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
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Abstract
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
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
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
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.
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) "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) "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
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]
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[Ausführungsformen der Erfindung]Embodiments of the Invention
Im Folgenden soll eine Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
Von einer Laserlichtquelle wird Laserlicht (gepulstes Laserlicht)
Die Düse
Wie im rechten Teil von
Der zeitliche Verlauf des Öffnens (EIN) und Schließens (AUS) der Düse
Hierbei wird die Erzeugung des Gasclusters
Die Einschaltdauer der Düse
Durch diesen Aufbau werden, wie in Nichtpatentdokument 1 beschrieben, sowohl H2-Moleküle
Die Erfinder haben die Umstände bei der Bestrahlung dieses Gasclusters
Im Folgenden sollen die Ergebnisse von Versuchen erläutert werden, bei denen unter Verwendung dieser Vorrichtung zur Ionenbeschleunigung
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
[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
Gleichzeitig wurde die Entstehungswahrscheinlichkeit von Elektronen mit hoher Energie (Elektronen mit Energien von mindestens 12,2 MeV) pro Bestrahlung mit Laserlicht
Die Ergebnisse der genannten Messungen sind in
Die Entstehungswahrscheinlichkeit von Elektronen mit hoher Energie ist von der Mitte der Düse
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
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
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
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
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
Die Tatsache, dass in Emissionsrichtung des Laserlichts
Die vorangegangene Diskussion bezog sich auf die räumlichen Beschränkungen bei der Bestrahlung mit Laserlicht
Die Erzeugungsdauer des Gasclusters
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
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)
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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]
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"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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