DE102006035101A1

DE102006035101A1 - Strahlführungsmagnet zur Ablenkung geladener Teilchen längs einer gekrümmten Bahn mit zugeordneter Kühlvorrichtung und Bestrahlungsanlage mit einem solchen Magneten

Info

Publication number: DE102006035101A1
Application number: DE102006035101A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Ries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-02-07
Also published as: WO2008012189A1; US20090242785A1; EP2047481A1

Abstract

Der Strahlführungsmagnet (2) zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen (101) ist um eine außerhalb des Magneten (2) gelegene Achse (A) drehbar und frei von ferromagnetischem, die Strahlführung beeinflussendem Material. Der Strahlführungsmagnet (2) enthält ein System aus mindestens vier in Führungsrichtung des Teilchenstrahls (101) ausgedehnten gekrümmten supraleitenden Einzelspulen (103), die paarweise spiegelbildlich zu einer durch die gekrümmte Teilchenbahn vorgegebenen Strahlführungsebene angeordnet sind. Der Strahlführungsmagnet (2) enthält weiterhin eine Kühlvorrichtung mit mindestens einer Wärmesenke (105) und mindestens einen Festkörper-Kryobus (104), wobei die supraleitenden Einzelspulen (103) über den Festkörper-Kryobus (104) thermisch an die mindestens eine Wärmesenke (105) angekoppelt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlführungsmagneten zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten Teilchenbahn, wobei der Magnet

– um eine außerhalb des Magneten gelegene Achse drehbar ist,
– frei von ferromagnetischem, die Strahlführung beeinflussende Material ist, und
– ein System aus mindestens vier in Führungsrichtung des Teilchenstrahls ausgedehnten gekrümmten supraleitenden Einzelspulen enthält, die paarweise spiegelbildlich zu einer durch die gekrümmte Teilchenbahn vorgegebenen Strahlführungsebene angeordnet sind.

Ein solcher gekrümmter Strahlführungsmagnet ist in der nicht-vorveröffentlichten DE-Anmeldung 10 2006 018 635.4 vorgeschlagen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Bestrahlungseinlage mit einem solchen gekrümmten Strahlführungsmagneten.
Leistungsstarke Magnete kommen als Strahlführungs-, Ablenk- und Fokussierungsmagnete verbreitet in Teilchenbeschleunigeranlagen zum Einsatz. Teilchenbeschleunigeranlagen können insbesondere für die Strahlentherapie auf dem Gebiet der medizinischen Technik konzipiert sein. Eine derartige Strahlentherapieanlage geht z.B. aus US 4,870,287 hervor. Eine solche Strahlentherapieanlage umfasst typischerweise eine Teilchenquelle und einen Beschleuniger zur Erzeugung eines hochenergetischen Teilchenstrahls. Der aus dem Beschleuniger, bedingt durch die Geometrie der Beschleunigeranlage, in einer bestimmten Richtung austretende Teilchenstrahl wird zu Therapiezwecken auf einen zu bestrahlenden Bereich eines Probanden, z.B. eine Geschwulst, gerichtet. Hierbei wird der aus der Beschleunigeranlage austretende Teilchenstrahl mit Hilfe von mehreren Ablenk-, Fokussierungs- und Führungsmagneten aus seiner ursprünglichen, durch die Geometrie der Beschleunigeranlage vorgegebenen Richtung, typischerweise unter einem Winkel von 90°, auf den Probanden gerichtet. Um die Strahlendosis im umliegenden, nicht zu therapierenden Gewebe des Probanden möglichst gering zu halten, wird die Strahlrichtung, bevor der Teilchenstrahl das zu therapierende Gewebe erreicht, zeitlich fortlaufend variiert.
Zu diesem Zweck verfügen für die Strahlentherapie geeignete Beschleunigeranlagen über eine sogenannte „Gantry", welche aus einer Vielzahl von Strahlablenk-, Führungs- und Fokussierungsmagneten besteht und typischerweise um die Achse drehbar ist, welche durch die Geometrie der Beschleunigeranlage, die Richtung des Strahls geladener Teilchen, vorgegeben ist. Unter einer Gantry ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung von mehreren Strahlführungs-, Ablenk- und Fokussierungsmagneten zu verstehen, welche auf einem Gestell angeordnet sind, welches um eine bestimmte vorgegebene Achse drehbar gelagert ist. Der aus der Beschleunigeranlage austretende Strahl wird mit der zuvor beschriebenen Gantry derart abgelenkt, dass er beim Austritt aus der Gantry unter verschiedenen Drehwinkeln derselben stets durch einen festen Punkt im sogenannten „Iso-Zentrum" verläuft. Durch eine derartige Variation der Strahlrichtung wird die Strahlendosis außerhalb des sogenannten Iso-Zentrums, also des nicht zu bestrahlenden Bereichs, auf ein möglichst großes Volumen verteilt. Auf diese Weise kann das außerhalb des Iso-Zentrums liegende Gewebe, welches zu therapeutischen Zwecken nicht zu bestrahlen ist, geschont werden.
Eine zuvor beschriebene Gantry enthält unter anderem gekrümmte Strahlführungs- und/oder Ablenkmagnete. Solche Ablenkmagnete, welche zur Verwendung in einer Gantry geeignet sind, sind z.B. aus WO 02/063638 A1 oder WO 02/069350 A1 bekannt. Die aus den vorgenannten Schriften entnehmbaren gekrümmten Strahlführungs- und/oder Ablenkmagnete sind mit Leitern aus normalleitendem Material, wie z.B. Kupfer (Cu), ausgebildet. Zur Formung des den Strahl geladener Teilchen ablenkenden Magnetfeldes sind die gekrümmten Strahlführungs- und/oder Ablenkmagnete typischerweise zusätzlich mit Mitteln zur Magnetfeldführung oder Formung ausgestattet. Zu diesem Zweck werden die magnetfeldführenden Teile oder Joche aus ferromagnetischem Material wie z.B. Eisen ausgebildet. In Folge der magnetischen Sättigung des Eisens ist das zur Strahlablenkung zur Verfügung stehende Magnetfeld auf einen Wert von maximal etwa 1,8 Tesla beschränkt. Diese physikalische Grenze führt zu einem vorbestimmten minimalen Ablenkradius für die geladenen Teilchen, welcher ferner von der Art derselben abhängig ist. Typischerweise liegen diese Ablenkradien bei den für die Strahlentherapie eingesetzten C⁶⁺-Ionen bei einigen Metern. Durch die Verwendung von Eisenjochen und weiteren ferromagnetischen magnetfeldformenden Mitteln beträgt das Gewicht einer Gantry typischerweise etwa 100 t. Das Gestell der drehbar gelagerten Gantry muss infolge dieses hohen Gewichtes sehr stabil ausgeführt sein und gleichzeitig eine exakte reproduzierbare Positionierung der Magnete erlauben, um eine exakte Strahlführung zu gewährleisten. Ferner müssen die normalleitenden Magnetwicklungen, z.B. mit Wasser, gekühlt werden. Die elektrische Leistungsaufnahme einer Gantry mit normalleitenden Wicklungen kann typischerweise bei etwa 800 kW liegen; die Gantry weist zusätzlich einen erheblichen Bedarf an Kühlwasser auf.
Eine Gantry, bei der die Magnetwicklungen mit Supraleitern ausgeführt sind, ist in der nicht-vorveröffentlichten DE-Anmeldung 10 2006 018 635.4 vorgeschlagen. Um die supraleitenden Magnetwicklungen in ihrem supraleitenden Zustand zu halten, ist es notwendig, diese unter jedem Drehwinkel der Gantry auf einer für die Supraleitung hinreichend tiefen Temperatur zu halten. Nur wenn die supraleitenden Magnetwicklungen auf der notwendigen tiefen Temperatur gehalten werden können, können die Strahlführungs- und/oder Ablenkmagnete der Gantry das für die Strahlablenkung notwendige magnetische Feld zur Verfügung stellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Strahlführungsmagneten zur Ablenkung geladener Teilchen längs einer gekrümmten Bahn und eine diesem zugeordnete Kühlvorrichtung anzugeben, welche derart ausgestaltet sind, dass die supraleitenden Magnetwicklungen des Strahlführungsmagneten auch bei einer Drehung des Strahlführungsmagneten um eine außerhalb desselben liegende Achse stets auf einer für die Supraleitung notwendigen tiefen Temperatur gehalten werden können. Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Bestrahlungsanlage mit einem solchen Strahlführungsmagneten anzugeben.
Die sich auf den Strahlführungsmagneten beziehende Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß soll ein Strahlführungsmagnet zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten Teilchenbahn dienen, wobei der Magnet um eine außerhalb des Magneten gelegene Achse drehbar und frei von ferromagnetischem die Strahlführung beeinflussenden Material ist. Der Strahlführungsmagnet soll ferner ein System aus mindestens vier in Führungsrichtung des Teilchenstrahls ausgedehnten, gekrümmten, supraleitenden Einzelspulen enthalten, die paarweise spiegelbildlich zu einer durch die gekrümmte Teilchenbahn vorgegebenen Strahlführungsebene angeordnet sind. Weiterhin soll der Strahlführungsmagnet eine Kühlvorrichtung aufweisen, welche mindestens eine Wärmesenke und mindestens einen Festkörper-Kryobus enthält, wobei die supraleitenden Einzelspulen über den Festkörper-Kryobus thermisch an die mindestens eine Wärmesenke angekoppelt sind.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen sind die folgenden Vorteile verbunden: Durch eine Ausführung der dem Strahlführungsmagnet zugeordneten Kühlvorrichtung mit Hilfe eines Festkörper-Kryobus kann eine einfache, lageunabhängig arbeitende Kühlvorrichtung angegeben werden, welche eine hohe Zuverlässigkeit aufweist. Insbesondere vorteilhaft ist der Verzicht auf ein flüssiges oder gasförmiges zusätzliches Kälte medium zu einer direkten Kühlung der supraleitenden Einzelspulen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann der Strahlführungsmagnet zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:

– Für den mindestens einen Festkörper-Kryobus kann ein Material mit einer thermischen Wärmeleitfähigkeit von größer als 100 W/mK bei einer Temperatur von 4,2 K vorgesehen sein. Durch die Verwendung eines Materials mit der vorgenannten Eigenschaft, hinsichtlich seiner thermischen Leitfähigkeit, kann vorteilhaft der zuverlässige Wärmeabtransport von den supraleitenden Einzelspulen zu einer Wärmesenke sichergestellt werden.
– Als Material für den mindestens einen Festkörper-Kryobus kann Kupfer oder eine Kupferlegierung vorgesehen sein. Kupfer bzw. Kupferlegierungen weisen eine hohe thermische Leitfähigkeit auf und halten mechanischen Belastungen im Betrieb wie auch bei ihrer Verarbeitung zuverlässig stand. Vorteilhaft ergibt sich durch die Verwendung von Kupfer oder einer Kupferlegierung für den Festkörper-Kryobus ein zuverlässiger Wärmeabtransport von den supraleitenden Einzelspulen zu einer Wärmesenke bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit und einfacher Verarbeitung.
– Das System aus supraleitenden Einzelspulen kann mindestens sechs in Führungsrichtung des Teilchenstrahls ausgedehnte, gekrümmte, supraleitende Einzelspulen, welche paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene ausgebildet sind, umfassen. Durch die Verwendung von sechs anstatt vier Einzelspulen kann mittels der zwei zusätzlichen Korrekturspulen eine größere Feldhomogenität des magnetischen Feldes erreicht werden.
– Die sechs supraleitenden Einzelspulen können wie folgt ausgestaltet sein: Zwei sattelförmige Hauptspulen können in Strahlführungsrichtung langgestreckte Seiten und stirnseitig aufgebogene Endteile aufweisen. Zwei zumindest weitgehend flache bananenförmig gekrümmte Nebenspulen vom Rennbahn-Typ können einen Innenbereich umschließen, in welchem jeweils eine weitgehend flache bananenförmig gekrümmte Zusatzspule vom Rennbahn-Typ angeordnet sein kann. Durch die vorbeschriebene Ausführung der sechs supraleitenden Einzelspulen kann eine optimierte Anordnung derselben erreicht werden. Vorteilhaft führt dies zu einer weiteren Verbesserung der Feldhomogenität.
– Die Nebenspulen können sich zwischen den aufgebogenen Endteilen ihrer jeweils zugeordneten Hauptspule erstrecken. Durch die vorgenannte Anordnung der Haupt- und Nebenspulen kann eine kompakte Bauform des Strahlführungsmagneten erreicht werden.
– Die Leiter der supraleitenden Einzelspulen können metallisches LTC-Supraleitermaterial aufweisen. Tieftemperatursupraleitermaterial (LTC-Supraleitermaterial), z.B. auf Basis von Niob-Titan, ist technisch ausgereift und verhältnismäßig einfach zu verarbeiten.
– Die Leiter der Einzelspulen können stattdessen metalloxidisches HTC-Supraleitermaterial aufweisen. Für Leiter, vorzugsweise in Bandform, welche Hochtemperatur-Supraleitermaterial (HTC-Supraleitermaterial) aufweisen, können gegenüber LTC-Supraleitermaterial erhöhte Betriebstemperaturen verwendet werden. Diese können insbesondere zwischen 10 und 40 K, vorzugsweise zwischen 20 und 30 K liegen. Gegenüber der Kühltechnik für LTC-Supraleiter ist der technische Aufwand bei der Verwendung von HTC-Supraleitern verringert. Zusätzlich weist HTC-Supraleitermaterial in dem genannten Temperaturbereich für die Erzeugung starker Magnetfelder eine hinreichend große kritische Stromtragfähigkeit auf.
– Der Strahl geladener Teilchen, welcher abzulenken ist, kann ein Strahl aus C⁶ ⁺-Teilchen sein. Bei Verwendung von den für die medizinische Therapie besonders wirkungsvollen C⁶ ⁺-Teilchen ist die Gewichts- und Größenreduzierung eines supraleitend ausgeführten Ablenkmagneten besonders groß. Der Einsatz einer lageunabhängig arbeitenden Kühlvorrichtung ist in diesem Fall besonders wirkungsvoll.
– Der Strahlführungsmagnet kann derart ausgeführt sein, dass eine magnetische Aperturfeldstärke von mindestens 2 Tesla, vorzugsweise zwischen 3 und 5 Tesla, erreicht wird. In dem genannten Bereich von Magnetfeldstärken ist der Einsatz von supraleitenden Magnetwicklungen besonders vorteilhaft, folglich ist der Einsatz einer lageunabhängig arbeitenden Kühlvorrichtung besonders effektiv.
– Die Wärmesenken können durch thermische Kontaktflächen von Kaltköpfen gebildet werden. Vorteilhaft kann durch die Ausgestaltung der Wärmesenken mit Hilfe von Kaltköpfen eine wartungsarme und lageunabhängig arbeitende Realisierung der Wärmesenken angegeben werden.

Die sich auf die Bestrahlungsanlage beziehende Aufgabe ist mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Demgemäß weist die Bestrahlungsanlage eine feststehende, einen Strahl elektrisch geladener Teilchen erzeugende Bestrahlungsquelle auf. Die Bestrahlungsanlage weist ferner mehrere Fokussierungsmagnete zur Fokussierung des Teilchenstrahls und mindestens einen Strahlführungsmagneten, nach einem der Ansprüche 1 bis 12, zur Ablenkung eines Teilchenstrahls auf. Eine solche Bestrahlungsanlage kann insbesondere dadurch gekennzeichnet sein, dass sie ein Gantry-System aufweist, welches um eine Achse drehbar ist, die in der Strahlführungsebene liegt. Durch die Verwendung von Strahlführungsmagneten mit supraleitenden Wicklungen, welche mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ausgestattet sind, kann eine Bestrahlungsanlage angegeben werden, deren Strahlführungsmagnete neben einer geringeren Baugröße und einem geringeren Leistungsbedarf ein lageunabhängig arbeitendes Kühlsystem aufweisen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten und der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie aus der Zeichnung hervor.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter erläutert, aus der mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten und dessen Einsatzmöglichkeit in einer Bestrahlungsanlage ohne Einschränkung auf die konkret veranschaulichte Ausführungsform veranschaulicht sind. Dabei zeigt deren
1 einen Längsschnitt durch einen gekrümmten Strahlführungsmagnet mit einer Kühlvorrichtung,
2 einen Querschnitt durch den Strahlführungsmagnet mit einer Kühlvorrichtung gemäß 1,
3 eine Detailansicht eines Querschnitts eines Strahlführungsmagneten,
4 einen Strahlführungsmagneten in schematischer Perspektivansicht, und
5 einen schematischen Aufbau einer Gantry-Anlage unter Verwendung mehrerer gekrümmter Strahl führungsmagnete.
1 zeigt einen Strahlführungsmagnet 2 zur Ablenkung eines Strahls geladener Teilchen 101. Der Strahlführungsmagnet 2 ist um eine Achse A, welche außerhalb des Strahlführungsmagneten 2 liegt, drehbar gelagert. Wie durch eine strichpunktierte Linie angedeutet, wird der Teilchenstrahl 101 um einen Winkel α, der vorzugsweise zwischen 30° und 90° liegt, abgelenkt. Bei dem Teilchenstrahl 101 handelt es sich um einen Strahl elektrisch geladener Teilchen, insbesondere um C⁶ ⁺-Ionen. Der Teilchenstrahl 101 wird mit Hilfe magnetischer Kräfte innerhalb eines entsprechend gekrümmten Strahlführungsrohres 102 gehalten bzw. geführt. Die gekrümmte Bahn des Teilchenstrahls 101 definiert eine Ebene, in welcher die Achse A, um die der Magnet 2 drehbar gelagert ist, zu liegen kommt.
Die den Teilchenstrahl 101 führenden Magnetkräfte werden mit Hilfe supraleitender Magnetwicklungen 103 erzeugt. Bekannte Materialien für solche supraleitenden Magnetwicklungen sind metallisches LTC-Supraleitermaterial wie z.B. Niob-Titan oder auch oxidisches HTC-Supraleitermaterial wie z.B. YBaCuO. Für LTC-Supraleitermaterial sind im Allgemeinen Betriebstemperaturen von 4,2 K vorgesehen. HTC-Supraleitermaterial kann bei höheren Betriebstemperaturen von beispielsweise 10 bis 40 K, vorzugsweise von 20 bis 30 K verwendet werden. Bei den vorgenannten Temperaturen weisen die HTC-Supraleitermaterialien die zur Erzeugung der erforderlichen Magnetfeldstärken hinreichend hohen kritischen Stromdichten auf.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Strahlführungsmagnet 2 mit vier oder mehr supraleitenden Magnetwicklungen 103 ausgestattet sein. Weitere Einzelheiten dieses Ausführungsbeispiels werden im Zusammenhang mit 4 erläutert.
Um die supraleitenden Magnetwicklungen 103 auf einer für die Supraleitung notwendigen tiefen Temperatur zu halten, ist es erforderlich, den Strahlführungsmagnet 2 mit einer entsprechenden Kühlvorrichtung auszustatten. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kühlung der supraleitenden Magnetwicklungen 103 durch mindestens einen Festkörper-Kryobus 104.
Unter einem Festkörper-Kryobus ist in diesem Zusammenhang ein Festkörper zu verstehen, welcher vorzugsweise mechanisch, zumindest aber thermisch mindestens eine Wärmequelle und mindestens eine Wärmesenke ohne eine Verwendung von flüssigen oder gasförmigen Medien miteinander verbindet. Aufgabe eines Festkörper-Kryobus ist es, einen Abwärmestrom von einer zu kühlenden Wärmequelle zu einer eine Kühlleistung zur Verfügung stellenden Wärmesenke zu führen. Der Begriff des Festkörper-Kryobus ist in diesem Zusammenhang nicht auf den Einsatz bestimmter Materialien beschränkt. Vorzugsweise kann ein Festkörper-Kryobus aus Materialien mit guter thermischer Leitfähigkeit wie z.B. Kupfer, hergestellt sein. Unter einem Festkörper-Kryobus ist sowohl die Verbindung zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, wie auch die Verbindung von mehreren Wärmequellen mit einer Wärmesenke oder der umgekehr te Fall die Verbindung einer Wärmequelle mit mehreren Wärmesenken, zu verstehen. Ein Festkörper-Kryobus kann ein einteilig gefertigtes Bauteil oder auch ein aus mehreren Einzelteilen zusammengesetztes Bauteil sein. Ein Festkörper-Kryobus kann ferner aus einem im Wesentlichen massiven und/oder mechanisch starren Material z.B. aus einem Kupferblock gefertigt sein. Ohne Einschränkung des Begriffes Festkörper-Kryobus kann dieser ebenso aus einem flexiblen Material, welches vorzugsweise nicht massiv ausgeführt, ist z.B. einem Bündel von Kupferfilamenten oder -litzen bestehen.
In Bezug auf das in 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel eines Strahlführungsmagneten 2 stellt der Festkörper-Kryobus 104 den thermischen Kontakt zwischen der supraleitenden Wicklung 103 (oder mehreren supraleitenden Wicklungen 103) mit mindestens einem Kaltkopf 105 her. Der Festkörper-Kryobus 104 befindet sich einerseits in gutem thermischem Kontakt mit der supraleitenden Wicklung 103 des Strahlführungsmagneten 2 und andererseits ebenfalls in gutem thermischem Kontakt mit einer zweiten Stufe 106 eines oder mehrerer Kaltköpfe 105.
Der Festkörper-Kryobus 104 kann weiterhin mittels einer in 1 nicht dargestellten, verhältnismäßig gut wärmeleitfähigen Isolierung elektrisch von der supraleitenden Magnetwicklung 103 getrennt sein.
Die Wärmeleitfähigkeit des Festkörper-Kryobus 104 kann vorzugsweise besser als 100 W/mK bei einer Temperatur von 4,2 K sein. Als Material für den Festkörper-Kryobus 104 ist bevorzugt Kupfer oder eine Kupferlegierung zu verwenden.
Zur thermischen Isolation der supraleitenden Wicklungen 103 kann die zweite Stufe 107 eines oder mehrerer Kaltköpfe 105 mit einem Kryoschild 109 verbunden sein. Eine weitere Verbesserung der thermischen Isolation der supraleitenden Magnetwicklungen 103 kann durch die Verwendung einer sogenannten Superisolation erreicht werden, welche jedoch in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
Die supraleitenden Magnetwicklungen 103, der Festkörper-Kryobus 104 sowie der Strahlungsschild 109 befinden sich in einem gemeinsamen Kryostaten 108, welcher gleichzeitig das Gehäuse des Strahlführungsmagneten 2 bilden kann. Das Gehäuse bzw. der Kryostat 108 des Strahlführungsmagneten 2 kann zur weiteren thermischen Isolation evakuiert sein.
Die nähere Ausgestaltung des Strahlführungsmagneten 2, insbesondere die Anordnung der supraleitenden Magnetwicklungen 103, geht aus der in 2 dargestellten schematischen Querschnittszeichnung hervor. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der in 2 gezeigte Querschnitt dem in 1 angedeuteten Schnitt (II-II) durch den Strahlführungsmagneten 2 entsprechen.
Wie aus 2 ersichtlich sind um ein Strahlführungsrohr 102, in welchem der Teilchenstrahl 101 geführt wird, eine Zahl supraleitender Magnetwicklungen 103 angeordnet. Die schematisch dargestellten supraleitenden Magnetwicklungen 103 sind zusätzlich mit Vorzeichen, welche eine Stromflussrichtung andeuten, versehen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können sechs supraleitende Magnetwicklungen 103 zur Generierung eines strahlabgelenkten Magnetfelds verwendet werden. Weitere Einzelheiten zur Ausgestaltung dieser sechs supraleitenden Magnetwicklungen 103 werden im Zusammenhang mit 4 erläutert.
Zu ihrer Kühlung sind die supraleitenden Magnetwicklungen 103 über einen Kryobus 104 mit der zweiten Stufe 106 eines zweistufigen Kaltkopfes 105 verbunden. Die erste Stufe dieses Kaltkopfes ist mit 107 bezeichnet. Der Kryobus 104 bildet im Querschnitt betrachtet vorteilhaft keinen das Strahlrohr 102 vollständig umschließenden, elektrisch geschlossenen Strompfad. Durch eine Vermeidung eines das Strahlrohr 102 vollständig umschließenden, elektrisch geschlossenen Strompfades kann nämlich vermieden werden, dass in dem Festkörper-Kryobus 104 bei einer Änderung der Erregerströme der supraleitenden Magnetwicklungen 103 ein Ringstrom induziert wird. Ein solcher induzierter Ringstrom hätte möglicherweise störenden Einfluss auf die von den supraleitenden Magnetwicklungen 103 generierten Magnetfelder, welche zur Strahlführung dienen.
Zur Verbesserung der thermischen Ankopplung der supraleitenden Magnetwicklungen 103 an den Festkörper-Kryobus 104 können zusätzlich, die supraleitenden Magnetwicklungen 103 umschließende Wärmeleitbleche 301, verwendet werden. 3 zeigt eine Detailansicht des in 2 dargestellten Querschnitts des Strahlführungsmagneten 2. Durch eine Anordnung von besonderen Wärmeleitblechen 301, wie sie in 3 gezeigt ist, kann die durch den verzweigten Kryobus 104 in die einzelnen supraleitenden Wicklungen 103 eingebrachte Kälteleistung homogener verteilt werden.
4 zeigt das bereits im Zusammenhang mit 2 erwähnte System aus sechs supraleitenden Magnetwicklungen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein Strahl geladener Teilchen 101 mit einer Anordnung aus sechs Einzelspulen, wie sie in 4 gezeigt ist, um einen Winkel α abgelenkt werden. Der Ablenkwinkel α kann vorzugsweise zwischen 30° und 90° betragen. Die gekrümmte Bahn der geladenen Teilchen 101 definiert eine Ebene 405. Das System aus sechs supraleitenden Einzelspulen ist paarweise spiegelbildlich zu dieser Ebene 405 ausgebildet.
Das System aus sechs supraleitenden Einzelspulen umfasst zwei in Strahlführungsrichtung lang gestreckte sattelförmig ausgebildete, als Hauptspule 401 bezeichnete Spulen. Diese Hauptspulen 401 weisen je zwei gekrümmte seitlich zu dem Strahlführungsrohr verlaufende Seitenteile, sowie jeweils zwei stirnseitige Endteile 402 auf. Bevorzugt sind die stirnseitigen Endteile 402 jeweils so aus der durch die Seitenteile der Hauptspule aufgespannten Fläche aufgebogen bzw. gekröpft, dass sie außen um das Strahlführungsrohr jeweils halbkreisbo genartig herumführen. Sowohl die Seitenteile der Hauptspulen 401 brauchen nicht exakt in einer gekrümmten Fläche (Segment einer Zylindermantelfläche) zu verlaufen, als auch müssen die stirnseitigen Endteile 402 nicht exakt halbkreisbogenförmig ausgebildet sein.
An den den Flachseiten der Hauptspulen jeweils um 90° benachbarten Seiten sind in zueinander parallelen Ebenen liegend zwei weitgehend flache bananenförmig gekrümmte Nebenspulen 403 angeordnet. Diese Spulen sind als gekrümmte Rennbahnspulen ausgestaltet und erstrecken sich vorzugsweise zwischen den stirnseitigen Endteilen 402 der Hauptspulen 401. Die Nebenspulen 403 umschließen jeweils einen bananenförmig gekrümmten Innenbereich 406. In diesem Innenbereich sind weitere ebenfalls bananenförmig gekrümmte so genannte Zusatzspulen 404 angeordnet. Weitere Details zu dem System aus sechs supraleitenden Einzelspulen gehen aus der nicht-vorveröffentlichten DE-Anmeldung 10 2006 018 635.4 hervor.
Das in 4 dargestellte System aus sechs supraleitenden Einzelspulen kann gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einem Festkörper-Kryobus 104 (in 4 nicht dargestellt) zur Kühlung der supraleitenden Spulen 401 bis 404 ausgestattet werden. Die Ausgestaltung des Festkörper-Kryobus geht aus den 2 und 3 hervor, in denen die den Hauptspulen 401, Nebenspulen 403 und Zusatzspulen 404 entsprechende Querschnitte mit den jeweils entsprechenden Bezugszeichen versehen sind.
Erfindungsgemäß sind eine oder mehrere Strahlführungsmagnete gemäß einem der vorstehenden Ausführungsbeispiele in einer Bestrahlungsanlage zu verwenden. Eine solche Bestrahlungsanlage weist vorzugsweise eine Gantry auf, welche schematisch in 5 dargestellt ist. Eine derartige drehbar gelagerte Gantry 50 verfügt über eine nicht näher ausgeführte Strahlungsquelle 501 zur Erzeugung eines Strahls von geladenen Teilchen, z.B. C⁶ ⁺-Ionen. Diese Ionen treten aus der Quelle 501 in einer Richtung aus, welche die Lage einer Achse, um welche die Gantry 50 drehbar gelagert ist, festlegt. In 5 ist die Gantry-Rotationsachse mit A bezeichnet. In einer solchen Gantry 50 kann mit Hilfe von z.B. zwei 45°-Ablenkmagneten 502 und 503 der entlang der Achse A aus der Strahlungsquelle 501 austretende Teilchenstrahl 101 in einen achsfernen Bereich abgelenkt werden. Von dort aus kann der Teilchenstrahl 101 mittels eines 90°-Ablenkmagneten 504, der dem Strahlführungsmagneten 2 gemäß den 1 bis 4 entspricht, in eine Richtung senkrecht zur Rotationsachse A abgelenkt werden. Dort trifft der Teilchenstrahl 101 im sogenannten ISO-Zentrum 505 vorzugsweise auf ein zu bestrahlendes Gewebe, z.B. eine Geschwulst eines Probanden. Selbstverständlich sind auch andere Kombinationen von Ablenkmagneten wie z.B. von einem 45°- und einem 135°-Magneten oder von zwei 30°- und einem 120°-Magneten für eine Gantry geeignet.
Zu Vergleichszwecken ist in 5 durch gestrichelte Linien ein Magnetsystem angedeutet, das sich ergeben würde, wenn man anstatt eines Systems aus supraleitenden Magneten entsprechende normalleitende Magnete mit feldformenden Eisenjochen verwenden würde. Das ISO-Zentrum 505 läge in diesem Fall um etwa 1 m weiter entfernt von der Innenquelle 501.

Claims

Strahlführungsmagnet (2) zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen (101) längs einer gekrümmten Teilchenbahn, wobei der Magnet (2) a) um eine außerhalb des Magneten (2) gelegene Achse (A) drehbar ist, b) frei von ferromagnetischem, die Strahlführung beeinflussendem Material ist, c) ein System aus mindestens vier in Führungsrichtung des Teilchenstrahls (101) ausgedehnten gekrümmten supraleitenden Einzelspulen enthält, die paarweise spiegelbildlich zu einer durch die gekrümmte Teilchenbahn vorgegebenen Strahlführungsebene (405) angeordnet sind, und d) eine Kühlvorrichtung mit mindestens einer Wärmesenke (405) und mindestens einem Festkörper-Kryobus (104) aufweist, wobei die supraleitenden Einzelspulen (103) über den mindestens einen Festkörper-Kryobus (104) thermisch an die mindestens eine Wärmesenke (105) angekoppelt sind.
Strahlführungsmagnet (2) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den mindestens einen Festkörper-Kryobus (104) ein Material mit einer thermischen Wärmeleitfähigkeit von größer als 100 W/mK bei einer Temperatur von 4,2 K vorgesehen ist.
Strahlführungsmagnet (2) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für den mindestens einen Festkörper-Kryobus (104) Kupfer oder eine Kupferlegierung vorgesehen ist.
Strahlführungsmagnet (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System aus supraleitenden Einzelspulen mindestens sechs in Führungsrichtung des Teilchenstrahls ausgedehnte gekrümmte supraleitende Einzelspulen umfasst, die paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene (405) ausgebildet und angeordnet sind.
Strahlführungsmagnet (2) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulensystem aus den mindestens sechs supraleitenden Einzelspulen umfasst: a. zwei sattelförmige Hauptspulen (401) mit in Strahlführungsrichtung lang gestreckten Seitenteilen und stirnseitig aufgebogenen Endteilen (402), b. zwei zumindest weitgehend flache, bananenförmig gekrümmte Nebenspulen (403) vom Rennbahntyp, die jeweils einen Innenbereich (406) umschließen, und c. zwei zumindest weitgehend flache, jeweils in dem Innenbereich (406) der jeweiligen Nebenspule (403) angeordnete, bananenförmig gekrümmte Zusatzspulen (404) vom Rennbahntyp.
Strahlführungsmagnet (2) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nebenspulen (403) zwischen den aufgebogenen Endteilen (402) ihrer jeweils zugeordneten Hauptspule (401) erstrecken.
Strahlführungsmagnet (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter der supraleitenden Einzelspulen metallisches LTC-Supraleitermaterial aufweisen.
Strahlführungsmagnet (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter der Einzelspulen metalloxidisches HTC-Supraleitermaterial aufweisen.
Strahlführungsmagnet (2) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Betriebstemperatur der Leiter der Einzelspulen zwischen 10 K und 40 K, vorzugsweise zwischen 20 K und 30 K.
Strahlführungsmagnet (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahl von Teilchen abzulenken abzulenken ist.
Strahlführungsmagnet (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine magnetische Aperturfeldstärke von mindestens 2 Tesla, vorzugsweise zwischen 3 und 5 Tesla.
Strahlführungsmagnet (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenken durch thermische Kontaktflächen von Kaltköpfen (105) gebildet sind.
Bestrahlungsanlage (50) mit einer feststehenden, einen Strahl elektrisch geladener Teilchen (101) erzeugenden Bestrahlungsquelle (501), mit mehreren Fokussierungsmagneten zur Fokussierung des Teilchenstrahls (101) und mit mindestens einem Strahlführungsmagneten (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Ablenkung des Teilchenstrahls.
Bestrahlungsanlage (50) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein Gantry-System mit einer Drehbarkeit der Magnete bzgl. einer Gantry-Rotationsachse (A), die in der Strahlführungsebene (405) liegt.