專利名稱：一種以激光瞬間生成高密度中空電子云的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生成中空電子云的裝置，尤指一種以激光瞬間生成高密度中空電
子云的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
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(nèi)加速到超過數(shù)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(fā)明和建議。例如，美國的貝內(nèi)德(Bennett)最早提出電子聚束的加速方法，而蘇聯(lián)的貝克斯勒(Veksler)提出的方案既明確又容易在短距離內(nèi)實現(xiàn)加速電子聚束。 1950年的瑞士日內(nèi)瓦加速器國際會議，蘇聯(lián)的杜布那(Dubna)、貝克斯勒(Veksler)和布朵卡(Budker)共同發(fā)表有關(guān)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。 其中所述的離子，意指包括質(zhì)子的所有帶電離子，而被稱為重離子時，指的是在元素表上重量大于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(lián)的貝克斯勒(Veksler)發(fā)表將100億個質(zhì)子從15m距離處加速到1GeV的誘導(dǎo)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鉆研相關(guān)理論和實驗。例如，美國勞倫斯伯克萊實驗室(LBL， Lawrence BerkleyLaboratory)發(fā)表了電子圈加速器(ERA, Electron Ring Accelerator)系統(tǒng)；馬里蘭(Maryland)大學(xué)則著眼于研究大強度電子射線的電子圈加速器(ERA);電子圈和誘導(dǎo)線形加速器發(fā)明人克利斯非羅斯(Christfilos)在美國勞倫斯立衛(wèi)莫國家實驗室(Lawrence Livermore NationalLaboratory)啟動核融合技術(shù)發(fā)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l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。爾后，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，并將電子圈中的電子能量進一步提高。此時，由于電子圈的電子與氣體分子碰撞產(chǎn)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一是使用加速腔產(chǎn)生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侖茲力。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，顯然受限及決定于沿磁力線方向的最大電場以及使離子保持在電子圈內(nèi)的保持能力。
所以，當前對于電子圈加速器(ERA)的主要研究方向，就在于提高使離子保持在電子圈內(nèi)的保持能力。例如，美國勞倫斯伯克萊實驗室(LBL)發(fā)表的電子圈加速器(ERA)的離子加速方式，是利用弱小收束方式，用一次(oneturn)入射的電子回旋加速器方式，使其在時間上生成變化的軸磁場；拉斯雷特 塞斯勒(A. Sessler)發(fā)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靜態(tài)軸的磁場；而馬里蘭(Maryland)大學(xué)發(fā)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(Cuspmagneticfield)。 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(fā)生各種射線不穩(wěn)定性的問題，要穩(wěn)定電子聚束(electron bunch)極為困難。 另一方面，由于近年來大型同步輻射加速器、高能質(zhì)子加速器及直線型電子和質(zhì)子對撞器的成熟發(fā)展，導(dǎo)致朝向用電子、質(zhì)子加速到數(shù)百GeV或TeV領(lǐng)域的電子圈加速器(ERA)的研究開發(fā)，漸漸地衰退了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要發(fā)明目的，即在于提供一種以激光瞬間生成高密度中空電子云的方法及裝置，不需要將電子束射入(injection)到縱向磁場中以形成電子圈，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中所述的大電流電子圈加速器(ERA)存在電子射線不穩(wěn)定性的問題。
本發(fā)明提供一種以激光瞬間生成高密度中空電子云的方法，是利用兩組激光裝置投射不同波長的激光光束，分別投射到位于中央的離子標靶源及包圍在外圍的環(huán)狀光學(xué)陰極，使得環(huán)狀光學(xué)陰極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云)，以捕獲離子標靶源瞬間生成的離子束團(ion bunch)，且將該離子束團封入在所生成的電子聚束之內(nèi)，在極短距離內(nèi)可加速到百MeV/m以上。 本發(fā)明提供一種以激光瞬間生成高密度中空電子云的裝置，包括
—第一激光裝置，用于射出激光光束且使電子發(fā)生源瞬間生成電子云；
—第二激光裝置，用于射出激光光束且使得離子發(fā)生源瞬間生成離子束團；
—環(huán)狀光學(xué)陰極，接受所述第一激光裝置射出的激光光束瞬間生成中空狀或中空圓筒狀電子云； —離子標靶源，設(shè)于所述環(huán)狀光學(xué)陰極的中央與所述環(huán)狀光學(xué)陰極形成同心圓，且接受所述第二激光裝置射出的激光光束瞬間生成被封入在所述中空狀或中空圓筒狀電子云之內(nèi)的離子束團。 本發(fā)明具有以下優(yōu)點完全沒有電子射線不穩(wěn)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(yīng)用于實現(xiàn)放射線耐腫瘤治療的桌上型治療用加速器。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電子圈加速器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明實施例提供的一種以激光瞬間生成高密度中空電子云的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為圖2所生成的中空電子云的示意圖。 附圖標記 10......以激光瞬間生成高密度中空電子云的裝置 20......第一激光裝置 25......激光光束
26......中心部 35......激光光束 50.....環(huán)狀光學(xué)陰極 65.....離子束團
30......第二激光裝置
40......離子標靶源
60.....中空圓筒狀電子云
具體實施例方式
如圖2及圖3所示，本發(fā)明實施例所示的以激光瞬間生成高密度中空電子云的裝置IO，包括一第一激光裝置20、一第二激光裝置30、一離子標靶源40及一環(huán)狀光學(xué)陰極50，其中，所述離子標靶源40設(shè)于所述環(huán)狀光學(xué)陰極50的中央，且與所述環(huán)狀光學(xué)陰極50形成同心圓。 所述第一激光裝置20用于射出預(yù)定波長的激光光束25，且所射出的激光光束25照射到所述環(huán)狀光學(xué)陰極50等電子發(fā)生源的時候，適合使電子發(fā)生源瞬間生成電子云。
所述第一激光裝置20的最佳實施例是根據(jù)光學(xué)透鏡的材質(zhì)和幾何構(gòu)造的適當設(shè)計，使得射出的激光光束25的中心部26的光強度為零或較弱。 所述第二激光裝置30用于射出預(yù)定波長的激光光束35，但所射出的激光光束35的波長不同于第一激光裝置20射出的激光光束25，且適合使得離子發(fā)生源瞬間生成離子束團。 所述離子標靶源40作為離子發(fā)生源使用，設(shè)于所述環(huán)狀光學(xué)陰極50的中央，形成所述環(huán)狀光學(xué)陰極50的標靶，當接受所述第二激光裝置30射出的激光光束35時會瞬間生成離子束團65。 所述環(huán)狀光學(xué)陰極50作為電子發(fā)生源使用，且包圍在所述離子標靶源40的外圍，當電子發(fā)生源接受第一激光裝置20射出的激光光束25時會瞬間生成高密度的中空狀或中空圓筒狀電子云60，且利用本身的庫侖電位(Coulomb potential)迅速捕獲從所述離子標靶源40瞬間生成的離子束團65，并且將其封入在所生成的中空狀或中空圓筒狀電子云60之內(nèi)。 所述中空圓筒狀電子云60的圓筒狀長度短的話，與已知電子圈加速器(ERA)的電子圈形狀一致。而且，所述中空狀或中空圓筒狀電子云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(xiàn)引出和瞬間加速至光速，且利用貝克斯勒等人所發(fā)表的提案，可以分離加速后的中空圓筒狀電子云60和高能量離子束團65。 所述離子束團65的能量(energy)，是根據(jù)中空圓筒狀電子云60和離子束團65在空間、時間上的位置關(guān)系，主要視所述中空圓筒狀電子云60的電子數(shù)以及其能保持有多少離子束團65而定。所以，根據(jù)第一激光裝置20及第二激光裝置30的空間位置及構(gòu)造、以及所述第一激光裝置20及所述第二激光裝置30的兩條激光光束25、35的投射時間，可以調(diào)整及控制中空圓筒狀電子云60和離子束團65的生成時間，并且對于加速后的離子束團65的能量可以進行設(shè)定。 根據(jù)以上所述，本發(fā)明實施例還提供一種以激光瞬間生成高密度中空電子云的方法，包括以下步驟 a、使用兩組激光裝置，例如第一激光裝置20、第二激光裝置30，投射不同波長的激光光束； b、其中一組激光裝置，例如第二激光裝置30，投射激光光束35到位于中央的極小 尺寸的離子標靶源40以瞬間生成離子束團65 ; c、另一組激光裝置，例如第一激光裝置20，投射激光光束25到構(gòu)成同心圓但包圍 在離子標靶源40外圍的電子發(fā)生源(具體實施例為使用環(huán)狀光學(xué)陰極50)以瞬間生成中 空狀或中空圓筒狀電子云60 ; d、利用所述中空狀或中空圓筒狀電子云60捕獲所述離子束團65，且將該離子束 團65封入在所述中空狀或中空圓筒狀電子云60之內(nèi)。 本發(fā)明實施例提供的實現(xiàn)中空狀或中空圓筒狀電子云60的具體方法，除了前 面所述方法之外，還可以利用電子和離子同心圓狀發(fā)生構(gòu)造的中空的靜電場的圓筒電子 云(hollow beam)離子射線的生成方法。對同心圓的外側(cè)部分，陰極電極的形狀做成環(huán) 型，且以靜電場引出大電流電子射線。在陰極本體不發(fā)生離子的狀態(tài)下，利用日本公開案 JP2006294575中的冷束同步源(ColdBeam synchrotron Source, CBS)技術(shù)可以實現(xiàn)更強 大電流的圓筒電子云。 根據(jù)本發(fā)明實施例的以激光瞬間生成高密度中空電子云的方法所生成的圈餅 (dough皿t)狀中空電子云，譬如，圈餅(dough皿t)狀中空電子云的大半徑為R、小半徑 為a、電子聚束中的電子數(shù)為Ne，則在圈餅狀中空電子云的電場大小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
4.58x10—12 JVg 以R = 0. 46cm、a = 0. lcm以及Ne = 1013為例，經(jīng)過計算可取得E隨=1， 000MV/ m。這是對應(yīng)電子云保持力的電場，表示出被封入的離子能量的最大數(shù)值。因此，內(nèi)藏離子束 團65的中空狀或中空圓筒狀電子云60的加速，可利用通過RF電場或電子圈加速器(ERA) 的石茲場擴張力口速(magnetic expansionacceleration)瞬間力口速至光速。
本發(fā)明實施例提供的以激光瞬間生成高密度中空電子云的裝置IO，具有極短距離 使離子加速的優(yōu)點，可以實現(xiàn)更加精簡化縮短加速器的體積，可應(yīng)用于人體的高生命品質(zhì) (Quality Of Life，Q0L)癌治療裝置上，例如，可以應(yīng)用于實現(xiàn)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，意指可放入現(xiàn)有醫(yī)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(yīng)用本發(fā)明實施例提供的以激光瞬間 生成高密度中空電子云的裝置10設(shè)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(jīng)過強化放射線遮蔽，仍然可在原有醫(yī)院內(nèi)設(shè)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(shè)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 五
附的確認位置、位置監(jiān)測、臟器跳動監(jiān)測等。在腫瘤治療時，還具有定位、現(xiàn)時同步監(jiān)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，其重量輕且尺寸精確， 在平面上的回轉(zhuǎn)自由度很高，且容易回轉(zhuǎn)。在回轉(zhuǎn)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回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，故在多個治療室之間，可實現(xiàn)在短時間內(nèi)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(shè)計成線型加速器，還可增加離子射 線射出的來回次數(shù)，使得每個脈沖(pulse)的離子數(shù)不多，連帶地受到射線負載(beam loading)影響而導(dǎo)致會減少加速電場強度的因素也會變小。 以上所揭示的內(nèi)容，乃本發(fā)明較佳的具體實施例，凡與本發(fā)明的發(fā)明目的及所能 達成的效果構(gòu)成所謂的等效或均等，且均為本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠輕易完成的簡易修改、修 飾、改良或變化等，應(yīng)都不脫離本發(fā)明得以涵蓋所主張的專利權(quán)范疇。
權(quán)利要求
一種以激光瞬間生成高密度中空電子云的裝置，包括一第一激光裝置，用于射出激光光束且使電子發(fā)生源瞬間生成電子云；一第二激光裝置，用于射出激光光束且使得離子發(fā)生源瞬間生成離子束團；一環(huán)狀光學(xué)陰極，接受所述第一激光裝置射出的激光光束瞬間生成中空狀或中空圓筒狀電子云；一離子標靶源，設(shè)于所述環(huán)狀光學(xué)陰極的中央與所述環(huán)狀光學(xué)陰極形成同心圓，且接受所述第二激光裝置射出的激光光束瞬間生成被捕獲且封入在所述中空狀或中空圓筒狀電子云之內(nèi)的離子束團。
2. 如權(quán)利要求1所述的以激光瞬間生成高密度中空電子云的裝置，其中，所述第一激 光裝置射出的激光光束的中心部光強度為零。
3. —種以激光瞬間生成高密度中空電子云的方法，其特征在于，包括以下步驟a、 使用兩組激光裝置投射不同波長的激光光束；b、 其中一組激光裝置投射激光光束到位于中央的離子標靶源，以瞬間生成離子束團； C、另一組激光裝置投射激光光束到構(gòu)成同心圓但包圍在所述離子標靶源外圍的環(huán)狀光學(xué)陰極，以瞬間生成中空狀或中空圓筒狀電子云；d、利用所述中空狀或中空圓筒狀電子云捕獲所述離子束團，且將其封入在所述中空狀 或中空圓筒狀電子云之內(nèi)。
4. 如權(quán)利要求3所述的以激光瞬間生成高密度中空電子云的方法，其中，內(nèi)含離子束 團的所述中空狀或中空圓筒狀電子云，經(jīng)過射頻電場或電子圈加速器的磁場擴張加速方式 引出及加速所述離子束團。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以激光瞬間生成高密度中空電子云的裝置，其包括兩組激光裝置用于投射不同波長的激光光束，以及設(shè)成同心圓靶心結(jié)構(gòu)的離子標靶源及同心圓外圍結(jié)構(gòu)的環(huán)狀光學(xué)陰極，其中，所述離子標靶源接受其中一組激光裝置的激光光束的照射，且瞬間生成離子束團，所述環(huán)狀光學(xué)陰極接受另一組激光裝置的激光光束的照射，且瞬間生成中空狀或中空圓筒狀電子云，以捕獲所述離子標靶源瞬間生成的離子束團且將其封入在所生成的電子云之內(nèi)。本發(fā)明還公開了一種以激光瞬間生成高密度中空電子云的方法。本發(fā)明具有在極短距離內(nèi)可加速到光速的有益效果。
文檔編號H05H7/00GK101702867SQ20091017880
公開日2010年5月5日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者熊田由美, 熊田雅之 申請人:熊田雅之;熊田由美