Anordnung zum Richten einer ionisierenden Strahlung auf einen Teil eines zu bestrahlenden Objektes Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anord nung zum Richten einer ionisierenden Strahlung auf einen Teil eines zu bestrahlenden Objektes, bei der eine lineare Beschleunigungsvorrichtung für La dungsträger vorgesehen ist.
In der Technik der ionisierenden Strahlungen werden Beschleuniger grosser Dimensionen, wie bei spielsweise Van de Graef-Generatoren, Resonanz transformatoren und lineare Beschleuniger verwen det, um eine Strahlung hoher Energie zu erzeugen. Bei der Verwendung derartiger Maschinen tritt die Forderung auf, die Partikel hoher Energie und die durch Partikel hoher Energie erzeugten Strahlen aus verschiedenen Richtungen auf das zu bestrahlende Objekt zu richten. Die übliche Technik der Maschi nen hoher Energiebestrahlung besteht darin, dass der aus den Partikeln gebildete Strahl das zu bestrahlen de Objekt in der Vorwärtsrichtung trifft.
Diese Ma schinen sind dann sehr lang und können nicht leicht bewegt werden und erfordern daher ein grosses tra gendes Gerüst. Insbesondere erfordern diese Maschi nen beträchtlichen Platz in der Höhe, um eine von oben gerichtete Bestrahlung zu bewirken, und sie er fordern ferner beträchtlich viel Platz nach hinten, damit die Maschine aus der Entfernung in der Hori zontalrichtung eine Bestrahlung vornehmen kann. Eine solche Anordnung gestattet dann nicht in einfa- cher Weise, von der Seite Bestrahlungen in grosse hohle Anordnungen zu richten.
Weiterhin enthält der aus den Partikeln bestehen de Strahl, der die Beschleunigungsvorrichtung ver- lässt, Partikel verschiedener Energien, von denen eine grosse Anzahl in der gleichen Richtung oder auf einen kleinen Fleck gerichtet werden soll.
Bei be stimmten Bestrahlungsmaschinen, beispielsweise wie sie für therapeutische Zwecke verwendet werden, soll eine Änderung der Energie der in Form des Strahles aus der Maschine austretenden Partikel über eine lange Zeitperiode hinweg die endgültige Richtung der ionisierenden Strahlung nicht beeinflussen, damit nicht beträchtlicher Schaden dem Patienten zugeführt wird.
Bei :einer üblichen radiographischen Bestrahlungs lage ist es beispielsweise wichtig, dass. der Fleck der Partikel auf der Anode der Röntgenröhre so klein als möglich ist, damit man ein scharfes Röntgenbild erzielt. Bei einer Bestrahlungsanordnung, welche Röntgenstrahlen für therapeutische Zwecke erzeugt, ist es wesentlich, dass die Röntgenstrahlen sich gleichmässig über die zu bestrahlende Fläche vertei len, da geringe Änderungen der die Anode treffenden Partikel eine gefährliche Vergrösserung der Dosis in einem Teil der bestrahlten Fläche bewirken kann.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine An ordnung; welche die obengenannten Nachteile nicht aufweist. Dieses Ziel wird im wesentlichen dadurch erreicht, dass Mittel zum Ablenken des aus den La dungsträgern bestehenden Strahles um eine praktisch um 90 gegenüber der ursprünglichen Richtung un terschiedliche Richtung vorgesehen sind und die Be schleunigungsvorrichtung bewegbar ausgebildet ist, zum Zwecke, den aus den Ladungsträgern gebildeten Strahl in verschiedene Richtungen in bezug auf das zu bestrahlende Objekt zu bringen.
Beiliegende Zeichnung stellt einige Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes dar. Von den Figuren zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer radio graphischen Bestrahlungsanlage; Fig. 2 eine Darstellung der Anlage entsprechend den Schnittlinien 2-2 der Fig. 1; Fig.3 und Fig.4 weitere Abbildungen der in Fig. 1 dargestellten Anlage, wobei die Anlage so aus gebildet ist, dass Röntgenstrahlen auf verschiedene Stellen der Innenwandung eines Zylinderkörpers ge richtet werden; Fig. 5 eine teilweise gebrochene Darstellung des Bestrahlungskopfes einer radiographischen Bestrah lungsvorrichtung gemäss den Fig. 1 bis 4;
Fig. 6 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäs- sen für therapeutische Zwecke geeigneten Bestrah lungsanlage; Fig. 7 eine Vorderansicht der in Fig. 6 dargestell ten Anlage entsprechend der Linie 7-7; Fig. 8 eine Seitenansicht einer Ablenkvorrichtung für die Partikel, die in dem Apparatekopf einer Be strahlungsanordnung gemäss den Fig. 6 und 7 An wendung finden kann; Fig. 9 eine schematische Darstellung einer erfin- dungsgemässen Ablenkvorrichtung, durch die der aus den Partikeln bestehende Strahl um 90 in bezug auf seine ursprüngliche Richtung abgelenkt werden kann und auf einen kleinen Fleck fokussiert werden kann;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer wei teren Anordnung zum Ablenken des aus den Parti keln bestehenden Strahles um 90 in bezug auf die ursprüngliche Richtung; Fig. 11 einen Längsschnitt des in Fig. 10 gezeig ten aus Partikeln bestehenden Strahles entsprechend der Linie 11-l1, wobei die Betrachtungsrichtung durch die Pfeile wiedergegeben ist und der aus Elek tronen bestehende Strahl eine gerade Linie bildet; Fig.12 eine andere Ausführungsform der in Fig. 10 gezeigten Anordnung; Fig. 13 einen Querschnitt des in Fig. 12 gezeigten Strahles entsprechend der Linie 13-13, wobei der Elektronenstrahl in gerader Linie verlaufend ange nommen ist;
Fig. 14 eine schematische Darstellung einer ande ren Vorrichtung zum Ablenken des aus den Partikeln bestehenden Strahles, wobei auch diese Vorrichtung bei den erfindungsgemässen Bestrahlungsanordnun gen Anwendung finden kann; Fig. 15 einen Längsschnitt des in Fig. 14 gezeig ten aus Partikeln bestehenden Strahles, wobei in Fig. 14 die Schnittlinien und die Richtung durch die Linie 15-l5 und die Pfeile gekennzeichnet sind; Fig. 16 einen Längsschnitt des aus Partikeln und Röntgenstrahlen bestehenden in Fig.14 gezeigten Strahles, entsprechend der Linie l6-16 der Fig. 14.
Die in den Zeichnungen dargestellten und nach stehend erörterten Bestrahlungsvorrichtungen sind im wesentlichen dazu bestimmt, einen aus Elektronen bestehenden Strahl auf eine bestimmte Fläche oder ein zu bestrahlendes Objekt zu richten. Es können aber auch die in den Zeichnungen dargestellten Aus führungsbeispiele in gleicher Weise bei Bestrahlungs geräten verwendet werden, bei denen Objekte mit anderen Partikeln bestrahlt werden, beispielsweise mit Protonen oder Deuteronen. Elektronen und Pro tonen können zum Bombardieren einer Antikathode beschleunigt werden, so dass Neutronen erzeugt wer den. Ferner können die Bestrahlungsgeräte entweder mit pulsierenden oder mit kontinuierlichen Strahlen arbeiten.
Bei den Fig. 1 bis 5 ist ein Bestrahlungskopf 21 drehbar am Ende einer linearen Partikelbeschleuni- gervorrichtung 22 angeordnet. Ein solcher Beschleu niger zum Beschleunigen von Partikeln könnte ein Van de Graaff Generator oder ein mit einem Reso nanztransformator arbeitender Beschleuniger sein.
Der Partikelbeschleuniger 22 ist horizontal angeord net, wobei seine zugehörigen elektronischen Geräte in einem Gehäuse 23 am Ende des vertikal ein schiebbaren und drehbaren Trägers 24 angeordnet sind und das obere Ende des Trägers an einer Lauf katze 25 befestigt ist, welche in der Längsrichtung und in der Querrichtung des Raumes, in welchem der Beschleuniger 22 aufgestellt ist, verschiebbar ist.
Dadurch, dass der Bestrahlungskopf drehbar am Ende der horizontal angeordneten Beschleunigungs vorrichtung vorgesehen ist, kann der Strahl zur Be strahlung im wesentlichen überall hin innerhalb des den Beschleuniger 22 enthaltenden Raumes gerichtet werden. Wenn daher der Bestrahlungskopf 21 ein Röngtenstrahlenbündel erzeugt, wie es für die Zwek- ke der industriellen Radiographie zur Anwendung gelangt, so kann die die Röntgenstrahlen erzeugende Quelle bei dieser Anordnung näher dem Boden, der Decke oder den Wänden des Raumes gebracht wer den.
Es kann ferner, wie die Fig. 3 und 4 zeigen, der Bestrahlungskopf 21 in einen Hohlzylinder einge bracht werden und es kann eine Radiographie von innen her dadurch durchgeführt werden, dass der Be strahlungskopf 21 um die horizontale Achse des Be schleunigers 22 gedreht wird.
In Fig. 5 ist der Kopfteil 21 eines für industrielle radiographische Zwecke geeigneten Gerätes darge stellt, wobei der Kopfteil aus einem ersten und einem zweiten ablenkenden Magneten 26 und 27 besteht, welche dem Zwecke dienen, den Kathodenstrahl 28, der aus dem Beschleuniger 22 austritt, zunächst um einen kleinen Winkel abzulenken und dann den aus den Partikeln bestehenden Strahl zur Achse des Be schleunigers hin abzulenken, so dass er die Beschleu- nigerachse im wesentlichen rechtwinklig schneidet. Die Anordnung, welche in dieser Weise den aus den Partikeln bestehenden Strahl ablenkt und ihn auf einen kleinen Fleck fokussiert, obwohl der Strahl aus Partikeln verschiedener Energien besteht, wird nach stehend im Zusammenhang mit Fig. 9 erörtert.
An der Stelle, an der der aus den abgelenkten Partikeln bestehende Strahl die Achse des Beschleunigers schneidet, ist eine Röntgenstrahlenanode 28' ange ordnet, beispielsweise kann dieselbe aus einem durch einen Motor zum Drehen gebrachten Stab 29 beste hen, so dass infolge derDrehung derRöntgenstrahlen- anode 28' sich eine hohe Lebensdauer der Anord nung ergibt.
Die Röntgenstrahlen, die von der Anode 28' ausgehen, durchsetzen eine Vorrichtung 31, wel che das Strahlenbündel gleichmässiger macht und beispielsweise aus einem Aluminiumkörper besteht, der in der Mitte eine grössere Dicke als an den Rän dern hat und auf diese Weise die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Strahelnbündels gleichmässig macht. Das Röntgenstrahlenbündel wird durch einen beispielsweise aus Blei bestehenden Kollimator 32 begrenzt und der übrige Raum um den zweiten Ab lenkmagneten und die Röntgenstrahlenanode 28' herum wird durch eine Bleiabschirmung 33 abge schirmt, so dass weitere Strahlung als durch den Kol limator 32 nicht austreten kann.
In den Fig. 6 bis 8 ist eine den Zwecken der The rapie- dienende Anlage beschrieben. Ein Bestrah lungskopf 41 ist am Ende der horizontalen Beschleu nigeranordnung 43 vorgesehen, wobei die Beschleu nigervorrichtung durch eine kranähnliche Anordnung 43 mit Gegengewicht drehbar um die Horizontalach se 55 angeordnet ist; die Horizontalachse durchsetzt den Punkt 40, der sich an der zu bestrahlenden Stelle des Patienten befindet. Die Röntgenstrahlung wird senkrecht auf den Punkt 40 gerichtet, der, auf der Achse des kranartigen Traggestelles liegt und es kann, ohne dass viel Platz oberhalb der Bestrah lungsstelle erforderlich ist, die Anordnung vollständig um den Punkt 40 rotieren. Eine derartige Anordnung passt in einen Raum von nur 51/2 bis 6 m Höhe.
Der Patient wird auf das Behandlungsbett 44 mit der zu bestrahlenden kranken Stelle im Punkt 40 ge legt. Das Lagerbett ist vertikal verschiebbar an einem Pfosten 44' angeordnet, der im Abstand von der Ver tikalachse- 56 liegt, die den Punkt 40 durchsetzt, so dass der Bestrahlungskopf 41 unterhalb des Punktes 40 vorbeigeführt werden kann. Der Pfosten 44' ist auf einer horizontalen Fussplatte 45 angeordnet, wel che um eine den Punkt 40 durchsetzende Vertikal- achle 56 gedreht werden kann. Auf diese Weise kann die kranähnliche Tragvorrichtung um 360 in einer Vertikalebene rotieren, welche den Punkt 40 durchsetzt und der Patient kann in der Horizontal ebene fast um 360 gedreht werden, so dass praktisch von jeder Richtung her die erkrankte Stelle bestrahlt werden kann.
Es ist offensichtlich, dass anstelle des Lagerbettes 44 auch ein Sessel verwendet werden kann.
Der Bestrahlungsknopf 41 enthält eine Magneten anordnung, die in den Fig. 10 bis 13 dargestellt ist. wobei der die Beschleunigeranordnung 42 verlassen de aus Elektronen bestehende Strahl 46 im wesentli chen um 270 umgelenkt wird und auf die die Anode bzw. Antikathode 47 bildende Fläche gerichtet wird. Die von dieser Fläche ausgehende Röntgenstrahlung wird auf einen kleinen räumlichen Winkel durch die Kollimatoranordnung 48 beschränkt und dann zu sätzlich auf die gewünschte Fleckgrösse durch zwei Paar beweglicher Blendenbacken 49 begrenzt. Es kann auch ein Licht 51 auf die zu bestrahlende Flä che durch einen im Weg der Röntgenstrahlen liegen den Spiegel 52 gerichtet werden. Es folgt dann das Licht 51 dem Strahlengang der Röntgenstrahlen.
Ein Keil 53 kann in den Weg der Röntgenstrahlen ge- bracht werden, wenn der Patient auf der einen Seite liegt, so dass die Intensität der Röntgenstrahlung auf der erkrankten Stelle im wesentlichen gleichmässig ist, obwohl die Röntgenstrahlen zum Teil eine grös- sere Entfernung in dem Gewebe zu durchsetzen haben.
In Fig. 9 ist gezeigt, wie die die Beschleunigeran ordnung verlassenden Ladungsträger, die eine Ener giestreuung von etwa 10 0/o haben, um einen geringen Winkel von der Achse der Beschleunigervorrichtung abgelenkt werden, indem sie die Polstücke eines er sten Ablenkungsmagneten 26 durchsetzen und dann zur Achse der die Partikel beschleunigenden Vor richtung zurückgelenkt werden, nachdem sie die Pol stücke eines zweiten Magneten 27 durchsetzt haben. Auf diese Weise wird der Strahl der Ladungsträger fokussiert, so dass er die Achse der Beschleuniger- vorrichtung unter einem rechten Winkel schneidet und auf einen kleinen Fleck konzentriert ist.
Die Ab lenkung in dem ersten Ablenkungsmagnten 26 be wirkt eine Divergenz der Strahlen verschiedener Energie und bewirkt ferner, dass die Strahlen gleicher Energie horizontal konvergieren. Der zweite Ablen kungsmagnet 27 lenkt die Strahlen in umgekehrter Richtung ab und bewirkt, dass Strahlen verschiede ner Energien in der Horizontalebene auf einen klei nen Fleck zusammengezogen werden.
Die Lage des Energiefokussierungspunktes ist im wesentlichen bestimmt durch den Eintrittswinkel in den zweiten Ablenkmagneten 27. Die Lage des hori zontalen Fokussierungspunktes kann dadurch verän dert werden, dass die Eintrittswinkel oder die Aus trittswinkel oder der Krümmungsradius des ersten Ablenkungsmagneten 26 geändert wird. Durch geeig nete Abstimmung der Parameter aufeinander können die beiden Fokussierungspunkte zum Zusammenfal len gebracht werden.
Die Lage des vertikalen Fokus- sierungspunktes kann dadurch geändert werden, dass das Verhältnis der Spaltradien des zweiten Magneten geändert wird, wodurch die Ablenkung in den ma gnetischen Randfeldern beeinflusst wird.
Indem man in geeigneter Weise den vertikalen Fokussierungs- punkt verschiebt, kann er zum Zusammenfallen mit den beiden anderen Fokussierungspunkten gebracht werden, so dass ein sehr kleiner die Röntgenstrahlung erzeugender Brennfleck entsteht.
Radiographische Anwendungen erfordern sehr kleine Elektronen- brennflecke, damit eine punktförmige Röntgenstrah- lenquelle entsteht und man eine scharfe Abbildung an dem Röntgenfilm um die bestrahlte Stelle herum er hält. Dadurch, dass zwei Ablenkungsmagneten 26 und 27 verwendet werden, ist es möglich, Elektronen von 10 MeV und einer Energiestreuung von 10 0/o, die ursprünglich einen Strahl von 5 mm Durchmesser bildeten, auf 1 mm Durchmesser des Brennfleckes zu konzentrieren.
Dabei liegt der Elektronenbrennfleck auf der Ro tationsachse des Bestrahlungskopfes. Wenn auf diese Weise, wie die Fig. 3 und 4 zeigen, ein Zylinder von der Innenseite her bestrahlt wird, wobei ein Röntgen- film an der Aussenseite des Zylinders vorgesehen ist, so ist die Röntgenstrahlenquelle, welche eine Be strahlung über 360 bewirkt, der Punkt auf der Rota tionsachse des Bestrahlungskopfes.
In den Fig. 10 und 11 sind Vertikal- und Hori zontalschnitte durch den aus den Partikeln bestehen den Strahl gezeigt, wobei der Strahl im wesentlichen um 270 abgelenkt wird, nachdem er die Polstücke des Ablenkungsmagneten 50 durchsetzt hat. Der aus dem Ablenkungsmagneten 50 austretende Strahl ist ein im wesentlichen paralleles Strahlenbündel, wobei der austretende Strahl einen etwas grösseren Quer schnitt als der eintretende Strahl hat.
Die Fokussie- rungseigenschaften in der Vertikalebene können da durch beeinflusst werden, dass der Luftspalt geändert wird und dadurch die Randfelder beeinflusst werden.
Es kann auch wie in den Fig. 12 und 13 gezeigt der Strahl um einen im wesentlichen 270 betragen den Winkel abgelenkt werden und in einiger Entfer nung von dem Magneten ein Brennpunkt erzeugt werden, in dem der Ablenkungsmagnet 50' dem zuvor erörterten Magneten 50 ähnlich ist, jedoch eine in geringem Masse konkave Eintrittspolfläche hat. Mit einer solchen Anordnung wird der Kathoden strahl auf einen kleineren Fleck konzentriert und die von den Elektronen zu treffende Stelle kann, wie ge wünscht, auf der Achse der Beschleunigervorrichtung liegen.
Bei Therapiegeräten, bei denen ein Kathoden strahl auf eine Fläche gerichtet wird, um Röntgen strahlen zur Bestrahlung einer erkrankten Stelle her vorzurufen, ist es besonders wichtig, dass bei gerin gen Schwankungen in der Energie der Strahlung der aus den Ladungsträgern bestehende Strahl senkrecht auf die die Röntgenstrahlen erzeugende Fläche auf tritt, da sonst eine grössere Bestrahlungsdosis auf eine Stelle des Erkrankungsherdes fällt als auf eine andere. Es wird eine Magnetenanordnung verwendet, bei der geringe ,Änderungen der Energie des die Be schleunigervorrichtung verlassenden Strahles keine wesentliche Änderung der Achsrichtung des von der von den Ladungsträgern beaufschlagten Stelle ausge henden Röntgenstrahlenbündels zur Folge hat.
Bei den Magnetenanordnungen gemäss den Fig. 10 bis 13 haben Ladungsträger höherer Energie einen längeren Weg zwischen den ablenkenden Ma gneten 50 und werden daher im wesentlichen um den gleichen Winkel abgelenkt, wie die Ladungsträger geringerer Energie. Auf diese Weise treffen die Strahlen aller Energien die Ausgangsstelle der Rönt genstrahlung im wesentlichen rechtwinklig und es bleibt daher die Achse des Röntgenstrahlenbündels senkrecht auf die Fläche gerichtet und direkt so ge richtet, dass sie auf die zu bestrahlende Stelle des Pa tienten fällt.
Es ist auf diese Weise ausgeschlossen, dass eine Änderung der Energie der Ladungsträger eine grössere Bestrahlungsdosis an irgendeiner Stelle der zu bestrahlenden Fläche bewirkt.
In den Fig. 14 bis 16 ist eine weitere Ausfüh rungsform der Erfindung gezeigt, wobei entweder der aus den Ladungsträgern bestehende Strahl um 90 in bezug auf die Achse der Beschleunigervorrichtung abgelenkt und auf das zu bestrahlende Objekt gerich tet werden kann oder auf eine Fläche gerichtet wer den kann, an der Röntgenstrahlen erzeugt werden, die dann auf das zu bestrahlende Objekt gerichtet werden.
Für direkte Bestrahlung geht der aus den La dungsträgern bestehende Strahl 60, der die Beschleu nigungsvorrichtung verlässt, durch die Polstücke des ablenkenden Magneten 61, welcher die Ladungsträ ger von der Achse der Beschleunigervorrichtung ab lenkt. Die Ladungsträger durchsetzen dann die Pol stücke eines zweiten ablenkenden Magneten 62. Zwi schen den Polstücken 62 des zweiten Ablenkungsma gneten durchsetzen die Ladungsträger höherer Ener gie einen grösseren Weg und werden daher einem stärkeren Magnetfeld unterworfen, so dass sie im we sentlichen um den gleichen Winkel abgelenkt werden, wie die Ladungsträger geringerer Energie. Nach dem Austreten aus den Polstücken 62 des zweiten Ablen kungsmagneten divergiert das Strahlenbündel etwas, so dass eine Bestrahlung eines breiten Objektes statt finden kann.
Fig. 15 zeigt eine Draufsicht auf den aus dem La dungsträger bestehenden Strahl zwischen den Ma gneten 62 und 63.
Wenn Röntgenstrahlen mit der Anordnung ge- mäss Fig. 14 erzeugt werden sollen, wird der Elektro magnet 61 abgeschaltet und die Ladungsträger 60 verlaufen längs der Achse der Beschleunigervorrich- tung bis sie in den Spalt zwischen den Polstücken des zweiten Ablenkungsmagneten 62 eintreten. Wenn die Eintrittsfläche des Magneten 62 senkrecht zu dem Strahl 60 der Ladungsträger ist, so ergeben sich hori zontale Brennpunkte in einer Ebene, die die Erzeu gungsfläche 63 der Röntgenstrahlen enthält. Diese Fläche liegt ungefähr unter 45 sowohl zu der Ein tritts- als auch zu der Austrittsrichtung.
Die aus Par tikeln geringerer Energie bestehenden Strahlen wer den um 90 auf einem kürzeren Radius abgelenkt und die Strahlen, die aus Partikeln höherer Energie bestehen, werden um 90 auf einem grösseren Krüm- mungsradius abgelenkt. Die Strahlen ausserordentlich geringer Energie gehen an der Fläche vorbei und werden in einer abgeschirmten becherförmigen Elek trode gesammelt. Auf diese Weise liegt die Achse des Röntgenstrahlenbündels stets in der gleichen Rich tung, auch wenn die Energie der Anlage schwankt; es erzeugt daher eine Schwankung der Energie der Elektronen keine Asymmetrie in dem Röntgenstrah- lenfeld.
Die Eintrittsfläche des Magneten 62 kann gege benenfalls etwas schräg sein, so dass eine geringe Konvergenz in vertikaler Richtung sich in dem durch die Ladungsträger gebildeten und auf die Erzeu gungsfläche der Röntgenstrahlen fallenden Strahl er gibt, wodurch eine geringe Vergrösserung des Strah les in horizontaler Richtung sich einstellt. Fig. 16 zeigt eine Ansicht des aus den Ladungsträgern beste- henden Strahles, wenn die Polstücke des Magneten 62 etwas abgeschrägt sind, so dass sich eine geringe Konvergenz in vertikaler Richtung ergibt. In diesem Fall divergieren auch die Kathodenstrahlen nach Durchsetzen der Magnetenanordnung 63 nicht so stark.