УСТРОЙСТВО, СИСТЕМА И СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПУЧКОВ ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ ЭЦР
APPARATUS, SYSTEM AND METHOD OF GENERATING PARTICLE BEAMS BASED ON ELECTRON CYCLOTRON RESONANCE

Предпосылки изобретения
Данное изобретение относится к источникам ионов, в частности к источникам ионов высокой интенсивности.
Источники ионов можно использовать для генерации ионных пучков, применяемых в различных областях. Например, пучки можно использовать для бомбардировки мишеней для возбуждения ядерных реакций для выработки изотопов.
Некоторые источники ионов ионизируют нейтральные мишени за счет столкновений с энергичными электронами. Источники плазмы на основе электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) генерируют энергичные электроны, возбуждая циклотронное движение электронов в магнитном поле. Источник плазмы на основе ЭЦР находится в вакуумной камере для управления ионизируемым газом и для снижения давления, что позволяет электронами достигать энергии ионизации.
Заряженная частица, помещенная в однородное магнитное поле, будет двигаться по кругу вокруг магнитного поля с частотой, именуемой электронной циклотронной частотой.
Если магнитное поле не однородно, электрон по-прежнему вращается вокруг магнитного поля, но орбита и частота несколько усложняются. Для работы источников ионов на основе ЭЦР не требуется однородное магнитное поле. Фактически, многие из них работают в сильно неоднородных магнитных полях. Прилагая осциллирующее электрическое поле, можно возбуждать циклотронное движение электронов. Если осциллирующее электрическое поле входит в резонанс с электронной циклотронной частотой и сообщается с движением электронов, электроны получают энергию. Наилучшую связь обеспечивает электрическое поле, которое вращается вокруг магнитного поля в том же направлении, что и электроны, и с той же частотой. Это электрическое поле выглядит как электрическое поле постоянного тока в рамке электронов. Хорошей связи также можно добиться с помощью линейно поляризованного электрического поля, которое осциллирует перпендикулярно магнитному полю. Поскольку электроны приобретают энергию, они будут сталкиваться с любым газом в источнике, ионизируя фоновый газ. Таким образом, образуется плазма и дополнительные электроны, которые могут ионизировать еще больше фонового газа. Этот традиционный процесс продолжается с увеличением плотности плазмы, пока не установится равновесие между потерями и выработкой.
В традиционных устройствах равновесие наступает задолго до появления возможности генерации мощного пучка, а мощный пучок необходим для того, чтобы ударять по материалу мишени и превращать его, например, в полезные медицинские изотопы. Многие изотопы, теоретически, считаются полезными, но до сих пор, их малые получаемые количества и короткие периоды полураспада препятствуют их использованию.
Сущность изобретения
Авторы изобретения установили, что можно обеспечить высокоинтенсивный источник ионов с многократным зарядом в выбранном состоянии ионизации. Например, некоторые варианты осуществления описанных здесь устройств, систем и методов создают пучок ионов высокой плотности, полезный для выработки долго- и/или короткоживущих изотопов или для непосредственного использования (например, для лечения опухолей). Некоторые варианты осуществления создают пучок многократно ионизированных частиц в выбранном конечном состоянии ионизации. Некоторые варианты осуществления создают высокоплотный пучок ионов с большим зарядом. Некоторые варианты осуществления позволяют сравнительно экономично создавать пучок многократно ионизированного He.
Некоторые варианты осуществления предусматривают использование ионных пучков для превращения атомов и изотопов в полезные изотопы, которые невозможно массово вырабатывать другими средствами. Некоторые варианты осуществления позволяют создавать изотопы, до сих пор не доступные в полезных количествах.
Некоторые варианты осуществления предусматривают использование ионных пучков для превращения изотопов, например, вырабатываемых на коммерческих атомных электростанциях, в топливо, которое можно повторно использовать в реакторе. Некоторые варианты осуществления обеспечивают машину, которую можно установить рядом с коммерческой атомной электростанцией для превращения долгоживущих изотопов, например, вырабатываемых на коммерческих атомных электростанциях, в короткоживущие изотопы, которые быстро распадаются на стабильные атомы, без необходимости транспортировки или захоронения.
В одном аспекте, раскрыт источник ионов, включающий в себя камеру, расположенную вокруг продольной оси и содержащую газ. Источник включает в себя систему магнитного удержания, предназначенную для создания магнитного поля в области удержания в камере, причем область удержания расположена вокруг оси и проходит вдоль оси от ближнего конца к дальнему концу. Магнитное поле включает в себя первое магнитное зеркало, находящееся на ближнем конце области удержания; второе магнитное зеркало, находящееся на дальнем конце области удержания; и по существу, однородное магнитное поле, расположенное вокруг продольной оси и направленное, по существу, параллельно ей, причем, по существу, однородное магнитное поле находится между первым и вторым магнитными зеркалами. Система также включает в себя возбудитель электронно-циклотронного резонанса, который создает переменное во времени электрическое поле, которое возбуждает циклотронное движение электронов, находящихся в области удержания, причем возбужденные электроны взаимодействуют с газом, образуя удерживаемую плазму. В ходе эксплуатации, система магнитного удержания удерживает плазму в области удержания, благодаря чему, часть атомов в плазме испытывают многократно ионизирующие взаимодействия с возбужденными электронами для образования многократно ионизированных ионов, имеющих выбранное конечное состояние ионизации.
В некоторых вариантах осуществления каждое из первого и второго магнитных зеркал включает в себя неоднородное магнитное поле, причем поле направлено, по существу, вдоль продольной оси и имеет величину, которая возрастает как функция осевого расстояния от, по существу, однородного магнитного поля до пиковой величины, превышающей величину, по существу, однородного магнитного поля. В некоторых подобных вариантах осуществления пиковая величина первого магнитного зеркала превышает пиковую величину второго магнитного зеркала. В некоторых вариантах осуществления пиковая величина зеркал может быть одинаковой или, по существу, одинаковой. В некоторых вариантах осуществления пиковая величина каждого из первого и второго магнитных зеркал более чем вдвое превышает величину, по существу, однородного магнитного поля. В некоторых вариантах осуществления пиковая величина каждого из первого и второго магнитных зеркал может принимать другие пригодные значения, например, в полтора, три, четыре, пять или более раз превышающие величину, по существу, однородного магнитного поля.
В некоторых вариантах осуществления величина, по существу, однородного магнитного поля составляет локальный аксиальный минимум магнитного поля в области удержания.
Некоторые варианты осуществления включают в себя экстрактор для извлечения пучка ионов из области удержания, причем пучок включает в себя часть многократно ионизированных ионов в выбранном конечном состоянии ионизации.
В некоторых вариантах осуществления ток ионного пучка составляет 1 мА или более, 10 мА или более, 20 мА или более, или даже 50 мА или более.
В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, 50% ионов в пучке (измеренные как доля частиц или как процент полного тока пучка) находится в выбранном конечном состоянии ионизации. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, 60%, 70%, 80% или 90% ионов в пучке находится в выбранном конечном состоянии ионизации.
В некоторых вариантах осуществления возбудитель электронно-циклотронного резонанса создает переменное во времени электрическое поле, имеющее частоту, по существу, настроенную на частоту электронно-циклотронного резонанса, соответствующую, по существу, однородному магнитному полю.
В некоторых вариантах осуществления возбудитель электронно-циклотронного резонанса возбуждает циклотронное движение электронов, находящихся в объеме, содержащем, по существу, однородное магнитное поле.
В некоторых вариантах осуществления величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 1%, менее чем на 5% или менее чем на 10% по области, расположенной вокруг продольной оси, причем область находится между (например, посередине между) первым и вторым магнитными зеркалами и проходит вдоль продольной оси на расстояние, равное, по меньшей мере, около 10%, 15%, 25% или даже более, осевого расстояния между первым и вторым магнитными зеркалами.
В некоторых вариантах осуществления величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 1%, менее чем на 5% или менее чем на 10% по области, проходящей, по меньшей мере, на 5 см, 10 см, 15 см или более, вдоль продольной оси.
В некоторых вариантах осуществления магнитное поле обладает азимутальной симметрией относительно продольной оси по области удержания.
В некоторых вариантах осуществления время электронно-циклотронной декорреляции для электронов, возбуждаемых возбудителем электронно-циклотронного резонанса, равно, по меньшей мере, по порядку величины, среднему времени удержания нагретого электрона в области удержания.
В некоторых вариантах осуществления возбудитель электронно-циклотронного резонанса возбуждает, по меньшей мере, часть электронов в объеме до энергии около 200 эВ или более, около 300 эВ или более, или около 1 кэВ или более.
Некоторые варианты осуществления включают в себя ионно-циклотронный возбудитель, который направляет излучение в область удержания для предпочтительного возбуждения циклотронного движения ионов в плазме, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации, для увеличения кинетической энергии ионов в направлениях, перпендикулярных продольной оси. В некоторых вариантах осуществления ионно-циклотронный возбудитель, предпочтительно, увеличивает время удержания в области удержания ионов, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации, тем самым, увеличивая количество ионов, испытывающих дополнительные ионизирующие взаимодействия с электронами в области удержания, для образования ионов, имеющих выбранное конечное состояние ионизации. В некоторых вариантах осуществления ионно-циклотронный возбудитель направляет в область удержания излучение, имеющее частоту, по существу, настроенную на ионно-циклотронную частоту ионов, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации в, по существу, однородном магнитном поле. В некоторых вариантах осуществления выбранное возбужденное состояние ионизации является единично ионизированным состоянием. В некоторых вариантах осуществления выбранное возбужденное состояние ионизации является многократно ионизированным состоянием, степень ионизации которого меньше, чем у конечного состояния ионизации.
В некоторых вариантах осуществления ионно-циклотронный возбудитель направляет излучение в область удержания на совокупности частот, каждая из которых, по существу, настроена на ионно-циклотронную частоту ионов, имеющих соответствующее выбранное возбужденное состояние ионизации в, по существу, однородном магнитном поле.
В некоторых вариантах осуществления ионно-циклотронный возбудитель включает в себя антенну, например, филярную антенну (например, моно- или бифилярную), обкладку конденсатора, невитую бифилярную антенну или невитую филярную антенну, или их комбинации.
В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, одно магнитное зеркало включает в себя магнитное поле, выходящее из области удержания. Электронно-циклотронный возбудитель настроен на электронно-циклотронную частоту, соответствующую части магнитного поля, выходящей из области удержания, для возбуждения циклотронного движения неудерживаемых электронов в части поля, причем неудерживаемые электроны взаимодействуют с газом, образуя неудерживаемую плазму. Источник ионов дополнительно включает в себя распыляемую мишень, находящуюся в камере ближе к части магнитного поля, на которую подается напряжение смещения для притяжения ионов из неудерживаемой плазмы. В результате столкновений с притягиваемыми ионами, распылительный источник испускает нейтральные частицы, образующие, по меньшей мере, часть атомарного газа. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, часть испущенных нейтральных частиц взаимодействует с неудерживаемыми электронами для образования ионов, которые притягиваются обратно к распылительному источнику.
В некоторых вариантах осуществления распыляемая мишень включает в себя кольцо из материала, расположенного вокруг продольной оси, кольцо из материала, расположенного вокруг продольной оси и имеющего поверхность мишени, наклоненную относительно продольной оси, или материал мишени, размещенный вокруг продольной оси и проходящий вдоль нее, или их комбинации.
3
++
3
++
В некоторых вариантах осуществления газ включает в себя атомы He, и система магнитного удержания удерживает плазму в области удержания, благодаря чему, часть атомов He в плазме испытывает два единично ионизирующих взаимодействия с возбужденными электронами с образованием альфа-частиц или ионов He. Некоторые подобные варианты осуществления включают в себя экстрактор для извлечения пучка ионов He из области удержания, причем пучок включает в себя альфа-частицы и/или ионы He.
3
++
В некоторых вариантах осуществления ток пучка ионов He составляет 1 мА или более, 10 мА или 20 мА или более. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, 50%, по меньшей мере, 70%, по меньшей мере, 80% или, по меньшей мере, 90% или более ионов в пучке составляют альфа-частицы и/или ионы He.
В некоторых вариантах осуществления система магнитного удержания дополнительно предназначена для создания магнитного поля радиального удержания, которое ограничивает радиальное движение плазмы от продольной оси. Магнитное поле радиального удержания, по существу, не проходит в, по существу, однородное магнитное поле. В некоторых вариантах осуществления система магнитного удержания включает в себя многополюсный магнит радиального удержания, расположенный вокруг продольной оси, который создает магнитное поле, направленное азимутально к продольной оси и имеющее величину, которая радиально уменьшается с увеличением близости к оси, но не вдоль одной или нескольких переходных областей. В некоторых вариантах осуществления многополюсный магнит включает в себя 8 или более полюсов.
В некоторых вариантах осуществления возбудитель электронно-циклотронного резонанса создает переменное во времени электрическое поле, имеющее частоту, по существу, расстроенную по отношению к частоте электронно-циклотронного резонанса, соответствующей, по существу, однородному магнитному полю. В некоторых вариантах осуществления возбудитель электронно-циклотронного резонанса возбуждает циклотронное движение электронов, находящихся в первой области неоднородного магнитного поля, удаленной от, по существу, однородного магнитного поля вдоль продольной оси, и во второй области неоднородного магнитного поля, ближней к, по существу, однородному магнитному полю вдоль продольной оси. В некоторых вариантах осуществления каждая из первой и второй областей неоднородного магнитного поля включает в себя поверхность, образованную точками, отличающимися тем, что частота переменного во времени электрического поля настроена на частоту электронно-циклотронного резонанса неоднородного магнитного поля в точках.
В некоторых вариантах осуществления, по существу, однородное магнитное поле имеет величину около .1 Т или более, .5 Т или более или .6 Т или более.
В некоторых вариантах осуществления газ включает в себя молекулы, и возбужденные электроны взаимодействуют с газом для диссоциации молекул с образованием удерживаемой плазмы.
В другом аспекте раскрыт способ генерации ионного пучка, включающий в себя этапы, на которых обеспечивают камеру, расположенную вокруг продольной оси и содержащую газ, и создают магнитное поле в области удержания в камере, причем область удержания расположена вокруг оси и проходит вдоль оси от ближнего конца к дальнему концу. Магнитное поле включает в себя первое магнитное зеркало, находящееся на ближнем конце области удержания; второе магнитное зеркало, находящееся на дальнем конце области удержания; по существу, однородное магнитное поле, расположенное вокруг продольной оси и направленное, по существу, параллельно ей, причем, по существу, однородное магнитное поле находится между первым и вторым магнитными зеркалами. Способ дополнительно включает в себя этапы, на которых создают переменное во времени электрическое поле для возбуждения циклотронного движения электронов, находящихся в области удержания; обеспечивают взаимодействие возбужденных электронов с газом для формирования удерживаемой плазмы; и удерживают плазму в области удержания, благодаря чему, часть атомов в плазме испытывает многократно ионизирующие взаимодействия с возбужденными электронами для образования многократно ионизированных ионов, имеющих выбранное конечное состояние ионизации.
В некоторых вариантах осуществления каждое из первого и второго магнитных зеркал включает в себя неоднородное магнитное поле, причем поле направлено, по существу, вдоль продольной оси и имеет величину, которая возрастает как функция осевого расстояния от, по существу, однородного магнитного поля до пиковой величины, превышающей величину, по существу, однородного магнитного поля, в некоторых вариантах осуществления пиковая величина первого магнитного зеркала превышает пиковую величину второго магнитного зеркала (в других вариантах осуществления они могут быть одинаковыми или, по существу, одинаковыми).
В некоторых вариантах осуществления пиковая величина каждого из первого и второго магнитных зеркал более чем вдвое превышает (или в 1,5, 3, 4, 5 и т.д. раз) величину, по существу, однородного магнитного поля.
В некоторых вариантах осуществления величина, по существу, однородного магнитного поля составляет локальный аксиальный минимум магнитного поля в области удержания.
Некоторые варианты осуществления дополнительно включают в себя этап, на котором извлекают ионный пучок из области удержания, причем пучок включает в себя часть ионов, находящихся в выбранном конечном состоянии ионизации. В некоторых вариантах осуществления, ток ионного пучка составляет 1 мА или более, 10 мА или более, 20 мА или более или 50 мА или более.
В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% или более ионов находится в выбранном конечном состоянии ионизации.
В некоторых вариантах осуществления переменное во времени электрическое поле имеет частоту, по существу, настроенную на частоту электронно-циклотронного резонанса, соответствующую, по существу, однородному магнитному полю. В некоторых вариантах осуществления возбудитель электронно-циклотронного резонанса возбуждает циклотронное движение электронов, находящихся в объеме, окружающем, по существу, однородное магнитное поле.
В некоторых вариантах осуществления величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 1%, 5%, 10%, или 15% по области, расположенной вокруг продольной оси, причем область находится посередине между первым и вторым магнитными зеркалами и проходит вдоль продольной оси на расстояние, равное, по меньшей мере, около 5%, 10%, 25%, 50% или более осевого расстояния между первым и вторым магнитными зеркалами.
В некоторых вариантах осуществления величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 1%, 2,5%, 5% или 10% по области, проходящей, по меньшей мере, на 1 см, 2 см, 5 см, 10 см, 15 см или 25 см или более вдоль продольной оси.
В некоторых вариантах осуществления магнитное поле обладает азимутальной симметрией относительно продольной оси по области удержания.
В некоторых вариантах осуществления время электронно-циклотронной декорреляции для возбужденных электронов равно, по меньшей мере, по порядку величины, среднему времени удержания нагретого электрона в области удержания.
Некоторые варианты осуществления включают в себя этап, на котором возбуждают циклотронное движение электронов, находящихся в области удержания для сообщения электрону энергии около 200 эВ или более, 300 эВ или более или 1 кэВ или более.
Некоторые варианты осуществления дополнительно включают в себя этап, на котором направляют излучение в область удержания для предпочтительного возбуждения циклотронного движения ионов в плазме, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации, для увеличения кинетической энергии ионов в направлениях, перпендикулярных продольной оси. В некоторых вариантах осуществления на этапе направления излучения в область удержания для предпочтительного возбуждения циклотронного движения ионов в плазме, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации предпочтительно, увеличивают время удержания в области удержания для ионов, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации, тем самым, увеличивая количество атомов, испытывающих дополнительные ионизирующие взаимодействия с электронами в области удержания. В некоторых вариантах осуществления на этапе направления излучения в область удержания для предпочтительного возбуждения циклотронного движения ионов в плазме, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации, направляют в область удержания излучения, имеющее частоту, по существу, настроенную на ионно-циклотронную частоту ионов, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации в, по существу, однородном магнитном поле. В некоторых вариантах осуществления выбранное возбужденное состояние ионизации является единично ионизированным состоянием. В некоторых вариантах осуществления выбранное возбужденное состояние ионизации является многократно ионизированным состоянием, степень ионизации которого меньше, чем у конечного состояния ионизации. Некоторые варианты осуществления включают в себя этап, на котором направляют излучение в область удержания на совокупности частот, причем каждая частота, по существу, настроена на ионно-циклотронную частоту ионов, имеющих соответствующее выбранное возбужденное состояние ионизации в, по существу, однородном магнитном поле.
В некоторых вариантах осуществления на этапе направления излучения в область удержания для предпочтительного возбуждения циклотронного движения ионов в плазме, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации, направляют излучение от антенны любого раскрытого здесь типа.
В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, одно магнитное зеркало включает в себя магнитное поле, выходящее из области удержания. Частота переменного во времени электрического поля настроена на электронно-циклотронную частоту, соответствующую части магнитного поля, выходящей из области удержания, для возбуждения циклотронного движения неудерживаемых электронов в части поля, причем неудерживаемые электроны взаимодействуют с газом, образуя неудерживаемую плазму. Способ может дополнительно включать в себя этапы, на которых обеспечивают распыляемую мишень, находящуюся в камере ближе к части магнитного поля, и подают напряжение смещения на распыляемую мишень для притяжения ионов из неудерживаемой плазмы, благодаря чему, в результате столкновений с притягиваемыми ионами, распылительный источник испускает нейтральные частицы, образующие, по меньшей мере, часть атомарного газа. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, часть испущенных нейтральных частиц взаимодействует с неудерживаемыми электронами для образования ионов, которые притягиваются обратно к распылительному источнику со смещением. В некоторых вариантах осуществления распыляемая мишень включает в себя кольцо из материала, расположенного вокруг продольной оси; кольцо из материала, расположенного вокруг продольной оси и имеющего поверхность мишени, наклоненную относительно продольной оси, или материал мишени, размещенный вокруг продольной оси и проходящий вдоль нее, или их комбинации.
3
++
В некоторых вариантах осуществления газ включает в себя атомы He, и способ включает в себя этап, на котором удерживают плазму в области удержания, благодаря чему, часть атомов He в плазме испытывает два единично ионизирующие взаимодействия с возбужденными электронами с образованием альфа-частиц или He .
3
++
3
++
Некоторые варианты осуществления включают в себя этап, на котором извлекают пучок ионов He из области удержания, причем пучок включает в себя альфа-частицы или ионы He. В некоторых вариантах осуществления ток пучка атомов He составляет 1 мА или более или 20 мА или более. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% или более ионов в пучке составляют альфа-частицы. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% или более ионов в пучке составляют альфа-частицы или He.
Некоторые варианты осуществления дополнительно включают в себя этап, на котором создают магнитное поле радиального удержания, которое удерживает плазму в радиальном направлении. Магнитное поле радиального удержания, по существу, не проходит в, по существу, однородное магнитное поле. В некоторых вариантах осуществления на этапе создания магнитного поля радиального удержания создают магнитное поле, направленное азимутально к продольной оси и имеющее величину, которая радиально уменьшается с увеличением близости к оси, но не вдоль одной или нескольких переходных областей.
Некоторые варианты осуществления включают в себя этап, на котором создают переменное во времени электрическое поле, имеющее частоту, по существу, расстроенную по отношению к частоте электронно-циклотронного резонанса, соответствующей, по существу, однородному магнитному полю. Некоторые варианты осуществления включают в себя этап, на котором возбуждают циклотронное движение электронов, находящихся в первой области неоднородного магнитного поля, удаленной от, по существу, однородного магнитного поля вдоль продольной оси, и во второй области неоднородного магнитного поля, ближней к, по существу, однородному магнитному полю вдоль продольной оси. В некоторых вариантах осуществления каждая из первой и второй областей неоднородного магнитного поля включает в себя поверхность, образованную точками, в которых частота переменного во времени электрического поля настроена на частоту электронно-циклотронного резонанса неоднородного магнитного поля в точках. Некоторые подобные варианты осуществления включают в себя этап, на котором осуществляют стохастический нагрев электронов в области удержания, которые проходят через первую и вторую области много раз.
В некоторых вариантах осуществления, по существу, однородное магнитное поле имеет величину около .1 Т или более, .5 Т или более или .6 Т или более.
В некоторых вариантах осуществления газ включает в себя молекулы, и на этапе обеспечения взаимодействия возбужденных электронов с газом для формирования удерживаемой плазмы диссоциируют молекулы.
В еще одном аспекте раскрыт способ, включающий в себя этапы, на которых генерируют ионный пучок с использованием любых описанных здесь устройств и методов, направляют ионный пучок на мишень, включающую в себя материал мишени; и превращают, по меньшей мере, часть материала мишени в радиоизотоп посредством ядерной реакции между ионами в выбранном конечном ионном состоянии и атомами материала мишени.
В некоторых вариантах осуществления атомы материала мишени имеют больший период полураспада, чем радиоизотоп.
3
++
В некоторых вариантах осуществления ионы в выбранном конечном ионном состоянии включают в себя альфа-частицы или ионы He.
96
99
209
211
144
148
116
117m
114
117m
l47
148
В некоторых вариантах осуществления ядерная реакция между ионами в выбранном конечном ионном состоянии и атомами материала мишени включает в себя, по меньшей мере, одну из списка, состоящего из: Zr(α, n) Mo, Bi(α, 2n) At, Sm(α, γ) Gd, Cd(α, 3n) Sn и Cd(α, n) Sn и Sm(α, 3n) Gd.
99
99m
99
99m
В некоторых вариантах осуществления, когда радиоизотоп включает в себя Mo, и способ дополнительно включает в себя этап, на котором вырабатывают диагностически или терапевтически эффективную дозу Tc из Mo за счет отрицательного бета-распада. В некоторых вариантах осуществления вся диагностически или терапевтически эффективная доза Tc генерируется без использования термоядерного реактора.
111
111
111
В некоторых вариантах осуществления радиоизотоп включает в себя In, и способ дополнительно включает в себя этап, на котором: вырабатывают диагностически или терапевтически эффективную дозу In. В некоторых вариантах осуществления вся диагностически или терапевтически эффективная доза In генерируется без использования термоядерного реактора.
18
123
123
67
111
131
68
82
82
89
153
124
211
148
76
199
100
128
117m
229
В некоторых вариантах осуществления радиоизотоп включает в себя, по меньшей мере, один, выбранный из списка, состоящего из F, Xe, I, Ga, In, Ba, Ge, Sr, Rb, Sr, Sm, I, At, Gd, Br, Tl, Pd, Ba, Sn и Th.
В некоторых вариантах осуществления ядерная реакция включает в себя деление атомов материала мишени, стимулируемое бомбардировкой ионами в выбранном конечном состоянии.
109
96
109
111
96
99
В некоторых вариантах осуществления мишень включает в себя слой первого материала мишени, наложенный на второй материал мишени. Способ дополнительно включает в себя этапы, на которых направляют ионный пучок первой энергии на слой первого материала мишени, благодаря чему, первая часть ионов в пучке превращает часть первого материала мишени в первый радиоизотоп посредством первой ядерной реакции между первой частью ионов и атомами первого материала мишени; вторая часть ионов в пучке взаимодействует со слоем для замедления до второй энергии, и вторая часть ионов в пучке превращает часть второго материала мишени во второй радиоизотоп посредством второй ядерной реакции между второй частью ионов и атомами второго материала мишени. В некоторых вариантах осуществления ионы первой энергии, более предпочтительно, возбуждают первую ядерную реакцию, чем вторую ядерную реакцию, и ионы второй энергии, более предпочтительно, возбуждают вторую ядерную реакцию, чем первую ядерную реакцию. В некоторых вариантах осуществления первый материал мишени включает в себя Ag, второй материал мишени включает в себя Zr, первая ядерная реакция включает в себя Ag(α, 2n) In, вторая ядерная реакция включает в себя Zr (α, n) Mo, первая энергия составляет около 28 МэВ и вторая энергия составляет около 16 МэВ.
В еще одном аспекте раскрыто устройство выработки изотопов, включающий в себя источник ионных пучков любого описанного здесь типа; экстрактор для извлечения ионного пучка из области удержания, причем пучок включает в себя часть многократно ионизированных ионов в выбранном конечном состоянии ионизации; мишень, включающую в себя материал мишени; и ускоритель для ускорения ионного пучка и направления ионного пучка на мишень. Ионный пучок, направленный на мишень, превращает, по меньшей мере, часть материала мишени в радиоизотоп в результате ядерной реакции между ионами в выбранном конечном ионном состоянии и атомами материала мишени.
В некоторых вариантах осуществления атомы материала мишени имеют больший период полураспада, чем радиоизотоп.
3
++
В некоторых вариантах осуществления ионы в выбранном конечном ионном состоянии включают в себя альфа-частицы или ионы He.
96
99
209
211
144
148
l47
148
В некоторых вариантах осуществления ядерная реакция между ионами в выбранном конечном ионном состоянии и атомами материала мишени включают в себя Zr (α, n) Mo, Bi (α, 2n) At, Sm (α, γ) Gd и/или Sm (α, 3n) Gd.
18
123
67
111
131
68
82
82
89
153
124
211
148
76
199
100
128
229
В некоторых вариантах осуществления радиоизотоп включает в себя F, 123Xe, I, Ga, In, Ba, Ge, Sr, Rb, Sr, Sm, 1,At, Gd, Br, Tl, Pd, Ba и/или Th.
В некоторых вариантах осуществления мишень включает в себя слой первого материала мишени, наложенный на второй материал мишени.
В некоторых вариантах осуществления ускоритель направляет ионный пучок первой энергии на слой первого материала мишени, в результате чего первая часть ионов в пучке превращает часть первого материала мишени в первый радиоизотоп посредством первой ядерной реакции между первой частью ионов и атомами первого материала мишени; вторая часть ионов в пучке взаимодействует со слоем для замедления до второй энергии, и
вторая часть ионов в пучке превращает часть второго материала мишени во второй радиоизотоп посредством второй ядерной реакции между второй частью ионов и атомами второго материала мишени. Ионы первой энергии более предпочтительно, возбуждают первую ядерную реакцию, чем вторую ядерную реакцию, и ионы второй энергии, более предпочтительно, возбуждают вторую ядерную реакцию, чем первую ядерную реакцию.
Различные варианты осуществления могут включать в себя любые из вышеописанных признаков, по отдельности или совместно.
4
3
++
4
2
Следует понимать, что используемый здесь термин «газ» может означать однокомпонентный газ (например, газообразныйHe) или многокомпонентный газ (например, газовую смесь He/He, газовую смесь He/Xe, газовую смесь He/O и т.д.).
Научная система обозначений, известная в технике, использовалась здесь для описания различных ядерных реакций. Для реакции, описанной в форме A(b, c)D, “A” - это ядро мишени или облучаемого материала, “b” - это бомбардирующая частица, “c” - это испускаемая частица и “D” - это продукт или остаточное ядро. Для реакции, описанной в форме A(b, c)D1(D2), D1 и D2 - это первичный и вторичный продукты реакции.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут понятны специалистам в данной области техники по рассмотрении нижеследующего подробного описания совместно с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - блок-схема системы ионных пучков.
Фиг. 1A - блок-схема системы ионных пучков для создания полезных изотопов.
Фиг. 1B - блок-схема системы ионных пучков, предназначенной для обработки радиоактивных отходов коммерческих атомных электростанций.
Фиг. 1C - блок-схема системы ионных пучков, предназначенной для медицинского лечения, например лечение внутренних новообразований.
Фиг. 2A - рабочая схема системы ионных пучков.
Фиг. 2B - рабочая схема системы ионных пучков, где показаны видоизмененные изоляторы.
Фиг. 2C - рабочая схема системы ионных пучков, где показана заземленная камера.
Фиг. 2D - рабочая схема системы ионных пучков, где показана внешняя антенна ИЦР.
+
++
Фиг. 3A - график сечения формирования He и He электронным ударом по нейтральному He в зависимости от энергии электрона.
Фиг. 3B - график сечения ионизации электронным ударом для первых шести состояний ионизации ксенона.
-
+
-
+
+
-
++
-
Фиг. 3C и 3D - графики сечения ионизации электронным ударом как функции энергии электрона, нейтрального He (He+e→He 2e) и He (He+e→He 2e).
Фиг. 4 - график величины магнитного поля как функции аксиальной позиции в источнике ионов.
Фиг. 5 - график конуса потерь, связанного с магнитными полями, показанными на фиг 4.
Фиг. 6A и 6B - схемы система линейного возбуждения ИЦР в виде обкладок конденсатора, причем на фиг. 6A изображена система линейного возбуждения и на фиг. 6B изображена система кругового возбуждения, где горизонтальные пластины возбуждаются со сдвигом по фазе в 90° относительно вертикальных пластин.
Фиг. 7 - схема антенной системы типа разрезного кольца для ИЦР.
Фиг. 8 - схема бифилярной антенны, где обмотки возбуждаются со сдвигом по фазе в 90° для генерации вращающегося электрического поля для ИЦР.
Фиг. 9 - схема невитой бифилярной антенны, где две обмотки возбуждаются со сдвигом по фазе в 90° для генерации вращающегося электрического поля для ИЦР.
Фиг. 10A и 10B - графические представления резонансных зон ЭЦР для полей магнитного удержания, когда ЭЦР применяется в резонансном и нерезонансном режиме, соответственно.
Фиг. 11 - упрощенный вид в разрезе распылительного источника, реализованного с аксиально расположенной мишенью, где показаны разные материалы опоры и смещения и распыляемый материал.
Фиг. 12 - упрощенный вид в разрезе распылительного источника, реализованного с кольцевой мишенью.
Фиг. 13 - упрощенный вид в разрезе распылительного источника, реализованного в виде конической распыляемой мишени.
Фиг. 14 - многополюсный магнит радиального удержания.
Фиг. 14A - магнитное поле, создаваемое мультипольным магнитом радиального удержания.
Фиг. 15 - график полного тока извлеченного пучка как функции напряженности центрального магнитного поля для системы ионных пучков.
Фиг. 16 - данные времяпролетного масс-спектрометра для ионного пучка, генерируемого в резонансном режиме работы ЭЦР.
Фиг. 17A-C - иллюстративные мишень и система обеспечения мишени.
Подробное описание
Согласно фиг. 1, генератор 11 ионных пучков генерирует ионный пучок и направляет его на мишень 12, чтобы вызвать ядерную реакцию, например, для трансмутации атомов в мишени 12 для создания нужного изотопа. Генератор 11 ионных пучков включает в себя источник 10 ионов описанного здесь типа, который создает пучок (например, пучок высокой интенсивности), включающий в себя ионы в выбранном конечном состоянии ионизации. Генератор 11 ионных пучков также включает в себя ускоритель 13 пучка, который ускоряет пучок из источника 10 и направляет его на мишень 12. В необязательном порядке, генератор 11 ионных пучков также включает в себя фильтр для фильтрации ионов в пучке, например, на основании заряда или массы ионов. В некоторых вариантах осуществления ускоритель 13 действует как фильтр. Например, циклотронный ускоритель будет естественным образом разделять ионы, имеющие разные состояния ионизации.
Ускорителем 13 пучка может быть любой подходящий ускоритель, известный в технике. В некоторых вариантах осуществления ускорительная система представляет собой гибридную систему RFQ-DTL (Radio Frequency Quadrupole - Drift Tube LINAC), допускающую модификации от различных поставщиков. Можно использовать и другие ускорительные системы, например, почти любой LINAC или циклотрон.
+
++
Можно использовать ряд способов сообщения между источником 10 ионов и ускорителем 13. Для пучков высокой интенсивности, магнитная линзовая система является преимущественной. Для пучков низкой интенсивности, электростатическая линзовая система является более экономичной, компактной и эффективной. В общем случае, используя магнитную линзу, можно легко реализовать фильтр частиц, который будет отсеивать любые He в пучке, где выбранным конечным состоянием ионизации является He.
На фиг. 1A показана система 20, отличающаяся наличием генератора 11 ионных пучков. Генератор 11 ионных пучков бомбардирует мишень 12 ионами для трансмутации атомов в мишени 12 для создания нужного изотопа. Трансмутированная мишень претерпевает химическое разделение 15 для обеспечения чистого образца результирующего изотопа 16. В некоторых вариантах осуществления результирующий изотоп 16 является промежуточным продуктом и претерпевает распад 17, приводящий к образованию конечного продукта 18. В некоторых вариантах осуществления промежуточный продукт является относительно долгоживущим радиоизотопом в сравнении с окончательным результирующим изотопом. В некоторых вариантах осуществления конечный продукт 18 является изотопом, пригодным для использования в области медицинского лечения или диагностики, исследовательской деятельности (например, радиомаркировке), генерации энергии (например, в качестве ядерного топлива) и т.д.
На фиг. 1B показана система 21 для переработки ядерных отходов 500. Ядерные отходы (например, коммерческие ядерные отходы энергетики, исследовательской или медицинской деятельности) претерпевают химическое разделение 501. Некоторые долгоживущие отходы 502, не пригодные для переработки, отправляются на долгосрочное хранение. Другие отходы включаются в состав мишени 12, которая бомбардируется с ионами из генератора 11 ионных пучков. В некоторых вариантах осуществления отходы в мишени 12 превращаются в сравнительно короткоживущий продукт 504, который претерпевает распад 505 с образованием стабильного продукта 506, который легко утилизировать. В некоторых вариантах осуществления отходы в мишени 12 превращаются в полезное топливо 507 и, таким образом, повторно используются.
+
++
+4
+6
+8
На фиг. 1C показана система для медицинского лечения. Генератор 11 ионных пучков генерирует ионный пучок, который направляется зондом 600 в тело 601 человека или животного для лечения ткани в теле. Например, в некоторых вариантах осуществления ионный пучок направляется на опухоль 602 в теле 601. Некоторые варианты осуществления включают в себя выработку ускоренных частиц, полезных при лечении опухолей внутренних органов и т.п., причем частицы (например, H, He, C, C или O) теряют энергию очень медленно, пока находятся в определенном энергетическом состоянии, по существу, вся энергия частицы переносится в опухоль.
2
На фиг. 2A, 2B, 2C и 2D изображены рабочие схемы систем генерации ионов, использующих, например, ионы гелия (He). Чтобы понять действие описанных здесь устройств, полезно разобраться, как генерируются ионы с многократным зарядом. Хотя здесь рассмотрена ионизация гелия, основные выводы применимы ко всем атомам, в том числе водорода (H) и дейтерия (H), где единичный электрон отрывается от атома для образования протона (p) или дейтрона (d) соответственно.
++
+
++
+
Если в источнике ионов используется электронный удар для ионизации нейтральных атомов, отношение сформированных зарядовых состояний можно определить с применением сечений. В случае гелия, сечение создания He более чем на два порядка величины меньше сечения создания He (см. фиг. 3A). В общем случае, известные в технике процессы ионизации приводят к образованию примерно 1% He и 99% He.
++
++
++
Изменение энергии электронного удара не приводит к значительному изменению выработки He. Наивысшая общая производительность достигается вблизи пика сечения He, приблизительно 300 эВ. С использованием насыщения состояний и некоторых других известных трюков, можно генерировать несколько процентов He с помощью традиционных устройств.
Для генерации состояний с высокой степенью ионизации любого другого атома, проблема усложняется за счет увеличения количества зарядовых состояний, более значительного изменения сечений и более сильной зависимости сечений от энергии электрона. Это можно наблюдать на фиг. 3B, где показана ионизация электронным ударом для первых семи состояний ксенона (Xe).
++
++
++
+
++
С помощью единичного электронного столкновения трудно получить He. Если используется более чем одно электронное столкновение, долю He можно значительно увеличить, поскольку сечение создания He из He значительно больше, чем у создания He непосредственно из нейтрального He (см. фиг. 3C и 3D).
В таблице I приведены различные реакции для гелия.
<b>Таблица I</b><img file="00000002.tif" he="21" wi="129" img-content="undefined" img-format="tif" />
++
+
++
Чтобы ионизировать атомы множественными столкновениями для достижения выбранного конечного состояния ионизации, необходимо удерживать промежуточные состояния достаточно долго, чтобы они испытали дополнительные электронные столкновения. В случае гелия, когда выбранным конечным состоянием ионизации является He, необходимо удерживать He достаточно долго, чтобы он испытал второе ионизирующее столкновение для образования He. В случае других атомов, необходимо удерживать ион чтобы он испытал несколько ионизирующих столкновений для достижения выбранного состояния ионизации.
++
В описанных здесь системах используется магнитное поле удержания для удержания ионов в течение времени, необходимого для достижения выбранного состояния ионизации. В некоторых вариантах осуществления используется азимутально симметричная конфигурация аксиального минимума магнитного поля. В других вариантах осуществления используется конфигурация «истинного» минимума магнитного поля. Для создания ионов с кратным зарядовым состоянием (например, He) более простая конфигурация аксиального минимума поля выглядит адекватной. Для создания высокозаряженных состояний некоторых атомов может потребоваться “истинно” минимальное магнитное поле.
На фиг. 2A показан иллюстративный источник 10 ионов. Ионизационная камера 30 размещена вдоль продольной оси A. В ионизационной камере 30 локальный аксиальный минимум магнитного поля формируется между двумя полями магнитных зеркал 32 и 34 (линии поля изображены пунктиром), предпочтительно, генерируемыми сверхпроводящими магнитами 36 и 38. Локальный аксиальный минимум поля формируется как центральная область более слабого, по существу, однородного магнитного поля 40 (линии поля изображены пунктиром). На фиг. 4 показан график величины полей 32, 34 и 40 как функции позиции вдоль оси A для иллюстративной конфигурации поля.
Как будет более подробно описано ниже, область 40 однородного поля обеспечивает несколько полезных эффектов, позволяющих эффективно вырабатывать интенсивные ионные пучки ионов в выбранном, многократно ионизированном состоянии. Согласно вариантам осуществления, отличающимся конфигурациями аксиального минимума, зеркальные поля 32, 34 и центральное поле 40 могут обладать азимутальной симметрией относительно оси A.
Согласно фиг. 2A, хотя в некоторых вариантах осуществления используются сверхпроводящие магниты, они не всегда требуются для создания зеркальных полей 32 и 34. В некоторых вариантах осуществления обмотки сверхпроводящих магнитов проще поддаются регулировке, поскольку диаметр провода может быть меньше, и остается больше места для регулировки поля. Системы охлаждения, не показанные, для сверхпроводящих магнитов коммерчески доступны.
Центральное магнитное поле 40 можно реализовать с использованием центрального магнита 42, который может включать в себя медные обмотки, сверхпроводящие обмотки и/или постоянные магниты. Магнит 42 может включать в себя многополюсный магнит, используемый для генерации конфигурации «истинного» минимума поля (описанной ниже). В некоторых вариантах осуществления это можно реализовать с использованием постоянных магнитов, хотя можно использовать электромагниты или другие магниты. Сверхпроводящий центральный магнит 42 удобен, когда используются сверхпроводящие магниты 36 и 38, поскольку область нужно охлаждать до температуры, близкой к абсолютному нулю.
Система 44 возбудителя возбуждает электронно-циклотронный резонанс электронов в камере 40. В некоторых вариантах осуществления для создания возбуждение ЭЦР, система 44 возбудителя подает энергию микроволнового излучения непосредственно в ионизационную камеру 30. В типичных вариантах осуществления центральное магнитное поле 40 между двумя полями магнитных зеркал 32 и 34 является, по существу, однородным (постоянным магнитным полем), хотя пригодно и неоднородное магнитное поле. Предпочтительно, задняя часть 47 ионизационной камеры 30 включает в себя соединение 48 с источником 50 газа, когда газ, подлежащий ионизации, вводится в систему. В других вариантах осуществления газ можно вводить везде, где можно создать удобное соединение. Перфорированная пластина 52 отделяет камеру 30 от вакуумного насоса 54 для поддержания небольшого давления газа в камере 30 и создания пучка 56 нужных ионов из плазмы 57, удерживаемой между зеркальными полями 32 и 34.
Система 44 возбудителя ЭЦР обеспечивает электрическое поле, которое сообщается с электронно-циклотронным движением электронов в камере 30. Поскольку электронно-циклотронная частота, в общем случае, высока, возбуждение ЭЦР обычно происходит на сверхвысоких частотах. На этих частотах волноводы обеспечивают наиболее эффективную связь. Однако связь ЭЦР не ограничивается волноводами и может осуществляться другими способами, например, посредством возбуждения резонансной моды, оптического возбуждения и т.д.
Если в качестве источника ЭЦР используется гиротрон или другое устройство на основе кругового волновода, высокая производительность обычно достигается, когда направление вращения волны в волноводе совпадает с направлением вращения электронов в магнитном поле 40. Позицию выхода 55 возбуждения ЭЦР и газового ввода 48 можно оптимизировать, чтобы плазма, в основном, создавалась между двумя полями магнитных зеркал 32 и 34. В некоторых вариантах осуществления это повышает общую эффективность и минимизирует выработку плазмы в задней части 47 камеры 30, что может упрощать систему обеспечения микроволнового излучения.
Частота и мощность в системе 44 возбуждения ЭЦР связаны с плотностью создаваемой плазмы. Более высокие частота и мощность обычно соответствуют более высокой плотности плазмы. Оптимальные мощность и тип источника ЭЦР можно регулировать как каждого типа иона.
++
По существу, однородное центральное магнитное поле 40 между двумя магнитными зеркалами 32 и 34 пригодно для широкого диапазона длин. Оптимальную длину легко определить экспериментально для каждого иона, выбранного конечного состояния ионизации, интенсивности пучка, длины импульса пучка и мощности ЭЦР. Увеличение длины центральной магнитной области 40 увеличивает область, в которой удерживаются горячие электроны, и, таким образом, увеличивает возможность ионизирующих столкновений. Увеличение этой области усиливает ионизацию, но ценой увеличения времени, необходимого для формирования стабильной плазмы. Оптимально использовать пару сверхпроводящих магнитов 36 и 38. Такие магниты могут не допускать значительных изменений длины магнитного поля 40, поскольку их нелегко перемещать. Для создания He- это обычно не составляет проблемы. Но для создания других ионов с высоким зарядом можно использовать более легко перемещаемые магниты, позволяющие регулировать магнитные поля.
В некоторых вариантах осуществления центральное магнитное поле 40 выбирается совпадающим по частоте с частотой ЭЦР источника 44 микроволнового излучения. Точные значения зеркальных полей 32 и 34 не критичны для работы системы 10, но могут оказывать большое влияние на эффективность системы. В некоторых вариантах осуществления поле заднего зеркала 32 больше, чем поле переднего зеркала 34 (например, согласно фиг. 4). Пучок можно формировать, позволяя ионам просачиваться из зеркальных полей 32 и 34. Благодаря тому, что поле заднего зеркала 32 больше, чем поле переднего зеркала 34, основные потери ионов, образующие пучок 56 многократно ионизированных частиц, осуществляются через поле переднего зеркала 34. В других вариантах осуществления зеркальные поля 32 и 34 могут быть одинаковой или, по существу, одинаковой напряженности.
Точное значение поля переднего магнитного зеркала 34 можно выбирать из широкого диапазона значений и, в общем случае, близким к удвоенному значению центрального поля 40.
В других вариантах осуществления оно может быть втрое, вчетверо, впятеро или более, сильнее центрального поля. Использование более высокого значения переднего поля 34 усиливает удержание ионов и электронов, но может вызывать нарушения стабильности в потоке плазмы 57. Использование более низкого значения поля уменьшает долю ионов, захваченных между зеркальными полями 32 и 34. Оптимальное значение зависит от иона, зарядового состояния, давления газа, интенсивности пучка и мощности ЭЦР. Точные значения можно определить экспериментально в каждом случае.
Чтобы понять действие системы 10, полезно разобраться, как работает магнитное зеркало 32 или 34. Магнитное отражение происходит, когда заряженная частица движется из области слабого магнитного поля в область сильного магнитного поля. Магнитный момент частицы является адиабатическим инвариантом движения:
Адиабатический инвариант остается инвариантным, пока скорость изменения параметров “невелика”. “Невелика” означает, что магнитное поле и перпендикулярная составляющая скорости изменяются медленно в течение одного циклотронного периода. В типичных вариантах осуществления описанных здесь магнитных зеркал, это, в общем случае, является хорошим приближением, за исключением, возможно, периода извлечения пучка 56. Инвариантность магнитного момента указывает, что если частица движется из области слабого магнитного поля в область сильного магнитного поля, перпендикулярная составляющая скорости должна возрастать. Согласно закону сохранения энергии, это означает, что параллельная составляющая скорости должна убывать. Таким образом, если частица с данной перпендикулярной составляющей скорости движется из области слабого магнитного поля в область достаточно сильного магнитного поля, параллельная (аксиальная) составляющая скорости устремляется к нулю, т.е. частица останавливается. Как известно специалистам в данной области техники, более углубленный анализ динамики частиц показывает, что фактически частица отражается.
Объединяя инвариантность магнитного момента с сохранением энергии,
1
2
можно получить простую систему уравнений, описывающую поток частиц из магнитного поля B в магнитное поле B:
Когда частица движется из слабого магнитного поля в сильное магнитное поле, второй член в уравнении для параллельной составляющей скорости может оказаться отрицательным. Если он достаточно отрицателен, частица остановится и отразится. Таким образом, если частицы движутся из одного магнитного поля в другое, отражение зависит от отношения перпендикулярной составляющей скорости частицы к параллельной. В частности, частица отразится в тотм момент, когда:
неотраженные частицы можно визуализировать как конус 58 в пространстве скоростей, согласно фиг. 5.
В общем случае поля магнитных зеркал, например поля магнитных зеркал 32 и 34, допускают просачивание. Частицы в конусе потерь 58 просачиваются из поля переднего зеркала 34 (или поля заднего зеркала 32). Частицы, которые не находятся в конусе потерь 58, в итоге, рассеиваются в конус потерь 58. Описанные здесь системы, в различных вариантах осуществления, опираются на это рассеяние для перемещения частиц в конус потерь 58, которые затем проходят через поле переднего магнитного зеркала 34 и выходят из источника ионов.
++
Согласно фиг. 2A, в ходе эксплуатации источника микроволновое излучение используются для возбуждения ЭЦР в центральной области 40 в камере 30 источника. Это позволяет генерировать горячие электроны, ионизирующие фоновый газ. Для выработки He предпочтительная энергия электрона составляет примерно 200-300 эВ. Для других атомов предпочтительную энергию электрона легко определить экспериментально на основании энергии, необходимой для получения нужного зарядового состояния и/или пика используемых сечений.
++
+
++
+
++
++
+
+
++
4
++
3
++
Рассматривая сначала выработку альфа-частиц (He), можно видеть, что горячие электроны порождают, по большей части, He и совсем небольшое количество He. Часть сгенерированных He захватывается между полями магнитных зеркал 32 и 34 и претерпевает второе столкновение с образованием He. Постепенно, He и He рассеиваются в конус потерь 58, где они просачиваются наружу, в основном, через поле переднего зеркала 34, образуя пучок 56 He и He. В общем случае, описание сосредоточено на альфа-частицах (He), но те же самые рассуждения в равной степени применимы к ионам гелия-3 (He) или другим ионам с двойным зарядом.
+
++
++
++
Пучок 56 плазмы He и He в отношении (определенном как отношение тока пучка He к полному току пучка) до 84% He или более, просачивающийся из поля переднего зеркала 34, можно создавать с использованием только системы ЭЦР 44, ускоряется экстрактором 59, который может включать в себя последовательность электродов и фокусирующих элементов для формирования пучка 56 частиц. В случаях, когда желательно направлять пучок 56 в область без магнитного поля, систему извлечения можно сконструировать так, чтобы быть уверенным, что частицы остаются адиабатическими до тех пор, пока не выйдут из магнитного поля 34.
Если поток плазмы из зоны магнитного поля остается адиабатическим, можно применять зеркальные соотношения. Когда частицы движутся из сильного магнитного поля в слабое магнитное поле, энергия перпендикулярного движения преобразуется в энергию аксиального (параллельного) движения. Таким образом, излучательная способность пучка 56 остается низкой в ходе извлечения частиц. Неадиабатическое извлечение пучка 56 приводит к тому, что энергия перпендикулярного движения пучка 56 сохраняется и извлеченный пучок 56 имеет более высокую излучательную способность.
Известны четыре основных источников потерь частиц в плазменной системе 60, отвечающей настоящему изобретению. Это: рекомбинация, перезарядка, радиальная диффузия и рассеяние в конус потерь (аксиальная диффузия).
В типичных вариантах осуществления рекомбинация не оказывает значительного влияния. В общем случае электроны в плазменной системе 57 имеют очень высокую энергию. При высвобождении нового электрона в результате ионизирующего столкновения он быстро приобретает энергию. Поэтому рекомбинация между энергичными электронами и ионами незначительна.
+
+
+
++
+
++
Перезарядка влияет только на ионы с кратным зарядом. При переходе электрона от He к He получается такое же количество и состав ионов, т.е. He становится He, и He становится He. Однако при переходе электрона от He к He, получаются два иона He, а ион He утрачивается. В случае описанных здесь устройств, энергия ионов может быть достаточно низкой, так что перезарядка не составляет значительной проблемы.
Радиальная диффузия не составляет проблемы, если центральное магнитное поле 40 велико. Если циклотронная орбита иона мала по сравнению с размером ионизационной камеры 30, радиальная диффузия происходит очень медленно, и частицы рассеиваются в конус потерь 58 быстрее, чем диффундируют в радиальном направлении.
++
+
+
+
+
++
В типичных вариантах осуществления рассеяние в конус потерь 58 является основным механизмом потерь частиц. Этот процесс рассеяния необходим системе 10 для генерации пучка 56 из плазмы 57. Рассеяние He в конус потерь желательно, поскольку приводит к образованию извлеченного ионного пучка 56. С другой стороны, рассеяние He в конус потерь нежелательно, поскольку вызывает поступление He в пучок 56 и, таким образом, увеличение содержания He в пучке 56. Ионы He в пучке 56 можно отделять от ионов He с использованием массоионного фильтра 61, но это снижает интенсивность пучка, повышает излучательную способность и снижает общую эффективность пучка.
mirror
central
+
+
++
+
+
++
Горячие электроны, генерируемые источником ЭЦР 44, имеют неизотропное распределение, в котором энергия перпендикулярного движения значительно превышает энергию аксиального движения. Ионы, порождаемые столкновениями с электронами, также имеют неизотропное распределение, в котором энергия движения, перпендикулярного магнитному полю 40, превышает энергию параллельного движения. При зеркальном отношении около 2 (B/B) чуть более половины созданных He удерживается зеркальными полями 32 и 34 и чуть менее половины He не удерживается и покидает зеркальные поля 32 и 34 при первом проходе. Некоторые из первоначально неудерживаемых частиц выходят из поля заднего зеркала 32, а остальные выходят из поля переднего зеркала 34. В зависимости от плотностей и температур частиц, геометрических соображений и некоторых других параметров, созданный пучок 56 обычно содержит 50-90% He и 50-10% He. Точное отношение количеств He и He в созданном пучке 59 зависит от целого ряда соотношений между плотностью газа, мощностью ЭЦР, геометрией источника и геометрией магнитного поля. Точное отношение можно определить экспериментально и оптимизировать для обеспечения нужного пучкового отношения 56. Как отмечено выше, пучковые отношения 84% или более были экспериментально продемонстрированы с использованием устройств описанных здесь типов.
++
+
+
+
Долю частиц с высокой степенью ионизации можно увеличить с использованием система возбудителя 62 ИЦР (ионно-циклотронного резонанса), хотя для He в этом может не быть необходимости. Эта система 62 использует антенны 68 в камере 30 между зеркальными полями 32 и 34 для излучения на нужной частоте излучения для ввода энергии в ионно-циклотронный резонанс ионов He, таким образом, для сообщения энергии перпендикулярному движению ионов He. В общем случае, возбуждение ИЦР не влияет на аксиальную (параллельную) скорость частиц остается. Увеличение энергии перпендикулярного движения выталкивает возбуждаемые частицы из конуса потерь 58. В некоторых вариантах осуществления с использованием возбуждения ИЦР, темп рассеяния He в конус потерь 58 можно сократить почти до нуля.
+
В действительности, ионы He не могут оставаться вне конуса потерь 58 сколь угодно долго. При наличии достаточного времени частицы рассеются в конус потерь 58. Это рассеяние в основном преобразует некоторую часть энергии перпендикулярного движения частицы в энергию параллельного движения. Затем возбуждение ИЦР может увеличивать перпендикулярную составляющую скорости и снова выталкивать частицу из конуса потерь 58, но в итоге, энергия параллельного движения станет достаточно высокой, чтобы частица смогла покинуть зеркальные поля 32 и 34.
Задача состоит не в том, чтобы удерживать ионы вне конуса потерь 58 сколь угодно долго, но достаточно долго обеспечивать множественные ионизирующие столкновения. Когда система 10 работает при высокой плотности плазмы, эти множественные ионизирующие столкновения происходят быстрее, чем рассеяние в конус потерь 58.
+
++
+
+
++
++
++
++
Когда используется возбуждение ИЦР, система 10 действует следующим образом. Микроволновое излучение возбуждает ЭЦР в центральной магнитной области 40 камеры 30, которая генерирует горячие электроны. Эти электроны ионизируют фоновый газообразный гелий, порождая, в основном, ионы He, но также некоторое количество ионов He. Система ИЦР 62 возбуждает резонанс He в центральной магнитной области 40. Ионы He захватываются между двумя полями магнитных зеркал 32 и 34, где второе столкновение с электроном вызывает вторую ионизацию с образованием He. Возбуждение ИЦР не сообщается ионам He, которые имеют вдвое большую циклотронную частоту. Ионы He рассеиваются в конус потерь 58, где они покидают камеру 30 в виде ионного пучка 56. В некоторых вариантах осуществления большинство He выходит через более слабое поле переднего зеркала 34. В некоторых вариантах осуществления поле заднего зеркала 32 должно быть по возможности более сильным или, по меньшей мере, сильнее поля переднего зеркала 34. Однако система 10 может работать, даже когда поле переднего зеркала 32 равно или, по существу, равно полю заднего зеркала 34.
+
+
++
++
В некоторых вариантах осуществления возбуждение ИЦР приводит к повышению плотности плазмы до тех пор, пока потери не будут сбалансированы. В предельном случае, когда возбудитель ИЦР 62 может удерживать He вне конуса потерь 58 сколь угодно долго, плотность плазмы будет возрастать до тех пор, пока выработка He не сравняется с выработкой He, которая равна темпу рассеяния He в конус потерь 58.
++
В большинстве вышеприведенных примеров рассмотрен случай гелия. Гелий имеет только два зарядовых состояния, что позволяет легко понять, как система 10 может создавать пучок 56 ионов He высокой плотности. Тот же метод можно использовать для создания многократно ионизированных ионов в выбранном конечном состоянии ионизации почти любого другого атома, особенно при использовании системы ИЦР 62. Однако при работе с другими атомами (например, имеющими более двух состояний ионизации) возникают следующие вопросы.
Во-первых, в зависимости от необходимых состояния ионизации и атома, может потребоваться увеличить энергию электронов, нагреваемых ЭЦР. Это можно сделать путем увеличения мощности источника ЭЦР 44 и/или уменьшения охлаждающих воздействий на электроны. При надлежащих условиях можно получить энергии электронов от 600 до 1000 кэВ. Для получения очень высоких электронных температур может потребоваться или может быть желательно добавить в центральную область 70 магнитной системы мультипольное поле радиального удержания, создающее конфигурацию «истинного» минимума магнитного поля. В некоторых вариантах осуществления можно использовать многополюсный магнит 72 радиального удержания (например, гексаполь или многополюсный магнит более высокого порядка). Это может давать некоторые реальные преимущества при использовании системы возбудителя ИЦР 62. Как описано более подробно ниже, многополюсный магнит 72 более высокого порядка локализует воздействие поля внешним радиальным краем плазмы 57, оставляя центральную часть плазмы 57 (находящуюся ближе к оси A) нетронутой. Конфигурация «истинного» минимума магнитного поля обеспечивает своеобразную изоляцию между плазмой 57 и стенкой 76 камеры 30 и облегчает получение высокотемпературных электронов.
Во-вторых, если используется система возбудителя ИЦР 62, возникает вопрос какую частоту ИЦР использовать. При наличии нескольких состояний ионизации, возбудитель ИЦР может работать на нескольких частотах:
+8
+
++
+3
+4
+5
+6
+7
+8
В некоторых вариантах осуществления для возбуждения выбирается одна частота. В общем случае, возбуждение самого низкого состояния ионизации обеспечивает наибольшее увеличение при получении любых более высоких состояний. Можно также возбуждать несколько состояний или все состояния. Например, если нужно вырабатывать O, полезный при лечении неоперабельных опухолей, систему возбуждения ИЦР можно оснастить несколькими антеннами, которые возбуждают резонансы ИЦР для O, O, O, O, O, O и O, таким образом, предпочтительно, удерживая в камере 30 все ионы кислорода, кроме O.
Система 10 включает в себя источник 78 положительного напряжения для подачи на камеру 30 высокого напряжения смещения для ускорения извлекаемых ионов. Поэтому необходимо обеспечить несколько изоляторов 80, чтобы на систему 20 можно было подавать различные напряжения смещения и электрически изолировать камеру 30 для обеспечения безопасности оператора.
Реализовать изоляторные системы можно несколькими разными способами. Они включают в себя, но без ограничения, варианты осуществления системы 10, показанные на фиг. 2A, 2B, 2C и 2D. Конфигурации, показанные на фиг. 2A и 2B, являются всего лишь разновидностями друг друга, где изоляторы 80 используются для обеспечения электрической изоляции вакуумного насоса 54, источника ЭЦР 44 и источника 50 атомов. Система, показанная на фиг. 2C, значительно отличается тем, что вся внешняя стенка 86 камеры 30 получает нулевое смещение. Внутренний лайнер смещения 88 используется для управления смещением плазмы и, таким образом, энергией извлечения ионов. Что касается изготовления, в некоторых вариантах осуществления оно иногда может быть более сложным, но может обеспечивать более высокую защиту оператора в смысле ограждения оператора от контакта с высоким напряжением. При наличии внутреннего лайнера смещения 88 лайнер 88 может располагаться внутри или снаружи антенны ИЦР 90. В ряде случаев саму антенну ИЦР 90 можно использовать в качестве лайнера смещения 88, но если лайнер смещения 88 располагается внутри антенны ИЦР 90, он должен содержать, по меньшей мере, одну прорезь во избежание закорачивания возбуждения ИЦР.
На фиг. 2D показана разновидность системы 10 с использованием непроводящей вакуумной стенки 80, где антенна ИЦР 90 располагается снаружи вакуумной системы. Клетка Фарадея 98 используется в качестве лайнера смещения внутри вакуумной системы.
Конструкцию внешней антенны можно обобщить для работы с большинством антенн. В большинстве случаев можно использовать изолирующую стенку камеры. Антенная система может находиться вне вакуумной системы. Лайнер смещения, содержащий прорезь(и), можно использовать внутри камеры для управления смещением плазмы без помехи со стороны возбуждения ИЦР.
Согласно фиг. 6A и 6B, система возбудителя ИЦР 62 включает в себя систему РЧ возбуждения 96, антенну 90 и систему настройки 100. Задача состоит в генерации электрического поля, которое будет сообщаться с ионным циклотронным движением. Электрическое поле, вращающееся в том же направлении, что и ионы, обеспечивает наилучшую связь, но работают и другие комбинации, например линейные или радиальные электрические поля. В общем случае, частоты ИЦР находятся в РЧ диапазоне, и антенна 90 получает энергию из коаксиальных линий 102. Для согласования антенны 90 с возбуждающей системой 96 обычно используется емкостная/индуктивная цепь в системе настройки 100. В типичных вариантах осуществления магнитное поле в области, где применяется возбудитель ИЦР, должно быть сравнительно постоянным, чтобы циклотронная частота ионов была строго определенной. Центральная область 40 однородного поля отвечает этому требованию. В зависимости от того, как реализована антенна 90 и как реализована система изоляторов, антенна 90 может находиться под высоким напряжением. Связь между антенной 90 и системой РЧ возбуждения 96 можно обеспечить с использованием трансформатора или конденсаторов для обеспечения развязки между системами.
Для возбудителя ИЦР 62 можно использовать несколько разных антенных систем, например антенны 90. Они включают в себя, но без ограничения антенны на основе возбуждения резонатора, антенны в виде обкладок конденсатора, антенны типа разрезного кольца и филярные антенны. Антенна на основе возбуждения резонатора просто сообщается с резонансной модой камеры 30 с использованием контура (не показан) или возбудителя какого-либо другого типа.
Оптимальная конструкция антенны может сильно зависеть от конкретного нужного иона и зарядового состояния. Для выработки ионов с многократным зарядом, отличных от дважды заряженных, может пригодиться возбуждение антенн на нескольких частотах.
Антенны в виде обкладок конденсатора могут обеспечивать линейное (фиг. 6A) или круговое возбуждение (фиг. 6B). В случае линейного возбуждения две пластины 104 и 106 возбуждаются для генерации осциллирующего электрического поля. В случае кругового возбуждения, вертикальные пластины 108 и 110 возбуждаются со сдвигом по фазе в 90° относительно горизонтальных пластин 104 и 106, создавая вращающееся электрическое поле. В других вариантах осуществления можно использовать другие фазовые углы, генерируя, таким образом, излучение эллиптического возбуждения. Заметим также, что, хотя термины «вертикальный» и «горизонтальный» используются здесь для удобства описания относительного расположения пластин, пластины антенны могут быть ориентированы произвольным образом в камере 30. конкретная конструкция пластин не имеет значения, за исключением того, что они обеспечивают электрическое поле, перпендикулярное магнитному полю 40. В некоторых вариантах осуществления антенну в виде обкладки конденсатора (или антенна другого типа) можно использовать в системе возбудителя 62 для создания выхода на нескольких частотах.
Согласно фиг. 7, антенна 111 типа разрезного кольца состоит из катушки провода 112 (или трубки для обеспечения охлаждения), обмотанной вокруг клетки Фарадея 114. Клетка Фарадея 114 не позволяет спиральному электрическому полю катушки 112 достичь плазмы 57. Продольная прорезь 116 в металле клетки Фарадея 114 позволяет линейной составляющей электрического поля, по большей части, достигать плазмы 57 и сообщаться с ионно-циклотронным резонансом. Фактическое электрическое поле обычно представляет собой радиальные дуги, выходящие из прорези 116, но это обеспечивает почти столь же эффективное сообщение с движением ионов, как система линейного возбуждения.
В случаях, когда используется внутренний лайнер смещения, например, согласно фиг. 2C, можно использовать клетку Фарадея 114 в качестве лайнера смещения внутри системы возбудителя ИЦР 62. Разновидность этой конфигурации, представленная на фиг. 2D, предусматривает использование изолятора 80 в виде непроводящей вакуумной стенки и размещение антенны ИЦР вне камеры 30, и использование клетки Фарадея 98 в качестве лайнера смещения внутри камеры 30.
Конструкцию внешней антенны можно обобщить для работы в большинстве конфигураций. В большинстве случаев, камера 30 может включать в себя изолирующую стенку 80 камеры, благодаря чему антенна ИЦР 68 может находиться в области внешнего давления, за пределами камеры 30. Лайнер смещения 98, содержащий одну или несколько прорезей 116 (согласно фиг. 7), можно использовать внутри камеры 30 для управления смещением плазмы без помехи со стороны возбуждения ИЦР.
Согласно фиг. 8, филярная антенна 124 содержит несколько спиральных проводников, обозначенных 126 и 128, в которых возбуждаются токи. В зависимости от типа филярной антенны, генерируется либо линейное возбуждающее поле, либо вращающееся (т.е. круговое или эллиптическое) возбуждающее поле. Для создания вращающегося возбуждающего поле, как показано, фактически используется два филяра 130 и 132, установленные перпендикулярно друг к другу и имеющие спиральное проводники 126 и 128, и 135 и 136. Два филяра возбуждаются со сдвигом по фазе в 90° для генерации вращающегося электрического поля. Простая филярная антенна будет иметь только один из двух филяров 130 или 132.
Помимо рассмотренных выше вариантов антенных систем ИЦР 60 (на основе возбуждения резонатора, в виде обкладок конденсатора, типа разрезного кольца и филярного типа) можно использовать невитую филярную антенну 140. Как показано, невитая филярная антенна включает в себя два филяра 141 и 142. В некоторых вариантах осуществления можно использовать одиночный невитой филяр. В этом случае, один из филяров 141 и 142 исключается.
Бифилярная антенна 124 представляет собой, по существу, набор скрученных токонесущих проводов. Провода на противоположных сторонах плазмы 57 несут ток в противоположных направлениях. Эти провода объединяются для генерации магнитного поля в центре плазмы 57. Поскольку ток осциллирует, порождаемое им магнитное поле осциллирует и индуцирует электрическое поле в центре плазмы 57. Монофилярная антенна генерирует линейно поляризованное возбуждающее поле, а бифилярная антенна обычно генерирует вращающееся возбуждающее поле (с круговой или эллиптической поляризацией). В общем случае, индуктивные антенные системы (например, филярные) имеют преимущество над электростатическими антеннами (например, обкладками конденсатора). Дело в том, что плазме 57 высокой плотности свойственно не реагировать на электрическое поле, генерируемое электростатическими антеннами, поэтому такие антенны, в основном, сообщаются с плазмой 57 только на внешнем краю плазмы 57. Индуктивные антенны возбуждают посредством индукционного электрического поля, которое генерируется осциллирующим магнитным полем. Магнитное поле может проходить сквозь плазму 57, и таким образом, возбуждающее поле находится повсюду в плазме 57, и, в общем случае, достигает пика на оси камеры 30.
Обычно филярная антенна 124 выполнена в виде спирали для предотвращения разделения зарядов в плазме 57. В настоящем изобретении спиралевидная форма не требуется. Малая длина источника позволяет частицам на конце плазмы 57, где возбуждающее поле мало, обеспечивать нейтрализацию, таким образом, разделение зарядов не составляет большой проблемы. Кроме того, нейтрализация обеспечивается вращением плазмы, что не позволяет антенне, например бифилярной антенне 124, возбуждать только одну часть плазмы 57. Вращение плазмы обусловлено небольшой неоднородностью плазмы 57, которая объясняется тем, что потеря ионов и электронов происходит с немного разной скоростью, приводя к небольшому зарядовому дисбалансу, который выравнивает эти две скорости потери (амбиполярный потенциал). Этот зарядовый дисбаланс порождает радиальное электрическое поле, которое, совместно с аксиальным магнитным полем, обеспечивает вращение плазмы.
z
z
z
z
Преимущество невитой филярной антенны 140 заключается в том,  что она сообщается с ионами, движущимися в обоих направлениях в источнике. Витая филярная антенна создает доплеровское смещение в возбуждающем поле ИЦР. Это означает, что возбуждающее поле сообщается с частицами на циклотронной частоте, задаваемой как ω±kv (где знак определяется направлением кручения антенны относительно направления циклотронного вращения ионов и k определяется конструкцией филяра). Витая филярная антенна может согласовываться с частицами, движущимися в одном направлении в устройстве (например, в положительном направлении оси z), но не в другом направлении, поскольку знак аксиальной составляющей скорости будет изменяться. Невитая филярная антенна имеет k=0, что позволяет ей сообщаться с частицами, движущимися в обоих направлениях в устройстве. Это позволяет возбудителю ИЦР сообщаться с большим количеством плазмы.
Согласно фиг. 10A и 10B, система 10 может работать в резонансном (фиг. 10A) или субрезонансном (фиг. 10B) режиме ЭЦР. В резонансном режиме источник ЭЦР 44 вырабатывает микроволновое излучение, которое входит в резонанс с ЭЦР-движением электронов в однородном поле 40 (в резонансной зоне 200, находящейся между двумя зеркальными полями 32 и 34 согласно фиг. 10A). Эта зона соответствует цилиндрическому объему вокруг оси A в области 70 камеры 30. Эта конфигурация обеспечивает наилучшую связь между электронами и микроволновым излучением.
Общие требования к однородности центрального поля для резонансного режима можно выразить как соотношение между временем удержания электронов и временем декорреляции электронов. Если электрон находится в однородном магнитном поле, он будет совершать круговое движение вокруг поля с циклотронной частотой, задаваемой как
ECR
6+
Если движение электронов возбуждается возбудителем ЭЦР, генерирующим вращающееся электрическое поле, которое вращается в том же направлении, что и электрон, то электрон может приобретать энергию. Если частота возбуждения (ω) в точности совпадает с электронно-циклотронной частотой, электрон будет продолжать приобретать энергию, пока релятивистские поправки к движению электронов не станут значительными. В типичных вариантах осуществления это не составляет особой проблемы, поскольку релятивистские поправки становятся значительными, когда энергия электрона начинает составлять заметную долю энергии покоя электрона. (Энергия покоя электрона равна 512 кэВ, и, во многих вариантах осуществления, конечная энергия электронов составляет 200-300 эВ для создания альфа-частиц и около 1 кэВ для создания C.)
ECR
Если частота возбуждения не в точности совпадает с электронно-циклотронной частотой, то электрон сначала будет приобретать энергию, затем терять энергию и затем вновь приобретать ее. Фактически, когда электрон теряет энергию, он возвращается к тем же начальным условиям, которые имели место до его ускорения возбудителем ЭЦР. Временной масштаб этой потери и приобретения энергии выражается через частоту ЭЦР ω как
Приобретения (или потеря) энергии электрона в нерезонансном возбуждающем поле ЭЦР также ограничено величиной
где ξ - нормализованное электрическое поле eE/m.
В некоторых вариантах осуществления поле не является полностью однородным. В таком случае циклотронную частоту можно заменить средней циклотронной частотой, испытываемой электроном. Точнее говоря, значением циклотронной частоты электрона, усредненным по всем электронам, совершающим циклотронное движение.
На основании этих условий можно выразить достаточное условие однородности поля, состоящее в том, что время декорреляции должно превышать время удержания электронов в устройстве или они должны быть одного порядка. Для резонансного режима, при выполнении этого условия, поле можно считать, по существу, однородным.
В некоторых вариантах осуществления поле 40 является однородным с точностью до 1% или менее, 5% или менее, 10% или менее по области, проходящей вдоль оси на 5 см, 10 см, 15 см, 30 см или более, при расстоянии между зеркалами 60 см.
++
++
В ряде случаев работа в резонансном режиме может приводить к образованию слишком энергичных электронов. Например, в случае формирования He, пик сечений для всех способов формирования составляет 200-300 эВ. При достаточных мощности и связи можно получать электронные температуры, значительно превышающие 10 кэВ. Эти электроны высокой энергии не нужны для формирования He и приводят к генерации нежелательного рентгеновского излучения. Электронную температуру можно регулировать, варьируя мощность микроволнового излучения, давление газа, длину резонансной(ых) зоны() и время удержания электронов.
++
Альтернативная система, согласно фиг. 10B, для управления электронной температурой регулирует магнитное поле в центральной области 40 так, чтобы возбуждение ЭЦР не было настроено на однородное поле 40. Мы называем это здесь субрезонансным режимом. Этот режим ограничивает подачу микроволнового излучения в зоны 180 и 182, локализованные на каждом конце камеры 30 рядом с зонами зеркальных полей 32 и 34 (в отличие от большого цилиндрического объема, в котором происходит подача в резонансном режиме). Чем слабее центральное поле 40, тем меньше эти зоны 180 и 182. Этот способ имеет преимущество в том, что высокая мощность микроволнового излучения в этой конфигурации соответствует, в основном, высокой плотности электронов (и плазмы), а не высокой электронной температуре. Этот способ может быть более эффективен для создания состояний ионизации от низкой до умеренной (например, He).
В этом режиме работы существует две малые секции ЭЦР 180 и 182, находящиеся между областью однородного поля и магнитными зеркалами. Частицы находятся в этих зонах недостаточно долго, чтобы возникли значительные проблемы с декорреляцией. Электроны проходят через зону ЭЦР, и, в зависимости от фазы частицы относительно фазы возбуждения ЭЦР, частица будет приобретать или терять некоторую энергию в зоне. Поскольку фаза, с которой подавляющее большинство электронов входит в обе зоны ЭЦР, нескоррелирована, они приобретают или теряют энергию при каждом прохождении через зоны ЭЦР. Это приводит к стохастическому процессу нагрева (по аналогии со случайным блужданием), который обеспечивает постепенное приобретение энергии (т.е. постепенное по сравнению с резонансным режимом при использовании сходных рабочих параметров). К этому процессу непосредственно не предъявляются требования однородности центрального поля, но все же применяются ограничения на устойчивость плазмы.
В некоторых вариантах осуществления с этой конфигурацией частоты центрального поля и ЭЦР тесно связаны. Если они слишком близки друг к другу, электроны, скорее всего, не покидают зону ЭЦР, и вся центральная область выглядит как одна большая зона ЭЦР, находящаяся вне резонанса. В этом случае производительность системы очень низка, поскольку энергия, приобретенная электронами, ограничивается вышеприведенным соотношением. Кроме того, время декорреляции невелико, в результате чего приобретение и потеря энергии электронами быстро приводит к плохому удержанию.
Если центральная область соответствует магнитному полю, которое достаточно далеко от условия резонанса, то энергия, приобретаемая или теряемая электроном, пересекающим зону, ограничивается вышеприведенными соотношениями. Дополнительно, если центральная область достаточно далека от условия резонанса, другие эффекты преобладают над переходом через центральную область. Это позволяет эффективно рандомизировать фазу электрона между двумя зонами ЭЦР. Это позволяет сократить или свести к нулю количество частиц, которые постоянно плохо согласуются по фазе между двумя зонами.
Систему возбудителя ИЦР 62 можно использовать, как будто в центре камеры 30 все еще находится однородное магнитное поле 40, но зоны ЭЦР располагаются только рядом с зонами зеркальных полей 32 и 34. В таких случаях частота ИЦР немного снижается для согласования с более слабым резонансным полем. Дополнительное преимущество состоит в том, что зеркальные отношения для переднего и заднего зеркальных полей 32 и 34 несколько увеличиваются с уменьшением центрального поля 40'.
На фиг. 15 показаны резонансный и субрезонансный режимы работы. На фиг. 15 показан график полного тока извлеченного пучка как функции центрального магнитного поля (с постоянной частотой возбуждения ЭЦР, равной 18 ГГц) с использованием малой апертуры. Острый пик, находящийся приблизительно на 0,638 Т, соответствует резонансному режиму работы. Широкий плоский пик вокруг 0,5 Т соответствует субрезонансному режиму работы.
++
+
Из графика можно заключить, что подкритический режим работы обеспечивает больший ток и, таким образом, может быть более предпочтительным, но это может оказаться ложным впечатлением. Данные были получены путем изменения только центрального поля, таким образом, зеркальное отношение, которое сильно связано с выработкой плазмы, не является постоянным на протяжении графика. Кроме того, на графике не отражен состав пучка, так что отношение между He и He также изменяется на протяжении графика.
++
В области между 0,635 Т и 0,56 Т полностью не применяется ни один режим. Очевидно, вблизи 0,63 Т время декорреляции электронов невелико, и максимальная энергия, полученная электронами, слишком мала для образования He. По мере приближения к 0,6 Т зоны ЭЦР выходят из центральной области, в направлении более сильного поля, но зоны могут быть слишком велики и слишком хорошо коррелировать, чтобы обеспечивать эффективный стохастический процесс нагрева.
++
+
++
На фиг. 16 приведены данные времяпролетного масс-спектрометра для резонансного режима работы. По горизонтальной оси отложено время; данные вблизи 3.5 мкс соответствуют He и данные вблизи 5.5 мкс соответствует He. По вертикальной оси отложено центральное магнитное поле. Заметим, что выработка He постоянна между 0,636 Т и 0,639 Т. Эта область соответствует случаю, когда время декорреляции электронов превышает время удержания электронов, в результате чего электроны теряются до того, как они смогут замедлиться.
Область однородного поля имеет еще одно преимущество помимо просто сообщения энергии электронам или ионам. В некоторых вариантах осуществления зеркальные устройства неустойчивы к ряду нарушений стабильности, обусловленных кривизной магнитного поля. В частности, форма поля в области между однородным полем и магнитным зеркалом может быть очень неустойчивой. В этой области комбинированный дрейф частиц в искривленном магнитном поле задается формулой
C
где R - радиус кривизны магнитного поля. Эти дрейфы побуждают ионы и электроны дрейфовать в противоположных направлениях. Результирующее электрическое поле, создаваемое разделением зарядов, порождает радиальный дрейф E×B
который может приводить к радиальной диффузии. Когда магнитное поле искривлено в сторону плазмы (вогнуто), результирующий дрейф обуславливает перенос наружу и потерю частиц. Это часто называют “плохой” кривизной. С другой стороны, когда магнитное поле искривлено в сторону от плазмы (выпукло), результирующий дрейф обуславливает перенос внутрь и удержание частиц. Это часто называют “хорошей” кривизной.
В простом магнитном зеркале частицы проводят значительно больше времени в областях “плохой” кривизны, чем в областях “хорошей” кривизны, что приводит к быстрой радиальной потере частиц.
В описанных здесь системах области однородного поля значительно повышают устойчивость плазмы и обеспечивают время удержания ионов, сравнимое со временем, необходимым для удаления второго (или следующих) электрона(ов) для образования ионов в выбранном конечном состоянии.
Повышенная устойчивость обеспечивается рядом факторов. Во-первых, однородные секции, по существу, не имеют кривизны, что сокращает общее время, проводимое частицами в областях «плохой» кривизны. Существуют пороги, связанные с нарушениями стабильности, вызывающими перенос. Очевидно, нарушения стабильности, обусловленные искривленным магнитным полем, не будут возникать, если средняя величина дрейфов меньше дрейфов теплопередачи. Во-вторых, область однородного поля содержит большую долю плазмы. Эта область обеспечивает зарядовый резервуар, который сглаживает разделение зарядов, вызванное дрейфами в искривленном магнитном поле. В основном, это позволяет заряду течь вдоль оси и нейтрализовать разделение зарядов, вызванное областью «плохой» кривизны. В-третьих, область однородного магнитного поля разделяет две области «плохой» кривизны. Таким образом, нарушения стабильности, возникающие на одном конце устройства, в общем случае, не могут сопрягаться с нарушениями стабильности, возникающими на другой стороне устройства, в силу несогласованного сдвига фазы, вносимого частицами, перемещающимися от одной стороны устройства к другой.
В некоторых вариантах осуществления требуется, чтобы в большей части области 70 однородность поля составляла порядка 5-10%. В подкритическом режиме вопрос устойчивости может играть более важную роль по причине возможного наличия более сильных зеркальных полей, что снижает порог нарушений стабильности.
Согласно фиг. 14 и 14A, в некоторых вариантах осуществления (например, для генерации ионов с очень высокой степенью ионизации и/или для генерации очень интенсивных ионных пучков) может оказаться полезным добавлять в систему 10 магнит 76 радиального поверхностного удержания. Магнит удержания 76 создает радиальное поле удержания 184, превращая конфигурацию аксиального минимума поля в более полную конфигурацию минимального поля за счет добавления магнитного поля, в общем случае, увеличивающегося как функция радиуса. Заметим, что конфигурацию истинного минимума магнитного поля невозможно создать (такая статичная конфигурация противоречит законам Максвелла). Конфигурации, именуемые в технике конфигурациями “истинного” минимума магнитного поля, означают лишь частичный минимум магнитного поля. Все эти типы конфигураций содержат переходные области, где поле не увеличивается как функция радиуса. Эти разные конфигурации минимального магнитного поля отличаются размером, формой и местоположением этих областей.
++
Магнитное поле поверхностного удержания увеличивает время удержания электронов в системе 30. Это повышает плотность электронов в системе 30, а также температуру (энергию) электронов, поскольку электроны проводят больше времени в возбуждающем поле ЭЦР. Более высокая плотность электронов соответствует большему количеству ионизирующих столкновений с нейтральными частицами и ионами. Более высокая энергия электрона соответствует способности создавать состояния более высокой ионизации. Это не имеет значения для He, но можно использовать для перевода других атомов в состояния с высокой степенью ионизации.
В некоторых вариантах осуществления восьмиполюсная система постоянных магнитов (не показана) используется для генерации конфигурации «истинного» минимума магнитного поля. Восьмиполюсные магниты перемежающейся полярности создают поле, обладающее хорошим радиальным проникновением в плазму 57 и ограничивающее область подачи микроволнового излучения, а также препятствующее использованию системы возбудителя ИЦР ввиду отсутствия области однородного магнитного поля.
Согласно фиг. 14 и 14A, мультипольное поле более высокого порядка используется для создания поля поверхностного удержания 184, влияющего только на края 138 плазмы 57, допускающего обширную область сообщения ЭЦР и использование возбудителя ИЦР. Мультипольное поле более высокого порядка можно обеспечить с использованием постоянных магнитов, но также можно обеспечить с использованием ряда токонесущих проводов 154, расположенных вокруг области источника. В таком случае каждый провод 154 будет нести ток в противоположном направлении относительно соседнего провода 154, обеспечивая регулируемое мультипольное магнитное поле 184. Сила тока в проводах 154 определяет мультипольное поле 184, которое может быть весьма сильным в непосредственной близости от проводов 154, например в области 185. Провода 154, используемые для генерации мультипольного поля 184, могут быть витыми или прямыми (как показано). Одни и те же провода 154 можно использовать для создания мультипольного поля 148 и в качестве антенны ИЦР для “витых” или “невитых” филяров. В такой реализации провода 154 будут нести постоянный и переменный ток и, таким образом, создавать постоянную и переменную составляющие поля 148. В некоторых вариантах осуществления количество проводов 154, используемых для мультиполя, может быть большим (больше показанных восьми пар), в возбуждение ИЦР можно вводить новые фазы для повышения эффективности связи, или некоторая конфигурация наподобие каждого второго провода 154 может переносить сигнал возбуждения ИЦР.
Согласно фиг. 2A, в системе 10 используется сверхвысокочастотная рупорная антенна 55 для направления микроволнового излучения для выработки плазмы методом ЭЦР. В некоторых вариантах осуществления повышенной эффективности можно добиться с использованием резонаторной системы (не показана). Резонатор локализует микроволновое излучение и газ, используемый в системе 10. Локализация микроволнового излучения полезна тем, что повышает плотность мощности микроволнового излучения и, таким образом, плотность плазмы. Увеличение плотности плазмы приводит к возрастанию количества возможных ионизирующих столкновений. Оно также способствует решению проблем экранирования и других проблем, связанных с микроволновым излучением.
Локализация газа сокращает количество отработанного сырьевого газа, в общем случае, с небольшими затратами, но сокращение отходов того стоит, и некоторые редкие сырьевые газы сравнительно дороги. Она также способствует решению проблем дугового разряда, обусловленных высоким давлением газа в камере 30. Если сырьевой газ по большей части локализован в резонаторе, его не будет в антенной системе или изоляторах. Чем более низкое давление газа можно поддерживать за пределами газогенератора, тем лучше подавляется дуговой разряд.
Резонатор не обязательно должен быть полностью закрыт в смысле газонепроницаемости. В стенке может существовать несколько отверстий при условии, что они малы по сравнению с длиной волны микроволнового излучения. Это позволяет удерживать микроволновое излучение, но допускает отвод газа. Ограничение отверстий в стенке позволяет управлять проводимостью в остальную вакуумную систему. Это можно использовать для поддержания высокого давления газа в резонаторе и низкого в остальных частях камеры 30.
Источник 50 газа можно эксплуатировать с использованием самых разнообразных исходных материалов. В большинстве случаев эти системы подачи обеспечивают поток нейтральных частиц, из которых формируется плазма и, таким образом, пучок.
В случае выработки альфа-частиц в качестве рабочего газа используется газообразный гелий. В случае большинства других газообразных материалов их можно использовать в качестве рабочего газа для системы. Не имеет значения, являются ли они простыми атомарными газами. Например, если необходим источник ионов кислорода, в источник можно нагнетать молекулярный кислород. Горячие электроны будут диссоциировать кислород и ионизировать его.
2
Для материалов, которые обычно не находятся в газообразном состоянии, существует несколько способов ввода материала в источник. Одна альтернатива состоит в нагнетании газа, содержащего нужный материал. Например, углерод можно вводить с использованием CO или CO в качестве рабочего газа. В обоих случаях генерируемая плазма будет содержать ионы углерода и кислорода, таким образом, генерируемый пучок будет содержать оба типа ионов. После источника может стоять массовый фильтр для устранения нежелательных ионов.
Другая альтернатива состоит в испарении вещества в систему 10. В случае, например, кальций, можно просто нагревать твердый кальций для его испарения с использованием печи. Материалы также можно испарять электронным пучком. Такого рода источник весьма пригоден для создания легкоплавких материалов, например бария и кальция.
Лазерную систему можно использовать для абляции мишени с обеспечением нейтрального материала, из которого формируется плазма. Такая система будет облучать лазером охлажденную мишень, находящуюся в камере, для выработки нейтральных частиц. Предпочтительно, чтобы мишень находилась в области 70 между двумя полями магнитных зеркал 32 и 34. В некоторых вариантах осуществления такое расположение несколько затрудняет применение оптики, поэтому размещение в задней части системы, вблизи пика заднего зеркала, имеет ряд преимуществ. Возможны и другие варианты размещения, но они могут потребовать увеличения мощности лазера для генерации достаточного количества нейтральных частиц между магнитными зеркалами 32 и 34.
Еще один способ ввода материала предусматривает использование распыления. При этом источник возбуждения ЭЦР и магнитные зеркала можно использовать для создания распылительного источника почти для любого твердого материала. Согласно фиг. 10A и 10B, источник ЭЦР можно регулировать для обеспечения неудерживаемых горячих электронов в резонансных зонах 210 и 211 по обе стороны заднего зеркала. Незахваченные горячие электроны, генерируемые спереди и сзади зеркал, не нужны для генерации плазмы 57. Эти электроны не удерживаются и обычно быстро теряются. Кроме того, резонансные зоны 210 и 211 обычно очень узки, и электронам недостает времени для получения большой энергии. Однако, согласно вариантам осуществления, отличающимся наличием распылительного источника, для формирования распылительного источника можно использовать неудерживаемые горячие электроны на задней стороне зеркала. В таком случае желательно так отрегулировать магнитное поле, чтобы градиент не был столь крутым в зоне 210, дабы резонансная зона была достаточно велика для обеспечения нужной плотности плазмы.
Согласно фиг. 11, 12 и 13, действие распылительного источника 212 состоит в том, что он позволяет горячим электронам ионизировать малые количества газа для образования плазмы вблизи задней резонансной зоны 210. На распыляемую мишень подается большое отрицательное напряжение смещения (например, 1-4 кВ). Это отрицательное напряжение смещения вытягивает ионы из сформированной плазмы и ускоряет их до высоких энергий. Эти ионы ударяют по распыляемой мишени 220, создавая некоторое количество нейтральных частиц. Затем эти нейтральные частицы проходят через горячие электроны в резонансной зоне 210. Некоторые из них ионизируются, притягиваются отрицательным потенциалом, ударяют по мишени 220 и распыляют еще больше нейтральных частиц. Некоторые из нейтральных частиц проходят через горячие электроны и ионизируются в резонансной зоне захвата 200 (в резонансном режиме) или в зонах 180 и 182 (в субрезонансном режиме) и образуют часть пучка частиц.
Материал мишени 220 не обязан обладать электропроводностью для создания распыляемой мишени. Например, углерод можно использовать в качестве мишени, просто помещая его на проводящую поверхность 230. На проводник 230 подается смещение для создания потенциала, необходимого для ускорения ионов, но не обязательно подавать напряжение смещения на фактическую поверхность материала мишени 220. Проводник 230 может быть изолирован от стенок камеры 30 изолятором 240.
В некоторых вариантах осуществления распылительный источник 212 может включать в себя трубы жидкостного охлаждения. Можно применять любой пригодный метод охлаждения, известный в технике.
В ряде случаев материал мишени 220 плохо поддается распылению. Это можно выразить с помощью коэффициента распыления. Среднее количество нейтральных частиц, распыляемых с поверхности в расчете на один ион, ударяющий по поверхности, называется коэффициентом распыления. Материалы, образующие хорошие распыляемые мишени, имеют коэффициент больший 1 (часто значительно больший). Если нужен материал с низким коэффициентом распыления, для его повышения можно использовать газ-носитель. В общем случае, предпочтительно использовать тяжелые газы, например ксенон, поскольку им свойственно иметь высокие коэффициенты распыления на большинстве мишеней и создавать минимальные проблемы в системе.
Некоторые газы-носители ионизируются и вносят свой вклад в выходной пучок, но этот эффект можно свести к минимуму, правильно выбирая газ, геометрическую конфигурацию и/или фильтруя выходной пучок.
В некоторых вариантах осуществления существенна геометрия распылительного источника 212. Необходимо, чтобы ионы из плазмы могли ускоряться в направлении распыляемой мишени 220, чтобы нейтральным частицам был открыт путь к плазме 57 и чтобы источник не блокировал важные места, например доступ микроволнового излучения к резонансной зоне. Например, распылительный источник 212 может относиться к одной из двух геометрических конфигураций. В одной из них распыляемая мишень 212 находится на оси A (согласно фиг. 11), а в другой она находится в кольце (согласно фиг. 12) или конусе (согласно фиг. 13) вокруг оси A.
Распылительный источник ЭЦР, в частности, может быть весьма полезен для создания пучков многократно заряженных ионов из твердых материалов. В порядке конкретного примера, можно указать применение пучков высокозаряженных ионов никеля. Этот источник особенно пригоден для создания пучка ионов никеля.
Согласно фиг. 11, в случае аксиально расположенной мишени 220, распыляемая мишень покрывает малую область вдоль оси источника ионов. Микроволновое излучение ЭЦР имеет возможность течь вокруг мишени и даже может инжектироваться вне оси для улучшения доступа.
В некоторых вариантах осуществления альтернативно можно создавать распылительный источник с использованием ионов из основной удерживаемой плазмы. Напряжение смещения используется для притяжения ионов из удерживаемой плазмы к распыляемой мишени. Например, ионы могут вытягиваться обратно в пластину на оси, имеющую отрицательное смещение относительно плазмы. В таких вариантах осуществления не обязательно создавать неудерживаемую плазму. В некоторых вариантах осуществления это может быть полезно для доступа микроволнового излучения при высокой плотности плазмы.
Система извлечения 59 пропускает пучок 56 через ограничитель извлечения 65, образующий первый электрод системы извлечения. Пучку 56 дается возможность следовать линиям магнитного поля и расширяться по мере ослабления магнитного поля. Фокусирующая линза 64 используется для сведения пучка в оконечный ограничитель, который образует границу между системой 10 источника ионных пучков и последующими системами (например, фильтром или ускорителем пучка).
Позволяя пучку 56 первоначально расширяться в область слабого поля, а затем ускоряя пучок до энергии извлечения, можно переводить пучок из области 32, 34 и 40 сильного магнитного поля в область слабого поля без увеличения излучательной способности пучка.
В различных вариантах осуществления можно применять другие пригодные системы и методы извлечения, известные в технике.
-5
Вакуумную систему 54 можно реализовать с использованием почти любой стандартной наносной системы. Высоковакуумные насосы должны обеспечивать базовое давление, не выше 1×10 торр. В ходе эксплуатации газ или пар из источника 50 атомов может просачиваться в систему 10 под более высоким давлением, обеспечивая высокую чистоту рабочего газа.
4
++
3
++
Существует несколько возможных вариантов применения пучков высокоэнергичных альфа-частиц (He) или ионов гелия-3 (He). Наиболее прямое применение состоит в активации ядер мишени для выработки радиоизотопов. В силу короткого периода полураспада и/или низкого выхода, необходимо использовать интенсивный пучок для выработки заметных количеств многих из этих радиоизотопов. Кроме того, благодаря использованию мишени очень высокой чистоты, производится мало нежелательных продуктов, что позволяет минимизировать последующую обработку (например, химическое разделение) для очистки изотопа.
++
В нижеприведенном списке указаны некоторые возможные целевые радиоизотопы, которые можно вырабатывать из различных мишеней с использованием пучков He:
18
123
123
67
111
131
68
82
82
89
153
124
211
148
76
199
100
128
117m
229Th
F, Xe/I, Ga, In, Ba, Ge, Sr/Rb, Sr, Sm, I, At, Gd, Br, Tl, Pd, Ba, Sn и .
3
++
4
++
4
++
В настоящее время многие из этих радиоизотопов либо не производятся, либо производятся в очень ограниченных количествах по причине трудности их производства. Однако с использованием пучка He или He можно эффективно производить многие из этих радиоизотопов. Например, альфа-частицы (He) можно использовать для создания нужных продуктов следующим образом:
Для создания того же продукта можно производить другие трансмутации, например:
144
148
Sm(α, гамма) Gd
147
148
Sm(α, 3n) Gd
147
3
++
148
Sm (He, 2n) Gd
Для некоторых реакций производство с использованием альфа-частицы имеет большое преимущество над другими способами. Примеры включают в себя
Некоторые изотопы, которые можно вырабатывать, например, в полезных количествах, в сущности, исключительно с помощью альфа-частиц (или He-3). Иллюстративные реакции включают в себя
209
211
Bi(α, 2n) At
121
124
Sb(α, n) I
144
148
Sm(α, гамма) Gd
147
148
Sm(α, 3n) Gd
147
3
++
148
Sm (He, 2n) Gd
116
117m
Cd(α, 3n) Sn
В некоторых вариантах осуществления пучок ионов дейтерия можно использовать для возбуждения следующих реакций:
В некоторых вариантах осуществления пучок протонов (ионов водорода) можно использовать для возбуждения следующих реакций:
Источники ионов описанных здесь типов также могут возбуждать следующие реакции:
Как отмечено выше, для переработки радиоактивных отходов существует, по меньшей мере, два типа трансмутации радиоактивных отходов. Первый позволяет получать полезные продукты из отработанного материала. Иллюстративные трансмутации, которые могут осуществляться с использованием описанных здесь устройств и методов, включают в себя:
226
230
230
213
Ra(α, n) Th+n. (Th является источником для Bi.)
232
235
Th+α→U, который является ядерным топливом.
235
238
U+α→Pu, который используется в ядерных топливных элементах в качестве источника тепла и в отношении которого ощущается дефицит.
231
233
229
225
225
225
221
217
213
213
209
209
Pa+α→Np+n→Pa→Ac, который является медицинским изотопом. Цепочка распада Ac такова: Ac-α→Fr-α→At-α→Bi-бета→Po-α→Pb-бета→Bi.
Второй позволяет преобразовывать отходы в стабильный продукт. Иллюстративные трансмутации, которые могут осуществляться с использованием описанных здесь устройств и методов, включают в себя:
251
253
237
239
235
231
Cf+α→Fm+2n преобразует долгоживущие изотопы Cf в короткоживущий (приблизительно 3 суток) изотоп Fm, Np+α→Am+n→Np→Pa→...→Pb.
Другая проблема, связанная с переработкой ядерных отходов, заключается в реакциях вынужденного деления. В этом случае тяжелые радиоактивные нуклиды бомбардируются альфа-частицами из источника пучка описанного здесь типа. Эти нуклиды претерпевают реакцию вынужденного деления и распадаются на несколько более легких фрагментов. В общем случае, фрагменты по-прежнему радиоактивны, но имеют короткие периоды полураспада и быстро распадаются до стабильных элементов. В отличие от многих тяжелых ядер, которые испускают альфа-частицы и нейтроны, эти более легкие ядра, по большей части, испускают бета-частицы и позитроны, которыми легче манипулировать. Интенсивные (очень интенсивные) пучки альфа-частиц идеально подходят для такого применения.
99m
99
99m
99m
99m
99
99m
99
99m
99
Tc является метастабильным ядерным изомером Tc, что указано буквой “m”. “Метастабильный” означает, что распад Tc не приводит к его превращению в другой химический элемент. Вместо этого Tc испускает гамма-фотон энергией 140 кэВ, который медицинское оборудование может зарегистрировать из тела, в которое он был введен. Соответственно, Tc весьма пригоден в качестве медицинского маркера, поскольку он излучает легко регистрируемые 140 кэВ гамма-фотоны, и его период полураспада для гамма-излучения составляет 6.01 часов. За 24 часа распадается свыше 93% Tc. Такой короткий период полураспада Tc позволяет проводить процедуры сканирования для быстрого сбора данных, в то же время, обеспечивая низкую полную дозу облучения пациента. Tc находится в основном состоянии Tc, который в итоге (с периодом полураспада 213 тысяч лет) испускает бета-частицу и распадается до Ru, который является стабильным.
99m
99m
99
99
99m
Tc обычно выделяется из так называемых “moo cows” генераторов Tc, которые содержат Mo. Большинство Mo, производимого до сих пор для Tc медицинского использования, получается путем деления в ядерных реакторах и подлежит тщательной обработке для удаления ядерного загрязнения.
99m
99m
99m
99m
99m
99m
Ежегодно Tc используется в 20 миллионах процедур ядерной медицинской диагностики, этот изотоп используется приблизительно в 85% процедур построения диагностических изображений в ядерной медицине. В зависимости от типа ядерной медицинской процедуры, Tc включается в состав различных препаратов, которые транспортируют его в нужное место. Tc образует химическую связь с сестамиби, когда он используется для построения изображения кровотока, или его отсутствия, в сердце. Поскольку экзаметазим способен преодолевать гематоэнцефалический барьер, Tc используется с экзаметазимом, благодаря чему Tc перемещается по сосудам мозга для построения изображения мозгового кровотока. Построение изображения почечной функции осуществляется путем тегирования меркапто-ацетил-три-глицина с помощью Tc.
111
Аналогично, In является радионуклидом с периодом полураспада 2,8049 суток, который испускает гамма-фотоны с энергиями 171,2 и 245,3 кэВ. В хлоридной форме он используется в качестве маркера костного мозга и локализации опухоли; в хелатной форме в качестве маркера спинномозговой жидкости и в трихлоридной форме используется в электронной микроскопии для окрашивания нуклеиновых кислот в тонких срезах ткани. Он распадается путем захвата электрона:
111
111
In→Cd+γ(171,2 кэВ)+γ(245,3 кэВ).
Распад путем захвата электрона можно рассматривать как позитронный распад, где позитрон аннигилирует в ядре с захваченным электроном. В этом случае, распад приводит к образованию гамма-фотонов с энергиями 171,2 и 245,3 кэВ, которые регистрируются путем сканирования ПЭТ.
99
111
Во многих вариантах применения, в силу короткого периода полураспада и/или низкого выхода, необходимо использовать интенсивный пучок альфа-частиц для выработки заметных количеств Mo или In. Пучки частиц описанного здесь типа можно использовать для выработки диагностически или терапевтически эффективных доз этих материалов. Употребляемое здесь выражение «диагностически или терапевтически эффективная доза» следует понимать в смысле дозы, достаточной для осуществления, по меньшей мере, одной диагностической или терапевтической процедуры на пациенте, будь то человек или животное.
99
111
Описанные здесь устройства и методы можно выгодно использовать для создания полезных количеств Mo или In без использования термоядерного реактора. Соответственно, можно сократить или исключить выработку опасных радиоактивных побочных продуктов. Кроме того, благодаря использованию мишеней для пучка очень высокой чистоты, вырабатывается мало нежелательных продуктов, что позволяет сократить объем последующей обработки для очистки изотопа.
96
109
96
Согласно фиг. 17A, 17B и 17C один иллюстративный процесс выработки состоит в формировании мишени 301 путем размещения слоя 190 атомов Zr на медной полоске 192 с последующим размещением тонкого слоя 194 атомов Ag поверх слоя 190 атомов Zr. Показано, что полоска 192 проходит между подающим валиком 196 и принимающим валиком 198.
Пучок из источника ионов 300 ускоряется ускорителем 310 к мишени 301. В некоторых вариантах осуществления ускорители 310 работают в импульсном режиме, благодаря чему после распределения пучка в прямоугольную форму распределителем 320 пучка, один или несколько импульсов альфа-частиц направляется на прямоугольный участок 330 полоски 192 (в других вариантах осуществления можно использовать другие формы пучка). Затем полосковая мишень 301 непрерывно индексируется или перемещается относительно пучка. Для охлаждения мишени 301 можно использовать систему охлаждения. Например, охлаждающее вещество может циркулировать по каналам 350. Можно использовать любой подходящий метод охлаждения, известный в технике.
109
111
96
99
109
111
96
99
109
96
99
111
В некоторых вариантах осуществления альфа-частицы ускоряются по направлению к мишени 301 с энергией приблизительно 28 МэВ для превращения части атомов Ag слоя 194 в In. Альфа-частицы, проходящие через слой 194, будут терять некоторую энергию в процессе, после чего часть из них будет ударять по слою 190 с энергией приблизительно 16 МэВ, превращая часть атомов Zr или слоя 190 в Mo. Медь, Ag, In, Zr и Mo легко поддаются химическому разделению, что позволяет повторно использовать оставшиеся медь, Ag и Zr, и Mo и In химически разделяются и используются в качестве изотопов для медицинского применения.
Аналогичные методы можно использовать для мишеней с более чем двумя слоями разных материалов мишени или с одним слоем материала мишени.
Хотя выше описаны варианты осуществления, где мишень 301 установлена на валике, можно использовать и другие подходящие схемы монтажа мишени. В некоторых вариантах осуществления мишень 301 можно устанавливать на пластине (не показана). Пластинчатая мишень помещается перед пучком для осуществления реакций, после чего пластину можно заменить. В некоторых вариантах осуществления установка для мишеней поддерживает одновременно более одной пластины. Это позволяет облучать пучком первую пластину, одновременно заменяя другую пластину новой пластиной. Это сокращает время простоя пучка. Дополнительно, используя пластины подобным образом, можно быстро извлекать облученный продукт, который может иметь короткий период полураспада.
Заметим, что в различных вариантах осуществления описанные здесь системы и методы также можно использовать для создания пучков ионов с единичным зарядом. Также можно использовать источник для выработки ионов с единичным зарядом. В некоторых вариантах осуществления систему можно по своему выбору эксплуатировать в нескольких режимах, соответствующих разным типам ионов и конечным зарядовым состояниям. В некоторых вариантах осуществления можно использовать единичный источник ионов. Некоторые варианты осуществления предусматривают использование нескольких источников ионов. В некоторых вариантах осуществления можно генерировать несколько пучков различных типов из единого источника, например, с использованием методов зарядовой или массовой фильтрации.
Хотя были показаны и описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, специалисты в данной области техники могут предложить различные изменения и модификации, не выходящие за рамки объема изобретения в его наиболее общих аспектах, и, таким образом, формула изобретения заключает в своем объеме все подобные изменения и модификации, отвечающие сущности и объему этого изобретения. Все упомянутые здесь патенты, опубликованные заявки и статьи в полном объеме включены сюда в порядке ссылки.