DE69212951T2

DE69212951T2 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der effizienz eines zyklotrons

Info

Publication number: DE69212951T2
Application number: DE69212951T
Authority: DE
Inventors: George O. Napa Ca 94558 Hendry
Original assignee: CTI Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 1991-05-13
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-05-09
Also published as: EP0539566B1; ATE141741T1; EP0539566A1; WO1992021221A1; ES2090651T3; EP0539566A4; DE69212951D1; CA2087188A1; CA2087188C; GR3021688T3; US5139731A; DK0539566T3

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein verbessertes System und Verfahren zur Erhöhung der Effizienz eines Zyklotrons, und insbesondere eines Zyklotrons für negative Wasserstoffionen (H&supmin;).

Verwandter Stand der Technik

Zyklotrone sind seit vielen Jahren bekannt. Seit Beginn des Atomzeitalters sind viele Verwendungen für Teilchenbeschleuniger entwickelt worden, von denen das Zyklotron ein Typ ist. Teilchenbeschleuniger werden verwendet, um subatomare Teilchen oder Ionen zu beschleunigen, und insbesondere um einen Strahl von beschleunigten subatomaren Teilchen zu erzeugen. Der Strahl der beschleunigten (d.h. Hochenergie-) Teilchen kann verwendet werden, um eine Vielfalt von Targetmaterialien zu bombardieren, um radioaktive Isotope mit einer Vielfalt von Verwendungen zu erzeugen. Beispielsweise werden verschiedene Isotope, die auf diese Art und Weise hergestellt worden sind, in der Medizin als Tracer, die in den Körper injiziert werden, und in Strahlungsbehandlungen bei Krebserkrankungen verwendet.
Ein Zyklotron ist ein Typ eines Teilchenbeschleunigers, in dem geladene Teilchen entlang eines im wesentlichen spiralförmigen Weges beschleunigt werden, dessen Radius durch den Bereich der Beschleunigung anwächst. Die Teilchen werden unter Verwendung der Kräfte des elektrischen Potentials und magnetischer Felder beschleunigt. Die Teilchen werden beschleunigt, wenn sie durch einen Spalt zwischen zwei Elektroden laufen, wobei die erste Elektrode dieselbe (Vorzeichen-) Ladung wie das Teilchen, d.h. negativ (-), und die zweite Elektrode die entgegengesetzte (Vorzeichen-) Ladung wie das Teilchen, d.h. positiv (+) haben; die erste Elektrode neigt dazu, das Teilchen über den Spalt zu schieben oder abzustoßen und die zweite Elektrode neigt dazu, das Teilchen über den Spalt zu ziehen oder anzuziehen. Der Weg des beschleunigten Teilchens wird dann durch ein magnetisches Feld in einen spiralförmigen Weg gebogen, was dazu neigt, zu bewirken, daß die Teilchen über den Spalt rückwärts gerichtet werden. Durch alternierendes Ändern der Polarität der Elektroden mittels eines Radiofrequenz erzeugenden Systems werden die Teilchen bei jedem Durchlauf des Spalts beschleunigt, wodurch sich der Radius des spiralförmigen Weges der beschleunigten Teilchen erhöht. Die meisten Zyklotrone im Stand der Technik verwenden positiv geladene Teilchen. Das Zyklotron der vorliegenden Erfindung ist ein Zyklotron für negative Ionen.
Die geladenen Teilchen werden innerhalb einem im wesentlichen ebenen Volumen (im folgenden als "Beschleunigungsbereich" bezeichnet) innerhalb des Zyklotrons beschleunigt. Dieses Volumen muß hochevakuiert sein, um unerwünschte gasförmige Teilchen zu entfernen, die mit den beschleunigten Teilchen wechselwirken können, was zu einer Reaktion führt, die bewirken würde, daß die beschleunigten Teilchen "verloren" wären. Beispielsweise kann in einem Zyklotron, das zur Beschleunigung von negativen Wasserstoffionen (H&supmin;) verwendet wird, ein Wasserstoffgasmolekül (H&sub2;) den Beschleunigungsbereich des Zyklotrons das schwach gebundene zweite Elektron des H&supmin;-Ions abstreifen. Wenn das Ion dieses Elektron verliert, wird es ein neutrales Teilchen, das nicht länger durch die Beschleunigungsspalte oder magnetischen Felder innerhalb des Zyklotrons beeinflußt wird. Als Ergebnis "fliegt" das beschleunigte neutrale Teilchen in tangentialer Richtung fort und erreicht niemals das Ende des spiralförmigen Beschleunigungsweges, wo der Strahl aus beschleunigten Teilchen aus dem Zyklotron austritt. Zusätzlich zu dem Verlorengehen aus dem Strahl der beschleunigten Teilchen kann das beschleunigte neutrale Teilchen eine unerwünschte Reaktion in dem Material hervorrufen, in dem es nachfolgend aufgrund einer hohen Energie absorbiert wird.
Angesichts des Obengesagten kann man sehen, daß die Qualität innerhalb des Zyklotrons erzielten Vakuums eine Schlüsselrolle in der Effizienz des Zyklotrons spielt. Restgasmoleküle, die in dem Beschleunigungsbereich des Zyklotrons vorhanden sind, agieren als Abstreifzentren (stripping centers), die negative Ionen aus dem beschleunigten Strahl, wie oben beschrieben, entfernen können. Bekannte H&supmin;-Zyklotrone litten unter einer relativ niedrigen Effizienz, da H&sub2;- Restgasmoleküle, die von der H&supmin;-Ionenquelle in das Zyklotron zusammen mit den zu beschleunigenden Ionen injiziert wurden, einige der Ionen abstreiften, bevor sie aus dem Zyklotronvakuumsystem entfernt wurden.
Zusätzlich zu dem Abstreifen, das durch H&sub2;-Restgasmoleküle hervorgerufen wird, können Ionen durch Wasserdampfmoleküle, die durch "Ausgasen" der inneren Flächen des Zyklotrons erzeugt werden, abgestreift werden.
In einigen H&supmin;-Zyklotronen ist die Ionenquelle außerhalb der Zyklotronbeschleunigungskammer angeordnet, wo sie getrennt ausgepumpt werden kann, um zu verhindern, daß H&sub2;-Restgasmoleküle den Beschleunigungsbereich des Zyklotronvolumen erreichen. Bei diesem Ansatz ist es notwendig, den Ionenstrahl in das Zyklotron entlang dessen magnetischer Achse zu injizieren. Der Strahl muß dann in die Mittelebene des Zyklotrons gebogen werden, wo er nachfolgend beschleunigt wird. Dieses Verfahren beinhaltet zusätzliche Kosten und Komplexität.
Das Dokument US-A-5 017 882 offenbart eine Protonen/Neutronen-Quelle, die ein Zyklotron mit einem zylindrischen supraleitenden Magneten umfaßt. Dadurch werden Teilchen beschleunigt, von einem spiralförmigen Weg entfernt und dann durch den Protonenspeicherring geführt. Beim Eintritt in den Protonenspeicherring werden die Elektronen der Teilchen abgestreift, so daß sie zu positiv geladenen Protonen werden, die kontinuierlich in dem Speicherring zirkulieren
Das Dokument US-A-3 641 446 offenbart eine Einrichtung zur Herstellung eines Protonenstrahls mehrfacher Energie, der ein Zyklotron für negative Wasserstoffionen mit Abstreiffolien umfaßt, die an verschiedenen radialen und azimutalen Positionen plaziert sind.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zu schaffen, um den Verlust an Effizienz in dem Zyklotron für negative Wasserstoffionen, der durch Gasabstreifen bzw. Gas-Stripping der Ionen innerhalb des Beschleunigungsbereichs des Zyklotrons hervorgerufen wird, zu minimieren.
Diese Aufgabe wird durch das Zyklotronsystem für negative Wasserstoffionen und das Verfahren der Ansprüche 1 bzw. 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zu schaffen, um neutrale Teilchenstrahlung in einem Zyklotron für negative Wasserstoffionen, die durch ein Gas-Stripping der beschleunigten Ionen innerhalb des Beschleunigungsbereichs des Zyklotrons hervorgerufen wird, zu minimieren.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zu schaffen, wodurch ein kleineres Zyklotron für negative Wasserstoffionen mit geringerem Gewicht zu relativ geringen Kosten geschaffen werden kann.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein solches Zyklotron mit einer negativ vorgespannten, axial eingesetzten Quelle für negative Wasserstoffionen, die in der Nähe des Zyklotronzentrums und im wesentlichen auf der Ebene der Beschleunigung liegt, zu schaffen.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein solches Zyklotron mit einem Radiofrequenzsystem, das mit einer Frequenz, die das Vierfache der Umlauffrequenz des Ionenstrahls ist, betrieben wird, zu schaffen.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein solches Zyklotron mit einer wesentlich höheren Beschleunigungseffizienz als bekannte H -Zyklotrone zu schaffen.

Offenbarung der Erfindung

Andere Aufgaben und Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erzielt, die ein System und ein Verfahren zur Minimierung des Verlusts der Effizienz in einem Zyklotron für negative Wasserstoffionen schafft, welcher durch das Gas- Stripping der negativen Wasserstoffionen innerhalb des Beschleunigungsbereichs herbeigeführt wird. Das System umfaßt ein Zyklotron für negative Wasserstoffionen, das ein Zyklotronvolumen definiert, eine negative Wasserstoffionen (H&supmin;)- Quelle, die ein H&supmin;-Ionenquellenvolumen definiert, und ein Vakuumsystem. Das Vakuumsystem umfaßt eine Hauptpumpe zum Pumpen, d.h. Evakuieren, des Zyklotronvolumens und eine Ionenquellenpumpe zum getrennten Evakuieren des H&supmin;-Ionenquellenvolumens. Ein Durchgang ist zwischen dem Ionenquellenvolumen und der Ionenquellenpumpe vorgesehen und verbindet diese, wobei dieser Durchgang eine relativ hohe Gasleitfähigkeit hat, um das Evakuieren des H&sub2;-Gases aus dem Ionenquellenvolumen durch die Ionenquellenpumpe zu ermöglichen. Ein anderer Durchgang ist zwischen dem Zyklotronvolumen und der Hauptpumpe vorgesehen und verbindet diese, was das Evakuieren des Zyklotronvolumens ermöglicht, wobei die Gasleitfähigkeit des Durchgangs und die Kapazität der Hauptpumpe so ausgewählt werden, daß der Gleichgewichtsdruck in dem Zyklotronvolumen viele Male geringer als der in dem Ionenquellenvolumen ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist berechnet worden, daß der Gleichgewichtsdruck in dem Ionenquellenvolumen dreißigtausendmal (3 × 10&sup4;) größer als in dem Zyklotronvolumen ist. Es ist noch ein anderer Durchgang zwischen der Ionenquelle und dem Zyklotronvolumen vorgesehen und verbindet diese, dessen Gasleitfähigkeit hinreichend niedrig ist, daß der Fluß von H&sub2;-Gas von dem Ionenquellenvolumen in das Zyklotronvolumen minimal ist, während es trotzdem möglich ist, daß ein H&supmin;- Ionenstrahl durch diesen von dem Ionenquellenvolumen zu dem Zyklotronvolumen läuft.
Demgemäß wird ein System und ein Verfahren zur Erhöhung der Effizienz des Zyklotrons und zur Verringerung der neutralen Teilchendichte dadurch geschaffen, daß das restliche H&sub2;-Gas, das von dem Ionenquellenvolumen in das Zyklotronvolumen, wo derartiges Gas die negativen Wasserstoffionen in den Beschleunigungsbereich abstreifen kann, läuft, minimiert wird.
In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt das System weiter ein Pumpvolumen, das mit dem Ionenquellenvolumen und dem Zyklotronvolumen in Verbindung steht. Durchgänge sind Verbindung zwischen dem Ionenquellenvolumen und dem Pumpvolumen bzw. zwischen dem Pumpvolumen und dem Zyklotronvolumen vorgesehen, wobei solche Durchgänge eine hinreichend niedrige Gasleitfähigkeit haben, daß der Fluß des restlichen H&sub2;-Gases durch sie minimal ist, während trotzdem ermöglicht wird, daß ein Ionenstrahl durch sie und in das Zyklotron tritt. Es ist noch ein anderer Durchgang vorgesehen, um separat zwischen dem Pumpvolumen und dem Ionenquellenvolumen eine Verbindung zu schaffen, wobei ein solcher Durchgang eine hinreichend große Gasleitfähigkeit hat, daß die Evakuierung von restlichem H&sub2;-Gas aus dem Pumpvolumen ermöglicht wird. Demgemäß wird in der bevorzugten Ausführungsform ein System und ein Verfahren geschaffen, durch das restliches H&sub2;-Gas aus dem Pumpvolumen entfernt wird. Demgemäß wird ein System und ein Verfahren in der bevorzugten Ausführungsform geschaffen, durch das restliches H&sub2;-Gas aus dem Ionenquellenvolumen in zwei Stufen evakuiert wird, bevor es in das Zyklotronvolumen eintreten kann, wodurch die Effizienz des Systems erhöht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird weiter, um die Größe des Zyklotronmagneten und des Radiofrequenzsystems zu verringern, das Radiofrequenzsystem bei einer Frequenz betrieben, die viermal der Ionenstrahlumlauffrequenz entspricht. Es ist allerdings offensichtlich, daß andere ganzzahlige Vielfache der Ionenstrahlumlauffrequenz ebenso gewählt werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die oben genannten Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung zu verstehen sein, welche zusammen mit den Zeichnungen zu lesen ist, in denen:
Fig. 1 ein Zyklotronvakuumpumpschemata gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig. 2 eine Querschnittszeichnung eines Zentralbereichs des Zyklotrons der vorliegenden Erfindung ist, das die Position der Komponenten des Pumpschematas aus Fig. 1 darstellt.

Beste Form zur Durchführung der Erfindung

Ein System und ein Verfahren zur Minimierung des Verlusts an Effizienz in einem Zyklotron für negative Wasserstoffionen (H&supmin;), das durch Gasabstreifen der H&supmin;-Ionen in dem Beschleunigungsbereich des Zyklotrons bewirkt wird, ist diagrammförmig als 10 in Fig. 1 dargestellt. Das System 10 umfaßt ein Zyklotron für negative Wasserstoffionen mit einem Zyklotronvolumen 12, das weiter einen Beschleunigungsbereich (nicht gezeigt) des Zyklotrons definiert, und ein Ionenquellenvolumen 14. Obwohl es nicht ein Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß eine Einrichtung zur Herstellung eines H&supmin;-Ionenstrahls aus zur Verfügung gestelltem H&sub2;-Gas, in Fig. 1 durch den Pfeil 13 bezeichnet, innerhalb des Ionenquellenvolumens 14 vorgesehen ist. Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die o.g. Einrichtung zur Erzeugung eines H&supmin;-Ionenstrahls von zur Verfügung gestelltem H&sub2;-Gas in der Nähe des Zyklotronzentrums und in der Ebene der Beschleunigung lokalisiert wird, um den H&supmin;-Strahl in der Ebene der Beschleunigung zu starten. Diese Ionenquelle wird mit einer negativen Vorspannung versehen, um ein Austreten der negativen Ionen aus der Quelle zu unterstützen und sie mit der nötigen Geschwindigkeit und dem nötigen Krümmungsradius zu versehen, so daß sie sich durch den Ionendurchgang bewegen.
Noch Bezug nehmend auf Fig. 1 ist eine Hauptvakuumpumpe 16 vorgesehen, die das Zyklotronvolumen 12 über den Hauptvakuumdurchgang 18 evakuiert. Die Gasleitfähigkeit in dem Durchgang 18 ist als C&sub5; bezeichnet. Eine Ionenguellenpumpe 20 evakuiert das Ionenquellenvolumen 14 über den Quellenvolumenvakuumdurchgang 22, der eine hinreichend große Gasleitfähigkeit C&sub3; hat, um die Evakuierung des restlichen Wasserstoffgases aus dem Ionenquellenvolumen 14 zu ermöglichen. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 diskutiert wird, ist das Ionenquellenvolumen 14, das die Ionenquelle umgibt, in der Nähe des Zentrums des Zyklotrons positioniert. Der Ionenstrahl, der in der Ionenquelle erzeugt wird, wird von dem Ionenquellenvolumen in das Pumpvolumen 24 über den ersten Ionendurchgang 26 gerichtet, der eine wesentlich geringere Gasleitfähigkeit C&sub1; hat als der Quellenvolumenvakuumdurchgang 22, wodurch die Menge an restlichem H&sub2;-Gas, das durch diesen tritt, minimiert wird. Außerdem tritt eine kleine, aber signifikante Menge an restlichem H&sub2;-Gas von dem Ionenquellenvolumen 14 in das Pumpvolumen 24 durch den Durchgang 26 entlang des Ionenstrahls. Das Pumpvolumen 24 wird durch die Ionenquellenpumpe 20 über den Pumpvolumenvakuumdurchgang 28 evakuiert, der eine relativ große Gasleitfähigkeit C&sub4; hat, um die Evakuierung des restlichen H&sub2;- Gases in dem Pumpvolumen 24 zu ermöglichen. Ein zweiter Ionendurchgang 30, durch den der Ionenstrahl von dem Pumpvolumen 24 in das Zyklotronvolumen 12 in der Nähe des Zentrums des Beschleunigungsbereichs des Zyklotrons gerichtet wird, ist vorgesehen. Die Gasleitfähigkeit C&sub2; des zweiten Ionendurchgangs 30 ist niedrig genug, daß die Menge an restlichem H&sub2;-Gas, das von dem Pumpvolumen in das Zyklotronvolumen tritt, minimal ist. Der Weg des Ionenstrahls und des restlichen H&sub2;-Gases durch die Durchgänge 26 und 30 ist durch die Pfeile 27 bzw. 31 in Fig. 1 angedeutet. Es ist auch zu bemerken, daß der Fluß des Gases, das von dem Ionenquellenvolumen, dem Pumpvolumen und dem Zyklotronvolumen evakuiert wird, durch die Pfeile 23, 29 bzw. 19 angedeutet ist.
Im Licht des Vorangegangenen ist es offensichtlich, daß ein System 10 geschaffen wird, in dem restliches H&sub2;-Gas, das von dem Ionenquellenvolumen 14 in das Zyklotronvolumen 12 tritt, minimiert wird, wodurch die Effizienz eines Zyklotrons für negative Wasserstoffionen (H&supmin;) durch Verringerung des Gasabstreifens der Ionen in dem Beschleunigungsbereich des Zyklotrons erhöht wird. Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß ein H&supmin;-Zyklotron, das die Merkmale der oben beschriebenen Erfindung verwendet, auf eine Vielzahl von Arten aufgebaut werden kann.
In schematischer Form sind in Fig. 1 einige der wesentlichen herkömmlichen Abschnitte des vorliegenden Zyklotrons dargestellt. Beispielsweise besteht das Radiofrequenzerzeugungssystem aus einem RF-Generator 21, der durch eine Spannungsversorgung 25 gespeist wird. Dies bewirkt einen Wechsel des Potentials, das an die Elektroden 15, 17 angelegt wird, der eine Beschleunigung der Ionen innerhalb des Zyklotronvolumens 12 schafft. Ebenfalls ist in dieser Figur eine Ionenquelle 34 innerhalb des Ionenquellenvolumens 14 gezeigt, wobei diese Ionenquelle an eine negative Spannungsversorgung 35 so angeschlossen ist, daß die Ionenquelle 34 negativ vorgespannt ist.
Bezug nehmend auf Fig. 2 ist eine Querschnitts-Mittelebenenansicht eines kleinen durch den diagrammförmigen Kreis 32 definierten Teils des Mittelabschnitts, d.h des Beschleunigungsbereichs, eines Zyklotrons gezeigt, das die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. In dieser Figur ist zu sehen, daß der durch eine Ionenquelle 34 erzeugte Ionenstrahl entlang des Weges 36 von dem Ionenquellenvolumen 14 in das Pumpvolumen 24 durch den Ionendurchgang 26 und von dem Pumpvolumen 24 in das Zyklotronvolumen 12 durch den Ionendurchgang 30 in die Mittelebene des Zyklotrons läuft, wo er beschleunigt wird. Da der Ionenstrahl in dem Beschleunigungsbereich in die selbe Ebene, in der er beschleunigt wird, eintritt, ist eine Einrichtung zum Ablenken des Strahls in diese Ebene nicht erforderlich, wie sie es in dem Fall einer extern angeordneten Ionenquelle ist.
Das Magnetfeld eines Zyklotrons wird typischerweise durch elektromagnetische Spulen zusammen mit magnetischen Polstükken erzeugt. In dem Zyklotron der vorliegenden Erfindung kann jede Art bekannter elektromagnetischer Spulen verwendet werden. Obwohl die Spulen in Fig. 2 nicht gezeigt sind, ist die Position der Spulen dem Fachmann bekannt. Die Art der Spulenwindung umfaßt beispielsweise Spulenwindungen, die aus supraleitendem Material hergestellt sind.
Es ist anzumerken, daß die Ionendurchgänge 26 bzw. 30 von einem gekrümmten Weg in der Mittelebene des Zyklotrons folgen werden. Dies ist nötig, da die H&supmin;-Ionen eine Geschwindigkeit haben, die durch ein negatives Potential an der Ionenquelle geschaffen wird. Diese Geschwindigkeit und die negative Ladung wechselwirken mit dem magnetischen Feld des Zyklotrons, wodurch der Ionenstrahl auf diesen Weg abgelenkt wird, wenn er in das Zyklotronvolumen tritt.
Das Beschleunigungsfeld des Zyklotrons wird durch ein Radiofrequenzsystem erzeugt, wie es dem Fachmann wohl bekannt ist. Allerdings wird, um die Größe des Zyklotronmagneten und des Radiofrequenzsystems zu verringern, das Radiofrequenzsystem des Zyklotrons der vorliegenden Erfindung mit einer Frequenz betrieben, die viermal größer als die Ionenstrahlumlauffrequenz ist. Dies ist eine Abweichung von der Praxis bei bekannten Zyklotronen und bildet eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung. Ein Betrieb bei dieser höheren Frequenz wird durch das Anlegen einer negativen Vorspannung an die Ionenquelle ermöglicht. Anderenfalls, wenn dieses sich sehr schnell verändernde Potential verwendet wird, um sowohl Ionen aus der Quelle zu extrahieren als auch die Ionen über den ersten Beschleunigungsspalt (wie in herkömmlichen Zyklotronen) zu beschleunigen, würde eine viel geringere Ionenstrahlintensität realisiert werden. Der Grund hierfür ist die Tatsache, daß sich das RF-Potential selbst umkehren kann, bevor die Ionen vollständig den Beschleunigungsspalt durchlaufen. Nur die Ionen, die von der Ionenquelle frühzeitig in dem RF-Zyklus extrahiert wurden, durchlaufen den Spalt erfolgreich. Die Intensität eines Ionenstrahls, der frühzeitig in dem RF-Zyklus extrahiert wurde, wäre niedrig, da das elektrische Feld über den Spalt zu diesem Zeitpunkt niedrig ist. Die negativ vorgespannte Ionenquelle der vorliegenden Erfindung vermeidet dieses Problem.
Es ist bestimmt worden, daß ein H&supmin;-Zyklotron, das gemäß der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist, so konstruiert werden kann, daß eine siebenundneunzig Prozent (97 %) Effizienz erzielt wird, d.h. lediglich drei Prozent (3 %) der Ionen, die in das Zentrum des Beschleunigungsbereichs des Zyklotrons injiziert werden, werden aufgrund von Gasabstreifen vor dem Extrahieren verloren. Dieser Schluß folgt aus dem Wissen, daß sich bei bekannten Zyklotronen gezeigt hat, daß der Anteil der H&supmin;-Ionen, die innerhalb eines Radius R von dem Zentrum des Zyklotrons keinem Gasabstreifen unterliegen (d.h., diejenigen, die überleben) die empirische Relation
f(R) = exp (-8,4 × 10³ PR/V&sub0;)
erfüllen, wobei P der Restgasdruck in Einheiten von 10&supmin;&sup6; Torr, R der Radius (gemessen vom Zentrum des Zyklotrons) in Metern und V&sub0; der Energiegewinn pro Umlauf in MeV ist. Es ist gefunden worden, daß dieser Ausdruck im allgemeinen auf jedes H&supmin;- Zyklotron anwendbar ist, wenn Wasserstoff (H&sub2;) das einzige Restgas ist. Andere Gase tragen zum Abstreifen in direkter Proportion zu der Anzahl der Elektronen in den Gasmolekülen bei. Beispielsweise ist Wasser (H&sub2;O) mit zehn Elektronen beim Abstreifen fünfmal effektiver als H&sub2;, das lediglich zwei Elektronen pro Molekül besitzt. Falls irgendwelche anderen Gase als H&sub2; vorhanden sind, muß ihr Druckbeitrag in einen effektiven H&sub2;-Druck durch Multiplikation des Partialdrucks mit dem geeigneten Verhältnis konvertiert werden.
In einem Zyklotrondesign der betrachteten Art sind die hauptsächlichen Restgasbestandteile und ihre Quellen H&sub2; aus der Ionenquelle, und H&sub2;O von dem Ausgasen der inneren Oberfläche des Zyklotrons. Durch eine Konstruktion des Zyklotrons gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein effektiver H&sub2;-Restdruck von 1,33 × 10&supmin;&sup4; Pa (1 × 10&supmin;&sup6; Torr) durch Begrenzung des wahren H&sub2;-Drucks auf 6,65 × 10&supmin;&sup5; Pa (5 × 10&supmin;&sup7; Torr) und des H&sub2;O- Drucks auf 1,33 × 10&supmin;&sup5; (1 × 10&supmin;&sup7; Torr) erzielt werden. In einem Zyklotron mit einem Strahlradius bei Extraktion von 0,7 m und einem Energiegewinn pro Umlauf von 0,2 MeV, wird die Gesamtextraktionseffizienz erhalten durch:
f = exp [-8,4 × 10&supmin;³ (1,0) (0,7) / (0,2)] = 0,97
Somit werden, wie oben angedeutet, nur drei Prozent (3 %) der Ionen aufgrund von Gasabstreifen vor dem Extrahieren verloren.
Wieder Bezug nehmend auf Fig. 1 wird die angedeutete Effizienz durch Aufbauen des Zyklotrons gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten, in der: C&sub1; die Gasleitfähigkeit des ersten Ionendurchgangs 26 ist; C&sub2; die Gasleitfähigkeit des zweiten Ionendurchgangs 30 ist; C&sub3; die Gasleitfähigkeit des Ionenquellenvolumendurchgangs 22 ist; C&sub4; die Gasleitfähigkeit des Pumpvolumenvakuumdurchgangs 28 ist; C&sub5; die Gasleitfähigkeit des Hauptvakuumdurchgangs 18 ist; P&sub1; der Gleichgewichtsdruck in dem Ionenquellenvolumen 14 ist; P&sub2; der Gleichgewichtsdruck in dem Pumpvolumen 24 ist; und P3 der Gleichgewichtsdruck in dem Zyklotronvolumen 12 ist. Die angezeigten Durchgänge sind so dimensioniert, daß sie die in der unten gezeigten Tabelle I gezeigten Gasleitfähigkeiten haben. Bei gegebenen Gasleitfähigkeiten können die Drucke P&sub1; - P&sub3; berechnet werden. Die untenstehende Tabelle I listet die ungefähren Gasleitfähigkeitswerte sowohl für 12 MeV und 30 MeV Zyklotrondesigns zusammen mit den resultierenden Drucken unter der Annahme auf, daß die H&sub2;-Eingangsflußraten (in Fig. 1 mit 13 bezeichnet) wie angezeigt (1 sccm = 0,012 Torr 1 s&supmin;¹ = 1,59 Pa 1 s&supmin;¹) sind. TABELLE I (ungefähre H&sub2;-Gasleitfähigkeiten und Gleichgewichtsdrucke)
* 1 Torr = 1,33 . 10² Pa
** Es kann daran gedacht werden, daß die effektive Pumpgeschwindigkeit für das 30 MeV-System durch Verwendung von vier Pumpen, die mit der, die in dem 12 MeV-System verwendet wird, vergleichbar sind, erhalten wird.
Somit liegt der H&sub2;-Druck in dem Zyklotronvolumen 12 gut unter dem Ziel von 5 × 10&supmin;&sup7; Torr, das erforderlich ist, um eine Effizienz von 97 % zu erreichen. Der Anmelder kennt die Technologie (nicht Gegenstand dieser Erfindung), die das Erreichen des Ziels erlaubt, ein Zyklotron zu schaffen, in dem ein H&sub2;O- Basisdruck von weniger als 1,33 . 10&supmin;&sup5; Pa (1 × 10&supmin;&sup7; Torr) erhalten wird.
Deshalb wird durch die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren geschaffen, in dem die Effizienz eines Zyklotrons für negative Wasserstoffionen durch Minimieren des Gasabstreifens der Ionen in dem Beschleunigungsbereich des Zyklotrons erhöht wird. Weiter wird durch Minimieren des Gasabstreifens der Ionen unerwünschte neutrale Teilchenstrahlung signifikant reduziert. Aufgrund der verbesserten Effizienz kann ein kleineres Zyklotron für negative Wasserstoffionen mit geringerem Gewicht geschaffen werden, das zu geringeren Kosten als bekannte Zyklotrone mit vergleichbarer Ausgabe gebaut werden kann. Weitere Einsparungen in Gewicht, Größe und Kosten werden durch das Betreiben des Radiofrequenzsystems des Zyklotrons der vorliegenden Erfindung bei einer Frequenz realisiert, die viermal größer als die Ionenstrahlumlauffrequenz ist.
Während eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden ist, ist es klar, daß die Erfindung durch eine solche Offenbarung nicht beschränkt werden soll, sondern daß alle Modifikationen und alternativen Konstruktionen innerhalb des Schutzbereichs der angefügten Ansprüche abgedeckt werden sollen.

Claims

1. Ein Zyklotronsystem (10) für negative Wasserstoffionen mit verbesserter Effizienz durch Verringerung der Kollisionen der Wasserstoffionen mit restlichen neutralen Atomen und Molekülen innerhalb des Zyklotrons, das aufweist:

ein Zyklotron mit einem Zyklotronvolumen (12), ein magnetisches System zum Erzeugen eines Magnetfeldes zum Ablenken der Ionen innerhalb des Zyklotronvolumens, und ein Radiofrequenzsystem zum Beschleunigen der Ionen innerhalb des Zyklotronvolumens, wobei das Zyklotronvolumen eine Beschleunigungsebene hat, die durch das Magnetsystem und das Radiofrequenzsystem definiert ist, in der die Wasserstoffionen beschleunigt werden und bei einer Ionenumlauffrequenz auf einen spiralförmigen Weg abgelenkt werden;

eine Pumpeinrichtung (16), die mit dem Zyklotronvolumen durch einen ersten Vakuumpumpdurchgang (18) mit einer ausgewählten Gasleitfähigkeit verbunden ist, um ein ausgewähltes Vakuum innerhalb des Zyklotronvolumens (12) zu erzeugen, so daß die Kollisionen zwischen den Wasserstoffionen und den restlichen Molekülen innerhalb des Zyklotronvolumens (12) minimiert werden;

ein Ionenquellenvolumen (14), das innerhalb des Zyklotrons auf der Beschleunigungsebene in der Nähe eines Zentrums des spiralförmigen Weges angeordnet ist;

eine Ionenquelle (34), die durch eine negative Spannungsversorgung (35), die innerhalb des Ionenquellenvolumens (14) angeordnet ist, vorgespannt ist, um negative Wasserstoffionen zur Beschleunigung durch das Radiofrequenzsystem innerhalb des Zyklotronvolumens (12) zu erzeugen; gekennzeichnet durch

eine weitere Pumpeinrichtung (20), die mit dem Ionenquellenvolumen (14) durch einen weiteren Vakuumpumpdurchgang (22) mit einer ausgewählten Gasleitfähigkeit verbunden ist;

einen Ionenstrahldurchgang (26, 30), der eine Verbindung zwischen dem Ionenquellenvolumen (34) und dem Zyklotronvolumen (12) schafft, um Ionen in das Zyklotronvolumen zur Beschleunigung durch das Radiofrequenzsystem zu befördern, wobei der Ionenstrahldurchgang eine ausgewählte Gasleitfähigkeit hat, die niedriger als die Gasleitfähigkeit des ersten und des weiteren Vakuumpumpdurchgangs ist, wodurch die weitere Pumpeinrichtung (20) vorzugsweise die neutralen Atome und Moleküle aus dem Ionenquellenvolumen entfernt, wobei der Ionenstrahldurchgang so konfiguriert ist, daß Ionen entlang eines Bogens, der durch die negative Spannungsquelle und das magnetische Feld bestimmt ist, hindurchlaufen.

2. Das System nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Pumpvolumen (24), das innerhalb des Zyklotrons zwischen und in Verbindung mit dem Ionenquellenvolumen (14) und dem Zyklotronvolumen (12) angeordnet ist, in welchem der Ionenstrahldurchgang einen ersten Abschnitt (26), der eine Verbindung zwischen dem Ionenquellenvolumen (14) und dem Pumpvolumen (24) bildet, und einen zweiten Abschnitt (30), der eine Verbindung zwischen dem Pumpvolumen (24) und dem Zyklotronvolumen (12) bildet, aufweist, und in welchem die weitere Pumpeinrichtung (20) mit dem Pumpvolumen (24) durch einen dritten Vakuumpumpdurchgang (28) verbunden ist, welcher eine ausgewählte Gasleitfähigkeit hat, die im wesentlichen der des weiteren Vakuumpumpdurchgangs gleich ist.

3. Das System nach Anspruch 1, in welchem die Gasleitfähigkeit des Ionenstrahldurchgangs (26, 30) ungefähr 2 × 10&supmin;² bis 15 × 10&supmin;² mal der Gasleitfähigkeit der Vakuumpumpdurchgänge ist.

4. Ein Zyklotron für negative Wasserstoffionen nach Anspruch 1 und 3, weiter umfassend:

ein Pumpvolumen (24), das innerhalb des Zyklotrons auf der Beschleunigungsebene in der Nähe des Zentrums des spiralförmigen Weges angeordnet ist; und

eine weitere Pumpeinrichtung (20), die durch zweite und dritte Vakuumpumpdurchgänge (22, 28) mit dem Ionenquellenvolumen (14) bzw. dem Pumpvolumen (24) verbunden ist, wobei jeder zweite und dritte Pumpdurchgang (22, 28) eine ausgewählte Gasleitfähigkeit hat; und in welchem

der Ionenstrahldurchgang (26, 30) aufweist

einen ersten Ionenstrahldurchgang (26), der eine Verbindung zwischen dem Ionenquellenvolumen (14) und dem Pumpvolumen (24) bildet, um Ionen von der Ionenquelle (34) in das Pumpvolumen (24) zu befördern, wobei der erste Ionenstrahldurchgang (26) eine ausgewählte Gasleitfähigkeit hat, die im wesentlichen geringer als die Gasleitfähigkeit des zweiten und dritten Vakuumpumpdurchgangs (22, 28) ist, wodurch die weitere Pumpeinrichtung (20) vorzugsweise die neutralen Atome und Moleküle aus dem Ionenquellenvolurnen (14) entfernt; und

einen zweiten Ionenstrahldurchgang (30), der eine Verbindung zwischen dem Pumpvolumen (24) und dem Zyklotronvolumen (12) bildet, um Ionen von dem Pumpvolumen (24) in das Zyklotronvolumen (12) zur Beschleunigung durch das Radiofrequenzsystem zu befördern, wobei der zweite Ionenstrahldurchgang (30) eine ausgewählte Gasleitfähigkeit hat, die im wesentlichen geringer als die Gasleitfähigkeit des zweiten und dritten Vakuumpumpdurchgangs (22, 28) ist, wodurch die weitere Pumpeinrichtung (20) vorzugsweise die neutralen Atome und Moleküle aus dem Pumpvolumen (24) entfernt; und in welchem

die negative Spannungsversorgung eine negative Spannungsquelle (35) aufweist, die an die Ionenquelle (34) angeschlossen ist, um die negativen Wasserstoffionen so zu beschleunigen, daß sie durch den ersten und zweiten Ionenstrahldurchgang (26, 28) laufen,

wobei der erste und zweite Ionenstrahldurchgang so konfiguriert ist, daß die Ionen entlang eines Bogens, der durch die negative Spannungsquelle und das Magnetfeld bestimmt ist, laufen.

5. Das System nach Anspruch 1 oder 4, in welchem das Radiofrequenzsystem bei einer Frequenz betrieben wird, die viermal die Ionenumlauffrequenz ist.

6. Ein Verfahren zur Erhöhung der Effizienz eines Zyklotrons für negative Wasserstoffionen durch Verringerung der Kollisionen zwischen negativen Wasserstoffionen und restlichen neutralen Atomen und Molekülen innerhalb des Zyklotrons, wobei das Zyklotron ein internes Zyklotronvolumen (12) und ein magnetisches System zum Ablenken, sowie ein Radiofrequenzsystem zum Beschleunigen der negativen Ionen in einer Beschleunigungsebene innerhalb eines Zyklotronvolumens (12) auf einen spiralförmigen Weg bei einer Umlauffrequenz hat, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Evakuieren des Zyklotronvolumens (12) mit einer ersten Pumpeinrichtung (16), die mit dem Zyklotronvolumen (12) durch einen ersten Pumpdurchgang (18) mit einer ausgewählten Gasleitfähigkeit verbunden ist, auf einen ausgewählten Druck, um die Kollisonen der Ionen mit den neutralen Atomen und Molekülen innerhalb des Zyklotronvolumens zu minimieren;

Erzeugen von negativen Wasserstoffionen mit einer Ionenquelle (34) innerhalb eines Ionenquellenvolumens (14), das in der Nähe eines Zentrums des Zyklotrons und auf der Beschleunigungsebene angeordnet ist;

Durchlaufenlassen der negativen Wasserstoffionen durch einen ersten Ionendurchgang (26) aus dem Ionenquellenvolumen in ein Pumpvolumen (24), das in der Nähe des Zentrums des Zyklotrons und auf der Beschleunigungsebene angeordnet ist, wobei der erste Ionenstrahldurchgang (26) eine ausgewählte Gasleitfähigkeit hat;

Durchlaufenlassen der negativen Ionen durch einen zweiten Ionendurchgang (30) von dem Pumpvolumen (24) in das Zyklotronvolumen (12) zur Beschleunigung durch das Radiofrequenzsystern, wobei der zweite Ionenstrahldurchgang (30) eine ausgewählte Gasleitfähigkeit hat;

Evakuieren des Ionenquellenvolumens (14) auf einen ausgewählten Druck mit einer zweiten Pumpeinrichtung (20), die mit dem Ionenquellenvolumen (14) durch einen zweiten Pumpdurchgang (22) mit einer ausgewählten Gasleitfähigkeit verbunden ist, die größer als die Gasleitfähigkeit des ersten Ionenstrahldurchgangs (26) ist;

Evakuieren des Pumpvolumens (24) auf einen ausgewählten Druck mit der zweiten Pumpeinrichtung (20), die an das Pumpvolumen (24) durch einen dritten Pumpdurchgang (28) mit einer ausgewählten Gasleitfähigkeit angeschlossen ist, die größer als die Gasleitfähigkeit des zweiten Ionenstrahldurchgangs (30) ist; und

wodurch die größeren Gasleitfähigkeiten des zweiten und dritten Pumpdurchgangs (22, 28) ein vorzugsweises Pumpen der neutralen Atome und Moleküle aus dem Ionenquellenvolumen (14) und dem Pumpvolumen (24) schaffen, wodurch die Kollisionen zwischen den Ionen von der Ionenquelle und den neutralen Atomen und Molekülen verringert werden und die Effizienz des Zyklotrons erhöht wird.

7. Das Verfahren nach Anspruch 6, in welchem die Gasleitfähigkeit des ersten, zweiten und dritten Durchgangs (18, 22, 28) von ungefähr 2 × 10² bis ungefähr 15 × 10² der Gasleitfähigkeit des ersten und zweiten Ionenstrahldurchgangs (26, 30) ist.

8. Das Verfahren nach Anspruch 6, in welchem das Radiofrequenzsystem bei der vierfachen Umlauffrequenz der Ionen in dem Zyklotron betrieben wird.