專利名稱:離子源設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及放射性藥物學(xué)的回旋加速器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，且更具體而言涉及能夠改 進(jìn)離子源壽命和性能的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
醫(yī)院和其它健康護(hù)理提供方為診斷目的而廣泛地依靠正電子發(fā)射X射線層析照 相術(shù)(PET)。正電子發(fā)射X射線層析照相術(shù)掃描器可產(chǎn)生顯示出多種生物學(xué)過(guò)程和功能的 影像。在正電子發(fā)射X射線層析照相術(shù)掃描中，病人起初被注射已公知為正電子發(fā)射X射線 層析照相術(shù)同位素(或放射性藥物)的放射性物質(zhì)。例如，正電子發(fā)射X射線層析照相術(shù)同 位素可以是18F-氟代-2-脫氧葡萄糖(FDG)，一種包括放射性氟的糖。正電子發(fā)射X射線層 析照相術(shù)同位素被包括在某些身體過(guò)程和功能中，且其放射性本質(zhì)使得正電子發(fā)射X射線 層析照相術(shù)掃描器能夠產(chǎn)生顯示出那些功能和過(guò)程的影像。例如，當(dāng)注射18F-氟代-2-脫 氧葡萄糖時(shí)，癌細(xì)胞可使其新陳代謝，這允許正電子發(fā)射X射線層析照相術(shù)掃描器產(chǎn)生顯 示出癌變區(qū)域的影像。
正電子發(fā)射X射線層析照相術(shù)同位素主要通過(guò)回旋加速器，一種微粒加速器產(chǎn) 生?；匦铀倨魍ǔＴ诟哒婵?例如，10_7托)狀態(tài)下進(jìn)行操作。在操作中，初始從離子 源中提取出帶電微粒(即離子)。隨后，離子被加速，同時(shí)被磁場(chǎng)限制在圓形路徑中。射頻 (RF)高壓源快速交替回旋加速器室內(nèi)部的電場(chǎng)的極性，導(dǎo)致離子沿螺旋路線行進(jìn)，同時(shí)它 們獲得更多的動(dòng)能。一旦離子已獲得其最終能量，它們被引導(dǎo)至靶材料以將其轉(zhuǎn)變成一種 或多種所需的正電子發(fā)射X射線層析照相術(shù)同位素。由于回旋加速器通常涉及大量投資， 因此其同位素生產(chǎn)能力非常重要。理論上而言，給定靶材料的同位素的產(chǎn)生速度與轟擊靶 的帶電離子的通量(即離子束電流)成正比。因此，所希望的是從離子源中提取出高輸出 量的離子電流。
除離子輸出量外，離子源的壽命也很重要。離子源通常壽命有限且因此需要進(jìn)行 定期更換。在定期檢修過(guò)程中，回旋加速器需要被打開(kāi)以允許接近離子源。然而，由于回旋 加速器通常在同位素生產(chǎn)過(guò)程中變得具有放射性，因此有必要等輻射衰減至安全水平再開(kāi) 始進(jìn)行檢修。例如在一種回旋加速器中，等待輻射衰減的時(shí)間可持續(xù)十小時(shí)。離子源的更 換需要一些時(shí)間，這取決于離子源組件的復(fù)雜性及其可接近性。在已更換離子源后，需要另 外的時(shí)間以使回旋加速器內(nèi)部恢復(fù)高真空狀態(tài)。結(jié)果是，離子源更換的每次預(yù)定檢修導(dǎo)致 同位素生產(chǎn)過(guò)程中的停機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)。因此，所希望的是改進(jìn)離子源的壽命，以使得預(yù)定檢修 之間的同位素生產(chǎn)時(shí)間將更長(zhǎng)。
圖1示出了產(chǎn)生同位素的回旋加速器中使用的已公知的基于等離子體的離子源 100的操作。如圖所示，離子源100包括被放置在兩個(gè)陰極102之間的離子源管道104。離 子源管道104可接地，同時(shí)可通過(guò)電源112使兩個(gè)陰極102在高負(fù)壓下加上偏壓。離子源 管道104可具有空腔108，一種或多種氣體組分可流入所述空腔內(nèi)。例如，約10標(biāo)準(zhǔn)毫升 /分(sccm)的氫氣(H2)流可流入空腔108內(nèi)。陰極102和離子源管道104之間的電壓差可導(dǎo)致氫氣中的等離子體放電(110)，產(chǎn)生正氫離子(質(zhì)子)和負(fù)氫離子or)。這些氫離 子可受到沿離子源管道104長(zhǎng)度施加的磁場(chǎng)120的限制。通過(guò)電源114在交變電位下受到 偏壓的拉出器116隨后可在交變電位的正半周期過(guò)程中通過(guò)離子源管道104上的狹縫開(kāi)口 106提取出負(fù)氫離子。提取出的負(fù)氫離子118在用于產(chǎn)生同位素之前可在回旋加速器(未 示出)中被進(jìn)一步加速。
圖2-圖7示出了離子源管道200的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)，其中圖2是離子源管道200的 透視圖，圖3是前視圖，圖4是側(cè)視圖，圖5和圖7是截面a-a的橫截面圖，且圖6是截面b-b 的橫截面圖。長(zhǎng)度單位為毫米(mm)。離子源管道200具有圓柱形空腔212，所述空腔以軸 線216為中心。沿離子源管道200的前側(cè)還存在狹縫開(kāi)口 214。該現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)一步需 要兩個(gè)獨(dú)立的限制環(huán)210，所述限制環(huán)可被插入到空腔212內(nèi)且被放置靠在邊緣220和222 上以幫助限定等離子體柱218的形狀和位置。
在現(xiàn)有技術(shù)離子源管道200的設(shè)計(jì)中可能存在一些缺點(diǎn)。例如，限制環(huán)210的使 用可能使得在制造過(guò)程中需要一些用于組裝和調(diào)節(jié)的時(shí)間量。且限制環(huán)的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)可 強(qiáng)加嚴(yán)格的制造公差。此外，狹縫開(kāi)口 214可由于受到等離子體柱218中產(chǎn)生的離子的轟 擊而相對(duì)較快地性能衰退，導(dǎo)致離子源管道200壽命較短。
這些和其它缺點(diǎn)可存在于已公知的系統(tǒng)和方法中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)用于改進(jìn)離子源壽命和性能的方法和設(shè)備，所述方法和設(shè)備克服了已 公知系統(tǒng)和方法的這些和其它缺點(diǎn)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明涉及一種用于維持其中的等離子體放電的離子源管道， 所述離子源管道包括沿所述離子源管道側(cè)面的狹縫開(kāi)口，其中所述狹縫開(kāi)口具有小于 0. 29毫米的寬度；所述離子源管道的至少一端中的端部開(kāi)口，其中所述端部開(kāi)口小于所述 離子源管道的內(nèi)徑且自所述離子源管道的中心軸線朝向所述狹縫開(kāi)口移動(dòng)0-1. 5毫米；和 適于所述等離子體放電的空腔。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明涉及一種用于制造離子源管道的方法，所述方法包括 形成離子源管道，所述離子源管道包括沿所述離子源管道側(cè)面的狹縫開(kāi)口，其中所述狹縫 開(kāi)口具有小于0. 29毫米的寬度；在所述離子源管道至少一端中的端部開(kāi)口，其中所述端部 開(kāi)口小于所述離子源管道的內(nèi)徑，且自所述離子源管道的中心軸線朝向所述狹縫開(kāi)口移動(dòng) 0-1. 5毫米；和空腔，所述等離子體放電位于所述空腔中。


為了有利于更全面地理解本發(fā)明，下面參考附圖進(jìn)行說(shuō)明。這些圖不應(yīng)被解釋為 對(duì)本發(fā)明的限制，而僅旨在進(jìn)行示例性說(shuō)明。
圖1示出了產(chǎn)生同位素的回旋加速器中使用的已公知的基于等離子體的離子源 的操作；
圖2-圖7示出了離子源管道的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)；
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的典型離子源管道的透視圖；
圖9-圖12是示出了圖8中所示的典型離子源管道的機(jī)械制圖；和
4[0017]圖13-圖16是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的典型限制環(huán)(restrictor ring) 的機(jī)械制圖。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明的典型實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
參見(jiàn)圖8，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的典型離子源管道300的透視圖。 離子源管道300可用于類似于圖1所示的離子源的基于等離子體的離子源中。可在離子源 管道300中或附近維持等離子體放電(未示出)。離子源管道300可由耐熱和耐受等離子 體放電的金屬(例如銅和鎢)制成。如圖所示，典型離子源管道300大體上具有圓柱形狀。 在離子源管道300的前側(cè)中可具有用于提取離子的狹縫開(kāi)口 310。在離子源管道300的端 部中可具有端部開(kāi)口 314以適應(yīng)氣體組分的流動(dòng)并幫助限定出等離子體放電的形狀和位 置。在離子源管道300內(nèi)部，可具有預(yù)成形空腔312，其進(jìn)一步限定出等離子體放電的形狀 和位置及其密度。結(jié)合圖9-圖12對(duì)離子源管道300的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。
應(yīng)該注意，離子源管道300通常被制成一件式結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，可基于例如實(shí)驗(yàn)或 理論計(jì)算(例如計(jì)算機(jī)模擬)而預(yù)先確定影響離子束電流的幾何參數(shù)，例如狹縫開(kāi)口 310 的寬度和空腔312的形狀。隨后，所需參數(shù)組可被包括在離子源管道300內(nèi)以形成一個(gè)一 體的結(jié)構(gòu)，所述一體的結(jié)構(gòu)幾乎不需要或不需要進(jìn)行組裝或調(diào)節(jié)。該設(shè)計(jì)方法學(xué)可減少對(duì) 離子源管道300的耗時(shí)調(diào)節(jié)的需要且可增大機(jī)加工公差。
圖9-圖12示出了圖8所示的典型離子源管道的機(jī)械制圖。圖9是離子源管道 300的前視圖，圖10是側(cè)視圖，圖11是截面A-A的橫截面圖，且圖12是截面B-B的橫截面 圖。長(zhǎng)度單位是毫米(mm)。
例如，圖9所示離子源管道300的總長(zhǎng)度可以是20毫米，且公差為0. 05毫米。當(dāng) 然，在此闡述的這些值和其它值僅是實(shí)例。沿離子源管道300前側(cè)的狹縫開(kāi)口 310可具有小 于0. 3毫米，更優(yōu)選小于0. 29毫米且大于0. 1毫米，再更優(yōu)選小于0. 25毫米且大于0. 15毫 米的寬度，且最優(yōu)選寬度為0. 2毫米且公差為0. 01毫米。狹縫開(kāi)口 310的長(zhǎng)度可以是4-6 毫米，更優(yōu)選為5. 00毫米且公差為0. 05毫米。狹縫開(kāi)口 310和離子源管道300的兩端可 具有陡沿。
圖10示出了從一端觀察的離子源管道300的視圖。端部開(kāi)口 314通常具有2. 5-5 毫米的直徑，且優(yōu)選具有3. 00毫米的直徑且公差為0. 05毫米。此外，如圖10和圖11所示， 端部開(kāi)口 314通常但未必一定偏離離子源管道的中心軸線316。例如，端部開(kāi)口 314可自 中心軸線316偏離零或大于零達(dá)1. 5毫米，且優(yōu)選自中心軸線316偏離約1. 00毫米。結(jié)果 是，受到端部開(kāi)口 314限制的等離子體柱(未示出)可偏心并更接近狹縫開(kāi)口 310地移動(dòng)。 接近狹縫開(kāi)口 310的等離子體柱的位置通常改進(jìn)了離子提取效率。此外，端部開(kāi)口 314的 直徑可小于離子源管道300內(nèi)部的空腔312的直徑，這可幫助增加等離子體放電的密度以 產(chǎn)生更多的離子。通常情況下，離子源管道內(nèi)部的等離子體放電的直徑約為2. 5-5毫米，更 優(yōu)選為3毫米。
如圖12所示，根據(jù)一個(gè)實(shí)例，狹縫開(kāi)口 310和中心軸線316之間的距離可以是約 2. 6毫米。假定受到端部開(kāi)口 314和內(nèi)置限制器324限制的等離子體柱在離子源管道300 整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)保持直圓柱形狀，那么等離子體柱的邊緣可遠(yuǎn)離狹縫開(kāi)口 310僅0. 3毫米。通常情況下，等離子體柱的邊緣遠(yuǎn)離狹縫開(kāi)口 310達(dá)0.2-0. 5毫米。在狹縫開(kāi)口 310邊緣 處的離子源管道厚度通常為0. 05-0. 15毫米，且優(yōu)選為如圖11所示的0. 1毫米。在狹縫開(kāi) 口 310邊緣處的離子源管道厚度可對(duì)性能產(chǎn)生兩種影響。例如，更薄的邊緣可導(dǎo)致電場(chǎng)穿 透性的改進(jìn)且因此導(dǎo)致更好的H—輸出量。然而，更薄的邊緣可導(dǎo)致離子源管道壽命更短， 這是因?yàn)槠鋵⒏荒褪苣p。選定的邊緣厚度可以是兩種效應(yīng)之間的折衷方案。
圖13-圖16是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的典型限制環(huán)的機(jī)械制圖。圖13 是限制環(huán)500的透視圖，圖14是俯視圖，圖15是側(cè)視圖，且圖16是截面f-f的橫截面圖。 長(zhǎng)度單位是毫米(mm)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)限制環(huán)，例如圖13所示的限制環(huán)，可被插入離 子源管道內(nèi)以進(jìn)一步改變其空腔的形狀。例如，限制環(huán)500可沿圖11中的虛線320被插入 空腔312內(nèi)。限制環(huán)500可由耐熱和耐受等離子體的金屬(例如鎢或銅)制成。如圖16 所示，限制環(huán)500可具有4. 60毫米的內(nèi)徑和5. 60毫米的外徑。如圖14所示，限制環(huán)500 可具有0. 8毫米寬的狹縫508。狹縫508可允許限制環(huán)500在插入和調(diào)節(jié)過(guò)程中略微彎曲。 且內(nèi)徑和外徑的尺寸可允許限制環(huán)500靠置在圖11所示的凸緣322上。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，盡管可能希望制造包括所有離子提取的關(guān)鍵參數(shù)的一件式 離子源管道，但有時(shí)對(duì)管道進(jìn)行機(jī)加工以符合全部需求可太困難或太昂貴。例如，再次參見(jiàn) 圖11，制造具有中部更寬且兩端更窄的空腔312的一件式離子源管道300可能是困難的。 然而，當(dāng)限制環(huán)500沿虛線320被插入且靠置在凸緣322上時(shí)，可實(shí)現(xiàn)空腔312形狀關(guān)于截 面B-B的所需對(duì)稱性。
總而言之，本發(fā)明的實(shí)施例可提供多個(gè)有利特征以改進(jìn)離子源的壽命和性能。例 如，一件式設(shè)計(jì)可包括可影響輸出離子電流的所有關(guān)鍵參數(shù)，例如狹縫開(kāi)口寬度，狹縫開(kāi)口 和等離子體柱邊緣之間的距離以及等離子體柱的形狀。由于幾乎沒(méi)有離散部分，因此一件 式離子源管道可易于進(jìn)行安裝和調(diào)節(jié)。離子源管道內(nèi)部的空腔幾何形狀可被設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)高 效的離子生成和提取。例如，空腔一端中的偏心端部開(kāi)口可將等離子體柱放置在更接近狹 縫開(kāi)口的位置處。等離子體柱的形狀可基于偏心開(kāi)口和空腔的幾何參數(shù)進(jìn)行構(gòu)造。例如， 可減小偏心開(kāi)口和空腔的尺寸以增加等離子體柱的密度。通過(guò)可選的限制環(huán)，本發(fā)明的實(shí) 施例還提供了離子源管道的設(shè)計(jì)和制造中的靈活性。當(dāng)一件式設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，一個(gè)或多 個(gè)具有適當(dāng)形狀和尺寸的限制環(huán)可被插入離子源管道內(nèi)以實(shí)現(xiàn)所需幾何形狀。
盡管前面的描述包括了許多細(xì)節(jié)，但應(yīng)該理解這些細(xì)節(jié)僅為闡述目的而被包括， 且不被解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于理解，可在不偏離本發(fā)明的精神 和范圍的情況下對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行其它變型。因此，這種變型被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)，以 下技術(shù)方案及其合法等效方式旨在限定本發(fā)明的范圍。
零件表
權(quán)利要求
一種用于維持其中的等離子體放電的離子源管道(300)，所述離子源管道(300)包括沿所述離子源管道(300)側(cè)面的狹縫開(kāi)口(310)，其中所述狹縫開(kāi)口(310)具有小于0.29毫米的寬度；所述離子源管道(300)端部中的端部開(kāi)口(314)，其中所述端部開(kāi)口(314)小于所述離子源管道的內(nèi)徑且自所述離子源管道(300)的中心軸線(316)朝向所述狹縫開(kāi)口(310)移動(dòng)大于0直到1.5毫米；和適于所述等離子體放電的空腔(312)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述端部開(kāi)口(314)具有2.5-5毫 米的直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的離子源管道(300)，其中內(nèi)置限制器(324)和所述端部開(kāi)口 (314)中的至少一個(gè)導(dǎo)致所述等離子體放電的邊緣遠(yuǎn)離所述狹縫開(kāi)口(310)0. 2-0. 5毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述狹縫開(kāi)口(310)具有0.15毫米 至0. 25毫米之間的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述狹縫開(kāi)口(310)具有0.2毫米 的寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述離子源管道(300)具有一件式構(gòu)造。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的離子源管道(300)，進(jìn)一步包括用于插入所述一件式離子源 管道(300)內(nèi)以改變所述空腔(312)的幾何形狀的限制環(huán)(500)。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述離子源管道(300)包括銅和鎢。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的離子源管道(300)，其中所述端部開(kāi)口(314)自所述離子源 管道(300)的所述中心軸線(316)朝向所述狹縫開(kāi)口(310)移動(dòng)大于零毫米。
10.一種用于制造離子源管道的方法，所述方法包括 形成離子源管道(300)，所述離子源管道(300)包括沿所述離子源管道(300)側(cè)面的狹縫開(kāi)口(310)，其中所述狹縫開(kāi)口(310)具有小于 0. 29毫米的寬度；在所述離子源管道(300)端部中的端部開(kāi)口(314)，其中所述端部開(kāi)口(314)小于所述 離子源管道(300)的內(nèi)徑，且自所述離子源管道(300)的中心軸線(316)朝向所述狹縫開(kāi) 口(310)移動(dòng)大于0直到1. 5毫米；和空腔(312)，所述等離子體放電位于所述空腔中。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種可改進(jìn)回旋加速器中的離子源壽命和性能的方法和設(shè)備。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明包括用于維持其中的等離子體放電的離子源管道(300)。所述離子源管道(300)包括沿所述離子源管道(300)側(cè)面的狹縫開(kāi)口(310)，其中所述狹縫開(kāi)口(310)具有小于0.29毫米的寬度。所述離子源管道(300)還包括所述離子源管道(300)端部中的端部開(kāi)口(314)。所述端部開(kāi)口(314)小于所述離子源管道(300)的內(nèi)徑且自所述離子源管道(300)的中心軸線(316)朝向所述狹縫開(kāi)口(310)移動(dòng)0-1.5毫米。所述等離子體柱相對(duì)于所述狹縫開(kāi)口(310)移動(dòng)0.2至0.5毫米。所述離子源管道(300)包括適于所述等離子體放電的空腔(312)。本發(fā)明還涉及一種用于制造離子源管道(300)的方法。
文檔編號(hào)H05G2/00GKCN1816243 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 200510131760
公開(kāi)日2011年3月9日 申請(qǐng)日期2005年12月16日
發(fā)明者J·O·諾爾林, J·-O·貝里斯特倫 申請(qǐng)人:通用電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2), 非專利引用 (2),