專利名稱：氣體噴射系統(tǒng)以及用于運行氣體噴射系統(tǒng)的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種尤其用于粒子治療設備的氣體噴射系統(tǒng)，以及用于運行這種氣體 噴射系統(tǒng)的方法。
背景技術：
尤其癌癥的粒子治療時，例如由質子或重離子，例如碳離子，產(chǎn)生粒子束。粒子束 在加速器中產(chǎn)生，被導向治療室并經(jīng)過出口窗進入治療室。按一種特殊的設計，來自加速器 的粒子束可以交替地導向不同的治療室。在治療室內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，加速器含有離子源，例如電子回旋共振離子源(EZR-離子源)。在 離子源內產(chǎn)生有規(guī)定能量分布的自由離子定向運動。在這里，正電荷離子，如質子或碳離 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)生的粒子在同步加速器 環(huán)內以超過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確規(guī)定 的能量、聚焦和強度的脈沖式粒子束。為了產(chǎn)生微粒，在離子源內導入一種應已電離的氣體。對于規(guī)定的粒子束，要求導 入的氣體有高度精確和保持恒定的氣體流量。為了能在離子源內交替導入取決于治療而定 的不同氣體，例如二氧化碳或氫氣，為氣流設置導入離子源內的獨立管道。例如在變換用于 產(chǎn)生新粒子束的氣流時，首先關閉當前工作氣體的氣體管道，沖洗系統(tǒng)，以及只有在這種情 況下才向離子源內導入另一種氣流。然而形成期望的高度精確的氣體流量既困難又費時。流量取決于所選用的氣體種 類，以及通常在lsCCm(每分鐘標準立方厘米)以下，對于二氧化碳在濺射離子源中例如約 0. 002sccm。以及在EZR離子源中例如約0. 3sccm。為了調整在氣體管道中的壓力并因而調整氣體流量，如今使用溫度控制的針形 閥，借助它們難以精確調整期望的小流量。因為直接測量流量不可能有期望的精度，所以通 過測量產(chǎn)生的粒子束和按試_錯原理逐漸調整針形閥實施流量的調整。此外，這種閥對溫 度非常敏感。因此環(huán)境溫度的變化導致流量波動。由于這一原因，環(huán)境溫度必須穩(wěn)定保持 在2°C之內。除此之外，在更換構件，例如裝在管道中的閥后，要求重新調整系統(tǒng)參數(shù)。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是，能在導入到離子源內的不同氣體之間實現(xiàn)盡可能迅 速的轉換。按照本發(fā)明上述技術問題通過一種尤其用于粒子治療設備的氣體噴射系統(tǒng)得以 解決，其包括一個將氣體導入離子源內的第一管道、用于兩種分開的氣流的第二和第三管 道以及一個多路轉換閥，其中，所述第二和第三管道分別通入多路轉換閥的一個進口中，以 及其中，第一管道與多路轉換閥的一個出口連接，以及，多路轉換閥設計為，根據(jù)選擇將這一個或另一個進口與所述出口連接，從而或將第二管道或將第三管道與第一管道在流動技 術上連接起來。這種氣體噴射系統(tǒng)的一個重要的優(yōu)點在于，由于所述不僅第二管道而且第三管道 與之連接的多路轉換閥在這些管道之間實現(xiàn)特別迅速的轉換，從而輪流地將來自第二管道 或來自第三管道的氣流，導入第一管道內或離子源內。這種閥的轉換時間小于1秒鐘，以及 在5秒鐘之內使第一管道內的氣流穩(wěn)定。因此在幾秒鐘內形成一個新的恒定的氣流量，以 及改變粒子束中的離子種類，在工作氣體變更時不必清洗系統(tǒng)。在這里，轉換閥是指這樣一種閥，它在不混合兩種氣流的情況下，將這一個或另一 個進口輪流在流動技術上與出口相連接。因此可以說在氣流之間進行一種數(shù)字式轉換。使用這種多路轉換閥的另一個優(yōu)點是只需要一個管道，通過它將不同的氣流輪流 導入離子源，從而減小空間需求量。按一項優(yōu)選的設計，多路轉換閥有第二出口，其中，未在流動技術上與第一管道連 通的那個管道與第二出口連接。因此沒有導入離子源內的氣體也尤其連續(xù)地從多路轉換閥 流出，從而形成穩(wěn)定的氣流。優(yōu)選地，在第二出口連接泵、尤其真空泵。這意味著，沒有在流動技術上通過多路 轉換閥與用于將氣體供入離子源的第一管道連通的那個管道與泵連接，從而將該管道中的 氣體連續(xù)從系統(tǒng)抽出。在這里真空泵模擬抽成真空的離子源。因此，在粒子治療設備工作 時，即使這些氣流之一此時恰好沒有使用于產(chǎn)生粒子束，也不改變氣流的流動參數(shù)。當在第 二和第三管道內已形成穩(wěn)定的氣流時，則優(yōu)選地，即使這些氣流之一沒有導入離子源內，它 們也不會中斷。這些氣流在它們超過例如30分鐘未被使用時被切斷，為此在多路轉換閥前 的每個管道內裝入一個附加的On-Off閥。在粒子治療設備工作時，氣流連續(xù)地或朝離子源 的方向流動，或從氣體噴射系統(tǒng)流出。因為在這里涉及非常小的處于每分鐘幾標準微升范 圍內的氣流量，所以氣體損失很小。恰當?shù)兀嗦忿D換閥是二位四通閥。這意味著，這種閥有兩個進口和兩個出口，所 以通過閥可以沿兩個不同方向平行流動兩種氣流。當閥轉換時，每個進口總是與另一個出 口連接，從而改變氣體從閥流出的方向。為了能將兩種以上氣流導入離子源內，優(yōu)選地設有一個附加的多位閥，它在流動 技術上與多路轉換閥的進口之一連接。所述多位閥連接在多路轉換閥的上游。進口側連接 第二和第三管道以及至少另一個管道。因此通過多路轉換閥的進口之一可以將多種氣流交 替導入多路轉換閥內。優(yōu)選地，第二和第三管道至少部分由毛細管，尤其由用于調整體積流量的毛細管 構成。系統(tǒng)內的氣體基于在離子源內存在的真空度到達離子源。氣體通常由具有幾bar， 例如2bar壓力的儲氣器提供。因此為了形成期望的流量或流率，需要準確和可靠的恒定減 壓，例如從約2bar降到接近Obar。為達到這一點，并與此同時形成一種與環(huán)境影響的關系 最小、波動盡可能小的氣體體積流量，而采用毛細管。在考慮到高壓側壓力(2bar)和低壓 側壓力(Obar)的條件下，將毛細管的特征，如長度和內徑選擇為，使得沿毛細管實現(xiàn)期望 的壓降。在這里，基于高壓側與真空之間恒定的壓差，在離子源內的氣流保持不變。玻璃毛細管通常涉及一種被動工作的節(jié)流機構，它對外界影響，例如溫度波動不 敏感。這些毛細管意味著是管道的最狹窄區(qū)，以及有一個< 1mm，尤其< 0. 5mm的外徑，以及有若干分米或幾米的長度。毛細管匯入到具有較大直徑的附件或管段中，此時通過毛細管 形成的氣體流量在下游保持恒定。因為在氣體噴射系統(tǒng)中的壓降通過毛細管調整，所以在 閥更換后不必檢驗調整，也無需精調，也就是說系統(tǒng)的參數(shù)調整是能高度重現(xiàn)的。恰當?shù)?，設有控制器，它根據(jù)毛細管的幾何參數(shù)確定通過第一管道輸入離子源的 氣體流量。為形成氣體混合物，優(yōu)選地至少將兩個進口管通入第二管道內，它們尤其經(jīng)Y形 連接器與第二管道連接。要電離的氣體往往需要借助一種氣體載體，例如一種惰性氣體輸 入離子源內。為了達到兩種氣體的良好混合，它們的管道在相同的地點通入第二管道內，這 在技術上借助Y形連接器實現(xiàn)。按一種優(yōu)選的方案，在進口管中分別設截止閥用于在氣流混合前切斷氣流。按另 一種優(yōu)選的方案，在多路轉換閥的進口前布設截止閥。類似地，按第三種優(yōu)選的方案，在多 路轉換閥與離子源之間布設截止閥。截止閥在粒子治療設備加速或減速時打開或關閉，由 此調整工作氣體的提供。當超過30分鐘不需要工作氣體時，也關閉相應的截止閥，并在工 作氣體重新利用前約5分鐘重新開啟截止閥。在工作發(fā)生故障時也逐個或成組關閉截止 閥，從而切斷在氣體噴射系統(tǒng)不同管段內的氣流。按一種優(yōu)選的方案，設置控制器用于中央控制這些閥。在這里中央控制復雜的氣 體噴射系統(tǒng)，以及有高度的自動化程度和同步化程度。此外上述技術問題還可以通過一種用于運行尤其粒子治療設備氣體噴射系統(tǒng)的 方法得以解決，其中，氣體噴射系統(tǒng)有一個多路轉換閥，氣體從它出發(fā)經(jīng)第一管道導入離子 源內，以及其中，在多路轉換閥上以這樣的方式連接第二管道和第三管道，即，或將來自第 二管道的氣流或將來自第三管道的氣流經(jīng)第一管道導入離子源內。針對氣體噴射系統(tǒng)列舉的優(yōu)點和優(yōu)選的設計，同樣可以移植到本發(fā)明的方法上。在所述方法中，與是否將來自第二管道或來自第三管道的氣體導入離子源無關， 均形成一種持續(xù)穩(wěn)定的氣流，為此將氣體噴射系統(tǒng)優(yōu)選地控制為，在工作時只要來自第二 管道的氣流導入離子源內，來自第三管道的氣流便經(jīng)多路轉換閥由泵抽吸，而當轉換多路 轉換閥使來自第三管道的氣流經(jīng)第一管道導入離子源內時，則來自第二管道的氣流經(jīng)多路 轉換閥由泵抽吸。


下面借助附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。附圖中示意性地示出了圖1表示粒子治療設備的氣體噴射系統(tǒng)，包括一個處于第一位置的多路轉換閥； 以及圖2表示圖1所示的氣體噴射系統(tǒng)，包括處于第二位置的多路轉換閥。在不同的附圖中相同的附圖標記具有同樣的含意。
具體實施例方式圖1表示氣體噴射系統(tǒng)2，它主要包括離子源4和連接在離子源4上游的多路轉 換閥6，也簡稱為閥。從多路轉換閥6出發(fā)，第一管道8導向離子源4，以及第二和第三管道 10、12通入閥6。在閥6上通過第四管道14連接真空泵16。在圖示的實施例中這些管道8、10、12用不透鋼制成。閥6是一種二位四通閥，也就是說，閥6有四個接頭用于第二和第三管道10、12 的兩個進口 17a，以及用于第一和第四管道8、14的兩個出口 17b。通過兩個進口 17a與兩 個出口 17b的連接的組合，形成閥6的兩個位置，對此結合圖2將予以說明。在第二管道10上安裝一個Y形連接器18，從而使兩個進口管道20、22在相同地 點通入第二管道10中。通過進口管20從具有小流量減壓器的第一壓力罐24提供二氧化 碳。采用氦作為氣體載體，它貯存在另一個具有小流量減壓器的壓力罐26中，并通過進口 管22到達第二管道10中，在進口管22中的氦在Y形連接器18的區(qū)域內與二氧化碳混合。 兩個進口管20、22各有一個針形閥28a、28b、一個用于測量進口管20、22內壓力的壓力傳感 器30a、30b、以及一個用于切斷來自壓力罐24、26的各自氣流的截止閥32、34。低壓閥28a、 28b可以快速調整進口管20、22內的壓力。當管道內壓力降低時，在流量為lsccm時壓力只 能緩慢改變。為了加速調整，通過針形閥28a、28b增大取氣量。通過第三管道12可以從具有小流量減壓器的另一個壓力罐36將氫氣導入離子 源4，以造成由質子組成的粒子束。在氫氣管道內同樣裝有一個針形閥28c、一個壓力傳感 器30c和一個截止閥38。優(yōu)選地，如本實施例所示，在多路轉換閥6的上游連接一個多位閥 40，需要時通過它將另一些氣體，例如氧氣，經(jīng)由第三管道12導入離子源4內。在多路轉換閥6與離子源4之間的第一管道8上同樣設有一個截止閥42，通過它 可以切斷多路轉換閥6之后的氣流。此外，氣體噴射系統(tǒng)2還有一個控制器44，用于至少中央控制截止閥32、34、35、38 和42。截止閥32、34、35、38和42的控制，氣動地借助于來自具有小流量減壓器的壓力罐 46的壓縮空氣進行?？諝獾膶牒团懦鼋柚鷶?shù)字式操縱的電動閥48實現(xiàn)。在氣體噴射系統(tǒng)2中，氣體基于壓力罐24、26、36(在它們中本來存在例如約2bar 的壓力)之間的壓力差，向抽成真空的離子源4或向真空泵16輸送。為了實現(xiàn)壓力從2bar 降到近似Obar，規(guī)定將在截止閥32、34與Y形連接器18之間的進口管20、22的區(qū)段、在Y 形連接器18與截止閥35之間第二管道10的區(qū)段、以及在壓力罐36與截止閥38之間第三 管道口的區(qū)段，設計成毛細管；仏^^仏？，尤其玻璃毛細管。毛細管(^、(2、(3、(；的長 度和內徑選擇為，使得能沿毛細管Q、C2、C3、C4實現(xiàn)期望的壓降。在這里毛細管Q、C2、C3、 c4的長度在微米或米的范圍內變化，例如期望的壓降在一個約2m長的距離上進行。毛細管 C1,C2>C3>C4的外徑優(yōu)選地小于1mm，例如在0. 2至0. 3mm的范圍內，以及內徑約小10—1次方 以及例如為0. 02至0. 06mm。氣體噴射系統(tǒng)2設計為，將具有期望流量的氦氣和二氧化碳導入離子源4。為防止 二氧化碳反流入氦氣進口管22內和反之，在氦氣截止閥34與Y形連接器18之間設毛細管
以及在二氧化碳截止閥32與Y形連接器18之間設毛細管C2。毛細管保證在氦氣截止閥 34側與Y形連接器18相比更高的壓力，從而規(guī)定氣流方向。二氧化碳氣流經(jīng)玻璃毛細管C2導向Y形連接器18，并在那里輸入氦氣中。該毛細 管仏的特性以及二氧化碳的壓力決定了二氧化碳在氦氣內的濃度。在氦氣和二氧化碳的 流量通過毛細管Q和C2例如分別調整為0. 3sCCm后，另一個從Y形連接器18至截止閥35 的毛細管C3規(guī)定用于向離子源4輸送氣體。類似地，在氫氣壓力罐36與截止閥38之間的壓力降通過毛細管C4調整。
應當注意，在氣體混合物的截止閥35關閉前，必須關閉二氧化碳和氦氣截止閥32 和34，由此避免氣體基于擴散攙雜到壓力罐24、26內。管道10、12的氣流導入二位四通閥6中，以及借助閥6決定，是將氦氣_ 二氧化碳 氣體混合物還是將氫氣輸入離子源4。圖1表示閥6的第一個位置，此時氣體混合物從第二 管道10經(jīng)第一管道8輸入離子源4內。平行地將來自第三管道12的氫氣在閥6后面由真 空泵16抽吸，此時借助真空泵16模擬離子源4內的工作條件。通過由真空泵16連續(xù)抽吸 氫氣，可以在通過閥6的轉換將氫氣導入離子源4之前形成穩(wěn)定的流動。當來自第三管道 12的備用氣體，在本例中為氫氣，較長時間未利用時，可以關閉相應的截止閥38，將氣體損 失減少到最低程度。圖2表示閥6的第二個位置，可以看出，在閥6轉換后將氫氣從第三管道12輸入 離子源4，而來自第二管道10的氦氣-二氧化碳氣體混合物被真空泵16抽吸。正是由于閥6，可以實現(xiàn)氣流特別迅速的轉換。在轉換后，迄今輸入離子源4中的 工作氣體通過真空泵16從系統(tǒng)2引出，而在此期間形成穩(wěn)定流動的至今的備用氣體被導入 第一管道8內，并因而導入離子源4內。這種轉換過程通常持續(xù)約0. 5秒鐘，并在不到5秒 鐘的時間后朝離子源4方向的氣流便已經(jīng)穩(wěn)定化。因為管道8、10、12和14處于離子源4約24kv的電位，它們用不銹鋼制造。在圖 中用虛線劃出的方框表示此高電位區(qū)，該區(qū)域通過沿管道10和12電絕緣的玻璃毛細管C3 和C4確定。鑒于電絕緣，閥6與真空泵16之間的連接也通過玻璃管50實現(xiàn)。在氣體噴射系統(tǒng)2等待期間或需要更換構件時，關閉直接在離子源4前的截止閥 42。此外，在流動故障的情況下，此截止閥可利用于快速截止離子源4中的氣流。氣體噴射系統(tǒng)2另一個優(yōu)點是，在維修后可重現(xiàn)氣流的調整。因為氣流的流量通 過管道8、10、12兩端的壓力差調整，所以更換系統(tǒng)2中任何一個閥不會導致沿管道8、10、12 的壓力改變。此外，系統(tǒng)2設計為不形成死容積區(qū)。氣體噴射系統(tǒng)2和離子源4是圖中沒有詳細示出的粒子治療設備的組成部分，它 用于產(chǎn)生由正電荷微粒組成的粒子束。為了產(chǎn)生離子，工作氣體從壓力罐24、26或36借助 氣體噴射系統(tǒng)2導入離子源4的等離子室內，取決于粒子束的類型，或將來自管道10的氦 氣-二氧化碳氣體混合物，或將來自管道12的氫氣，變換地輸入離子源4內。產(chǎn)生的離子 接著在粒子治療設備的同步加速器環(huán)上被磁體置于最終能量超過50MeV/u(在注入能量為 7MeV/u時)的狀態(tài)，最后將離子對準病人要治療的身體部位。
權利要求
一種尤其用于粒子治療設備的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其包括將氣體導入離子源(4)內的第一管道(8)、用于兩種分開的氣流的第二和第三管道(10、12)、以及多路轉換閥(6)，其中，所述第二和第三管道(10、12)分別通入多路轉換閥(6)的進口(17a)中，以及其中所述第一管道(8)與多路轉換閥(6)的出口(17b)連接，以及，所述多路轉換閥(6)設計為，按選擇將這一個或另一個進口(17a)與所述出口(17b)連接，從而或將第二管道(10)或將第三管道(12)與所述第一管道(8)在流動技術上連接起來。
2.按照權利要求1所述的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其中，所述多路轉換閥(6)具有第二出口 (17b)，以及未在流動技術上與第一管道(8)連通的那個管道(10、12)與該第二出口(17b) 連接。
3.按照權利要求2所述的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其中，在所述第二出口(17b)上連接泵 (16)，尤其真空泵。
4.按照前列諸權利要求之一所述的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其中，所述多路轉換閥(6)是二 位四通閥。
5.按照權利要求4所述的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其中，設有附加的多位閥，它在流動技術 上與多路轉換閥(6)的進口(17a)之一連接。
6.按照前列諸權利要求之一所述的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其中，所述第二管道(10)和第 三管道(12)至少部分由用于調整氣體體積流量的毛細管(CpCyCyC；)構成。
7.按照前列諸權利要求之一所述的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其中，設有控制器(44)，它根據(jù) 毛細管和、(2、(3、(；)的幾何參數(shù)確定通過第一管道(8)輸入離子源(4)的氣體流量。
8.按照前列諸權利要求之一所述的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其中，為了形成氣體混合物至 少將兩個進口管(20、22)通入第二管道(10)內，所述進口管尤其經(jīng)Y形連接器(18)與第 二管道(10)連接。
9.按照權利要求8所述的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其中，在所述進口管(20、22)中分別設有 截止閥(32、34)。
10.按照前列諸權利要求之一所述的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其中，在多路轉換閥(6)的進 □ (17a)前設有截止閥(35、38)。
11.按照前列諸權利要求之一所述的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其中，在多路轉換閥(6)與離 子源(4)之間設有截止閥(42)。
12.按照權利要求8至10之一所述的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其中，設置控制器(44)用于 中央控制截止閥(32、34、35、38、42)。
13.一種用于運行尤其粒子治療設備的氣體噴射系統(tǒng)(2)的方法，其中，所述氣體噴射 系統(tǒng)(2)具有多路轉換閥(6)，氣體從該多路轉換閥出發(fā)經(jīng)由第一管道(8)導入離子源(4) 內，以及其中，在所述多路轉換閥(6)上以這樣的方式連接第二管道(10)和第三管道(12)， 即，或將來自第二管道(10)的氣流或將來自第三管道(12)的氣流經(jīng)由第一管道(8)導入 離子源(4)內。
14.按照權利要求12所述的方法，其中，將氣體噴射系統(tǒng)(2)控制為，在工作時只要來 自第二管道(10)的氣流導入離子源(4)內，來自第三管道(12)的氣流便通過多路轉換閥 (6)由泵(16)抽吸，而當轉換多路轉換閥(6)使來自第三管道(12)的氣流經(jīng)由第一管道 ⑶導入離子源⑷內時，則來自第二管道(10)的氣流經(jīng)多路轉換閥(6)由泵(16)抽吸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種尤其用于粒子治療設備的氣體噴射系統(tǒng)(2)，其包括將氣體導入離子源(4)內的第一管道(8)以及用于兩個分開的可導入離子源(4)內的氣流的第二和第三管道(10、12)。氣流之間非常迅速的轉換借助多路轉換閥(6)實現(xiàn)。在這里，第二和第三管道(10、12)分別通入多路轉換閥(6)的進口(17a)中，以及，第一管道(8)與多路轉換閥(6)的出口(17b)連接。多路轉換閥(6)可調整為，或將來自第二管道(10)的氣流或將來自第三管道(12)的氣流經(jīng)第一管道(8)導入離子源(4)內。
文檔編號A61N5/10GK101868113SQ20101016354
公開日2010年10月20日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權日2009年4月16日
發(fā)明者托馬斯·尤爾 申請人:西門子公司