉冲阀307实现气体3的馈入，同理可实现气体1切换至气体4的馈入、气体2切换至气体3的馈入、气体2切换至气体4的馈入。
61.以上三种方法可以采用不同的开关顺序实现气体的单项馈入、气体混合馈入以及气体快速切换馈入。需要注意的是，没有用来进气的气路始终处于抽真空状态，以便保持气路纯净。
62.5)微波脉冲馈入。通过定时控制系统309设置微波源2的微波功率以和气体脉冲系统3相同的脉冲周期以及占空比馈入等离子体放电室5，以实现馈入气体的快速电离。可根据电离效率优化微波控制脉冲和气体控制脉冲的时间延迟，优选的设置微波功率不早于气体馈入，以达到气体充分的电离。
63.6)脉冲离子束引出。加载引出高压电场7至设定值，由所需馈入的气体被所馈入微波加热电离，并且在微波的下降沿产生离子束的爆发式增长，即引出afterglow束流。
64.上述各步骤中，还包括冷电子馈入的步骤。包括但不局限于用负偏压电源提供冷电子馈入，用来调节离子束流9的引出流强。
65.综上，使用时，离子源引出的脉冲束流9经静电透镜或磁透镜聚焦，并被偏转磁铁分析筛选后，可用于后端加速器加速。由于离子源其工作气体可以脉冲馈入和切换，因此离子源可在不同脉冲下引出不同种类的离子束流。用该脉冲式气体馈入系统3可以在不改变后端传输线路参数的情况下实现质荷比相同的离子束聚焦分析传输；可通过定时控制系统309协同配合后端传输线以及引出高压电源调节实现质荷比不同的以及不同引出能量的离子聚焦分析传输。
66.例如，可以在脉冲气体馈入系统接入氦气、氧气、氮气、二氧化碳等，则离子源可以脉冲引出he
+
,o
4+
,c
3+
等质荷比相同的离子束，后端束线元件不需要额外设置即可聚焦分析和传输；离子源也可引出包括但不限于he
2+
,o
2+
,o
3+
,n
3+
,n
4+
,c
3+
等质荷比不同的离子束，由后端束线元件快速激励匹配传输，最终被加速器加速。
67.使用本发明的脉冲方法仅用一台离子源就可以实现多离子种类脉冲离子束流的快速切换，且可以随着时间周期切换，该方法应用于离子加速器系统，包括但不限于多离子肿瘤治疗、多离子材料辐照等领域。
68.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。