專利名稱:激光致動(dòng)的微型加速器平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電離輻射源，更具體而言，涉及一種用于 產(chǎn)生相對(duì)論性和近相對(duì)論性電子或軔致輻射X-射線的完整的微型激光致 動(dòng)的電子加速器平臺(tái)。該裝置產(chǎn)生的電離輻射和它的小型尺寸使本發(fā)明 的裝置特別適用于微創(chuàng)激光內(nèi)窺鏡臨床操作。
背景技術(shù)：
已證實(shí)電離輻射的應(yīng)用是治療哺乳動(dòng)物的腫瘤和其他細(xì)胞 增生的方法。雖然用目前的方法可成功治療某些類型的癌癥，但是癌癥 仍然是重大疾病，且一直是死亡的主要原因。
用放射療法治療的大多數(shù)癌癥患者從大型外部線性加速器 接受外部高能輻射束，通常為電子或X-射線。使用這些方法達(dá)到的精度 非常高，特別是使用計(jì)算機(jī)控制的PET (正電子放射計(jì)算機(jī)斷層掃描)或CAT (計(jì)算機(jī)軸向斷層掃描)輔助源來產(chǎn)生精確定向的輻射束("立體定向 放射外科治療")。雖然這些放射治療中的大部分是治療癌癥，但是放射 外科治療也是諸如大腦中動(dòng)靜脈畸形(AVS)等其他罕見疾病的治療選擇。 用于這些醫(yī)療目的的輻射能量根據(jù)所用方法而不同，但一般范圍為6 MeV~12 MeV。
然而，外部電離輻射源會(huì)將不希望的輻射劑量投向周圍的健 康組織，這是因?yàn)檩椛涫仨毚┩附】灯鞴俸徒M織的大部分區(qū)域以到達(dá) 靶組織。二次損傷皮膚、骨骼、內(nèi)部器官和其他健康組織是放射治療的 顯著的不希望負(fù)面影響。因此，對(duì)外部放射治療的挑戰(zhàn)是使投向靶腫瘤 組織的治療輻射劑量最大，同時(shí)使接觸周圍健康組織的輻射最小。
在被稱為術(shù)中放射治療(IORT)的相關(guān)操作中，在腫瘤手術(shù)過 程中，向腫瘤部位發(fā)出短脈沖輻射。輻射可來自外部X-射線或電子束(由 大型線性加速器產(chǎn)生)以及小型放射源。典型的IORT病例涉及到不能安 全徹底地去除的腫瘤，包括乳腺癌(乳房腫瘤切除術(shù))、直腸/結(jié)腸癌、婦 科和泌尿癌的復(fù)發(fā)形式、頭頸部腫瘤以及軟組織肉瘤。
已開發(fā)出放射治療用的內(nèi)部輻射源的放置，用于減少外部放 射治療對(duì)健康組織干預(yù)的負(fù)面影響。例如，可以通過內(nèi)部接觸被植入或 通過導(dǎo)管輸送的放射性物質(zhì)來治療患者。也被稱為內(nèi)放射治療或IRT的 近距離放射治療是某些癌癥治療的特定選擇。通常，放射源材料以放射 性物質(zhì)(例如，銥-192和鍶-90)的"種子"或小球形式被直接引入到體內(nèi)。 在前列腺癌治療的一些病例中，從插入腫瘤的數(shù)百個(gè)種子中產(chǎn)生數(shù)周或 數(shù)月的低能量輻射。大多數(shù)常規(guī)近距離放射治療產(chǎn)生50 keV的低能光子 或卩粒子。因此，這些粒子對(duì)周圍組織的穿透非常有限，這對(duì)患者的健 康組織是有利的。
近距離放射治療的另一種類型是短時(shí)間(數(shù)十分鐘，重復(fù)數(shù)天) 獲得更高劑量的高劑量率(HDR)近距離放射治療。這通常是通過將放射 性同位素經(jīng)由導(dǎo)管引入感染區(qū)且在劑量完成時(shí)再將其抽出來實(shí)現(xiàn)的。 HDR近距離放射治療的另一種類型以乳腺癌術(shù)后治療為例進(jìn)行說明。在 一個(gè)系統(tǒng)中，裝滿液體的球囊導(dǎo)管在腫瘤切除后余下的空間內(nèi)膨脹，并利用放射性同位素向腫瘤部位周圍的組織發(fā)出高但局部的輻射劑量。用 這些方法治療的癌癥通?？拷w表或靠近身體上的通口。
近距離放射治療還用于以下的心血管疾病治療的血管成形
術(shù)。當(dāng)通過經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療(PCI)從冠狀動(dòng)脈去除斑塊時(shí)，通常將
管狀絲網(wǎng)支架插入動(dòng)脈中，以維持其形狀。為了防止因異常細(xì)胞在支架 內(nèi)生長(zhǎng)而使動(dòng)脈重新閉塞的支架內(nèi)再狹窄，通常可使用由經(jīng)導(dǎo)管引入動(dòng) 脈的放射性同位素產(chǎn)生的輻射對(duì)該部位進(jìn)行治療("血管內(nèi)近距離放射治 療，，)。
利用放射性同位素作為電離輻射源存在很多危險(xiǎn)和缺點(diǎn)。首 先，植入的放射源將持續(xù)放出電離輻射，往往超過了患者的生命極限， 并產(chǎn)生在一定時(shí)間損害健康組織的危險(xiǎn)。處理放射性物質(zhì)的醫(yī)生及其他 醫(yī)務(wù)人員可能隨著時(shí)間推移受到電離輻射。還存在關(guān)于放射性物質(zhì)的獲 得、維持和處置的進(jìn)一步的管理負(fù)擔(dān)。因此，植入放射性物質(zhì)是不可取 的，因?yàn)樗鼈儾荒鼙魂P(guān)閉和開啟，使用復(fù)雜，而且為了安全操作必須充 分屏蔽和控制。
已開發(fā)出避免將放射性物質(zhì)放入患者體內(nèi)且減少外部輻射 源對(duì)健康器官和組織的輻射沉積的幾種裝置。例如， 一種市售裝置使用 微型X-射線管，在體內(nèi)發(fā)出50 kV的X-射線脈沖。微型X-射線管避免 組織處于放射性物質(zhì)的周圍，但僅限于非常具體的能量范圍(10 50kV)， 并且沒有能力選擇或準(zhǔn)直所產(chǎn)生的輻射束。產(chǎn)生的頻譜寬，峰值在低能 量，并且輻射束同樣在寬角度擴(kuò)散。
為了給X-射線管提供動(dòng)力，使用X-射線技術(shù)可能還需要將 高壓(50kV)直接導(dǎo)入患者體內(nèi)。雖然這些裝置被微型化，但是X-射線管 在每個(gè)方向上仍然占據(jù)幾個(gè)毫米，并且(因?yàn)樾枰妷焊綦x)必須安裝在剛 性厚實(shí)的支持件內(nèi)，而不是安裝在限制其有效性的狹窄導(dǎo)管上。
微型X-射線管發(fā)生器的另一個(gè)問題是管的陽極會(huì)產(chǎn)生過度 熱量。過度熱量也可能會(huì)損害周圍的健康組織或血管。其他微型X-射線 管的設(shè)計(jì)是使管子處于能夠提供一些隔熱并使流體循環(huán)以消除熱量的膨脹球囊內(nèi)。然而，這些設(shè)計(jì)仍然需要在體內(nèi)產(chǎn)生大電壓以致動(dòng)裝置，并 且體積龐大。
進(jìn)一步的內(nèi)部設(shè)計(jì)提供了一種柔性的X-射線輻射傳輸針，其 中通過中空玻璃纖維或其他反射光束傳輸管來傳輸X-射線或電子。針尖 插入腫瘤或其他組織中，并通過針向該部位傳遞輻射。然而，由于反射 的原因，使得最低治療輻射的照射時(shí)間較長(zhǎng)，因此輻射強(qiáng)度存在大量損 失。
因此，需要開發(fā)一種微小尺寸的裝置，它能利用來自位于或 靠近目標(biāo)腫瘤部位的輻射源的電離放射治療體內(nèi)癌癥，并使鄰近器官和 組織最少地暴露在輻射中。還需要一種向靶組織部位提供電離輻射的導(dǎo) 管定位裝置，不需要向體內(nèi)輸入大電壓、過度熱量或放射性物質(zhì)。還需 要一種微型裝置，可以選擇電離輻射的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，從而控制靶組 織的照射，不會(huì)使醫(yī)務(wù)人員或患者暴露在危險(xiǎn)材料中或者需要采取輻射 安全措施。還需要一種制造相對(duì)便宜、易于使用的裝置，其適用于難以 接近器官的腫瘤治療、冠狀動(dòng)脈支架植入、AVM異常的破壞和其他用途 等各方面。本發(fā)明滿足了這些需求以及其他需求，并且是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的 裝置和治療的全面改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種能夠產(chǎn)生并加速電子或產(chǎn)生X-射線的微型諧 振激光動(dòng)力的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用是醫(yī)療裝置，它能夠向體內(nèi)的器 官、腫瘤或血管直接傳遞治療劑量的電離輻射。產(chǎn)生的輻射由能量約1 MeV 約5MeV的相對(duì)論性電子(P粒子)的脈沖構(gòu)成。這種輻射產(chǎn)生是通 過亞毫米尺寸的電子加速器實(shí)現(xiàn)的，該電子加速器可安裝在光纖導(dǎo)管內(nèi)， 并能通過腹腔鏡插入組織或器官。該裝置特別適于進(jìn)行醫(yī)學(xué)近距離放射 治療，其中通過引入體內(nèi)的小型或局部輻射源將治療輻射直接傳遞到所 需部位。然而，該裝置可用在需要加速電子或X-射線的任何情況下。
近距離放射治療并不局限于任何一個(gè)醫(yī)療目的或操作。幾種 不同形式的這種治療可用于治療諸如前列腺、子宮頸、胸部、頭頸部和
9肺部等可接近器官的表面腫瘤和癌癥。在相關(guān)應(yīng)用中，可以在照射腫瘤
床之后立即進(jìn)行手術(shù)切除腫瘤(術(shù)中放射治療或IORT)。在治療冠狀動(dòng)脈 疾病中安裝動(dòng)脈支架期間也可以使用近距離放射治療，它可以阻止支架 周圍的血管重新閉塞，而無需使用藥物。
本發(fā)明沒有放射性同位素；產(chǎn)生的輻射是僅在短暫脈沖期間
開放的窄束。裝置內(nèi)的任何地方都沒有輻射，在工作時(shí)，不需要屏蔽。 產(chǎn)生的電子束具有可以在制造時(shí)選定的相對(duì)較窄的能量峰值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種輻射源，包括容納微型加 速器平臺(tái)組件的抽空的殼體，所述平臺(tái)組件具有被真空間隙隔開的一對(duì) 介電板，每個(gè)板包括在對(duì)著所述間隙的一側(cè)上的反射層和活性面，至少 一個(gè)反射層具有多個(gè)周期槽。光源，用于使光束導(dǎo)向所述介電板的所述 反射層；電子源，用于在所述真空間隙內(nèi)發(fā)射和加速電子。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種微型加速器平臺(tái)，它包括 電子源、具有包括多個(gè)槽的反射面和活性面的第一介電板和具有包括多
個(gè)槽的反射面和活性面的第二介電板，所述第二介電板的活性面對(duì)著所 述第一介電板的活性面，在兩個(gè)所述活性面之間形成間隙。光輻射源， 設(shè)置成使光束導(dǎo)向所述第一和第二介電板的所述反射面上，并且從所述 電子源發(fā)射的電子在所述兩個(gè)介電板的活性面之間的所述間隙內(nèi)被加 速。
本發(fā)明的另一方面提供一種微型加速器平臺(tái)，它包括具有 包括多個(gè)槽的反射面和活性面的第一介電板以及具有反射面和活性面的 第二介電板，所述兩個(gè)活性面彼此對(duì)著并在其間形成間隙。所述第二板 的反射面可以是金屬反射體。光輻射源，設(shè)置成使光束導(dǎo)向所述第一介 電板的開槽的反射面上，并且電子源在所述間隙內(nèi)發(fā)射電子，然后加速 電子。
在本發(fā)明的另一方面，提供一種輻射源，它的電子源包括鐵 電晶體基底、與所述鐵電晶體基底耦合的發(fā)射器陣列和加熱元件。所述 發(fā)射器陣列優(yōu)選由石墨針制成，所述鐵電晶體基底優(yōu)選由鈮酸鋰制成。[0025]在說明書的下面部分將說明本發(fā)明的其他方面，其中詳細(xì)描述的目的是完全沒有任何限制地公開本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。


參照附圖能更充分地理解本發(fā)明，附圖僅是說明性的，在附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有對(duì)稱的一對(duì)介電晶片/板的一個(gè)微型加速器平臺(tái)實(shí)施例的側(cè)視示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的具有成對(duì)的介電晶片/板的微型加速器平臺(tái)另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視示意圖，其中一個(gè)板的反射面包括周期耦合槽，另一介電板設(shè)置在簡(jiǎn)單的反射面上。
圖3是圖l所示實(shí)施例的成對(duì)周期板結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖4A是板結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的示意側(cè)視圖，詳細(xì)顯示了高折射率和低折射率材料的交替層和槽。
圖4B是根據(jù)本發(fā)明的板結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的示意俯視圖，詳細(xì)顯示了周期槽。
圖5是具有從垂直略微旋轉(zhuǎn)且每隔幾個(gè)結(jié)構(gòu)周期符號(hào)交替的耦合槽的板結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施例的示意俯視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的集成粒子發(fā)射器的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖7A是沿著模擬加速器結(jié)構(gòu)的粒子能量圖。
圖7B是使用斜槽結(jié)構(gòu)聚焦的圖，顯示了最初20個(gè)結(jié)構(gòu)周期內(nèi)的x和y的值。
具體實(shí)施方式
更具體地參照附圖，以圖1 圖7B所示的裝置為例說明本發(fā)明。應(yīng)理解的是，在不背離本文公開的基本構(gòu)思的情況下，這些裝置在結(jié)構(gòu)方面和各個(gè)部分的細(xì)節(jié)方面可以變化，并且方法的具體步驟和順序也可以變化。
下面參照?qǐng)D1和圖2，示意性示出了用于產(chǎn)生高強(qiáng)度相對(duì)論性或近相對(duì)論性的電子束和任選的軔致輻射X-射線的微型加速器平臺(tái)(MAP)的兩個(gè)實(shí)施例。 一般地，裝置IO和系統(tǒng)包括封裝在殼體12內(nèi)的MAP，殼體的大小可以調(diào)節(jié)，而與在動(dòng)物或人類患者體內(nèi)使用的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)連接。整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸通常小于1立方毫米，并且可收容在與導(dǎo)管連接的小型一次性尖端。雖然本發(fā)明特別適用于體內(nèi)放置，然而，可以理解的是，本發(fā)明可以用于有利地使用電離輻射束的任何外部。
在圖1和圖2所示的實(shí)施例中，提供了優(yōu)選通過光纖纜14傳導(dǎo)至殼體12的激光光源。在治療室內(nèi)可產(chǎn)生選定波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍的激光，并通過光纖纜14沿導(dǎo)管傳輸至加速器。這樣，電子完全在患者體內(nèi)產(chǎn)生、加速并發(fā)射，并且能達(dá)到現(xiàn)有的近距離放射治療源當(dāng)前不能達(dá)到的能量范圍。因此，醫(yī)務(wù)人員可以將輻射源放置在靠近腫瘤部位的合適位置處，并向腫瘤傳遞可控的高強(qiáng)度劑量的電離輻射。在傳遞所需劑量之后，可通過切斷激光光源關(guān)閉輻射，使得健康組織在治療期間不會(huì)受到照射。
圖1所示實(shí)施例的加速器具有并排排列的一對(duì)硅晶片或板16、 18，在這兩個(gè)晶片之間存在狹窄的真空間隙20。電子源22位于間隙20的近端，間隙20的遠(yuǎn)端是打開的。晶片16、 18優(yōu)選比它們的間隔距離20寬很多，形成'夾心'或'板對(duì)稱'的幾何形狀。
兩個(gè)晶片16、 18的外表面24、 26被至少一層反射材料覆蓋，并具有如圖4A和圖4B所示的填充介電材料的槽的周期陣列?；蛘?，槽可向真空打開。激光從上方撞擊在結(jié)構(gòu)上并通過槽進(jìn)入真空間隙20。
在圖4A所示的本發(fā)明實(shí)施例中，在Bragg狀結(jié)構(gòu)配置中，使用不同介電材料的交替層來代替反射材料。選擇結(jié)構(gòu)尺寸和其他參數(shù)，以在結(jié)構(gòu)內(nèi)捕集激光輻射，從而在間隙20的區(qū)域內(nèi)形成電場(chǎng)諧振。
使來自光纖纜14的激光分布在加速器內(nèi)，從而將激光導(dǎo)向晶片16、 18的外表面24、 26，在圖1和圖2中概念性地示出光線從很多微型鏡子28反射到晶片表面上。雖然用一系列碾磨過的反射面可使晶片16、 18被照射，然而，可以理解的是，可以許多不同的方式來提供激光，例如使晶片16、 18的表面24、 26直接面向功能光纖表面。
裝置10內(nèi)的真空間隙20在一端具有電子源22，產(chǎn)生初始速度約為0.3倍光速的電子，最后通過間隙20加速，然后作為光束30發(fā)射以治療腫瘤組織32。由于電子從激光場(chǎng)中獲取能量，因此晶片結(jié)構(gòu)和間隙20優(yōu)選為漸縮形狀，使加速場(chǎng)的相速度增加，以與電子速度相匹配。在一個(gè)實(shí)施例中，經(jīng)過約500個(gè)結(jié)構(gòu)周期之后，能量接近l 2MeV的電子從殼體結(jié)構(gòu)12的近端34發(fā)射。
可以看到，晶片16、 18的幾何形狀避開了現(xiàn)有技術(shù)中已知的標(biāo)準(zhǔn)線性加速器的許多限制。在圖2所示的實(shí)施例中，高場(chǎng)被限制在真空/介電間隙20內(nèi)或保持遠(yuǎn)離金屬邊界，且橫向尾場(chǎng)受到抑制。此外，介電材料可耐受非常高的電場(chǎng)，短期內(nèi)不會(huì)被擊穿，并且介電結(jié)構(gòu)允許用微加工和分層法以極高的精度加工出小型結(jié)構(gòu)。
在圖2中示意性示出MAP結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施例。在該實(shí)施例中，電子加速器的介電晶片具有不同于圖1所示的結(jié)構(gòu)。下面參照?qǐng)D2，導(dǎo)光管36與裝置殼體38連接，并與具有外部可控激光波長(zhǎng)、強(qiáng)度和其他特性的激光光源(圖未示)連接。導(dǎo)光管36優(yōu)選為柔性光纖纜，其大小可調(diào)節(jié)而通過導(dǎo)管插在殼體38上。
激光通過導(dǎo)管36經(jīng)過圖2功能性示出的一系列反射面44被傳導(dǎo)至板或晶片42的外表面40。 一個(gè)板42是具有每隔長(zhǎng)度p被寬度w的槽中斷的反射面(Bragg狀疊層)40的準(zhǔn)周期板，其中p是軸向位置的緩慢變化函數(shù)。槽的深度^與反射面的厚度相同。如圖4A和圖4B所示，在反射面的內(nèi)側(cè)上是具有厚度^和介電常數(shù)s的介電材料均勻?qū)印?br>另一個(gè)板44是放置在反射體46上的介電材料，并且沒有如在板42中所看到的耦合槽。板結(jié)構(gòu)42、 44可以是被寬度為g的真空間隙48平行隔開的。
電子源50位于真空間隙48的一端。在一個(gè)實(shí)施例中，電子源50包括被沉積的電子發(fā)射柵極覆蓋的鐵電晶體(FEC)。諸如鈮酸鋰等鐵電晶體在受熱時(shí)會(huì)自發(fā)產(chǎn)生極化電荷，從而產(chǎn)生每厘米兆伏級(jí)的法線取向的表面電場(chǎng)。這種熱電效應(yīng)產(chǎn)生相對(duì)長(zhǎng)壽命的場(chǎng)(幾秒的弛豫時(shí)間)。
可通過場(chǎng)驅(qū)動(dòng)發(fā)射或在另一個(gè)實(shí)施例中通過光電子發(fā)射使電子從被覆蓋的柵極發(fā)射。長(zhǎng)壽命的熱電表面場(chǎng)將用作恒定場(chǎng)加速區(qū)，從而使電子以28 keV的動(dòng)能離開陰極區(qū)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)有由因來自間隙48的加速電子碰撞而發(fā)射X-射線的材料制成的端板52。這種材料包括鎢、鉛和金等。
下面參照?qǐng)D3，示意性示出了本發(fā)明的成對(duì)開槽的介電結(jié)構(gòu)的加速器的晶片/板結(jié)構(gòu)和陰極電子源。在該實(shí)施例中，加速器具有一對(duì)晶片，每個(gè)晶片具有介電基底54、 56，其上具有以優(yōu)選周期陣列形式被槽62中斷的至少一層反射面58、 60。槽62用介電材料填充或者可以向殼體的真空打開。激光68被導(dǎo)向成對(duì)的晶片結(jié)構(gòu)的外表面上。
圖3所示的對(duì)稱板結(jié)構(gòu)被間隙66分開。介電層54、 56之間的間隙66可以是均勻的，也可以是變化的。然而，間隙66優(yōu)選呈漸縮形狀，通常是考慮到槽62之間的間距和介電層54、 56的寬度來確定的。
間隙間距g不是定值，但是與介電材料厚度f和基底介電板54、 56的材料的介電常數(shù)e (參見下文)有關(guān)。較大的g值產(chǎn)生較大的電子束孔徑，并且使電子束射入和加速更容易而無邊界影響。然而，比A的近似值大的g值，導(dǎo)致在介電層內(nèi)的高場(chǎng)且顯著場(chǎng)不均勻性為|3<0.5。因此，^=義的值是最有效的折中，產(chǎn)生具有實(shí)際電子孔徑的容許場(chǎng)。實(shí)際上，調(diào)節(jié)間隙也是調(diào)整結(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)單方式。
設(shè)有能夠在兩個(gè)板之間的間隙66內(nèi)注入并加速電子的電子源64。集成的粒子發(fā)射槍被用在加速器IO的一個(gè)實(shí)施例中。槍64的作用是在結(jié)構(gòu)的其余空間產(chǎn)生足夠強(qiáng)度和能量的電子流，電子流被場(chǎng)捕集并加速。具有兩個(gè)階段的操作(1)電子發(fā)射和(2)加速達(dá)到閾值Po。
理想情況下，槍64的發(fā)射時(shí)間與結(jié)構(gòu)的周期時(shí)間(填充時(shí)間和激光脈沖長(zhǎng)度)很好地匹配。然而，實(shí)際上，在錯(cuò)誤時(shí)間(相)發(fā)射的電子未被捕集且未被加速，或者是很快變成未捕集。 一般而言，槍可通過場(chǎng)發(fā)射、光電子發(fā)射(即光電效應(yīng))或熱離子發(fā)射進(jìn)行操作。
將來自陰極64表面的電子加速到所需值(3()(例如25 keV)可通過外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，如通常由DC槍完成。然而，在實(shí)踐中，優(yōu)選的是不使用外高電壓源。利用熱電晶體中內(nèi)場(chǎng)的這種槍是可生產(chǎn)的。在這種晶體中，可以在諸如LiNb03和LiTa03等晶體表面處產(chǎn)生數(shù)十KV的電場(chǎng)。如在圖6中更詳細(xì)地顯示，這種槍由使場(chǎng)產(chǎn)生晶體的溫度循環(huán)的合適加熱器和產(chǎn)生電子的第二晶體或場(chǎng)發(fā)射器構(gòu)成。
在圖4A和圖4B中示意性示出板或晶片結(jié)構(gòu)54、 56的一個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)，以顯示一種類型板的整體結(jié)構(gòu)。圖4所示的結(jié)構(gòu)意圖顯示一種可能的多層實(shí)施例，并未按比例繪制。加速器優(yōu)選具有每邊約1mm或更小的微型尺寸，這樣可以通過導(dǎo)管將它放置在體內(nèi)，但電離輻射流仍具有治療強(qiáng)度并位于起端且擴(kuò)散?？梢赃x擇板結(jié)構(gòu)的尺寸以產(chǎn)生所需特性的電子束，并提高生產(chǎn)效率和節(jié)省材料。
整個(gè)板的尺寸(長(zhǎng)度Z和寬度^不是關(guān)鍵參數(shù)，只需要足夠大以防邊緣效應(yīng)干擾加速。選擇不當(dāng)會(huì)降低加速器的性能，但不會(huì)阻礙操作。
總長(zhǎng)度丄最佳為"; ，其中"是周期數(shù)，通常為1000。周期數(shù)w通常根據(jù)場(chǎng)梯度和所需的輸出能量而設(shè)定，p是槽之間的間距。
總寬度『比影響場(chǎng)的任何其他尺寸大得多，而且比電子發(fā)射區(qū)(即電子槍)大。如果『>>&那么滿足該條件。因此，『的范圍為約10微米 約1000微米。
圖4A示出槽用介電材料填充的實(shí)施例的板結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。該介電材料可以由與底板介電材料相同的材料組成?？蛇x擇地，槽介電材料可以是不同于板介電材料的介電材料。此外，在一個(gè)實(shí)施例中，可以不使用槽介電結(jié)構(gòu)并向周圍真空打開。
每個(gè)板具有厚度為f的基底介電材料74。在該裝置中，板也可以采用許多不同類型的介電材料。材料選擇要考慮到在材料工作波長(zhǎng)下的傳輸和該波長(zhǎng)下的復(fù)折射率(介電常數(shù))，包括所謂的損耗因數(shù)、擊穿 電壓及材料薄膜的沉積和結(jié)晶化性質(zhì)。在工作波長(zhǎng)下的理想材料具有高
傳輸(>0.9)性能、高折射率(>1.5)、低損耗因數(shù)、高擊穿電壓(〉100MV)， 且能夠形成外延或單晶膜。
優(yōu)選的制造工藝和合適材料的選擇與在微芯片和微結(jié)構(gòu) (MEMS)制造中使用的那些類似。對(duì)于板而言，硅具有許多有利特性，但 在波長(zhǎng)小于約1.2pm時(shí)是不透明的。碳化硅(SiC)在所需的800-1064 nm 帶具有傳輸；具有優(yōu)異的擊穿電壓和優(yōu)異的熱性能(以便控制高平均功 率)；但是在易于制造和獲得大塊材料方面通常不如硅。諸如熔融氧化硅、 石英和藍(lán)寶石等玻璃提供優(yōu)異的體積和表面特性，并具有可接受的擊穿 電壓，但具有較低折射率，因此，可以制造較低效率的結(jié)構(gòu)。最后，金 剛石也許是理想的板材料，但價(jià)格昂貴且難以大規(guī)模生產(chǎn)。
介電常數(shù)e:基底74的介電常數(shù)根據(jù)選定用于畫出形成間隙 的板內(nèi)部的邊線的材料而定。較高的s值產(chǎn)生更有效結(jié)構(gòu)，因?yàn)楦〉?場(chǎng)被限制在這些結(jié)構(gòu)中的介電材料內(nèi)。然而，實(shí)際上，可進(jìn)行微加工的 材料的s值的范圍并不大，大多數(shù)材料的s值為2 4;碳化硅(￡ = 6.8)是 最實(shí)際的選擇之一。
介電厚度" 一旦確定了間隙間距g和材料的介電常數(shù)s，基 底介電材料74的厚度f優(yōu)選通過下式被固定
其中w是激光角頻率，y是電子相對(duì)論性因子(l-(32)—1 然而，只針 對(duì)沒有耦合槽微擾的無限寬結(jié)構(gòu)，該式才是正確的，因此Z可能需要通 過物理耦合結(jié)構(gòu)模擬進(jìn)行校正。此外，f也可以隨著》增加而變化。
槽寬度w:圖4A和圖4B所示的槽72的寬度不必經(jīng)過分析 計(jì)算。然而，對(duì)于結(jié)構(gòu)內(nèi)的合理場(chǎng)約束通常有必要使w<<p。如圖3所示， 槽62允許激光68耦合進(jìn)結(jié)構(gòu)中，并在板結(jié)構(gòu)之間的間隙66內(nèi)干擾其附 近的加速電子場(chǎng)(以及諧振頻率)。[0067]較寬的槽72提供更好的耦合(更有效地利用激光能)，但產(chǎn)生 更大干擾(較小的波型純凈度)。因此，最佳槽72的寬度的選擇是折中的。 槽的尺寸也受到易于制造性的限制。模擬結(jié)果表明寬的最佳值約為^10。 對(duì)于800 nm的設(shè)計(jì)，例如，可選擇約50 nm的折中值，但表明10 nm~100 nm的w值也起作用。
槽深度c/:槽72的深度d的理論最佳值是能產(chǎn)生理想的阻抗 匹配的值。例如，對(duì)于任何波導(dǎo)耦合器，正好是四分之一波長(zhǎng)的長(zhǎng)度不 會(huì)干擾腔場(chǎng)。在這種情況下，可使用下式計(jì)算理想槽深度A
^理想=義,
1
—"h附
,
，tw=0,1，2，3...
其中義g是合適的自由空間激光波長(zhǎng)。(槽可以填充真空或介電材料， 在介電材料的情況下會(huì)減小槽內(nèi)的場(chǎng)幅度。在任一種情況下，義g都是材 料中的激光波長(zhǎng))。如果J是理想值，則不會(huì)干擾結(jié)構(gòu)場(chǎng)。然而，諸如大 縱橫比等有關(guān)制造問題使得在一些應(yīng)用中使用理想槽不具有吸引力。模 擬結(jié)果表明，如果對(duì)真空間隙g略微調(diào)整以彌補(bǔ)所產(chǎn)生的小失諧，那么 比計(jì)算所得的理想值小很多的d值效果好。對(duì)于800 nm的設(shè)計(jì)，例如， 在模擬中80 nm的槽深度產(chǎn)生可接受的場(chǎng)不均勻性(小于5%),同時(shí)槽的 縱橫比從l: 4(即50nm: 200 nm)減小到小于1: 2，大大緩解了制造限 制。
圖4A所示的基底介電材料74具有許多高折射率材料層76 和低折射率材料層78的交替層，這些層被槽72界定，且都具有與槽深 度c/相等的厚度。交替層76、78的厚度的優(yōu)選范圍為約50nm 約300 nm。 層數(shù)可以變化，且主要由提供所需特性的制造質(zhì)量確定。通常，使用九 層以上的高折射率材料層76和低折射率材料層78，并將這些層設(shè)置在板 的基底介電材料74上。Bragg結(jié)構(gòu)的性能主要影響裝置的效率，不是核 心問題。此外，可以使用額外的激光功率來達(dá)到結(jié)構(gòu)加熱過高的點(diǎn)。
現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)開發(fā)了在基板上制作材料的交替薄膜或?qū)?的制造方法。例如，Bragg型反射疊層(全介電裝置所需的)商業(yè)上已從寬 范圍的高折射率材料和低折射率材料制成。在納米激光器中使用的一種普通的"夾心"結(jié)構(gòu)是InGaAsP疊層。在大體積的光學(xué)器件中，通常使用 氧化物和氟化物(例如MgF2)的膜。已開發(fā)的利用加工的材料薄疊層來制 造垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)和其他光子帶隙(PBG)結(jié)構(gòu)的技術(shù)也 可用來制造本發(fā)明的板結(jié)構(gòu)。
如圖4B的俯視圖所示，槽72之間的反射面70的間距戶優(yōu) 選固定為自由空間激光波長(zhǎng)A乘以歸一化的電子速度A所獲得的值，即 p=y^。選擇特定激光和結(jié)構(gòu)內(nèi)期望的電子速度，從而確定p值，隨著電 子加速，p值在開始時(shí)會(huì)快速增加，然后朝著結(jié)構(gòu)的端部緩慢增加。
因此，基本上可以選擇任何激光頻率，并且這種選擇通常主 要受激光的市售可得性引導(dǎo)。常見的選擇是波長(zhǎng)？^800 nm、 1064 nm、 1550 nm和lOpm的激光。選定的激光應(yīng)能夠維持必要的脈沖重復(fù)率，并 且板材料和基板的光學(xué)特性(例如，耗損)在該頻率下必須是合理的。
對(duì)于給定電子注入能量和軸線上的場(chǎng)強(qiáng)度，可以求出板結(jié)構(gòu) 內(nèi)任一點(diǎn)的y 值。軸線上的場(chǎng)強(qiáng)度通?？纱_定電子的每單位長(zhǎng)度上的(大 致恒定的)能量增益。數(shù)學(xué)上來講，理想的共振軌跡為
其中A是注入速度，^是每單位長(zhǎng)度(按合適單位)的加速度。對(duì)于 穩(wěn)定注入，A^7-〃e。由此，周期數(shù)由所需的輸出能量和J值確定?！?的梯度與入射激光的場(chǎng)強(qiáng)度成比例，入射激光的場(chǎng)強(qiáng)度主要受限于反射 體和介電基板的電擊穿閾值。 一般而言，這種極限值能很好地表征，但 理想的是在幾何結(jié)構(gòu)中用短脈沖(小于1皮秒)來實(shí)驗(yàn)確定，然而可以認(rèn)為 場(chǎng)強(qiáng)度至少為1 GV/m。
圖5是圖3所示的板結(jié)構(gòu)54、 56的另一個(gè)實(shí)施例的俯視圖。 圖5所看到的板結(jié)構(gòu)具有帶有周期槽84的上表面80。示出了沿下介電層 加速的電子的軌跡82，以便參照。在該實(shí)施例中，使用傾斜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電 子在數(shù)百周期的穩(wěn)定加速，該結(jié)構(gòu)沿圖3所示的小(y)方向聚焦，而沿(x) 方向交替橫向射出。從垂直以小角度(優(yōu)選(3相關(guān)角)旋轉(zhuǎn)耦合槽84，實(shí) 際上利用非零橫向速度使散射&反向。槽84沿板結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度交替設(shè)置。如圖7B所示，在幾個(gè)結(jié)構(gòu)周期后，當(dāng)電子越過中心線時(shí)，槽的角度改變 為相反符號(hào)。
圖6示出圖3的集成電子源64的一個(gè)實(shí)施例。通過場(chǎng)發(fā)射 產(chǎn)生電子，然后在準(zhǔn)DC電場(chǎng)中加速至約25keV或更大。圖6中概念性 示出的陰極設(shè)計(jì)具有沉積在諸如鈮酸鋰(LiNb03)或LiTa03等鐵電晶體基 底88上的小型場(chǎng)發(fā)射區(qū)86 (如石墨針的陣列)。鐵電晶體(FEC)通常具有 熱電特性，使得它們?cè)谑軣峄蚶鋮s時(shí)在晶體表面上出現(xiàn)暫時(shí)極化。已證 實(shí)產(chǎn)生的暫時(shí)極化電荷與材料的溫度升高和熱電系數(shù)成比例。極化電荷 最終被材料中的主體傳導(dǎo)而中和。然而，該過程通常會(huì)有持續(xù)幾秒的中 和時(shí)間。
從發(fā)射區(qū)86發(fā)射并在表面場(chǎng)內(nèi)加速的電子獲得的總能量取 決于鐵電晶體88的尺寸和特性。例如，圓形鈮酸鋰FEC的半徑優(yōu)選為 約0.5 mm。
因此，在圖6所示的實(shí)施例中，陰極操作是分為兩個(gè)階段的 過程。首先，通過加熱器90對(duì)陰極進(jìn)行加熱，從而提供準(zhǔn)DC靜電場(chǎng)。 然后，陰極通過場(chǎng)發(fā)射從發(fā)射器86的尖端產(chǎn)生電子。電子被注入板之間 的間隙66并被加速。通常，在陰極64和加速結(jié)構(gòu)之間小于1毫米的間 隙允許電子以足夠高的能量注入該間隙，以便捕集和加速。
參照以下實(shí)施例能更好地理解本發(fā)明，實(shí)施例僅是說明性目 的，在任何情況下都不應(yīng)解釋為限制在所附權(quán)利要求
書中限定的本發(fā)明 范圍。
實(shí)施例1
為了說明微型粒子加速器的功能，對(duì)能夠在1 2MeV能量下 產(chǎn)生和加速電子束且每個(gè)尺寸測(cè)得為1 mm或更小的諧振激光動(dòng)力的結(jié) 構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。該加速器結(jié)構(gòu)具有被狹窄的真空間隙隔開并被(多個(gè))反射層 上下界定的一對(duì)平行介電板。板的總長(zhǎng)度為lmm并具有約1600個(gè)結(jié)構(gòu) 周期。反射體內(nèi)的周期槽用于提供使輻射耦合進(jìn)間隙的手段，并且還用 于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)場(chǎng)內(nèi)的縱向周期。選擇結(jié)構(gòu)的尺寸(真空間隙和介電厚度)，使結(jié)構(gòu)在激光頻率下發(fā)生諧振，這樣通過具有相速度(C)的縱駐波來控制場(chǎng)
模式。已證實(shí)加速場(chǎng)通常比入射激光場(chǎng)大4 10倍。
由于結(jié)構(gòu)尺寸隨著電子束的速度而變化，因此隨著電子束能 量增加而使間隙呈漸縮錐形。如圖3所示，間隙在錐形頂部處的范圍 a=0.05|im~0.1|Lim，底部處的范圍b=0.27nm 0.31nm。還可以通過周期為 2;r/A^的耦合槽在z方向上調(diào)整結(jié)構(gòu)，槽間距是漸縮的且等于^，其中義 是自由空間激光波長(zhǎng)。
對(duì)可以在數(shù)百周期允許穩(wěn)定加速的一種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方 法使用沿(y)方向保持聚焦而沿(X)方向交替橫向射出的傾斜耦合槽結(jié)構(gòu)。
使用通過分析場(chǎng)的單粒子跟蹤對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。如在圖7A 中所看到的，示出假定在間隙內(nèi)來自GW級(jí)激光器的場(chǎng)強(qiáng)度為3.5GV/m 的情況下粒子能量沿結(jié)構(gòu)的變化?？梢钥闯觯Ｗ釉谳S線上的能量增益 似乎很平穩(wěn)，在剛剛行進(jìn)1 mm后達(dá)到1 MeV的輸出能量。
圖7B示出使用斜槽結(jié)構(gòu)的聚焦，顯示了在最初20個(gè)結(jié)構(gòu)周 期內(nèi)的x和y的值。該結(jié)構(gòu)沿y方向(虛線)聚焦并沿x方向(實(shí)線)交替散 射。
因此，提供了一種能夠產(chǎn)生電子束或X-射線的基于板對(duì)稱介 電材料的微型相對(duì)論性電子加速器。裝置的大小可適用于導(dǎo)管系統(tǒng)，例 如，以便放置在體內(nèi)其他方式達(dá)不到的部位，并且簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)允許用常 規(guī)微制造技術(shù)形成該結(jié)構(gòu)。
盡管上述說明包含許多細(xì)節(jié)，然而這些細(xì)節(jié)不應(yīng)解釋為限制 本發(fā)明的范圍，僅僅是為本發(fā)明的一些目前優(yōu)選的實(shí)施例提供說明。因 此，可以理解的是，本發(fā)明的范圍完全包括對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而 易見的其他實(shí)施例，因而本發(fā)明的范圍僅受所附權(quán)利要求
書的限制，其 中提到單數(shù)的元素不是指"一個(gè)和僅一個(gè)"的意思，除非明確說明，而是 指"一個(gè)或更多個(gè)"的意思。本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的上述優(yōu)選實(shí)施例的 各元素的所有結(jié)構(gòu)、化學(xué)品和功能等同物均被明確地并入本文參考，并 意圖被本發(fā)明的權(quán)利要求
書覆蓋。此外，對(duì)裝置或方法而言，不必須解 決本發(fā)明所要解決的每一個(gè)問題，因?yàn)樗话诒景l(fā)明的權(quán)利要求
書
20中。此外，無論在權(quán)利要求
書中是否明確描述了元素、成分或方法步驟， 本發(fā)明公開的任何元素、成分或方法步驟都不是奉獻(xiàn)給公眾的。根據(jù)美
國(guó)專利法35 U.S.C. 112第6段的規(guī)定來解釋本文未要求保護(hù)的元素，除
非使用短語"用于……的裝置"明確描述了該元素。
權(quán)利要求
1.一種微型加速器平臺(tái)，包括
電子源；
具有包括多個(gè)槽的反射面和活性面的第一介電板；
具有包括多個(gè)槽的反射面和活性面的第二介電板，所述第二介電板的活性面對(duì)著所述第一介電板的活性面，在兩個(gè)所述活性面之間形成間隙；和
光輻射源，設(shè)置成使光束導(dǎo)向所述第一和第二介電板的所述反射面上；
其中從所述電子源發(fā)射的電子在所述第一和第二介電板的活性面之間的所述間隙內(nèi)被加速。
2. 如權(quán)利要求
l所述的平臺(tái)，其中所述第一和第二介電板的所述開 槽的反射面包括高折射率和低折射率介電材料的多個(gè)交替層。
3. 如權(quán)利要求
l所述的平臺(tái)，其中所述第一和第二介電板的所述開 槽的反射面包括金屬反射體。
4. 如權(quán)利要求
1所述的平臺(tái)，還包括用于聚焦加速電子流的裝置。
5. 如權(quán)利要求
3所述的平臺(tái)，其中所述用于聚焦加速電子流的裝置 包括在所述第一和第二介電板的反射面中交替系列的斜槽。
6. 如權(quán)利要求
l所述的平臺(tái)，其中所述第一和第二介電板的活性面 被定向成使所述板之間的間隙呈漸縮形狀。
7. 如權(quán)利要求
l所述的平臺(tái)，還包括用于使電子流轉(zhuǎn)換成X-射線 的裝置。
8. —種微型加速器平臺(tái)，包括 電子源；具有包括多個(gè)槽的反射面和活性面的第一介電板；具有反射面和活性面的第二介電板，所述第二介電板的活性面對(duì)著 所述第一介電板的活性面，在兩個(gè)所述活性面之間形成間隙；和光輻射源，設(shè)置成使光束導(dǎo)向所述第一介電板的所述反射面上；其中從所述電子源發(fā)射的電子在所述第一和第二介電板的活性面之 間的所述間隙內(nèi)被加速。
9. 如權(quán)利要求
8所述的平臺(tái)，其中所述第一介電板的所述開槽的反 射面包括高折射率和低折射率介電材料的多個(gè)交替層。
10. 如權(quán)利要求
8所述的平臺(tái)，其中所述第一和第二介電板的所述 開槽的反射面包括金屬反射體。
11. 如權(quán)利要求
8所述的平臺(tái)，還包括用于聚焦加速電子流的裝置。
12. 如權(quán)利要求
ll所述的平臺(tái)，其中所述用于聚焦加速電子流的裝 置包括在所述第一介電板的反射面中交替系列的斜槽。
13. 如權(quán)利要求
8所述的平臺(tái)，其中所述第一和第二介電板的活性 面被定向成使所述板之間的間隙呈漸縮形狀。
14. 如權(quán)利要求
8所述的平臺(tái)，還包括用于使電子流轉(zhuǎn)換成X-射 線的裝置。
15. —種輻射源，包括-抽空的殼體；和設(shè)置在所述抽空的殼體內(nèi)的微型加速器平臺(tái)組件，所述平臺(tái)組件包括被真空間隙隔開的一對(duì)介電板，每個(gè)板在對(duì)著所述間隙的一側(cè) 上具有反射層，至少一個(gè)反射層具有多個(gè)周期槽；電子源，用于在所述真空間隙內(nèi)發(fā)射電子；和 光源，用于使光束導(dǎo)向所述介電板的所述反射層； 其中來自所述電子源的電子被加速。
16. 如權(quán)利要求
15所述的輻射源，還包括血管通路系統(tǒng)，用于將所述微型加速器平臺(tái)組件輸送進(jìn)體內(nèi)并到達(dá) 體內(nèi)的某個(gè)位置。
17. 如權(quán)利要求
16所述的輻射源，其中所述血管通路系統(tǒng)包括柔性 光纖導(dǎo)管。
18. 如權(quán)利要求
15所述的輻射源，其中所述第一和第二介電板的所 述開槽的反射面包括高折射率和低折射率介電材料的多個(gè)交替層。
19. 如權(quán)利要求
15所述的輻射源，其中所述光束被反射鏡垂直導(dǎo)向 所述介電板的所述開槽的反射面。
20. 如權(quán)利要求
15所述的輻射源，其中所述光束被光纖纜垂直導(dǎo)向 所述介電板的所述開槽的反射面。
21. 如權(quán)利要求
15所述的輻射源，還包括用于使電子流轉(zhuǎn)換成 X-射線的裝置。
22. 如權(quán)利要求
21所述的輻射源，其中所述用于轉(zhuǎn)換電子流的裝置 包括鉛板。
23. 如權(quán)利要求
15所述的輻射源，所述電子源還包括 鐵電晶體基底；與所述鐵電晶體基底耦合的發(fā)射器陣列；和 加熱元件。
24. 如權(quán)利要求
23所述的輻射源，其中所述發(fā)射器陣列包括石墨針。
25. 如權(quán)利要求
23所述的輻射源，其中所述鐵電晶體基底包括鈮酸鋰。
專利摘要
本發(fā)明提供一種諧振激光動(dòng)力的微型加速器平臺(tái)，它能夠產(chǎn)生相對(duì)論性或近相對(duì)論性電子和任何的X-射線。該裝置具有被優(yōu)選呈錐形的窄真空間隙隔開的一對(duì)平行的板對(duì)稱的介電板。在一個(gè)實(shí)施例中，這些板具有包括許多周期槽的反射層的頂面，當(dāng)激光被導(dǎo)向反射體上時(shí)，周期槽在結(jié)構(gòu)場(chǎng)中產(chǎn)生縱向周期。導(dǎo)入間隙內(nèi)的電子沿著板的長(zhǎng)度被加速。板的反射面優(yōu)選為高折射率和低折射率材料的交替疊層。
文檔編號(hào)G21K1/06GKCN101689408SQ200880010613
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年4月4日
發(fā)明者吉爾·特拉維施, 羅德尼·B·約德, 詹姆斯·羅森茨韋格 申請(qǐng)人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan