TWI423738B

TWI423738B - A method and apparatus for generating high density hollow electron cloud instantaneously by laser

Info

Publication number: TWI423738B
Application number: TW98114111A
Authority: TW
Inventors: Masayuki Kumada
Original assignee: Masayuki Kumada; Kumada Yumi
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2014-01-11
Also published as: TW201039699A

Description

一種以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的方法及裝置

本發明涉及一種生成中空電子雲的裝置，尤指一種以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的方法及其裝置。

在受時間、空間限制的帶電粒子束團(charge bunch)上，將具有很強射線強度的電子聚束(electron bunch)在短距離內加速到超過數億電子伏特(GeV)高能量的方法，從1950年中旬開始就有研究員提出發明和建議。例如，美國的貝內德(Bennett)最早提出電子聚束的加速方法，但，蘇聯的貝克斯勒(Veksler)提出的方案既明確又容易在短距離內實現加速電子聚束。

1950年的瑞士日內瓦加速器國際會議，蘇聯的杜布那(Dubna)、貝克斯勒(Veksler)和布朵卡(Budker)共同發表有關帶電粒子利用大強度、高密度電子聚束的離子加速理論和實驗。

在此所說的離子，意指包括質子的所有帶電離子，被稱為重離子時，指的是在元素表上重量大於氦重量以上的帶電離子。

1967年的英國劍橋加速器國際會議上，蘇聯的貝克斯勒(Veksler)發表將100億個質子從15m距離處加速到1GeV的誘導線形加速器(induction linac)模型。

此革新性的離子/電子聚束加速法，造成世界上的主要研究所爭相鑽研相關理論和實驗。例如，美國勞倫斯伯克萊實驗室(LBL,Lawrence Berkley Laboratory)發表了電子圈加速器(ERA,Electron Ring Accelerator)系統；馬里蘭(Maryland)大學則著眼於研究大強度電子射線的電子圈加速器(ERA)；電子圈和誘導線形加速器發明人克利斯非羅斯(Christfilos)在美國勞倫斯立衛莫國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)啟動核融合技術發展電子圈加速器(ERA)。

所稱的電子圈加速器(ERA)的工作原理，如圖1所示，首先將未中和的電子束射入(injection)到一個有輕度聚焦作用的縱向磁場中形成電子圈。爾後，磁場強度隨時間上升，以便使磁場中的電子圈的長、短半徑都得到壓縮，並將電子圈中的電子能量進一步提高。此時，由於電子圈的電子與氣體分子碰撞產生了大量離子，且這些離子被電子圈的位能障壁(Barrier)所俘獲，一方面中和了電子的空間電荷力，使電子圈保持形狀；另一方面也提供了電子圈和它俘獲的離子同時加速。

將電子圈和它俘獲的離子同時加速的方式，有兩種方式：一是使用加速腔產出沿磁力線方向的電場，一是使用沿縱向距離逐漸減弱的磁場徑向分量的洛倫茲力。所以，上述電子圈和它俘獲的離子能夠以多大的加速率進行加速，顯然受限及決定於沿磁力線方向的最大電場以及使離子保持在電子圈內的保持能力。

所以，當前對於電子圈加速器(ERA)的主要研究方向，就在於提高使離子保持在電子圈內的保持能力。例如，美國勞倫斯伯克萊實驗室(LBL)發表的電子圈加速器(ERA)的離子加速方式，是利用弱小収束方式，用一次(one turh)入射的電子迴旋加速器方式，使其在時間上生成變化的軸磁場；拉斯雷特‧塞斯勒(A. Sessler)發表的電子圈加速器(ERA)的離子加速方式，是利用在陰極(cathode)上生成大電子圈，再射入到在軸方向減少的静態軸的磁場；而馬里蘭(Maryland)大學發表的電子圈加速器(ERA)的離子加速方式，是利用在陰極(cathode)上生成大的中空電子射線，再射入卡斯夫磁場(cusp magnetic field)。

但，上述的任何一種電子圈加速器(ERA)的離子加速方式，均以在軸方向縮短所形成的電子圈的方式作為主流，在這種情況下，所需的電流量很高，會發生各種射線不穩定性的問題，要穩定電子聚束(electron bunch)極為困難。

另一方面，由於近年來大型同步輻射加速器、高能質子加速器及直線型電子和質子對撞器的成熟發展，導致朝向用電子、質子加速到數百GeV或TeV領域的電子圈加速器(ERA)的研究開發，漸漸地衰退了。

因此，本發明的主要發明目的，即在提供一種以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的方法及裝置，不需要將電子束射入(injection)到縱向磁場中以形成電子圈，可以解決前面所述的大電流電子圈加速器(ERA)有電子射線不穩定性的問題。

本發明的以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的方法，是利用2組鐳射裝置投射不同波長的鐳射光束，分別投射到位於中央的離子標靶源及包圍在外圍的電子發生源，使得電子發生源瞬間生成中空狀或中空圓筒狀電子聚束(或稱電子束團或電子雲)，以捕獲離子標靶源瞬間生成的離子束團(ion bunch)，且封入在所生成的電子聚束之內，在極短距離內可加速到百MeV/m以上。

根據以上所述，本發明所示的以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的裝置，包括：一第一鐳射裝置，用於射出鐳射光束且使電子發生源瞬間生成電子雲；一第二鐳射裝置，用於射出鐳射光束且使得離子發生源瞬間生成離子束團；一環狀光學陰極，接受所述第一鐳射裝置射出的鐳射光束瞬間生成中空狀或中空圓筒狀電子雲；一離子標靶源，設於所述環狀光學陰極的中央與所述環狀光學陰極形成同心圓，且接受所述第二鐳射裝置射出的鐳射光束瞬間生成被封入在所述中空狀或中空圓筒狀電子雲之內的離子束團。

本發明的以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的裝置，具有以下優點：完全沒有電子射線不穩定性的問題、可極短距離加速離子及縮短加速器體積，可以應用於實現放射線耐腫瘤治療的桌上型治療用加速器。

如圖2及圖3所示，本發明所示的以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的裝置10，包括一第一鐳射裝置20、一第二鐳射裝置30、一離子標靶源40及一環狀光學陰極50，其中，所述離子標靶源40設於所述環狀光學陰極50的中央，且與所述環狀光學陰極50形成同心圓。

所述第一鐳射裝置20，用於射出預定波長的鐳射光束25，且所射出的鐳射光束25照射到所述環狀光學陰極50等電子發生源的時候，適合使電子發生源瞬間生成電子雲。

所述第一鐳射裝置20的最佳實施例，是根據光學透鏡的材質和幾何構造的適當設計，使得射出的鐳射光束25的中心部26的光強度為零或較弱。

所述第二鐳射裝置30，用於射出預定波長的鐳射光束30，但所射出的鐳射光束30的波長不同於第一鐳射裝置20的鐳射光束25，且適合使得離子發生源瞬間生成離子束團。

所述離子標靶源40作為當離子發生源使用，設於所述環狀光學陰極50的中央，形成所述環狀光學陰極50的標靶，當接受所述第二鐳射裝置30射出的鐳射光束35時會瞬間生成離子束團65。

所述環狀光學陰極50作為當電子發生源使用，且包圍在所述離子標靶源40的外圍，當電子發生源接受第一鐳射裝置20射出的鐳射光束25時會瞬間生成高密度的中空狀或中空圓筒狀電子雲60，且利用本身的潛在能量(clone potential)迅速捕獲從所述離子標靶源40瞬間生成的離子束團65，並且將其封入在所生成的中空狀或中空圓筒狀電子雲60之內。

所述中空圓筒狀電子雲60的圓筒狀長度是短的話，與習知電子圈加速器(ERA)的電子圈形狀一致。而且，所述中空狀或中空圓筒狀電子雲60和被捕獲的所述離子束團65，當通過RF電場或電子圈加速器(ERA)的磁場擴張加速(magnetic expansion acceleration)時，可以實現引出和瞬間加速至光速，且利用貝克斯勒等人所發表的提案，可以分離加速後的中空圓筒狀電子雲60和高能量離子束團65。

所述離子束團65的能量(energy)，係根據中空圓筒狀電子雲60和離子束團65在空間、時間上的位置關係，主要視所述中空圓筒狀電子雲60的電子數以及其能保持有多少離子束團65而定。所以，藉第一鐳射裝置20及第二鐳射裝置30的空間位置及構造、以及所述第一鐳射裝置20及所述第二鐳射裝置30的二條鐳射光束25、35的投射時間，可以調整及控制中空圓筒狀電子雲60和離子束團65的生成時間，並且對於加速後的離子束團65的能量(energy)可以進行設定。

根據以上所述，本發明的以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的方法，包括以下步驟：

a)使用2組鐳射裝置20、30投射不同波長的鐳射光束；

b)其中一組鐳射裝置30投射鐳射光束35到位於中央的極小尺寸的離子標靶源40以瞬間生成的離子束團65；

c)另一組鐳射裝置20投射鐳射光束25到構成同心圓但包圍在離子標靶源40外圍的電子發生源(具體實施例為使用環狀光學陰極50)以瞬間生成中空狀或中空圓筒狀電子雲60；d)利用所述中空狀或中空圓筒狀電子雲60捕獲所述離子束團65 ，且封入在所述中空狀或中空圓筒狀電子雲60之內。

本發明實現中空狀或中空圓筒狀電子雲60的具體方法，除了前面所述方法之外，另一種方法，為利用電子和離子同心圓狀發生構造的中空的静的圓筒電子雲(hollow beam)離子射線的生成方法。對同心圓的外側部分，陰極電極的形狀做成環型，且以静電場引出大電流電子射線。在陰極本體不發生離子的狀態下，利用冷束同步源(Cold Beam synchrotron Source，CBS)技術可以實現更強大電流的圓筒電子雲。

根據本發明的以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的方法所生成的圈餅(doughnut)狀中空電子雲，譬如，圈餅(doughnut)狀中空電子雲的大半徑為R、小半徑為a、電子聚束中的電子數為Ne，則在圈餅狀中空電子雲的電場大小Emax(或稱為保持力(holding power))的計算方法為：

將電荷以及誘電率值代入

舉R=0.46cm、a=0.1cm以及N=10¹³ 為例，經過計算可取得E_max =1,000MV/m。這是對應電子雲保持力的電場，表示出被封入的離子能量的最大數值。因此，内藏離子束團65的中空狀或中空圓筒狀電子雲60的加速，可利用通過RF電場或電子圈加速器(ERA)的磁場擴張加速(magnetic expansion acceleration)瞬間加速至光速。

本發明所示的以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的裝置10，具有極短距離使離子加速的優點，可以實現更加精簡化縮短加速器的體積，可應用於人體的高生命品質(Quality Of Life，QOL)癌治療裝置上，例如，可以應用於實現放射線耐腫瘤治療的桌上型治療用加速器(在此所稱的桌上型加速器尺寸，意指可放入既有病院的放射線照射室裝置的尺寸而言)。

舉例來說，身體深部(30cm以下)的耐放射線腫瘤的重離子線治療，每個核子的重離子線的能量有400MeV/u以上則可。在這種條件下，應用本發明的以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的裝置10設計完成的加速器，其整體加速器的本體部分長度僅2m左右，縱使經過強化放射線遮蔽，仍然可在原有病院內設置本體部分長度僅2m左右的重離子線治療裝置。

而且，本體部分長度僅2m左右的重離子線治療裝置，可設計成具獨立分切交換重離子射線和電子射線功能，因此它可作為標靶照射、強大電子射線X線源、且適用在癌患者的確認位置、位置監測、臟器跳動監測等，在腫瘤治療時，還具有定位、現時同步監測及治療三種功能。

此外，所述本體部分長度僅2m左右的重離子線治療裝置，其重量輕性且尺寸精確，平面上的回轉自由度很高，且容易回轉。該回轉軸的周圍360度的任何一個方向均可射出重離子射線的緣故，與同步輻射加速器和迴旋加速器等的圓形加速器的情況相異，不需使用偏向電磁鐵等，故在複數的治療室，可在短時間內切換射線路線，射線也可被分時段分享利用。

倘若將所述重離子線治療裝置的加速器設計成線型加速器，還可增加離子射線射出的來回次數，使得每個脈衝(pulse)的離子數不多，連帶地受到射線負載(beam loading)影響而導致於會減少加速電場強度的因素也會變小。

以上所揭示的內容，乃本發明較佳的具體實施例，舉凡與本發明的發明目的與所能達成的效果，係構成所謂的等效或均等，且屬為熟習該項技術者能夠輕易完成的簡易修改、修飾、改良或變化，應俱不脫離本發明得以涵蓋主張的專利權範疇。

10．．．以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的裝置

20．．．第一鐳射裝置

25．．．鐳射光束

26．．．中心部

30．．．第二鐳射裝置

35．．．鐳射光束

40．．．離子標靶源

50．．．環狀光學陰極

60．．．中空電子雲

65．．．離子束團

圖1為電子圈加速器的習知結構示意圖。

圖2為本發明以鐳射瞬間生成高密度中空電子雲的裝置結構示意圖。

圖3為圖2所生成的中空電子雲的示意圖。