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DE102013010589A1 - Acceleration of ions used in e.g. cancer therapy, involves injecting gaseous mixture containing gas component containing hydrogen by nozzle into vacuum, irradiating pulsed laser light to gaseous mixture, ionizing, and accelerating - Google Patents

Acceleration of ions used in e.g. cancer therapy, involves injecting gaseous mixture containing gas component containing hydrogen by nozzle into vacuum, irradiating pulsed laser light to gaseous mixture, ionizing, and accelerating Download PDF

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Publication number
DE102013010589A1
DE102013010589A1 DE201310010589 DE102013010589A DE102013010589A1 DE 102013010589 A1 DE102013010589 A1 DE 102013010589A1 DE 201310010589 DE201310010589 DE 201310010589 DE 102013010589 A DE102013010589 A DE 102013010589A DE 102013010589 A1 DE102013010589 A1 DE 102013010589A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
gas
laser light
cluster
ion
nozzle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE201310010589
Other languages
German (de)
Inventor
Yuji Fukuda
Hironao Sakaki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Atomic Energy Agency
Original Assignee
Japan Atomic Energy Agency
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Atomic Energy Agency filed Critical Japan Atomic Energy Agency
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
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Abstract

Acceleration of ions involves injecting gaseous mixture containing gas component (A) containing hydrogen and gas component (B) by a nozzle into a vacuum, irradiating pulsed laser light to the gaseous mixture, ionizing the gas clusters in the gaseous mixture and accelerating. The density of clusters in the gas cluster is 2x 10 8>-2x 10 1> 0> cm -> 3>. Independent claims are included for the following: (1) ion irradiation device; and (2) medical ion irradiation device.

Description

[Technischer Bereich][Technical part]

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Ionenbeschleunigung, bei denen die gewünschten Ionen auf hohe Energien beschleunigt und abgegeben werden, sowie Vorrichtungen zur Ionenbeschleunigung. Die Erfindung betrifft weiter den Aufbau darauf beruhender Ionenbestrahlungsvorrichtungen, medizinischer Ionenbestrahlungsvorrichtungen und Ionenbestrahlungsvorrichtungen zur Kernspaltung.The present invention relates to ion acceleration methods in which the desired ions are accelerated and released to high energies, and ion accelerating devices. The invention further relates to the construction of ion irradiation devices based thereon, medical ion irradiation devices and nuclear fission ion irradiation devices.

[Technischer Hintergrund][Technical background]

Es sind verschiedene Techniken bekannt, um Ionen (einschließlich Protonen) zu beschleunigen und mit den entsprechenden Ionenstrahlen Materialen zum Zwecke der Bearbeitung, Beschichtung, Analyse, ärztlichen Behandlung etc. zu bestrahlen. Solche Techniken erfordern die stabile Erzeugung eines Ionenstrahls von hoher Energie und hoher Intensität. Vorrichtungen zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher Energie und zur Bestrahlung erfordern im Allgemeinen – vor allem im Hinblick auf die Mechanismen zur Beschleunigung von Ionen auf hohe Energien – aufwendige Anlagen, wodurch die Vorrichtungen insgesamt groß ausfallen. Dementsprechend haben solche Ionenbestrahlungsvorrichtungen – obwohl deren Wirksamkeit vor allem für medizinische Zwecke eindeutig festgestellt worden ist – faktisch noch keine ausreichende Verbreitung gefunden.Various techniques are known for accelerating ions (including protons) and irradiating materials for processing, coating, analysis, medical treatment, etc. with the appropriate ion beams. Such techniques require the stable generation of an ion beam of high energy and high intensity. Devices for generating high energy ion beams and for irradiation generally require expensive equipment, particularly with regard to the mechanisms for accelerating ions to high energies, which makes the devices overall large. Accordingly, although such ion irradiation devices have been unequivocally established for medical use in particular, they have not been found to be sufficiently widespread.

Als eine Art, die vor diesem Hintergrund eine Miniaturisierung gestattet, sind Ionenbestrahlungsvorrichtungen bekannt, die auf laserbetriebenen Beschleunigungsmechanismen beruhen. Bei laserbetriebenen Ionenbestrahlungsvorrichtungen wird, wie etwa in den Patentdokumenten 1 und 2 beschrieben, ein Zielobjekt, das die Erzeugung von Protonen und den gewünschten Ionen in größerer Anzahl gestattet, mit ultrakurz gepulstem Laserlicht hoher Intensität bestrahlt, dadurch verdampft und so in den Plasmazustand überführt. In diesem Plasma werden zunächst die Elektronen, deren Masse geringer ist, auf hohe Energien beschleunigt; durch das von diesen beschleunigten Elektronen erzeugte elektrische Feld werden sodann die schwereren Protonen und Ionen beschleunigt. Diese Protonen und Ionen werden als Strahl mit hoher Energie zur Bestrahlung von Materialien genutzt. Die in Beschleunigern nach dem Stand der Technik eingesetzten Beschleunigungsfelder sind durch die Durchschlagsfestigkeit des Materials etc. begrenzt und können daher nur mit niedrigen Maximalwerten arbeiten; demgegenüber sind die in diesem Plasma erzeugten Beschleunigungsfelder um mehrere Größenordnungen stärker und gestatten entsprechend eine Beschleunigung auf hohe Energien über kurze Entfernungen. Dadurch lassen sich diese laserbetriebenen Ionenbestrahlungsvorrichtungen insgesamt wesentlich kompakter ausführen, als dies bei den großen Beschleunigern etc. nach dem Stand der Technik der Fall war; in verschiedensten Bereichen, etwa für medizinische Zwecke, sind praktische Anwendungsmöglichkeiten zu erwarten.As a way of allowing miniaturization against this background, ion irradiation devices based on laser-driven acceleration mechanisms are known. In laser-driven ion irradiation apparatuses, as described in Patent Documents 1 and 2, a target capable of generating protons and the desired ions in larger numbers is irradiated with ultrashort pulsed laser light of high intensity, thereby evaporated and thus transferred to the plasma state. In this plasma, the electrons whose mass is lower are first accelerated to high energies; The electric field generated by these accelerated electrons then accelerates the heavier protons and ions. These protons and ions are used as a high energy beam to irradiate materials. The acceleration fields used in prior art accelerators are limited by the dielectric strength of the material, etc., and therefore can only operate at low maximum values; In contrast, the acceleration fields generated in this plasma are stronger by several orders of magnitude and accordingly allow acceleration to high energies over short distances. As a result, these laser-operated ion irradiation devices can be made substantially more compact overall than was the case with the large prior art accelerators, etc. In various areas, for example for medical purposes, practical applications are to be expected.

Beispielsweise ist es für medizinische Zwecke erforderlich, erkrankte Körperpartien in bestimmter Position und Tiefe (und nur diese) konzentriert mit Ionen von hoher Energie zu bestrahlen. Hierzu müssen monochromatische Ionenstrahlen von hoher Energie (mit deltafunktionalem Energiespektrum) hochgebündelt erzeugt werden. Es werden deshalb Anstrengungen unternommen, um laserbetriebene Ionenbestrahlungsvorrichtungen zu realisieren, deren entsprechenden Eigenschaften mindestens denen von großen Beschleunigern nach dem Stand der Technik entsprechen.For example, for medical purposes, it is necessary to irradiate diseased parts of the body at a specific position and depth (and only these) in a concentrated manner with ions of high energy. For this purpose, monochromatic ion beams of high energy (with delta-functional energy spectrum) must be generated in a highly concentrated manner. Efforts are therefore being made to realize laser-driven ion irradiation devices whose characteristics are at least equivalent to those of large prior art accelerators.

Eine hierzu wirksame Technik besteht darin, als Zielobjekt, also als Plasmaquelle, die mit dem Laser bestrahlt wird, keine normalen Gase oder Feststoffe zu wählen, sondern „Gascluster”; diese Technik ist in Nichtpatentdokument 1 und Patentdokument 3 beschrieben. Unter „Gasclustern” sind Aggregate (Cluster) von partikelförmig angehäuften Atomen und Molekülen zu verstehen, die in der Luft verteilt sind; die Eigenschaften solcherart aufgebauter Gase stehen zwischen denen normaler Gase und denen von Feststoffen. Hier wurde gezeigt, dass sich Helium- (He), Kohlenstoff- (C) und Sauerstoff-Ionen (O) mit besonders hohen Energien erzeugen lassen, wenn als Gascluster eine Dispersion von CO2-Clustern in Helium eingesetzt wird. Solche Gascluster lassen sich durch adiabatische Ausdehnung gewinnen, indem die entsprechende Gasmischung durch eine Düse in ein Vakuum eingespritzt wird.An effective technique is to select as the target object, ie as a plasma source, which is irradiated with the laser, no normal gases or solids, but "gas cluster"; This technique is described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 3. "Gas clusters" are aggregates (clusters) of particulate accumulated atoms and molecules that are distributed in the air; the properties of such gases are between those of normal gases and those of solids. Here it was shown that helium (He), carbon (C) and oxygen ions (O) can be generated with particularly high energies, if a gas cluster is used as a dispersion of CO 2 clusters in helium. Such gas clusters can be obtained by adiabatic expansion by injecting the appropriate gas mixture through a nozzle into a vacuum.

Insbesondere bei der in Nichtpatentdokument 1 und Patentdokument 3 beschriebenen Technik wird die Plasmadichteverteilung im Gascluster optimiert, indem die Bedingungen der Laserlichtbestrahlung angepasst werden; hierdurch lassen sich Energie und Bündelungsgrad des Ionenstrahls steigern. Insbesondere durch Einsatz von Gasclustern mit Heliumgas lassen sich Helium-, Kohlenstoff- und Sauerstoff-Ionenstrahlen mit hohen Energien von 10 bis 20 MeV pro Nukleon erzeugen, was mit laserbetriebenen Konstruktionen nach dem Stand der Technik schwierig war.In particular, in the technique described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 3, the plasma density distribution in the gas cluster is optimized by adjusting the conditions of the laser light irradiation; As a result, the energy and concentration of the ion beam can be increased. In particular, by using gas clusters with helium gas, helium, carbon and oxygen ion beams can be generated at high energies of 10 to 20 MeV per nucleon, which has been difficult with prior art laser powered designs.

In Nichtpatentdokument 2 ist eine Technik beschrieben, bei der Wasserstoffionen (Protonen) durch Bestrahlung von mikrokonischen Zielobjekten mit Laserlicht und Energien von 80 J auf bis zu 67,5 MeV beschleunigt werden.Nonpatent Document 2 describes a technique in which hydrogen ions (protons) are accelerated by irradiation of microconical targets with laser light and energies of 80 J up to 67.5 MeV.

Solche Vorrichtungen zur Ionenbeschleunigung (Ionenbestrahlungsvorrichtungen) ermöglichen die Erzeugung hochgebündelter Ionenstrahlen mit hoher Intensität.Such devices for ion acceleration (ion irradiation devices) allow the generation of high-intensity ion beams with high intensity.

[Dokumente zum Stand der Technik][Prior Art Documents]

[Nichtpatentdokumente][Non-patent documents]

  • [Nichtpatentdokument 1] „Energy increase in multi-MeV ion acceleration in the interaction of a short pulse laser with a cluster-gas target”; Y. Fukuda, A. Ya. Faenov, M. Tampo, T. A. Pikuz, T. Nakamura, M. Kando, Y. Hayashi, A. Yogo, H. Sakaki, T. Kameshuma, A. S. Pirozhkov, K. Ogura, M. Mori, T. Zh. Esirkepov, J. Koga, A. S. Boldarev, V. A. Gasilov, A. I. Magunov, T. Yamauchi, R. Kodama, P. R. Bolton, Y. Kato, T. Tajima, H. Daido und S. V. Bulanov; Physical Review Letters, Bd. 103, S. 165002 (2009) .[Non-patent document 1] "Energy increase in multi-motion acceleration in the interaction of a short-pulse laser with a cluster-gas target"; Y. Fukuda, A. Ya. Faenov, M. Tampo, TA Pikuz, T. Nakamura, M. Kando, Y. Hayashi, A. Yogo, H. Sakaki, T. Kameshuma, AS Pirozhkov, K. Ogura, M. Mori, T. Zh. Esirkepov, J. Koga, AS Boldarev, VA Gasilov, AI Magunov, T. Yamauchi, R. Kodama, PR Bolton, Y. Kato, T. Tajima, H. Daido and SV Bulanov; Physical Review Letters, Vol. 103, p. 165002 (2009) ,
  • [Nichtpatentdokument 2] „Increased laser-accelerated proton energies via direct laser-light-pressure acceleration of Electrons in Microcone Targets”; S. A. Gaillard, T. Kluge, K. A. Flippo, M. Bussmann, B. Gall, T. Lockard, M. Geissel, D. T. Offermann, M. Schollmeier, Y. Sentoku und T. E. Cowan; Physics of Plasmas, Bd. 18, S. 056710 (2011) .[Non-Patent Document 2] "Increased laser-accelerated proton energy via direct laser-light-pressure acceleration of electrons into microcone targets"; SA Gaillard, T. Kluge, KA Flippo, M. Bussmann, B. Gall, T. Lockard, M. Geissel, DT Offermann, M. Schollmeier, Y. Sentoku, and TE Cowan; Physics of Plasmas, Vol. 18, p. 056710 (2011) ,

[Patentdokumente][Patent Documents]

  • [Patentdokument 1] Offenlegungsschrift 2006-244863 A[Patent Document 1] Laid-Open Publication No. 2006-244863 A
  • [Patentdokument 2] Offenlegungsschrift 2008-198566 A[Patent Document 2] Laid-Open Publication 2008-198566 A
  • [Patentdokument 3] Offenlegungsschrift 2012-119065 A[Patent Document 3] Laid-Open Publication 2012-119065 A

[Zusammenfassung der Erfindung]Summary of the Invention

[Aufgabe der Erfindung]OBJECT OF THE INVENTION

Allerdings beträgt die Energie der mit der in Nichtpatentdokument 1 und Patentdokument 3 beschriebenen Technik erzeugten Helium-, Kohlenstoff- und Sauerstoff-Ionenstrahlen pro Nukleon maximal rund 10 bis 20 MeV. Auch bei der in Nichtpatentdokument 2 beschriebenen Technik beträgt die Energie der Protonen maximal 67,5 MeV. Diese Energien sind zwar höher als bei herkömmlichen laserbetriebenen Ionenbestrahlungsvorrichtungen; da jedoch beispielsweise für die in der Krebstherapie eingesetzten Wasserstoffionen-(Protonen-)Strahlen eine Energie von rund 80 bis 250 MeV erforderlich ist, reichten die gegebenen Energien für solche Einsatzgebiete nicht aus.However, the energy of helium, carbon and oxygen ion beams per nucleon generated by the technique described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 3 is about 10 to 20 MeV at the maximum. Also in the technique described in Non-Patent Document 2, the energy of the protons is at most 67.5 MeV. While these energies are higher than conventional laser-driven ion irradiation devices; However, since an energy of around 80 to 250 MeV is required, for example, for the hydrogen ion (proton) radiation used in cancer therapy, the given energies are not sufficient for such applications.

Es war daher schwierig, mittels laserbetriebenen Beschleunigungsmechanismen stabile Ionenstrahlen mit ausreichend hohen Energien für den Einsatz in der Krebstherapie zu erzeugen.It was therefore difficult to generate stable ion beams with sufficiently high energies for use in cancer therapy by means of laser-driven acceleration mechanisms.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist angesichts der oben geschilderten Problematik die Bereitstellung einer Lösung für die beschriebenen Probleme.Purpose of the present invention is to provide a solution to the problems described in view of the above-described problems.

[Lösung der Aufgabe][Solution of the task]

Die vorliegende Erfindung löst die genannten Probleme durch den im Folgenden beschriebenen Aufbau.The present invention solves the problems mentioned by the structure described below.

Das Verfahren zur Ionenbeschleunigung nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
ein Gasgemisch aus einer 1. Gaskomponente, die vorwiegend aus Wasserstoff besteht, und einer 2. Gaskomponente durch eine Düse in ein Vakuum eingespritzt wird, wodurch ein aus den Molekülen der 2. Gaskomponente bestehender Cluster in die 1. Gaskomponente dispergiert,
und dieser von der Düse aus säulenförmig ausgebildete Gascluster annähernd senkrecht zur Einspritzrichtung des Gasgemisches mit gepulstem Laserlicht bestrahlt wird,
wodurch der Gascluster in den Plasmazustand überführt und die den Gascluster bildenden Atome ionisiert und beschleunigt werden,
wobei für die Dichte des Clusters in dem Gascluster ein Bereich zwischen 2,0·108 und 2,0·1010 cm–3 gewählt wird
und das gepulste Laserlicht von der Mittelachse des säulenförmig ausgebildeten Gasclusters aus in Emissionsrichtung des gepulsten Laserlichts auf eine Position zwischen 10 und 150% fokussiert wird (hierbei gilt der Öffnungsdurchmesser der Düse als 100%).
The method for ion acceleration according to the present invention is characterized in that
a gas mixture of a first gas component, which consists predominantly of hydrogen, and a second gas component is injected through a nozzle in a vacuum, whereby a cluster consisting of the molecules of the second gas component dispersed in the 1st gas component,
and this column-shaped gas cluster formed by the nozzle is irradiated with pulsed laser light approximately perpendicularly to the injection direction of the gas mixture,
whereby the gas cluster is transferred to the plasma state and the atoms forming the gas cluster are ionized and accelerated,
for the density of the cluster in the gas cluster, a range between 2.0 × 10 8 and 2.0 × 10 10 cm -3 is selected
and the pulsed laser light is focused from the central axis of the columnar gas cluster in the emission direction of the pulsed laser light to a position between 10 and 150% (here, the opening diameter of the nozzle is 100%).

Das Verfahren zur Ionenbeschleunigung nach der vorliegenden Erfindung ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass für die Einspitzung des Gasgemisches eine Dauer von 0,01 bis 10 ms gewählt wird, und dass der säulenförmige, entsprechend der Einspritzdauer ausgebildete Gascluster im Bereich von 10 bis 20% dieser Einspritzdauer ab Clusterbildung mit dem gepulsten Laserlicht bestrahlt wird.The method for ion acceleration according to the present invention is further characterized in that a duration of 0.01 to 10 ms is selected for the gasification of the gas mixture, and that the column-shaped, formed in accordance with the injection duration gas cluster in the range of 10 to 20% of this injection period from clustering is irradiated with the pulsed laser light.

Das Verfahren zur Ionenbeschleunigung nach der vorliegenden Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die 2. Gaskomponente aus CO2 besteht.The ion acceleration method of the present invention is further characterized in that the second gas component is CO 2 .

Bei der Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach der vorliegenden Erfindung wird ein Gascluster mit gepulstem Laserlicht bestrahlt und in den Plasmazustand überführt und die den Gascluster bildenden Atome werden ionisiert und beschleunigt; die Vorrichtung verfügt über
eine Düse, durch die ein Gasgemisch aus einer 1. Gaskomponente, die vorwiegend aus Wasserstoff besteht, und einer 2. Gaskomponente in ein Vakuum eingespritzt wird, wodurch ein säulenförmiger Gascluster erzeugt wird, bei dem ein aus den Molekülen der 2. Gaskomponente bestehender Cluster in die 1. Gaskomponente dispergiert,
eine Laserlichtquelle, die ein gepulstes Laserlicht erzeugt,
und eine Fokussieroptik die das gepulste Laserlicht zur Bestrahlung des Gasclusters an einem vorweg eingestellten Fokuspunkt bündelt,
und ist dadurch gekennzeichnet, dass für die Dichte des Clusters in dem Gascluster ein Bereich zwischen 2,0·108 und 2,0·1010 cm–3 gewählt wird und der Fokus von der Mittelachse des säulenförmig ausgebildeten Gasclusters aus in Emissionsrichtung des Laserlichts auf einer Position zwischen 10 und 150% liegt, wobei der Öffnungsdurchmesser der Düse als 100% gilt.
In the ion accelerating apparatus of the present invention, a gas cluster is irradiated with pulsed laser light and transferred to the plasma state, and the atoms forming the gas cluster are ionized and accelerated; the device has
a nozzle through which a gas mixture of a first gas component consisting mainly of hydrogen and a second gas component is injected into a vacuum, thereby producing a columnar gas cluster in which a cluster consisting of the molecules of the second gas component in the 1st gas component dispersed,
a laser light source that generates a pulsed laser light,
and a focusing optics which focuses the pulsed laser light for irradiation of the gas cluster at a preset focus point,
and is characterized in that, for the density of the cluster in the gas cluster, a range between 2.0 × 10 8 and 2.0 × 10 10 cm -3 is selected, and the focus is selected from the central axis of the columnar gas cluster in the emission direction of the laser light is in a position between 10 and 150%, with the opening diameter of the nozzle being 100%.

Die Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach der vorliegenden Erfindung ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass für die Einspitzung des Gasgemisches eine Dauer von 0,01 bis 10 ms gewählt wird, und dass der säulenförmige, entsprechend der Einspritzdauer ausgebildete Gascluster im Bereich von 10 bis 20% dieser Einspritzdauer ab Clusterbildung mit dem gepulsten Laserlicht bestrahlt wird.The device for ion acceleration according to the present invention is further characterized in that for the Einspitzung of the gas mixture, a duration of 0.01 to 10 ms is selected, and that the columnar, formed according to the injection duration gas cluster in the range of 10 to 20% of this injection period from clustering is irradiated with the pulsed laser light.

Die Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach der vorliegenden Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die 2. Gaskomponente aus CO2 besteht.The ion accelerating apparatus of the present invention is further characterized in that the second gas component is CO 2 .

Die Ionenbestrahlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese über einen Aufbau verfügt, in dem Materialien mit den durch die Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung beschleunigten Ionen bestrahlt werden.The ion irradiation apparatus of the present invention is characterized by having a structure in which materials are irradiated with the ions accelerated by the ion accelerating apparatus.

Die medizinische Ionenbestrahlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese über einen Aufbau verfügt, in dem erkrankte Körperpartien mit den durch die Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung beschleunigten Ionen bestrahlt werden.The medical ion irradiation apparatus according to the present invention is characterized in that it has a structure in which diseased body parts are irradiated with the ions accelerated by the ion accelerating apparatus.

Die Ionenbestrahlungsvorrichtung zur Kernspaltung nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese über einen Aufbau verfügt, in dem Materialien mit den durch die Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung beschleunigten Ionen bestrahlt werden.The nuclear fission ion irradiation apparatus of the present invention is characterized by having a structure in which materials are irradiated with the ions accelerated by the ion accelerating apparatus.

[Vorteile der Erfindung][Advantages of the invention]

Der oben beschriebene Aufbau der vorliegenden Erfindung gestattet es, mittels laserbetriebenen Beschleunigungsmechanismen stabile Wasserstoffionen-(Protonen-)Strahlen mit ausreichend hohen Energien für den Einsatz in der Krebstherapie zu erzeugen.The above-described construction of the present invention makes it possible to generate stable hydrogen ion (proton) rays with sufficiently high energies for use in cancer therapy by means of laser-driven acceleration mechanisms.

[Kurze Erläuterung der Abbildungen][Brief explanation of the figures]

[1] Schematische Darstellung des Aufbaus einer Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung[ 1 ] Schematic representation of the structure of an apparatus for ion acceleration according to an embodiment of the present invention

[2] Darstellung des zeitlichen Verlaufs von Ein-/Ausschaltsteuerung der Düse, erzeugter Gasclustermenge und Abgabe des gepulsten Laserlichts bei einer Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung[ 2 ] Representation of the time course of on / off control of the nozzle, generated gas cluster amount and output of the pulsed laser light in an apparatus for ion acceleration according to an embodiment of the present invention

[3] Messergebnisse zur Verteilung des über die Düse eingespritzten Gases bei einer Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Messung im Schattenverfahren bei Bestrahlung des Gasclusters mit Probelicht[ 3 ] Measurement results for distributing the gas injected through the nozzle in an ion accelerating apparatus according to an embodiment of the present invention; Measurement in the shadow method when irradiating the gas cluster with sample light

[4] Messergebnisse zur Fokuspositionsabhängigkeit der Röntgenintensität und der Entstehungswahrscheinlichkeit von Elektronen mit hoher Energie[ 4 ] Measurement results on the focus position dependency of the X-ray intensity and the probability of the formation of high-energy electrons

[5] Messergebnisse zu dem mit einer Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugten Protonenstrahl[ 5 ] Measurement results of the proton beam generated by an ion accelerating apparatus according to an embodiment of the present invention

[6] Messergebnisse zur Anzahl erzeugter Protonen mit hoher Energie bei Fokussierung jeweils auf den Entstehungsbereich von Elektronen mit hoher Energie und auf den Entstehungsbereich von Röntgenstrahlen[ 6 ] Measurement results on the number of generated protons with high energy when focusing on the generation of high-energy electrons and on the origin of X-rays

[Ausführungsformen der Erfindung]Embodiments of the Invention

Im Folgenden soll eine Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden. zeigt den Aufbau dieser Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung 10. Der linke Teil dieser Abbildung zeigt den Aufbau im Gesamtbild, während der rechte Teil ein Detail (den Bereich innerhalb der gepunkteten Linie) vergrößert zeigt. Der Aufbau ist gleich dem in Patentdokument 3 beschriebenen, allerdings unterscheiden sich die Zusammensetzung der Gascluster und die Bedingungen der Laserlichtbestrahlung.Hereinafter, an ion accelerating apparatus according to an embodiment of the present invention will be explained. shows the structure of this device for ion acceleration 10 , The left part of this figure shows the structure in the overall picture, while the right part shows a detail (the area inside the dotted line) enlarged. The structure is similar to that described in Patent Document 3, but the composition of the gas clusters and the conditions of the laser light irradiation differ.

Von einer Laserlichtquelle wird Laserlicht (gepulstes Laserlicht) 20 erzeugt, um Cluster und Gasmoleküle im Gascluster (Zielobjekt) 30 in den Plasmazustand zu überführen. Dazu wird der Aufbau so gewählt, dass das Laserlicht 20 auf das Innere des Gasclusters 30 und dessen Umgebung fokussiert wird. Als Laserlichtquelle kann ein Aufbau eingesetzt werden, der bei entsprechender Fokussierung durch die Fokussieroptik 21 ultrakurz gepulstes Laserlicht in ausreichender Intensität erzeugt, um den Gascluster 30 in den Plasmazustand zu überführen. In diesem Punkt entspricht der Aufbau dem in Patentdokument 1 und 2 sowie dem Nichtpatentdokument 1 und dem Patentdokument 3 beschriebenen. Konkret können als Laserlichtquelle etwa Glaslaser und Titan:Saphir-Laser eingesetzt werden. Als Fokussieroptik 21 können etwa asphärische Fokussierspiegel wie außeraxiale Parabolspiegel eingesetzt werden. Die mittels Fokussieroptik 21 eingestellte Fokusposition soll später erläutert werden. Das Laserlicht 20 wird in kurzen Abständen gepulst erzeugt; der zeitliche Verlauf der Bestrahlung (Anregung) wird synchron zur Erzeugung des Gasclusters 30 gesteuert.From a laser light source becomes laser light (pulsed laser light) 20 generated to cluster and gas molecules in the gas cluster (target object) 30 into the plasma state. For this purpose, the structure is chosen so that the laser light 20 to the interior of the gas cluster 30 and its environment is focused. As a laser light source, a structure can be used which, with appropriate focusing by the focusing optics 21 ultrashort pulsed laser light generated in sufficient intensity to the gas cluster 30 into the plasma state. In this point, the structure is the same as that described in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 and Patent Document 3. Concretely, laser lasers and titanium: sapphire lasers can be used as the laser light source. As focusing optics 21 For example, aspherical focusing mirrors such as extra-axial parabolic mirrors can be used. The by means of focusing optics 21 set focus position will be explained later. The laser light 20 is generated pulsed at short intervals; the time course of the irradiation (excitation) becomes synchronous with the generation of the gas cluster 30 controlled.

Die Düse 40 wird in einem Vakuum installiert und ist so aufgebaut, dass an deren Spitze Gas in das Vakuum eingespritzt wird. Bei der Einspritzung dieses Gases, bei dem es sich um ein Gasgemisch aus Wasserstoff (1. Gaskomponente: H2) und Kohlendioxid (2. Gaskomponente: CO2) handelt, in das Vakuum, entsteht aufgrund des rapiden Temperaturabfalls durch adiabatische Ausdehnung ein säulenförmiger Gascluster 30, indem das CO2 in den festen Zustand übergeht und Cluster von CO2 in das H2 dispergieren. Da der Raum, in den dieses Gas eingespritzt wird, mittels Vakuumpumpe (ohne Abb.) entleert wird, lässt sich auch nach Einspritzung des Gases ein ausreichend starkes Vakuum aufrechterhalten, um einen stabilen Gascluster zu erzeugen. In diesem Punkt entspricht der Aufbau dem in Nichtpatentdokument 1 und Patentdokument 3 beschriebenen. Die Gaseinspritzung erfolgt nicht kontinuierlich, sondern gepulst. Daher werden die Einspritzung und die Bestrahlung mit Laserlicht 20 synchron gesteuert. Wie im rechten Teil von gezeigt, stehen die Einspritzrichtung des Gasgemisches und die Einstrahlrichtung des Laserlichts 20 annähernd senkrecht zueinander. Durch bewegliche Ausführung der Düse 40 in Richtung der Achse des Laserlichts 20 lässt sich die Fokusposition des Laserlichts 20 im Gascluster 30 steuern.The nozzle 40 is installed in a vacuum and is constructed so that gas is injected into the vacuum at its tip. When injection of this gas, which is a gas mixture of hydrogen (1. Gas Component: H 2) and carbon dioxide (the second gas component: CO 2) is, in the vacuum produced due to the rapid temperature drop by adiabatic expansion of a columnar gas cluster 30 in that the CO 2 goes into the solid state and disperse clusters of CO 2 in the H 2 . Since the space into which this gas is injected is emptied by means of a vacuum pump (not shown), a sufficiently strong vacuum can be maintained even after injection of the gas in order to produce a stable gas cluster. In this point, the structure is the same as that described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 3. The gas injection is not continuous, but pulsed. Therefore, the injection and the irradiation with laser light 20 synchronously controlled. As in the right part of shown are the injection direction of the gas mixture and the direction of irradiation of the laser light 20 approximately perpendicular to each other. By moving the nozzle 40 in the direction of the axis of the laser light 20 allows the focus position of the laser light 20 in the gas cluster 30 Taxes.

Wie im rechten Teil von gezeigt, handelt es sich bei dem Gascluster 30 um ein aus H2-Molekülen 31 bestehendes Gas, in das CO2-Cluster 32 – nanopartikelförmige Aggregate von CO2-Molekülen – dispergieren. Mit steigendem Abstand von der Düse 40 sinkt die Konzentration der H2-Moleküle 31 und CO2-Cluster 32, da sich diese durch Wärmebewegung verteilen; dementsprechend wird das Laserlicht 20 im Gascluster 30 nahe der Öffnung der Düse 40 fokussiert und eine Stelle mit besonders hoher Intensität gewählt. Bei der in Patentdokument 3 beschriebenen Technik kommt im Gascluster 30 ein Gasgemisch aus He-Molekülen und CO2-Molekülen zum Einsatz; hierbei werden He-, C- und O-Ionen erzeugt und diese Ionen, die jeweils das gleiche Masse-zu-Ladung-Verhältnis aufweisen, beschleunigt. Demgegenüber kommt bei dieser Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung 10 anstelle von He-Gas ein Gasgemisch aus H2-Molekülen und CO2-Molekülen zum Einsatz, aus dem H-, C-, und O-Ionen erzeugt werden; daher lassen sich durch entsprechende Definition der Fokusposition und des Zeitpunkt der Bestrahlung mit Laserlicht gezielt Wasserstoff-(H-)Ionen, deren Masse-zu-Ladung-Verhältnis am niedrigsten ist, beschleunigen.As in the right part of shown, it is the gas cluster 30 one from H 2 molecules 31 existing gas, into the CO 2 cluster 32 - Disperse nanoparticulate aggregates of CO 2 molecules. With increasing distance from the nozzle 40 decreases the concentration of H 2 molecules 31 and CO 2 clusters 32 because they spread by heat movement; accordingly, the laser light 20 in the gas cluster 30 near the opening of the nozzle 40 focused and chosen a job with a particularly high intensity. The technique described in Patent Document 3 occurs in the gas cluster 30 a gas mixture of He molecules and CO 2 molecules is used; He, C and O ions are generated and these ions, each having the same mass-to-charge ratio, accelerated. In contrast, comes with this device for ion acceleration 10 Instead of He gas, a gas mixture of H 2 molecules and CO 2 molecules are used, are generated from the H, C, and O ions; Therefore, by appropriately defining the focus position and the time of irradiation with laser light, hydrogen (H) ions whose mass-to-charge ratio is lowest can be specifically accelerated.

Der zeitliche Verlauf des Öffnens (EIN) und Schließens (AUS) der Düse 40, der erzeugten Menge an Gascluster 30 im Fokuspunkt sowie der Abgabe des Laserlichts 20 ist schematisch in bis (c) dargestellt.The timing of opening (ON) and closing (OFF) of the nozzle 40 , the amount of gas clusters generated 30 in the focal point as well as the emission of the laser light 20 is schematic in to (c).

Hierbei wird die Erzeugung des Gasclusters 30 im Fokuspunkt (b) gegenüber dem zeitlichen Verlauf des Öffnens und Schließens des Düse 40 (a) um diejenige Zeit verzögert, die das Gas benötigt, um von der Düse 40 bis zum Fokuspunkt zu strömen; die Gasclustererzeugung wird soweit verlängert, wie Zeit für das Öffnen und Schließen der Düse 40 benötigt wird. Diese Verzögerungszeit richtet sich nach der Entfernung zwischen Düse 40 und Fokuspunkt sowie der Geschwindigkeit des Gasstroms. Je größer diese Entfernung ist, desto länger wird auch die Verzögerungszeit.This is the generation of the gas cluster 30 in the focal point (b) with respect to the time course of the opening and closing of the nozzle 40 (a) Delayed by the time the gas needed to move from the nozzle 40 to flow to the focal point; the gas cluster production is extended as far as time for the opening and closing of the nozzle 40 is needed. This delay time depends on the distance between the nozzle 40 and focus point as well as the velocity of the gas flow. The larger this distance, the longer the delay time will be.

Die Einschaltdauer der Düse 40 beträgt typischerweise etwa 0,01 bis 10 ms; das Ein- und Ausschalten wird durch ein externes Signal gesteuert. Das Einschalten des Gasclusters 30 wird synchron zur Abgabe des Laserlichts 20 (c) gesteuert; unter Berücksichtigung der genannten Verzögerungszeiten erfolgt die Steuerung praktisch so, dass das Ein- und Ausschalten der Düse 40 (Zeitpunkte t1 und t2) einerseits und die Abgabe des Laserlichts 20 (Zeitpunkte t3 und t4) andererseits synchron zueinander sind. Die Abgabe des Laserlichts 20 setzt sich, wie in Nichtpatentdokument 1 beschrieben, aus einem Hauptpuls von hoher Intensität und einem dem Hauptpuls vorangehenden Vorpuls von niedrigerer Intensität zusammen. Der Zeitversatz zwischen Vorpuls und Hauptpuls (Zeitversatz zwischen t4 und t3) beträgt etwa 1 bis 1000 ps (beispielsweise etwa 150 ps). Die Halbwertsbreite beträgt für Vorpuls und Hauptpuls gleichermaßen etwa 3 bis 1000 fs (beispielsweise etwa 40 fs). Diese Zeiten bei der Steuerung des Laserlichts 20 sind im Vergleich zur genannten Einschaltdauer der Düse 40 t2–t1 von vernachlässigbarer Dauer. Bei der genannten Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung 10 ist die Abgabezeit des Hauptpulses t4 fest, während die Einschaltzeit t1 der Düse 40 relativ zur Abgabezeit des Hauptpulses t4 angepasst wird, um den Zeitpunkt der Bestrahlung mit Laserlicht t4–t1 zu definieren, während derer eine effektive Ionenbeschleunigung erfolgt.The duty cycle of the nozzle 40 is typically about 0.01 to 10 ms; the switching on and off is controlled by an external signal. Turning on the gas cluster 30 becomes synchronous to the emission of the laser light 20 (c) controlled; taking into account the said delay times, the control is practically so that the switching on and off of the nozzle 40 (Times t 1 and t 2 ) on the one hand and the output of the laser light 20 (Times t 3 and t 4 ) on the other hand are synchronous with each other. The emission of the laser light 20 is composed of a main pulse of high intensity and a lower pulse of the pre-pulse preceding the main pulse, as described in Non-Patent Document 1. The time offset between pre-pulse and main pulse (time offset between t 4 and t 3 ) is about 1 to 1000 ps (for example, about 150 ps). The half width for pre-pulse and main pulse is equally about 3 to 1000 fs (for example, about 40 fs). These times in the control of the laser light 20 are compared to the aforementioned duty cycle of the nozzle 40 t 2 -t 1 of negligible duration. In the mentioned device for ion acceleration 10 the delivery time of the main pulse t 4 is fixed, while the turn-on time t 1 of the nozzle 40 is adjusted relative to the emission time of the main pulse t 4 in order to define the time of irradiation with laser light t 4 -t 1 during which an effective ion acceleration takes place.

Durch diesen Aufbau werden, wie in Nichtpatentdokument 1 beschrieben, sowohl H2-Moleküle 31 als auch CO2-Cluster 32 in den Gascluster 30 dispergiert und in den Plasmazustand überführt, um Elektronen zu erzeugen und zu beschleunigen. Durch diese beschleunigten Elektronen wird in dem Plasma eine elektromagnetische Feldstruktur erzeugt und ein elektrisches Feld von hoher Intensität, durch das die Ionen beschleunigt werden. Wie in gezeigt, wird durch dieses elektrische Feld ein Ionenstrahl 50 aus den in dem Plasma erzeugten, auf hohe Energien beschleunigten Kohlenstoff- (C) 51, Sauerstoff- (O) 52 und Wasserstoff- (H) Ionen 53 erzeugt. By this construction, as described in Non-Patent Document 1, both H 2 molecules 31 as well as CO 2 clusters 32 in the gas cluster 30 dispersed and transferred to the plasma state to generate and accelerate electrons. These accelerated electrons generate an electromagnetic field structure in the plasma and a high intensity electric field that accelerates the ions. As in As shown, this electric field becomes an ion beam 50 from the high-energy accelerated carbon (C) produced in the plasma 51 , Oxygen (O) 52 and hydrogen (H) ions 53 generated.

Die Erfinder haben die Umstände bei der Bestrahlung dieses Gasclusters 30 mit Laserlicht 20 experimentell analysiert und konnten feststellen, dass sich durch Definition insbesondere der Fokusposition und des Zeitpunkts der Bestrahlung mit Laserlicht die abgegebenen Ionen auf hohe Energien beschleunigen lassen. Im Gascluster 30 lassen sich durch Veränderung der Fokusposition in Emissionsrichtung des Laserlichts 20 die Umstände der Plasmabildung im Inneren, der Elektronenbeschleunigung und der Ionenbeschleunigung anpassen. Eigenschaften wie die Energieverteilung der beschleunigten Ionen verändern sich somit je nach Fokusposition. In diesem Punkt entspricht der Aufbau dem in Patentdokument 3 beschriebenen; allerdings war hier insbesondere festzustellen, dass sich Wasserstoff-(H)Ionen 53, deren Masse-zu-Ladung-Verhältnis am niedrigsten ist, durch Definition der Fokusposition in einem von der in Patentdokument 3 beschriebenen Technik abweichenden Bereich besonders gezielt auf hohe Energien beschleunigen lassen. Die Energie der dabei gewonnenen Wasserstoff-Ionen 53 ist um Größenordnungen höher als die Energie der mit der in Patentdokument 3 beschriebenen Technik gewonnenen He-Ionen. Es lässt sich also mit dieser Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung 10 ein Protonenstrahl erzeugen, dessen Energie im Vergleich zum Stand der Technik besonders hoch ist.The inventors have the circumstances in the irradiation of this gas cluster 30 with laser light 20 analyzed experimentally and were able to determine that the emitted ions can be accelerated to high energies by defining in particular the focus position and the time of irradiation with laser light. In the gas cluster 30 can be adjusted by changing the focus position in the emission direction of the laser light 20 adjust the circumstances of the plasma formation inside, the electron acceleration and the ion acceleration. Properties such as the energy distribution of the accelerated ions thus change depending on the focus position. In this point, the structure corresponds to that described in Patent Document 3; however, it was noted in particular that hydrogen (H) ions 53 whose mass-to-charge ratio is lowest, can be specifically accelerated to high energies by defining the focus position in a range other than that described in Patent Document 3. The energy of the hydrogen ions obtained 53 is orders of magnitude higher than the energy of He ions obtained by the technique described in Patent Document 3. It can therefore be with this device for ion acceleration 10 produce a proton beam whose energy is particularly high compared to the prior art.

Im Folgenden sollen die Ergebnisse von Versuchen erläutert werden, bei denen unter Verwendung dieser Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung 10 Wasserstoffionen-(Protonen-)Strahlen beschleunigt wurden. Hierbei lag der Zeitpunkt der Bestrahlung mit Laserlicht t4–t1 nach bei 0,45 ms und die Einschaltdauer der Düse 40 t2–t1 bei 1 ms; die Halbwertsbreite des Hauptpulses lag bei 40 fs, die Energie bei 1 J und das Kontrastverhältnis des Vorpulses bei 10-10. zeigt die Ergebnisse einer Messung der Elektronendichteverteilung in Emissionsrichtung des Laserlichts 20 bei Einspritzung eines Gasgemisches aus 70% H2 und 30% CO2 aus der Düse 40 (Öffnungsdurchmesser 2 mm) mit einem Druck von 60 bar in eine Kammer mit einem Basisdruck von 5·10–5 (Messung im Schattenverfahren). Hierbei wurde der Gascluster 30 mit Probelicht bestrahlt und aus der dieser Bestrahlung entgegengesetzten Richtung gemessen. Wie in gezeigt, wurde mit dem genannten Gasgemisch ein Gascluster 30 von annähernd zylindrischer Form erzeugt, der zwar etwas breiter war als die Öffnung der Düse 40 (2 mm), in den wesentlichen Anteilen der Verteilung jedoch dieser Öffnung (2 mm) entsprach. In entspricht der Fokuspunkt dem vorderseitigen Rand der Düsenöffnung 40 in Emissionsrichtung des Laserlichts 20 (dieser Punkt wird in den nachfolgenden Beschreibungen als „vorderseitig 100%” bezeichnet).The following are the results of experiments are explained, in which using this device for ion acceleration 10 Hydrogen ion (proton) rays were accelerated. Here, the time of irradiation with laser light t 4 -t 1 was after at 0.45 ms and the duty cycle of the nozzle 40 t 2 -t 1 at 1 ms; the half width of the main pulse was 40 fs, the energy at 1 J and the contrast ratio of the pre-pulse at 10-10. shows the results of measurement of the electron density distribution in the emission direction of the laser light 20 when injecting a gas mixture of 70% H 2 and 30% CO 2 from the nozzle 40 (Opening diameter 2 mm) with a pressure of 60 bar in a chamber with a base pressure of 5 · 10 -5 (measurement in the shadow method). This was the gas cluster 30 irradiated with a sample light and measured from the opposite direction of this irradiation. As in showed, with the said gas mixture a gas cluster 30 produced by approximately cylindrical shape, which was somewhat wider than the opening of the nozzle 40 (2 mm), in the essential parts of the distribution, however, corresponded to this opening (2 mm). In the focal point corresponds to the front edge of the nozzle opening 40 in the emission direction of the laser light 20 (This point is referred to in the following descriptions as "100% front").

Der Zusammenhang zwischen der Dichte D der CO2-Cluster und dem Radius r der CO2-Cluster lässt sich mit der folgenden Formel ausdrücken, wobei D die Dichte der CO2-Cluster im Gascluster 30 (cm–3), ρ die Dichte der CO2-Moleküle im Gascluster 30 (cm–3), S die CO2-Dichte in festem CO2 (cm–3) und r der Radius der CO2-Cluster ist.The relationship between the density D of the CO 2 clusters and the radius r of the CO 2 clusters can be expressed by the following formula, where D is the density of the CO 2 clusters in the gas cluster 30 (cm -3 ), ρ the density of the CO 2 molecules in the gas cluster 30 (cm -3 ), S is the CO 2 density in solid CO 2 (cm -3 ) and r is the radius of the CO 2 clusters.

[Formel 1][Formula 1]

  • r = (3ρ/4πDS)1/3 (1)r = (3ρ / 4πDS) 1/3 (1)

Die Werte für ρ und S betragen, wenn beispielsweise das genannte Gasgemisch (H2: 70%; CO2: 30%) mit 60 atm zum Einsatz kommt: ρ = 7,0·1018 cm–3 und S = 2,1·1022 cm–3; daraus ergibt sich nach Formel (1) r = (8·10–5/D)1/3.The values for ρ and S are, for example, when the said gas mixture (H 2 : 70%, CO 2 : 30%) is used at 60 atm: ρ = 7.0 × 10 18 cm -3 and S = 2.1 · 10 22 cm -3 ; from this, formula (1) gives r = (8 × 10 -5 / D) 1/3 .

In Nichtpatentdokument 1 werden erzeugte Ionenstrahlen mit einem Festkörperspurdetektor (CR39) aufgefangen und deren Spuren zweidimensional visualisiert und beurteilt. Eigenschaften wie die Energieverteilung der beschleunigten Ionen sind von der Fokusposition abhängig; da es mit dem CR39 jedoch schwierig ist, mit hoher Genauigkeit eine optimale Position für die Erzeugung von Ionen mit hoher Energie abzuschätzen, wurden wie in Patentdokument 3 aus den folgenden Messergebnissen Bedingungen herausgearbeitet, unter denen sich Ionen mit höherer Wahrscheinlichkeit auf hohe Energien beschleunigen lassen. Hier wurde ein Gascluster 30 mit D = 1,5·109 cm–3 (r = 0,3 μm) mit Laserlicht 20 bestrahlt und die erfasste Röntgenintensität bei Verschiebung des Fokuspunkts in Richtung der Achse des Laserlichts 20 gemessen. Als Referenzpunkt für die Fokusposition wurde die Mitte der Düse 40 (Mittelachse des Gasclusters 30 von annähernd zylindrischer Form) gewählt. Hier wies die gemessene Röntgenstrahlung Energien von 665,7 eV und 653,7 eV entsprechend der Helium-beta-Linie (Heβ) für sechswertige Sauerstoff-Ionen (O6+) bzw. der Lyman-alpha-Linie (Lyα) für siebenwertige Sauerstoff-Ionen (O7+) auf; diese spezifische Röntgenintensität entspricht der erzeugten Plasmadichte. Da es sich bei dieser Röntgenstrahlung allerdings um charakteristische Röntgenstrahlung handelt, die durch zufällige Stoßanregung von Elektronen mit hoher Energie entsteht, ist die Emission der Röntgenstrahlung nicht gerichtet – die hier erfasste Röntgenstrahlung entstammt dem gesamten Gascluster 30.In non-patent document 1, generated ion beams are collected with a solid-state track detector (CR39) and their traces are visualized and assessed two-dimensionally. Properties such as the energy distribution of the accelerated ions depend on the focus position; However, since the CR39 is difficult to estimate with high accuracy an optimum position for generation of high-energy ions, as in Patent Document 3, conditions have been worked out from the following measurement results under which ions are more likely to be accelerated to high energies. Here was a gas cluster 30 with D = 1.5 · 10 9 cm -3 (r = 0.3 μm) with laser light 20 irradiated and the detected X-ray intensity upon displacement of the focal point in the direction of the axis of the laser light 20 measured. The reference point for the focus position was the center of the nozzle 40 (Central axis of the gas cluster 30 of approximately cylindrical shape). Here, the measured X-rays showed energies of 665.7 eV and 653.7 eV corresponding to the helium beta line (He β ) for hexavalent oxygen ions (O 6+ ) and the Lyman alpha line (Ly α ) for seven-valent oxygen ions (O 7+ ); this specific X-ray intensity corresponds to the generated plasma density. However, since X - rays are characteristic X - rays produced by random shock excitation of high - energy electrons, Emission of X-rays not directed - the X-rays detected here are from the entire gas cluster 30 ,

Gleichzeitig wurde die Entstehungswahrscheinlichkeit von Elektronen mit hoher Energie (Elektronen mit Energien von mindestens 12,2 MeV) pro Bestrahlung mit Laserlicht 20 untersucht.At the same time, the probability of origin of high-energy electrons (electrons with energies of at least 12.2 MeV) per irradiation with laser light was determined 20 examined.

Die Ergebnisse der genannten Messungen sind in dargestellt. Der Bereich zwischen den beiden gestrichelten Linien zeigt die Öffnung der Düse 40 (Durchmesser 1 mm). Die Röntgenintensität steigt von der Mitte der Düse 40 (in die Stelle 0 mm auf der Waagerechten) aus gesehen bei einem rückseitigen Fokuspunkt (in auf der rechten Seite) in einem Bereich von 100% (in die Stelle 1 mm auf der Waagerechten) bis 250% (dto. 2,5 mm) an (Abstand jeweils umgerechnet auf eine Bezugsgröße von 100% gleich Radius der Düse 40) und nimmt bei einer Position von 200% den größten Wert ein (Röntgenbereich). Grund dafür ist, dass die Intensität des Laserlichts 20 auch an Stellen abseits des Fokuspunkts (des Punktes mit der größten Lichtintensität) ausreichend groß ist, um Teilchen in den Plasmazustand zu überführen, und dass die Querschnittsfläche, auf der Röntgenstrahlung durch Stoßanregung entstehen kann, hier am größten ist. Zwischen der Röntgenintensität und der Wahrscheinlichkeit der Emission von Elektronen mit hohen Energien von mindestens 12,2 MeV lässt sich eine umgekehrte Korrelation beobachten. Diese lässt sich darauf zurückführen, dass bei Fokussierung auf die Mitte des Gasclusters 30 die Energie der entstehenden Elektronen zu groß ist und die Querschnittsfläche, auf der Röntgenstrahlung durch Stoßanregung entstehen kann, hier erheblich kleiner wird.The results of these measurements are in shown. The area between the two dashed lines shows the opening of the nozzle 40 (Diameter 1 mm). The X-ray intensity rises from the center of the nozzle 40 (in the position 0 mm on the horizontal) seen from a rear focal point (in on the right) in a range of 100% (in the position 1 mm on the horizontal) to 250% (dto 2.5 mm) (distance each converted to a reference of 100% equal radius of the nozzle 40 ) and occupies the largest value at a position of 200% (X-ray range). The reason is that the intensity of the laser light 20 also at locations away from the focal point (the point with the highest light intensity) is sufficiently large to transfer particles in the plasma state, and that the cross-sectional area on which X-ray radiation can be generated by shock excitation, here is the largest. Between the X-ray intensity and the probability of emission of high-energy electrons of at least 12.2 MeV, a reverse correlation can be observed. This can be attributed to the fact that when focusing on the center of the gas cluster 30 the energy of the resulting electrons is too large and the cross-sectional area on which X-rays can be generated by shock excitation, here is considerably smaller.

Die Entstehungswahrscheinlichkeit von Elektronen mit hoher Energie ist von der Mitte der Düse 40 aus gesehen bei einem vorderseitigen Fokuspunkt in einem Bereich von 10% (1 mm) bis 150% (1,5 mm) am höchsten und nimmt stabile Werte an. Während weiter bei der im Patentdokument 3 beschriebenen Technik (bei Einsatz von He anstelle von H2 für den Gascluster 30) Bläschenstrukturen im Gascluster 30 durch die Bestrahlung mit Laserlicht 20 zu beobachten waren, konnten hier, wie in gezeigt, keine Bläschenstrukturen festgestellt werden.The probability of origin of high energy electrons is from the center of the nozzle 40 from a front focal point in a range of 10% (1 mm) to 150% (1.5 mm) highest and assumes stable values. While further in the technique described in Patent Document 3 (using He instead of H 2 for the gas cluster 30 ) Bubble structures in the gas cluster 30 by the irradiation with laser light 20 could be observed here, as in shown, no bubble structures are detected.

Wie bei dem in Patentdokument 3 beschriebenen Fall, so werden auch bei dem oben beschriebenen Aufbau zunächst Elektronen mit geringerer Masse beschleunigt und so Elektronen mit hoher Energie erzeugt. Dadurch bildet sich im Plasma eine elektromagnetische Feldstruktur und es entsteht ein starkes elektrisches Feld (rapide Potentialänderung). Ionen, die schwerer als Elektronen sind, werden daraufhin durch dieses elektrische Feld beschleunigt; es entstehen Ionen mit hoher Energie. Daher ist es für die Erzeugung von Ionen mit hoher Energie erforderlich, zunächst Elektronen mit hoher Energie in größerer Anzahl zu erzeugen. Hierbei bilden sich mit der in Patentdokument 3 beschriebenen Technik Bläschenstrukturen, in deren Innerem besonders effektiv Ionen beschleunigt werden. Demgegenüber kommt es bei Einsatz von H2-Gas nach der vorliegenden Anmeldung nicht zur Bildung von Bläschenstrukturen. Es ist daher davon auszugehen, dass eine Ionenbeschleunigung dann am effektivsten erfolgt, wenn Elektronen mit hoher Energie in größerer Anzahl erzeugt werden. Dabei ist offensichtlich, dass zunächst der Gascluster 30 in den Plasmazustand überführt und die zu beschleunigenden Ionen erzeugt worden sein müssen.As in the case described in Patent Document 3, even with the structure described above, electrons of lower mass are first accelerated, thus producing electrons of high energy. As a result, an electromagnetic field structure is formed in the plasma and a strong electric field is created (rapid potential change). Ions heavier than electrons are then accelerated by this electric field; it generates ions with high energy. Therefore, for the generation of high-energy ions, it is first necessary to generate a large number of high-energy electrons. In this case, bubbles form with the technique described in Patent Document 3, in the interior of which are particularly effective ions are accelerated. By contrast, the use of H 2 gas according to the present application does not lead to the formation of bubble structures. It is therefore considered that ion acceleration is most effective when higher energy electrons are generated in larger numbers. It is obvious that first the gas cluster 30 transferred to the plasma state and the ions to be accelerated must have been generated.

Die Ergebnisse der Spektralmessung des Protonen-(Wasserstoffionen-)Strahls, der bei einem Fokuspunkt in einem Bereich von 10% bis 150% vorderseitig von der Mitte der Düse 40 aus gesehen (Bereich mit hoher Entstehungswahrscheinlichkeit für Elektronen mit hoher Energie/hochenergetischer Elektronenbereich) erzeugt wurde, sind in dargestellt. Die Spitzenenergie liegt hier bei etwa 135 MeV, das Spektrum erstreckt sich jedoch noch weiter bis maximal etwa 500 MeV. Diese Energie ist um eine Größenordnung höher als bei der in Patentdokument 3 beschriebenen Technik. Auch im Vergleich mit der in Nichtpatentdokument 2 beschriebenen Technik zur Beschleunigung von Protonen mittels Laserlicht lassen sich hier mittels Laserlicht mit niedriger Energie von 1 J (bei der in Nichtpatentdokument 2 beschriebenen Technik: 80 J) Protonen auf höhere Energien beschleunigen.The results of the spectral measurement of the proton (hydrogen ion) beam, which at a focal point in a range of 10% to 150% front of the center of the nozzle 40 (high probability range for high energy / high energy electrons) has been generated in shown. The peak energy here is about 135 MeV, but the spectrum extends even further to a maximum of about 500 MeV. This energy is an order of magnitude higher than the technique described in Patent Document 3. Also, in comparison with the technique for accelerating protons by laser light described in Non-Patent Document 2, protons can be accelerated to higher energies by using low-energy laser light of 1 J (in the technique described in Non-Patent Document 2: 80 J).

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass 1. keine Bläschenstrukturen zu beobachten sind und dass 2. die Energie der Ionen (Protonen) enorm hoch ist, kann somit bei der oben genannten Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung 10 davon ausgegangen werden, dass der Aufbau der Vorrichtungen zwar ähnlich ist, die Beschleunigung jedoch über einen anderen Beschleunigungsmechanismus erfolgt als bei der in Patentdokument 3 beschriebenen Technik. Es ist jedoch offensichtlich, dass Elektronen mit hoher Energie die Hauptursache für die Protonenbeschleunigung sind.Taking into account the fact that 1. no bubble structures can be observed and that 2. the energy of the ions (protons) is enormously high, in the case of the above-mentioned device for ion acceleration 10 Although it is assumed that the structure of the devices is similar, but the acceleration is carried out via a different acceleration mechanism than in the technique described in Patent Document 3. However, it is obvious that high energy electrons are the main cause of proton acceleration.

Die Messergebnisse zur erzeugten Anzahl an Protonen mit einer Energie von mindestens 200 MeV jeweils bei einem Fokuspunkt in einem Bereich von 70% bis 100% vorderseitig von der Mitte der Düse 40 aus gesehen (hochenergetischer Elektronenbereich) und bei einem Fokuspunkt in einem Bereich von 20% bis 300% rückseitig von der Mitte der Düse 40 aus gesehen (Röntgenbereich) sind in dargestellt. Aus diesen Ergebnissen ist offensichtlich, dass sich bei einem Fokuspunkt im hochenergetischen Elektronenbereich Protonen mit hoher Energie hocheffektiv erzeugen lassen.The measured results for the generated number of protons having an energy of at least 200 MeV each at a focal point in a range of 70% to 100% front side from the center of the nozzle 40 from a high energy electron region and at a focal point in a range of 20% to 300% at the back of the center of the nozzle 40 (X-ray area) are in shown. From these results it is obvious that protons with high energy can be generated highly effectively at a focal point in the high-energy electron field.

Im Rahmen dieser Ergebnisse liegt die optimale Fokusposition zur Erzeugung eines Protonenstrahls mit hoher Energie wie erwähnt im Bereich von 10% bis 150% vorderseitig von der Mitte der Düse 40 aus gesehen. Hierbei lässt sich diese Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung 10 auch in medizinischen Ionenbestrahlungsvorrichtungen einsetzen, was mit der in Patentdokument 3 beschriebenen Technik schwierig zu realisieren war. Within the scope of these results, the optimal focus position for generating a high energy proton beam is, as mentioned, in the range of 10% to 150% front side of the center of the nozzle 40 seen from. In this case, this device can be used for ion acceleration 10 also in medical ion irradiation devices, which was difficult to realize with the technique described in Patent Document 3.

Die Tatsache, dass in Emissionsrichtung des Laserlichts 20 starke Beschleunigungsfelder entstehen, bedeutet, dass der Bündelungsgrad der Ionen dort ansteigt. Durch Wahl eines Fokuspunkts im Bereich der genannten Positionen lässt sich also auch ein hoher Bündelungsgrad erzielen. Somit lässt sich mit der genannten Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung 10 also offenbar auch ein höherer Bündelungsgrad erzielen als mit der in Patentdokument 3 beschriebenen Technik.The fact that in the emission direction of the laser light 20 strong acceleration fields arise, means that the bundling degree of the ions increases there. By choosing a focal point in the region of the positions mentioned, a high degree of bundling can thus also be achieved. Thus, with the mentioned device for ion acceleration 10 So apparently also achieve a higher degree of bundling than with the technique described in Patent Document 3.

Die vorangegangene Diskussion bezog sich auf die räumlichen Beschränkungen bei der Bestrahlung mit Laserlicht 20. Praktisch entstehen Gascluster 30 jedoch, wie in dargestellt, auch zeitlich begrenzt. Daher ist es erforderlich, den Zeitpunkt der Erzeugung des Gasclusters 30 ( ) und den Zeitpunkt der Bestrahlung mit Laserlicht 20 ( ) aufeinander abzustimmen.The previous discussion referred to the spatial limitations of laser light irradiation 20 , Practically, gas clusters are created 30 however, as in shown, also limited in time. Therefore, it is necessary to know the timing of the generation of the gas cluster 30 ( ) and the time of irradiation with laser light 20 ( ) match each other.

Die Erzeugungsdauer des Gasclusters 30 ist, wie in dargestellt, fast gleichlang wie die Einschaltdauer der Düse 40 und beträgt etwa 0,01 bis 10 ms (beispielsweise 1 ms). Wenn diese Dauer zu kurz ist, kann kein Gascluster 30 in ausreichender Menge erzeugt werden, wodurch es schwierig wird, einen Ionenstrahl von ausreichender Intensität zu erzeugen. Wenn diese Dauer zu lang ist, reduziert sich das Hintergrundvakuum, in das das Gasgemisch eingespritzt wird, wodurch keine ausreichende adiabatische Ausdehnung des Gases mehr stattfindet und es schwierig wird, CO2-Cluster 32 im Gascluster 30 zu erzeugen. Diese Dauer ist v. a. im Vergleich zum Abstand zwischen Vorpuls und Hauptpuls des Laserlichts 20, zur Halbwertsbreite von Vorpuls und Hauptpuls, zur Dauer der Plasmaerzeugung sowie zur Dauer bis zur Emission von Elektronen und Ionen im Gascluster 30 um Größenordnungen länger. Solange im Gascluster 30 wie erwähnt H2-Moleküle 31 und CO2-Cluster 32 erzeugt werden, kann daher der Bestrahlungszeitpunkt frei gewählt werden.The generation time of the gas cluster 30 is how in shown, almost as long as the duty cycle of the nozzle 40 and is about 0.01 to 10 ms (for example, 1 ms). If this duration is too short, no gas cluster can 30 be generated in sufficient quantity, which makes it difficult to generate an ion beam of sufficient intensity. If this duration is too long, the background vacuum into which the gas mixture is injected reduces, whereby sufficient adiabatic expansion of the gas no longer takes place and it becomes difficult to form CO 2 clusters 32 in the gas cluster 30 to create. This duration is above all in comparison to the distance between pre-pulse and main pulse of the laser light 20 , to the half-width of the pre-pulse and the main pulse, to the duration of the plasma generation and to the duration until the emission of electrons and ions in the gas cluster 30 orders of magnitude longer. As long as in the gas cluster 30 as mentioned H 2 molecules 31 and CO 2 clusters 32 can be generated, therefore, the irradiation time can be chosen freely.

Die Reduktion des Vakuums bei langer Einschaltdauer hängt von Faktoren wie dem Aufbau der Vakuumkammer und der Entleerungsgeschwindigkeit der eingesetzten Vakuumpumpe ab; offensichtlich ist jedoch das Hintergrundvakuum gegen Ende der Einschaltdauer der Düse 40 reduziert. Es ist deshalb davon auszugehen, dass sich Gascluster 30 praktisch nur zu Beginn der Einschaltdauer der Düse 40 stabil erzeugen lassen. Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn die Bestrahlung mit Laserlicht 20 etwa während der ersten 10 bis 20% des Zeitraums zwischen dem Einschalten und dem Ausschalten der Düse 40 erfolgt. Bei der genannten Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung 10 wurde der Zeitpunkt der Bestrahlung mit Laserlicht t4–t1 mit 0,45 ms und die Einschaltdauer der Düse 40 t2–t1 mit 1 ms definiert. Die praktische Dauer der Gasclustererzeugung betrug unter Berücksichtigung der Verzögerung um die für das Öffnen und Schließen der Düse 40 benötigte Zeit 1,6 ms. Unter Berücksichtigung der Verzögerungszeit, bis das Gas von der Düse 40 zum Fokuspunkt strömt, erfolgt die Bestrahlung mit Laserlicht 20 in dem genannten Beispiel 0,25 ms nach der Gasclustererzeugung im Fokuspunkt, also in den ersten 16% der Erzeugungsdauer des Gasclusters.The reduction of the vacuum with a long duty cycle depends on factors such as the structure of the vacuum chamber and the evacuation rate of the vacuum pump used; however, obviously the background vacuum is towards the end of the duty cycle of the nozzle 40 reduced. It is therefore assumed that gas cluster 30 practically only at the beginning of the duty cycle of the nozzle 40 generate stable. For example, it is advantageous if the irradiation with laser light 20 for example, during the first 10 to 20% of the time between turning on and turning off the nozzle 40 he follows. In the mentioned device for ion acceleration 10 was the time of irradiation with laser light t 4 -t 1 at 0.45 ms and the duty cycle of the nozzle 40 t 2 -t 1 defined with 1 ms. The practical duration of gas cluster production was about taking into account the delay for opening and closing the nozzle 40 required time 1.6 ms. Taking into account the delay time until the gas from the nozzle 40 flows to the focal point, the irradiation with laser light 20 in the example mentioned, 0.25 ms after the gas cluster generation in the focal point, ie in the first 16% of the generation period of the gas cluster.

In dem genannten Beispiel betrug D = 1,5·109 cm–3; Gleiches gilt jedoch für den gesamten Bereich von 2,0·108 bis 2,0·1010 cm–3.In the example mentioned, D = 1.5 × 10 9 cm -3 ; However, the same applies to the entire range of 2.0 × 10 8 to 2.0 × 10 10 cm -3 .

Bei der Beschreibung des genannten Aufbaus wurde davon ausgegangen, dass ein Gasgemisch aus H2 und CO2 sowie Gascluster mit CO2-Clustern eingesetzt werden. Gleiches gilt jedoch auch bei Einsatz von anders aufgebauten Gasgemischen und bei anders ausgebildeten Clusterarten.In the description of said construction, it was assumed that a gas mixture of H 2 and CO 2 and gas clusters with CO 2 clusters are used. The same applies, however, when using differently constructed gas mixtures and differently formed cluster types.

Bei der genannten Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung lässt sich durch Steuerung v. a. der Fokusposition des Laserlichts (Fokussieroptik) und des zeitlichen Ablaufs von Öffnen und Schließen der Düse zur Einspritzung des Gasgemisches (Zeitpunkt der Bestrahlung mit Laserlicht) ein Ionenstrahl von hoher Qualität gewinnen. Sie lässt sich daher mit laserbetriebenen Vorrichtungen zur Ionenbeschleunigung nach dem Stand der Technik realisieren, ohne dass der Vorrichtungsaufbau selbst groß verändert werden müsste. Die Vorrichtung insgesamt lässt sich also im Vergleich zu anderen Arten von Beschleunigungsvorrichtungen kompakter ausführen und gestattet eine Anwendung in der Medizin und zahlreichen weiteren Bereichen.In the mentioned device for ion acceleration can be controlled by control v. a. the focus position of the laser light (focusing optics) and the timing of opening and closing of the nozzle for injection of the gas mixture (time of irradiation with laser light) gain a high-quality ion beam. It can therefore be realized with laser-driven devices for ion acceleration according to the prior art, without the device structure itself would have to be changed greatly. Thus, the device as a whole can be made more compact in comparison with other types of accelerator devices and allows for use in medicine and numerous other fields.

Ein Aufbau zur Bestrahlung von Materialien mit den durch diese Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung beschleunigten Ionen kann daher als Ionenbestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung mit Ionenstrahlen aus verschiedensten Ionen eingesetzt werden. Bei Ionenbestrahlungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik fallen die Mechanismen zur Ionenbeschleunigung mit Zyklotronen, Hochfrequenzkavitäten etc. größer aus, weshalb eine kompakte Ausführung der Vorrichtungen insgesamt bislang schwierig war. Demgegenüber lassen sich bei dieser Ionenbestrahlungsvorrichtung wie beschrieben solche Beschleunigungsmechanismen kompakt ausführen, wodurch auch die Vorrichtung insgesamt kompakt ausgeführt werden kann. Dementsprechend einfach ist die Einführung dieser Ionenbestrahlungsvorrichtung in verschiedensten Einrichtungen, beispielsweise in medizinischen Einrichtungen; sie lässt sich besonders vorteilhaft als medizinische Ionenbestrahlungsvorrichtung einsetzen. Dies gilt nicht nur für den Einsatzfall als medizinische Ionenbestrahlungsvorrichtung, sondern gleichermaßen auch für den Einsatz als Ionenbestrahlungsvorrichtung zur Kernspaltung, bei der durch Bestrahlung mit einem Ionenstrahl von hoher Energie eine Kernspaltungsreaktion ausgelöst wird.A structure for irradiating materials with the ions accelerated by this ion accelerating apparatus can therefore be used as the ion irradiation apparatus for irradiating ion beams of various ions. In prior art ion irradiation devices, the mechanisms for ion acceleration with cyclotrons, high frequency cavities, etc., are larger, and compact design of the devices as a whole has heretofore been difficult. On the other hand, in this ion irradiation apparatus as described, such accelerating mechanisms can be made compact, whereby the apparatus as a whole can be made compact. Accordingly simple is the introduction of this ion irradiation device in a variety of facilities, such as medical facilities; it can be used particularly advantageously as a medical ion irradiation device. This applies not only to the application as a medical ion irradiation device, but equally also for use as an ion irradiation device for nuclear fission, in which a nuclear fission reaction is triggered by irradiation with an ion beam of high energy.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Vorrichtung zur IonenbeschleunigungDevice for ion acceleration
2020
Laserlicht (gepulstes Laserlicht)Laser light (pulsed laser light)
2121
Fokussieroptikfocusing optics
3030
Gascluster (Zielobjekt)Gas cluster (target object)
3131
Wasserstoff-Moleküle (H2)Hydrogen molecules (H 2 )
3232
CO2-ClusterCO 2 cluster
4040
Düsejet
5050
Ionenstrahlion beam
5151
Kohlenstoff-Ionen (C)Carbon ions (C)
5252
Sauerstoff-Ionen (O)Oxygen ions (O)
5353
Wasserstoff-Ionen (H)Hydrogen ions (H)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „Energy increase in multi-MeV ion acceleration in the interaction of a short pulse laser with a cluster-gas target”; Y. Fukuda, A. Ya. Faenov, M. Tampo, T. A. Pikuz, T. Nakamura, M. Kando, Y. Hayashi, A. Yogo, H. Sakaki, T. Kameshuma, A. S. Pirozhkov, K. Ogura, M. Mori, T. Zh. Esirkepov, J. Koga, A. S. Boldarev, V. A. Gasilov, A. I. Magunov, T. Yamauchi, R. Kodama, P. R. Bolton, Y. Kato, T. Tajima, H. Daido und S. V. Bulanov; Physical Review Letters, Bd. 103, S. 165002 (2009) [0009] "Energy increase in multi-motion acceleration in the interaction of a short-pulse laser with a cluster-gas target"; Y. Fukuda, A. Ya. Faenov, M. Tampo, TA Pikuz, T. Nakamura, M. Kando, Y. Hayashi, A. Yogo, H. Sakaki, T. Kameshuma, AS Pirozhkov, K. Ogura, M. Mori, T. Zh. Esirkepov, J. Koga, AS Boldarev, VA Gasilov, AI Magunov, T. Yamauchi, R. Kodama, PR Bolton, Y. Kato, T. Tajima, H. Daido and SV Bulanov; Physical Review Letters, Vol. 103, p. 165002 (2009) [0009]
  • „Increased laser-accelerated proton energies via direct laser-light-pressure acceleration of Electrons in Microcone Targets”; S. A. Gaillard, T. Kluge, K. A. Flippo, M. Bussmann, B. Gall, T. Lockard, M. Geissel, D. T. Offermann, M. Schollmeier, Y. Sentoku und T. E. Cowan; Physics of Plasmas, Bd. 18, S. 056710 (2011) [0009] "Increased laser-accelerated proton energy via direct laser-light-pressure acceleration of electrons into microcone targets"; SA Gaillard, T. Kluge, KA Flippo, M. Bussmann, B. Gall, T. Lockard, M. Geissel, DT Offermann, M. Schollmeier, Y. Sentoku, and TE Cowan; Physics of Plasmas, Vol. 18, p. 056710 (2011) [0009]

Claims (9)

Verfahren zur Ionenbeschleunigung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasgemisch aus einer 1. Gaskomponente, die vorwiegend aus Wasserstoff besteht, und einer 2. Gaskomponente durch eine Düse in ein Vakuum eingespritzt wird, wodurch ein aus den Molekülen der 2. Gaskomponente bestehender Cluster in die 1. Gaskomponente dispergiert, und dieser von der Düse aus säulenförmig ausgebildete Gascluster annähernd senkrecht zur Einspritzrichtung des Gasgemisches mit gepulstem Laserlicht bestrahlt wird, wodurch der Gascluster in den Plasmazustand überführt und die den Gascluster bildenden Atome ionisiert und beschleunigt werden, wobei für die Dichte des Clusters in dem Gascluster ein Bereich zwischen 2,0·108 und 2,0·1010 cm–3 gewählt wird und das gepulste Laserlicht von der Mittelachse des säulenförmig ausgebildeten Gasclusters aus in Emissionsrichtung des gepulsten Laserlichts auf eine Position zwischen 10 und 150% fokussiert wird (hierbei gilt der Öffnungsdurchmesser der Düse als 100%).A method for ion acceleration, characterized in that a gas mixture of a first gas component, which consists primarily of hydrogen, and a second gas component is injected through a nozzle into a vacuum, whereby a cluster consisting of the molecules of the second gas component in the 1 Gas component is dispersed, and this is irradiated from the nozzle columnar gas cluster approximately perpendicular to the injection direction of the gas mixture with pulsed laser light, whereby the gas cluster is transferred to the plasma state and the gas cluster forming atoms are ionized and accelerated, wherein the density of the cluster in the gas cluster is a range between 2.0 × 10 8 and 2.0 × 10 10 cm -3 is selected and the pulsed laser light is focused from the central axis of the columnar gas cluster in the emission direction of the pulsed laser light to a position between 10 and 150% (Here, the opening diameter of the nozzle applies as 100%). Verfahren zur Ionenbeschleunigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Einspitzung des Gasgemisches eine Dauer von 0,01 bis 10 ms gewählt wird, und dass der säulenförmige, entsprechend der Einspritzdauer ausgebildete Gascluster im Bereich von 10 bis 20% dieser Einspritzdauer ab Clusterbildung mit dem gepulsten Laserlicht bestrahlt wird.Method for ion acceleration according to claim 1, characterized in that for the Einspitzung of the gas mixture, a duration of 0.01 to 10 ms is selected, and that the columnar, formed according to the injection duration gas cluster in the range of 10 to 20% of this injection period from clustering with the pulsed laser light is irradiated. Verfahren zur Ionenbeschleunigung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 2. Gaskomponente aus CO2 besteht.Method for ion acceleration according to one of claims 1 and 2, characterized in that the second gas component consists of CO 2 . Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung, bei der ein Gascluster mit gepulstem Laserlicht bestrahlt und in den Plasmazustand überführt wird und die den Gascluster bildenden Atome ionisiert und beschleunigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung über eine Düse, durch die ein Gasgemisch aus einer 1. Gaskomponente, die vorwiegend aus Wasserstoff besteht, und einer 2. Gaskomponente in ein Vakuum eingespritzt wird, wodurch ein säulenförmiger Gascluster erzeugt wird, bei dem ein aus den Molekülen der 2. Gaskomponente bestehender Cluster in die 1. Gaskomponente dispergiert, eine Laserlichtquelle, die ein gepulstes Laserlicht erzeugt, und eine Fokussieroptik die das gepulste Laserlicht zur Bestrahlung des Gasclusters an einem vorweg eingestellten Fokuspunkt bündelt, verfügt, und dadurch gekennzeichnet, dass für die Dichte des Clusters in dem Gascluster ein Bereich zwischen 2,0·108 und 2,0·1010 cm–3 gewählt wird und der Fokus von der Mittelachse des säulenförmig ausgebildeten Gasclusters aus in Emissionsrichtung des gepulsten Laserlichts auf einer Position zwischen 10 und 150% liegt, wobei der Öffnungsdurchmesser der Düse als 100% gilt.Device for ion acceleration, in which a gas cluster is irradiated with pulsed laser light and transferred to the plasma state and the atoms forming the gas cluster are ionized and accelerated, characterized in that this device for ion acceleration via a nozzle, through which a gas mixture of a first gas component consisting primarily of hydrogen, and a second gas component is injected into a vacuum, thereby producing a columnar gas cluster in which a cluster consisting of the molecules of the second gas component disperses into the first gas component, a pulsed laser light source Laser light generated, and a focusing optics which bundles the pulsed laser light for irradiation of the gas cluster at a pre-set focus point has, and characterized in that the density of the cluster in the gas cluster, a range between 2.0 · 10 8 and 2.0 · 10 10 cm -3 is chosen and the focus of the Mittelac of the columnar gas cluster is in the emission direction of the pulsed laser light in a position between 10 and 150%, wherein the opening diameter of the nozzle is considered 100%. Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Einspitzung des Gasgemisches eine Dauer von 0,01 bis 10 ms gewählt wird, und dass der säulenförmige, entsprechend der Einspritzdauer ausgebildete Gascluster im Bereich von 10 bis 20% dieser Einspritzdauer ab Clusterbildung mit dem gepulsten Laserlicht bestrahlt wird.Device for ion acceleration according to claim 4, characterized in that for the Einspitzung of the gas mixture, a duration of 0.01 to 10 ms is selected, and that the columnar, formed according to the injection duration gas cluster in the range of 10 to 20% of this injection period from clustering with the pulsed laser light is irradiated. Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die 2. Gaskomponente aus CO2 besteht.Device for ion acceleration according to one of claims 4 and 5, characterized in that the second gas component consists of CO 2 . Ionenbestrahlungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass diese über einen Aufbau verfügt, in dem Materialien mit den durch eine Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 beschleunigten Ionen bestrahlt werden.Ion irradiation apparatus, characterized in that it has a structure in which materials are irradiated with the ions accelerated by an ion accelerating apparatus according to any one of claims 4 to 6. Medizinische Ionenbestrahlungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass diese über einen Aufbau verfügt, in dem erkrankte Körperpartien mit den durch eine Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 beschleunigten Ionen bestrahlt werden.Medical ion irradiation device, characterized in that it has a structure in which diseased body parts are irradiated with the accelerated by an apparatus for ion acceleration according to any one of claims 4 to 6 ions. Ionenbestrahlungsvorrichtung zur Kernspaltung, dadurch gekennzeichnet, dass diese über einen Aufbau verfügt, in dem Materialien mit den durch eine Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 beschleunigten Ionen bestrahlt werden.An ion irradiation apparatus for nuclear fission, characterized in that it has a structure in which materials are irradiated with the ions accelerated by an ion accelerating apparatus according to any one of claims 4 to 6.
DE201310010589 2012-07-24 2013-06-26 Acceleration of ions used in e.g. cancer therapy, involves injecting gaseous mixture containing gas component containing hydrogen by nozzle into vacuum, irradiating pulsed laser light to gaseous mixture, ionizing, and accelerating Withdrawn DE102013010589A1 (en)

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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7095196B2 (en) * 2016-03-16 2022-07-05 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 Ion acceleration method
CN107426911B (en) * 2016-05-23 2019-04-05 中国科学院物理研究所 A kind of electron accelerator equipment using cluster target
US10847340B2 (en) 2017-10-11 2020-11-24 HIL Applied Medical, Ltd. Systems and methods for directing an ion beam using electromagnets
JP6792732B2 (en) * 2020-03-04 2020-11-25 エイチアイエル アプライド メディカル,リミテッド Systems and methods for providing ion beams
JP6792731B2 (en) * 2020-03-04 2020-11-25 エイチアイエル アプライド メディカル,リミテッド Systems and methods for providing ion beams
CN113115508B (en) * 2021-04-07 2024-01-16 中国人民解放军国防科技大学 Space environment simulation system based on laser wake field acceleration

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6375790B1 (en) * 1999-07-19 2002-04-23 Epion Corporation Adaptive GCIB for smoothing surfaces
JP2012119065A (en) * 2010-11-29 2012-06-21 Japan Atomic Energy Agency Ion acceleration method, ion acceleration device, ion beam irradiation device and medical ion beam irradiation device

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Energy increase in multi-MeV ion acceleration in the interaction of a short pulse laser with a cluster-gas target"; Y. Fukuda, A. Ya. Faenov, M. Tampo, T. A. Pikuz, T. Nakamura, M. Kando, Y. Hayashi, A. Yogo, H. Sakaki, T. Kameshuma, A. S. Pirozhkov, K. Ogura, M. Mori, T. Zh. Esirkepov, J. Koga, A. S. Boldarev, V. A. Gasilov, A. I. Magunov, T. Yamauchi, R. Kodama, P. R. Bolton, Y. Kato, T. Tajima, H. Daido und S. V. Bulanov; Physical Review Letters, Bd. 103, S. 165002 (2009)
"Increased laser-accelerated proton energies via direct laser-light-pressure acceleration of Electrons in Microcone Targets"; S. A. Gaillard, T. Kluge, K. A. Flippo, M. Bussmann, B. Gall, T. Lockard, M. Geissel, D. T. Offermann, M. Schollmeier, Y. Sentoku und T. E. Cowan; Physics of Plasmas, Bd. 18, S. 056710 (2011)

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