CN101023715A - 用离子束进行放射治疗的粒子加速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用离子束(150)进行放射治疗的粒子加速器。该粒子加速器包括六重同步加速器环(100)，其具有六个直线离子束段(1至6)和六个曲形离子束段(7至12)。用于将直线加速离子束引入同步加速器环(100)的射入装置(43)布置在六个直线离子束段(1至6)的直线离子束段(1)中。沿着第二直线离子束段(5)的路线，存在至少一个用于离子束的加速装置(44)。用于将几个循环之后高速加速的离子束引出的引出装置(45)设置在第三直线离子束段(4)中。每个曲形离子束段(7至12)包括一对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)。水平散焦的四极磁体(31至36)布置在每对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)之间；以及水平聚焦的四极磁体(25至30)在直线离子束段(1至6)中布置在每对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)的上游。

Description

用离子束进行放射治疗的粒子加速器
本发明涉及用离子束进行放射治疗的粒子加速器。这种粒子加速器可以参见文献DE10010523C2，粒子加速器的部件包括将不同材料电离的不同离子源、用于选择离子的质谱仪、用于对离子进行直线预加速的加速器以及用于将离子射入六重同步加速器环的射入装置。六重同步加速器环用于对离子进行进一步高速加速。此外，公知的粒子加速器包括引出装置，其用于将高速加速的离子从同步加速器环分离到带有偏转磁体的离子束引导段中，从而到达患者的相应放射部位。
在利用离子束进行放射治疗的粒子加速器中用于对离子束进行高速加速的主要部件是同步加速器环，其中通过同步加速器环中与加速循环一致的多个受控循环，提供具有这样能量的离子，即，正好足以破坏预定深度处患病组织的体积元，而不损坏上方的健康覆盖组织。因此，与回旋加速器相反，在同步加速器中各个循环之间产生的是不同的放射剂量，每个放射剂量只具有到达不同预定深度所需的放射能量。在回旋加速器中，不管真正的需要，在各个循环中总是一直产生最大的预定放射能量，因为每次所需的放射能量是在加速之后通过在适当厚度的吸收器中进行减速来进行调节的，因此这增加了环境的放射负荷。在该过程中，只有一小部分加速粒子束可以用于放射治疗，这违背了环境保护准则。
上述文献中公开的六重同步加速器环具有六个直线离子束段和六个曲形离子束段，其在第一直线离子束段中包括用于将直线加速的离子束引入同步加速器环的射入装置，并且在第二直线离子束段路线中具有至少一个离子束加速装置，在第三直线离子束段处，在几个循环之后的循环分离的末尾，利用引出装置将调节了剂量的高速加速离子束引入离子束引导段中。除上述部件之外，在公知的同步加速器环中有三个缓冲磁体布置在直线离子束段中，在将离子射入同步加速器环之后，所述缓冲磁体在多个循环中使离子束居中，一个缓冲磁体布置在其中还布置有射入装置的直线离子束段中。
因此，在公知的六重同步加速器环中，在每个曲形离子束段中布置有细长实心的重量以吨计的偶极磁体，偶极磁体具有H型结构的线圈和极靴，用于将离子束水平偏转60°，为了水平稳定离子束，水平聚焦的四极磁体和水平散焦的四极磁体顺序布置在离子束进入偶极磁体孔径的入口上游。
公知的具有同步加速器环的粒子加速器的一个缺陷在于，离子束通过偶极磁体到达下一个直线离子束段必须经历较长的距离。这需要较大的孔径。这与偶极磁体的使用不利地联系在一起，偶极磁体因为需要较大的电脉冲功率而在材料方面较为复杂，这增加了磁体和磁体电源的投资成本以及运行成本。除此之外，对于细长实心的重量以吨计的偶极磁体所固定布置的基座还存在严格的技术要求，这对建造和投资成本造成压力。最后，还存在维护和修理方面的问题，因为需要与待移动的物体质量相称的沉重的抬升和运输设备，这增加了运行成本。此外，大尺寸的偶极磁体还导致需要不利地使用至少两个切隔磁体作为引出装置，直线离子束段中的切隔磁体能够在引出过程中引导离子束经过偶极磁体并且引出同步加速器环。
采用可以在各个脉冲之间进行调节的离子束的能量进行动态光栅扫描方法的概念对于利用离子束进行放射治疗证明是成功的。用于这种形式的放射技术的最佳类型的加速器是同步加速器。在GSI Darmstadt，重离子同步加速器SIS多年来已经成功用于利用离子束进行放射治疗的开发。在海德堡大学医院(UniversityHospital in Heidelberg)，目前正在建造具有小型同步加速器的新型加速器系统，用于利用离子束进行放射治疗的医疗应用中，这可以参见下列文献：海德堡医院进行癌症治疗的专用离子束设备(The Proposed Dedicated Ion Beam Facility for Cancer Therapy atthe Clinic in Heidelberg)，EPAC 2000。
重离子同步加速器SIS是更大型的加速系统，其根据不同的技术概念而设计。然而，Heidelberg的加速器系统配备有上述六重同步加速器，这就涉及到与偶极磁体和相关部件(例如四极磁体、缓冲磁体和切隔磁体)相关的以及与投资、建造和运行成本相关的上述缺陷。
本发明基于利用离子束进行放射治疗并且克服现有技术缺陷的粒子加速器的制造的技术问题，并且提供一种利用离子束进行放射治疗的粒子加速器，该粒子加速器在完全电子控制下可靠地提供精确的离子束，从而利用离子束进行放射治疗。
该问题由独立权利要求1的主题解决。根据从属权利要求可以很清楚本发明的有利改进。
因此，根据本发明，提供了一种利用离子束进行放射治疗的粒子加速器，其中粒子加速器包括同步加速器环(100)，其具有直线离子束段(1至6)、曲形离子束段(7至12)、射入装置(43)、引出装置(45)以及至少一个加速装置(44)，其中，
-至少一个曲形离子束段(7至12)包括一对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)；
-水平散焦的四极磁体(31至36)分别布置在成对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)之间；
-水平聚焦的四极磁体(25至30)布置在每对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)的上游。
此外，根据本发明，提供了一种利用离子束进行放射治疗的粒子加速器，其中粒子加速器包括同步加速器环，其具有多个直线离子束段和多个曲形离子束段。用于将直线加速离子束引入同步加速器环的射入装置布置在所述多个直线离子束段的一个直线离子束段中。沿着另一个直线离子束段的路线，存在至少一个用于离子束的加速装置。用于将几个循环之后高速加速的离子束引出的引出装置设置在又一个直线离子束段中。所述多个曲形离子束段中至少一个包括一对偶极磁体，水平散焦的四极磁体布置在成对偶极磁体之间，聚焦的四极磁体布置在成对偶极磁体的上游。
该粒子加速器的优点在于长的曲形离子束段在包括两个偶极磁体的成对偶极磁体之间共用，其通过具有H型结构的线圈和极靴的细长而实心的重量以吨计的偶极磁体预先形成。因为离子束在偶极磁体对的各个偶极磁体中的行进长度变短，因此有利的是，可以大大减小孔径，并因此使得偶极磁体重量更轻，并且为其提供改进的线圈和极靴构造。另外，根据本发明的偶极磁体对的布置提供了将水平散焦的四极磁体布置在成对偶极磁体之间的有利机会，这进一步降低对于孔径和四极磁体强度的需求。成对偶极磁体中的偶极磁体优选彼此前后地紧密布置在曲形离子束段中，使得正好一个散焦四极磁体可以布置在成对偶极磁体的偶极磁体之间。
偶极磁体对优选具有包括窗框磁体类型和H磁体类型组合(也可以称为WF/H类型)的线圈结构。因为缩短轨迹长度并且缩小孔径，可以实现该有利的磁体类型，并且该磁体类型允许使用这样的偶极磁体，即具有小得多的横截面以及相应更小的重量，并且大大降低对于电脉冲功率的需求。
此外，在本发明的优选实施例中，缓冲磁体以这样的方式布置在用于射入装置的直线离子束段外部，在六个直线离子束段中的另外三个段中，即一个缓冲磁体布置在射入装置下游并且至少一个缓冲磁体布置在射入装置上游。该实施例具有如下优点，即不会使用于射入装置的直线离子束段超负荷，使得可以使用六个短的直线离子束段，这对于同步加速器环的总体尺寸具有有利效果。
此外，意图通过调节两个缓冲磁体使离子射入之后的离子束可以居中，从而进一步降低投资成本。
为了在有限数量的循环中射入离子束，缓冲磁体优选具有主体连接器和控制单元，其为了控制减小激发电流，提供在末尾变为平缓路线的非线性斜线。在有利的方式中，通过为缓冲磁体的磁场提供非线性(例如，抛物)斜线，该斜线初始具有较大的降幅，在斜线C的末尾变为平缓路线，并且通过以至多三个缓冲磁体代替具有四个缓冲磁体的公知布置在可靠而准确地实现轨迹位移，而在结构紧凑的射入段中不需要缓冲磁体，用于同步加速器的射入装置于是具有更可靠的所谓多转射入的构造。
而且，在另一个优选实施例中，为静电射入切割器实现最佳几何形状，其中离子束入口位于孔径的中心，并且离子束出口位于切割器的内电极处，并且通过调节参数，即静电射入切割器处的偏转电压和离子束入口处离子束射入射入切割器的入射角，实现离子束的准确设置，这是因为如下事实，即射入装置包括静电射入切割器，其曲形静电偏转具有比预加速的射入偏转的离子束的轨迹半径更大的半径。
在本发明的另一个优选实施例中，引出装置用于激发非线性共振，以准确调节分界线以及相应地引出离子束的射出角度，作为可以以电子方式准确控制的引出装置，引出装置包括六个单独可调的六极磁体和偶极磁体对，所述六极磁体位于每个曲形离子束段的上游。另外，用于共振引出的各个六极磁体的激发电流是可调节的，六极磁体与作为引出离子束的引出装置之一的固定静电引出切割器操作性连接。此外，静电引出切割器以及代替两个切隔磁体的仅仅一个用于离子束偏转的切隔磁体，以及同步加速器中的偏转磁体和四极磁体的优化技术设计最可靠地确保引出角度。
粒子加速器优选包括至少一个用于产生碳离子束脉冲的激光离子源作为一个离子源。采用这种离子源，可以产生优选包括充电态q＝4(C4+离子)的碳离子的离子束。该激光离子源具有优于其它离子源的优点：
(a)在脉冲宽度为20至30μs的短离子束脉冲中超过1×1010C4+离子的高离子束强度；
(b)长工作寿命，可以工作多个星期而无需维修；
(c)高可靠性，可以工作数年；以及
(d)有利的投资和运行成本。
在本发明的另一个优选实施例中，粒子加速器包括具有作为射入直线加速器的IH段模块的直线加速器以及IH段模块之间的真空系统外部的四极透镜模块。这种直线加速器具有优于直线预加速器的公知加速腔的如下优点：
(a)直线加速器的用于每个所谓IH段的三个1.5m至2m长的短加速段具有模块化结构；
(b)与迄今为止通常为1MW至2MW常见性能的系统相比，该高频系统的模块化结构具有最高达180kW HF输出的HF发生器，相应地简化结构；
(c)技术上更简单，更利于维修，例如通过在对称平面中机械分隔四极磁轭而在真空系统外部于加速段之间安装四极透镜。
(d)高可靠性，可以工作数年；以及
(e)有利的投资和运行成本。
此外，在放射部位与六重同步加速器环之间设置有离子束引导系统，该系统的特征在于在同步加速器环紧邻后面配备有水平分散补偿，并且通过竖直偏转分配到不同放射部位。因此有利地实现放射部位处离子束位置的高度稳定性，其中，通过竖直偏转，可以以不同入射角α(0°≤α≤90°)提供多个放射部位，0°为水平入射角α，90°为从上方垂直入射的入射角α。
下面将参考附图对本发明进行更详细的说明。
图1示意性显示本发明一个实施例中粒子加速器的六重同步加速器环的平面图；
图2示意性显示通过根据图1所示六重同步加速器环的一对偶极磁体中一个偶极磁体的局部横截面；
图3示意性显示通过根据图1所示六重同步加速器环的四极磁体的局部横截面；
图4示意性显示根据图1所示同步加速器环中的水平和竖直离子束半径(离子束包迹)的示意图；
图5显示静电射入切割器的平面示意图；
图6示意性显示在离子束路径中的三个缓冲磁体的影响下根据图1所示同步加速器环中离子束的轨迹位移的示意图；
图7示意性显示离子束的各个循环中由缓冲磁体引发的径向接受角以及缓冲磁体磁场的抛物斜线；
图8示意性显示具有引出支路的六重同步加速器环的一段的平面图；
图9示意性显示通过六个单独可调的六极磁体引出的离子束的射出方向的示意图；
图10示意性显示通过六个单独可调的六极磁体引出的离子束的多个不同射出方向的示意图；
图11示意性显示在引出装置的区域中同步加速器环中的离子束偏转的示意图；
图12示意性显示本发明一个实施例中的粒子加速器的平面图，该粒子加速器具有离子源、射入直线加速器、六重同步加速器环以及引出支路；
图13示意性显示离子源的基本构造；
图14示意性显示射入直线加速器的基本构造；
图15示意性显示用于多个放射部位的离子束引导系统的侧视图。
图1示意性显示本发明一个实施例中粒子加速器的六重同步加速器环100的平面图。六重同步加速器环100为此具有六个直线离子束段1至6以及六个曲形离子束段7至12。射入装置43用于将直线加速的离子束150射入同步加速器环100，该射入装置布置在六个直线离子束段1至6的第一直线离子束段1中。沿着第二直线离子束段5的路线存在至少一个用于离子束150的加速装置44。引出装置45用于将沿着离子束方向151经过几个循环进行径向加速的离子束引出，该引出装置设置在第三直线离子束段4中。
另外，每个曲形离子束段7至12包括一对偶极磁体13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24。水平散焦的四极磁体31至36分别布置在成对偶极磁体13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24的两个偶极磁体之间。另外，水平聚焦的四极磁体25至30布置在每对偶极磁体13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24的上游。同步加速器环因此具有作为偏转磁体46的偶极磁体13至24以及四极磁体25至36的最佳布置。在该布置中，作为曲形离子束段7至12的六个超周期中的作为偏转磁体的成对偶极磁体13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24以及结构F(聚焦磁体47)中的四极磁体，D(散焦磁体48)以及BM(偏转磁体46)与六个自由直线离子束段1至6交替。
具有设计为窗框和H磁体组合的12个轻质偶极磁体13至24的优化磁体系统如此用于同步加速器环中。该磁体系统具有优于其它设计的下列优点：
(a)与现有技术中磁体重量超过210t相比，全部磁体的总重量降低至例如小于100t，现有技术对于射入和引出离子束能量的系统具有相当大的侧约束；
(b)单个磁体的最大磁体重量至多为5t，对于偏转磁体对，至多为10t，因此与现有技术中单个偏转磁体对的重量超过25t相比，安装和拆卸简单，随之明显降低重量和成本；
(c)与单个偏转磁体相比，因为现在可以为偏转磁体对采用更小的孔径，因此大大降低磁体电源所需的脉冲功率，并因此对于粒子加速器的构建和运行需要更低的成本。
通过如下面图中所示为偶极磁体13至24和四极磁体25至36使用修改的磁体设计，并且如图1所示为十二个偶极磁体13至24和十二个四极磁体25至36选择不同的磁体布置而获得这些优点。
图2示意性显示通过根据图1所示六重同步加速器环的一对偶极磁体13/14(即，偏转磁体对)的一个偶极磁体13的局部横截面，仅仅显示偶极磁体13的侧向颠倒的半部50。作为示例以毫米为单位显示尺寸。由极靴包围的椭圆形孔径轮廓54和磁体线圈结构49是该窗框和H磁体类型的组合的特征，该组合仅仅可以通过发明性地缩短同步加速器环的每个偶极磁体的曲形离子束段而获得。关于同步加速器环水平方向上所需的磁体孔径ax和竖直方向上所需的ay，偶极磁体13的最佳结构通过偏转磁体和四极磁体的发明性优化技术设计而实现。
图3示意性显示通过根据图1所示六重同步加速器环100的四极磁体25的局部横截面。这里，图3只以横截面显示四极磁体的四分之一部分56。作为示例以毫米为单位显示尺寸。该示意性横截面显示具有矩形轮廓并因此具有较小总体宽度的四极磁体25的构造。磁性线圈结构49和极靴结构55与图2所示偶极磁体13的构造不同，并且在重量以及储存能量和同步加速器环的运行能耗方面得到优化。
图4示意性显示以曲形A表示的x方向的水平离子束半径以及以曲形B表示的y方向的竖直离子束半径，每条曲线在图中纵坐标上以毫米为单位绘制。与前面视图中的部件功能相同的部件以相同的参考标记表示并且不再单独进行讨论。同步加速器环中以毫米为单位的轨迹长度b沿着图中横坐标表示。与公知的同步加速器环所具有的相当大的侧约束相比，以毫米为单位的x方向和y方向的离子束偏转明显更小，因此采用本发明可以有利地获得较小的孔径尺寸ax和ay，如图2所示。
图5显示静电射入切割器157的平面示意图，该射入切割器属于用于同步加速器环的根据本发明的射入系统。点划线158表示直线离子束段的轨迹中心的位置，通过图1所示的射入装置43，将离子束150以多转射入方式射入该直线离子束段。根据本发明的射入切割器157设计为可以自动设定具有最小离子束损失的可重复操作。因此，静电射入切割器157具有最佳几何形状，其中离子束入口154位于静电射入切割器157的孔径中心，用于入射离子束152，并且离子束出口155位于射入切割器157的内电极156处，用于射出离子束153，通过调节两个参数，即静电射入切割器157处的偏转电压和离子束入口154处离子束150射入静电射入切割器157的入射角，实现离子束出口155处离子束位置以及离子束角度的准确设置。为了这个目的，静电射入切割器157包括曲形静电偏转器159，其具有比预加速的射入偏转的离子束150的轨迹半径r更大的曲率半径R。
图6示意性显示在离子束路径中三个缓冲磁体51、52和53的影响下，根据图1所示同步加速器环100中的离子束150的轨迹位移的示意图。运用位于同步加速器环中射入段1外部的三个铁素体永磁体控制围绕离子束中心A2的离子束包迹A1、A3的轨迹位移，以产生局部轨迹干扰，而非本领域公知的三个缓冲磁体之一位于射入段1中的布置。在该实例中，直线段5和6中的两个缓冲磁体52和53在具有射入切割器157的射入段1之前沿着离子束方向151插入，一个缓冲磁体51在直线射入段1之后插入，使得射入段1紧密布置有图5所示的射入切割器157、六极磁体37和水平聚焦四极磁体25，从而有利地不包含缓冲磁体。在进一步优化的步骤中，可选的是，可以采用单个缓冲磁体替换两个第一缓冲磁体52和53。
在图7中，图7a示意性显示离子束的各个循环(N4至N15)中改进的径向接受角的相空间160的示意图，相空间160的角度坐标以弧度为单位显示在纵坐标上，并且位置坐标x以毫米为单位显示在横坐标上。椭圆161显示射入离子束的离子束发射率以及对于多转射入从循环N4到循环N15的可变接受角的可获得的最佳调节。
该径向接受角由三个缓冲磁体51、52和53引发，如图6所示，缓冲磁体的磁场的抛物斜线示于图7b中。图7b的示意图在纵坐标上显示缓冲磁体51、52和53的缓冲磁场的相对强度，并且在横坐标上显示循环数N1至N35。缓冲磁体的磁场的抛物斜线C初始具有较大的降幅，在斜线C的末尾变为平缓路线。
图5、6和7中所示的用于根据本发明的粒子加速器的射入系统具有如下优点：
(a)以最低的成本获得最佳结构；
(b)对于多转射入具有大约85％的高效率，即在射入过程中离子束损失最小，因此放射负荷最小，从而不像回旋加速器，根据本发明的同步加速器环100可以满足放射保护准则的要求；
(c)安全、可重复的调节方法，该方法的自动化程度很高。
另外，用于所谓多转射入的根据本发明的射入装置43具有如下改进：
(a)缓冲磁体磁场的非线性(例如抛物)斜线C，在斜线C的开始具有较大的降幅，并且在斜线C的末尾变为平缓路线；
(b)由具有三个最佳布置的所谓缓冲磁体51、52和53的多转射入系统产生的轨迹位移，射入段1之前的两个直线段5和6中的两个缓冲磁体52和53将离子束150向外偏转，并且射入段1之后的直线段2中的第三缓冲磁体51又将离子束150向内偏转；
(c)不是使用具有三个缓冲磁体并且其中一个布置在射入段中的公知布置，仅仅使用两个或者至多三个缓冲磁体，在非常紧密布置有射入装置43的直线离子束段1中没有使用缓冲磁体51、52和53中任一个；
(d)静电射入切割器157的最佳几何形状，其中离子束入口154位于孔径的中心，离子束出口155位于射入切割器157的内电极156处，通过调节两个参数，即，静电射入切割器157处的偏转电压和离子束入口154处离子束150射入静电射入切割器157的入射角(尽可能自动调节)，实现准确的离子束设置。
图8示意性显示具有引出支路60的六重同步加速器环100的一段的平面图，该引出支路从直线离子束段4或引出段4分支。引出段4中的离子束偏转装置只包括单个引出切隔磁体(extractionseptum magnet)62，因为利用本发明的同步加速器环100而减小偶极磁体对19/20中偶极磁体19的尺寸，因此以更小的角度实现离子束150的引出，而不像现有技术中的同步加速器环的情况那样，需要以更大的偏转角度顺序设置至少两个切隔磁体，以越过现有技术中随后使用的较大尺寸的偶极磁体。
电磁引出切割器62可以布置为，其将引出的离子束150耦合到水平偏转的偶极磁体63中，该磁体将离子束传输至布置在引出支路60下游并且属于高能离子束引导系统的两个四极磁体64和65。除了引出切隔磁体62之外，该引出系统还包括布置在引出段4上游的直线离子束段3中的静电引出切割器。此外，为了激发用于引出的非线性共振，六极磁体37至42布置在直线离子束段1至6的每段中。
图9示意性显示通过图1所示六个六极磁体37至42激发非线性共振而引出的离子束的各个能量射线71的示意图，其方向D可以在相空间中进行调节。因此，图9显示相空间170的示意图，角度坐标x’显示在图中的纵坐标上，位置坐标x显示在图中的横坐标上。
在共振引出中，离子在图中所示相空间170中变得不稳定，在水平平面内移动，离子一步一个循环从三个臂71、72和73之一移动到下一个。参见位置坐标x，离子围绕中心期望轨迹74振荡，直到在最后的步骤中在直线下臂71上它们进入图11所示的静电引出切割器61(electrostatic extraction septum)中。通过精确调节分界线，可以通过六个单独可调的六极磁体相应调节引出离子束的射出方向D，并且可以设置共振引出的最佳效率。这样，可以避免图11所示静电引出切割器61的复杂而耗费精力的机械几何调节。
图10示意性显示相空间170中的引出离子束的多个不同射出方向D至M的示意图，射出方向通过六个单独可调的六极磁体进行调节。
图11示意性显示在引出装置45的区域中同步加速器环内离子束偏转的示意图。在图12至图15中，与前面附图中的部件功能相同的部件采用相同的参考标记表示，并且不再单独进行说明。轨迹长度b同样以毫米为单位绘制在横坐标上，但是只将x方向的偏转以毫米为单位绘制在纵坐标上。为了引出，通过六个六极磁体产生非线性引出共振，在该图中可以看到同步加速器环的六极磁体39和40。静电引出切割器61在直线离子束段3中布置在静电引出切割器62的上游。上面已经描述引出共振的激发，六极磁体37至42可以以电方式调节并且因此可以自动调节，其使得可以准确确定离子束150的射出方向D。
图12示意性显示本发明一个实施例的粒子加速器200的总图，该粒子加速器具有离子源80、射入直线加速器90、六重同步加速器环100、射入支路75以及引出支路60。
图13示意性显示离子源80的基本构造。所使用的离子源是激光离子源，其包括作为其部件激发CO2激光的HeNe激光器81。然后经由物镜83引导至碳靶或靶86的表面88，从而将碳靶的表面88原子化为带电荷的等离子87。该等离子87在预加速器85中进行加速。
该激光离子源80特别适用于产生高离子束强度的脉冲宽度小于或等于30μm的非常短的碳离子束脉冲79。为了产生离子束，优选为充电态q＝4(C4+离子)的碳离子，激光离子源80具有优于其它离子源的重要优点：
(a)短离子束脉冲79中超过1×1010C4+离子的高离子束强度；
(b)长工作寿命，可以工作多个星期而无需维修；
(c)高可靠性，可以工作数年；以及
(d)有利的投资和运行成本。
图14示意性显示射入直线加速器90的基本构造。直线加速器90的所谓IH段91至93具有模块化结构。另外，三个四极透镜94至96构成的四极组部分布置在IH段91、92和93之间。包括IH段91至93的高频系统的模块化结构采用最高达180kW HF输出的高频发生器实现。四极透镜95和96布置在IH段91、92和93形式的三个加速器段之间的真空系统外部，使得可以简单而易于维修地组装直线加速器。
于是，本发明优选实施例的直线加速器90具有如下优点：
(a)直线加速器90的用于每个所谓IH段91、92和93的三个1.5m至2m长的短加速段具有模块化结构；
(b)与迄今为止通常为1MW至2MW常见性能的系统相比，该高频系统的模块化结构具有最高达180kW HF输出的HF发生器，相应地简化结构；
(c)技术上更简单，更利于维修，至少对于四极组95和96在真空系统外部于加速段之间安装四极透镜如此。
图15示意性显示用于具有放射部位67至70的多个放射室的竖直偏转离子束引导系统66的侧视图。离子束引导系统66可以直接在同步加速器环之后通过水平偏转工作于同步加速器环与放射部位67至70之间，或者具有单独的竖直偏转，用于将离子束150分配到放射部位67至70。因此，为了进行治疗，同步加速器环与放射部位67至70之间的离子束引导系统66在同步加速器环紧邻后面配备有水平分散补偿，或者具有分离的、独立的竖直分散补偿，用于分配至不同放射部位67至70。如此有利地实现放射部位67至70处离子束位置的高度稳定性。在图15中，利用用于四个放射部位67至70的离子束引导系统66作为例子显示该布置，其中离子束引导系统66设计为对三个放射部位67至69采用0°入射角α，而对放射部位70采用从上方入射的45°入射角α。
概括地说，本发明涉及一种利用离子束进行放射治疗的粒子加速器，其中通过结合对加速器的所有重要部件例如离子源、射入直线加速器、同步加速器环以及离子束引导系统的改进，实现降低投资成本和运行成本并且改进工作稳定性。为此，所提到的改进中的一些或全部可以进行组合。以这种方式改进的粒子加速器具有如下优点：
(a)具有大离子束接受角的小磁体孔径；
(b)磁体重量较小；
(c)同步加速器环中磁体工作的脉冲功率较小，能耗较低；以及
(d)优化了设计参数和离子束的射入及引出系统的工作。
附图标记列表：
1-6直线离子束段
7-12曲形离子束段
13-24偶极磁体
13/14偶极磁体对
15/16偶极磁体对
17/18偶极磁体对
19/20偶极磁体对
21/22偶极磁体对
23/24偶极磁体对
25-30水平聚焦的四极磁体
31-36水平散焦的四极磁体
37-42六极磁体
43射入装置
44加速装置
45引出装置
46偏转磁体
47聚焦磁体
48散焦磁体
49磁体线圈结构
50侧向颠倒的半部
51缓冲磁体
52缓冲磁体
53缓冲磁体
54椭圆形轮廓
55极靴结构
56四分之一部
60引出支路
61静电引出切割器
62电磁引出切割器
63偶极磁体
64四极磁体
65四极磁体
66离子束引导系统
67放射部位
68放射部位
69放射部位
70放射部位
71相空间中的臂
72相空间中的臂
73相空间中的臂
74中心离子束轨迹
75射入路径
79离子束脉冲
80离子源
81HeNe激光器
82CO2激光
83物镜
84离子光学透镜
85预加速器
86靶
87等离子
88靶表面
90直线加速器
91IH段
92IH段
93IH段
94四极组
95四极组
96四极组
100六重同步加速器环
150离子束
151同步加速器环中的离子束方向
152静电引出切割器中的入射离子束
153从射入切割器射出的离子束
154离子束入口
155离子束出口
156内电极
157射入切割器
158点划线
159偏转器
160相空间
161椭圆
170相空间
200粒子加速器
α放射角
ax水平方向的磁体孔径
ay竖直方向的磁体孔径
A、A1、A2、A3 x方向中的水平偏转轨迹路线
B y方向中的竖直偏转轨迹路线
b同步加速器中的轨迹长度
C斜线
D-M射出方向
N1-N35离子束的循环
r射入离子束的轨迹半径
R静电偏转器的半径
x’角度坐标
x位置坐标

Claims (14)

1、一种利用离子束进行放射治疗的粒子加速器，其中粒子加速器包括同步加速器环(100)，其具有直线离子束段(1至6)、曲形离子束段(7至12)、射入装置(43)、引出装置(45)以及至少一个加速装置(44)，其中，
-至少一个曲形离子束段(7至12)包括一对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)；
-水平散焦的四极磁体(31至36)布置在成对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)之间；
-水平聚焦的四极磁体(25至30)布置在成对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)的上游。
2、根据权利要求1所述的利用离子束进行放射治疗的粒子加速器，其中粒子加速器包括同步加速器环(100)，其具有六个直线离子束段(1至6)和六个曲形离子束段(7至12)，在所述六个直线离子束段(1至6)中：
-用于将直线加速离子束引入同步加速器环(100)的射入装置(43)布置在直线离子束段(1)中；
-沿着另一个直线离子束段(5)的路线，存在至少一个用于离子束的加速装置(44)；
-用于将几个循环之后高速加速的离子束引出的引出装置(45)设置在又一个直线离子束段(4)中；
-所述曲形离子束段分别包括至少一个偏转磁体(46)；
-每个曲形离子束段(7至12)包括一对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)；
-水平散焦的四极磁体(31至36)布置在每对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)之间；以及
-水平聚焦的四极磁体(25至30)在直线离子束段(1至6)中布置在每对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)的上游。
3、根据权利要求1或2所述的粒子加速器，其特征在于，每对偶极磁体(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)具有包括窗框磁体类型和H磁体类型相组合的线圈结构(49)。
4、根据前面权利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，缓冲磁体(51、52、53)以这样的方式布置在用于射入装置的直线离子束段(1)的外部、在所述六个直线离子束段中的其它段中，即一个缓冲磁体(51)布置在射入装置(43)下游并且至少一个缓冲磁体(53)布置在射入装置(43)上游。
5、根据权利要求4所述的粒子加速器，其特征在于，为了在有限数量的循环(N1至N35)中射入离子束(150)，缓冲磁体(51、52、53)具有主体连接器和控制单元，其为了控制减小激发电流，提供在末尾变为平缓路线的非线性斜线(C)。
6、根据前面权利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，射入装置(43)包括静电射入切割器(157)，其曲形静电偏转器(159)具有比预加速的射入偏转的离子束(150)的轨迹半径(r)更大的曲率半径(R)。
7、根据前面权利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，六极磁体(37至42)设于具有偶极磁体对(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)和四极磁体(25至36)的每个曲形离子束段(7至12)的上游。
8、根据权利要求7所述的粒子加速器，其特征在于，用于共振引出的各个六极磁体(37至42)的激发电流是可调节的，六极磁体(37至42)与作为引出离子束(150)的引出装置(45)之一的固定静电引出切割器(61)操作性连接。
9、根据前面权利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，引出装置(45)包括作为电磁引出装置(45)的单个引出切隔磁体(62)。
10、根据前面权利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，粒子加速器(200)在六重同步加速器环(100)的上游包括至少一个离子源(80)以及射入直线加速器(90)，作为粒子加速器的部件。
11、根据权利要求10所述的粒子加速器，其特征在于，粒子加速器(200)包括作为离子源的至少一个用于产生碳离子束脉冲(79)的激光离子源(80)。
12、根据权利要求10或11所述的粒子加速器，其特征在于，粒子加速器(200)包括具有作为射入直线加速器(90)的IH段模块(91、92、93)的直线加速器(90)以及IH段模块(91、92、93)之间的真空系统外部的四极透镜模块(95、96)。
13、根据前面权利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，在放射部位(67至70)与六重同步加速器环(100)之间设置有离子束引导系统(66)，该系统在同步加速器环(100)紧邻后面提供水平分散补偿，或者为了通过竖直偏转进行分配，为不同的放射部位(67至70)提供单独的竖直补偿。
14、根据权利要求13所述的粒子加速器，其特征在于，用于多个放射部位(67至70)的离子束引导系统(66)可以以0°≤α ≤ 90°的不同入射角α提供，0°为水平入射角α，90°为从上方垂直入射的入射角α。
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