DE102007046508B4

DE102007046508B4 - Bestrahlungsanlage mit einem Strahlführungsmagneten

Info

Publication number: DE102007046508B4
Application number: DE102007046508A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Diehl; Rene Gumbrecht; Eva Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2027-09-29
Also published as: DE102007046508A1; US20090090871A1

Abstract

Bestrahlungsanlage (100) mit einem Strahlführungsmagneten (105) zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen, ausgehend von einer ortsfesten Teilchenquelle (101), längs einer gekrümmten, eine Strahlführungsebene (SA) festlegenden Teilchenbahn (102), die ein Kreissegment mit einem Radius R und einem Öffnungswinkel α beschreibt in ein Isozentrum (103), welcher Magnet (105) ein auf ferromagnetisches, die Strahlführung beeinflussendes Material verzichtendes Spulensystem umfasst, das entlang der Teilchenbahn (102) ausgedehnte, gekrümmte Einzelspulen aufweist, die jeweils paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene (SA) angeordnet sind, wobei das Spulensystem mindestens umfasst:
a) zwei sattelförmige Hauptspulen (201) mit in Richtung der Teilchenbahn (102) langgestreckten Seitenteilen (202) und bezüglich der Strahlführungsebene (SA) aufgebogenen Endteilen (203),
b) zwei zwischen den Endteilen (203) der Hauptspulen (201) angeordnete, zumindest weitgehend flache, bananenförmig gekrümmte Nebenspulen (204) mit den in Richtung der Teilchenbahn (102) langgestreckten Seitenteilen (202) und den Endteilen (203), die jeweils einen Innenbereich (205) umschließen, und
c) zwei zumindest weitgehend flache, jeweils...

Description

Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungsanlage mit einem Strahlführungsmagneten zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen. Ausgehend von einer ortsfesten Teilchenquelle wird der Strahl elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten, eine Strahlführungsebene festlegenden Teilchenbahn, welche außerdem ein Kreissegment mit einem Radius R und einem Führungswinkel α beschreibt, in ein Isozentrum abgelenkt. Der Strahlführungsmagnet weist ein Spulensystem auf, das auf ferromagnetisches, die Strahlführung beeinflussendes Material verzichtet. Das Spulensystem weist entlang der Teilchenbahn ausgedehnte, gekrümmte Einzelspulen auf, die jeweils paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene angeordnet sind. Eine derartige Bestrahlungsanlage wird in d nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2006 018 635 A1 vorgeschlagen, wobei dort das Spulensystem weiterhin umfasst:

– zwei sattelförmige Hauptspulen mit der in Richtung der Teilchenbahn langgestreckten Seitenteilen und bezüglich der Strahlführungsebene aufgebogenen Endteilen,
– zwei zwischen den Endteilen der Hauptspulen angeordnete, zumindest weitgehend flache, bananenförmig gekrümmte Nebenspulen mit in Richtung der Teilchenbahn langgestreckten Seitenteilen und bogenförmigen Endteilen, die jeweils einen Innenbereich umschließen, und
– zwei zumindest weitgehend flache, im Innenbereich der jeweiligen Nebenspule angeordnete bananenförmig gekrümmte Zusatzspulen.

Bei der Partikeltherapie werden Ionen des Wasserstoffs (Protonen) des Kohlenstoffs (C⁶ ⁺) oder anderer Elemente auf hohen Geschwindigkeiten (50 bis 500 MeV/Nukleon) beschleunigt und auf ein zu behandelndes Tumorgewebe gelenkt. Eine derartige Bestrahlungsanlage zur medizinischen Therapie geht beispielsweise aus der DE 199 04 675 A1 oder auch aus der US 4,870,287 A hervor. Derartige Bestrahlungsanlagen umfassen eine ortsfeste Teilchenquelle und einen ebenfalls ortsfesten Beschleuniger zur Erzeugung eines hochenergetischen Teilchenstrahls. Der hochenergetische Teilchenstrahl soll auf einen zu bestrahlenden Bereich eines Probanden gerichtet werden, beispielsweise auf ein Tumorgewebe.
Da es sich bei einem zu bestrahlenden Bereich typischerweise um einen räumlich ausgedehnten Bereich handelt, wird dieser Bereich mit dem Teilchenstrahl abgerastert. Eine Vorrichtung zum Ablenken eines Teilchenstrahls, insbesondere eines Elektronenstrahls, ist beispielsweise aus der DE 43 35 807 A1 bekannt. In der Vorrichtung, bekannt aus der DE 43 35 807 A1 , wird die Ablenkung durch einen Ablenkmagneten erreicht, welcher aus einer supraleitenden Spulenanordnung aufgebaut ist. Mit Hilfe supraleitender Spulen können sehr hohe elektromagnetische Felder erzeugt werden, und somit starke Ablenkungen des Teilchenstrahls.
Durch eine Variation der Partikelenergie kann die Eindringtiefe ins Gewebe eingestellt werden. Um eine entsprechende laterale Rasterbewegung an dem zu bestrahlenden Ort zu erreichen, wird der Teilchenstrahl im Bereich der Ablenk- und Strahlführungsmagnete um kleine Winkel aus seiner ursprünglichen Bahn abgelenkt. Diese Ablenkung wird von den in Strahlrichtung folgenden Ablenkmagneten wieder derart kompensiert, dass der Strahl jeweils parallel versetzt an dem zu bestrahlenden Ort auftrifft.
Aus medizinischer Sicht ist es zweckmäßig, die Bestrahlung eines Tumors aus unterschiedlichen Richtungen vorzunehmen. Auf diese Weise kann die Strahlendosis im umliegenden Bereich, also dem nicht zu therapierenden Bereich, des Körpers eines Probanden möglichst gering gehalten werden. Durch eine Variation des Einstrahlwinkels kann die Strahlenbelastung im umliegenden nicht zu therapierenden Gewebe auf ein möglichst großes Volumen verteilt werden. Je nach Lage des zu bestrahlenden Bereiches im Körper des Probanden kann weiterhin die Richtung, aus der der Teilchenstrahl auf den zu bestrahlenden Bereich trifft, so gewählt werden, dass der Teilchenstrahl auf seinem Weg durch den Körper des Probanden zu dem zu bestrahlenden Bereich einen möglichst kurzen Weg zurücklegt.
Um eine Bestrahlung des Tumors aus unterschiedlichen Richtungen zu ermöglichen, ist ein bewegliches Magnetsystem zur Führung und Ablenkung des Ionenstrahls notwendig. Dieses Magnetsystem muss zur Anpassung an unterschiedliche Teilchenenergien in seiner magnetischen Stärke einstellbar sein. Ein derart variierbares Magnetsystem ist gut durch Elektromagnete zu realisieren. Zur Bestrahlung eines Probanden aus verschiedenen Richtungen, wird der Teilchenstrahl entlang einer durch den Beschleuniger vorgegebenen Achse in eine so genannte „Gantry” eingeschossen, welche um die durch den Teilchenstrahl vorgegebene Achse drehbar ist.
Unter einer Gantry ist in diesem Zusammenhang ein System von Magneten zur Ablenkung und Fokussierung des Strahls elektrisch geladener Teilchen bei unterschiedlichen kinetischen Energien der entsprechenden Teilchen sowie die zur Halterung der Magnete notwendige Halte- und Drehmechanik zu verstehen. Mit der Gantry wird der Teilchenstrahl mehrfach aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt, so dass er nach Verlassen der Gantry unter einem bestimmten Winkel auf den zu bestrahlenden Bereich trifft. Typischerweise trifft der Teilchenstrahl unter einem Winkel zwischen 45° und 90° bezüglich der Rotationsachse der Gantry auf den zu bestrahlenden Bereich.
Damit eine Bestrahlung eines zu therapierenden Bereiches von mehreren Seiten erfolgen kann, sind die Strahlführungsmagnete auf einem Gestell, welches Teil der Gantry ist, derart angeordnet, dass der aus der Gantry austretende Teilchenstrahl stets durch einen festen zu bestrahlenden Bereich, das so genannte „Isozentrum”, verläuft. Auf diese Weise kann die Strahlendosis im umliegenden Bereich des Isozentrums auf ein möglichst großes Volumen verteilt werden, so dass die Strahlenbelastung außerhalb des Isozentrums verhältnismäßig gering gehalten werden kann.
Zur Bestrahlung eines räumlich ausgedehnten Tumors ist neben einer Variation der Teilchenenergie und des Winkels, unter dem der Teilchenstrahl auf den zu bestrahlenden Bereich trifft, ebenfalls eine Variation der lateralen Ortskoordinaten am Auftreffpunkt des Teilchenstrahls wünschenswert. Zu einer Variation der Ortskoordinaten des Teilchenstrahls werden typischerweise Scannermagnete in die Gantry integriert. Mit Hilfe dieser Scannermagnete kann der Teilchenstrahl in einer horizontalen und einer vertikalen Ebene um jeweils kleine Winkel abgelenkt werden. Die durch die Scannermagnete hervorgerufenen Ablenkungen des Teilchenstrahls müssen von den in Strahlrichtung folgenden Magneten derart kompensiert werden, dass der Teilchenstrahl die Gantry in nahezu parallelen Strahlen wieder verlässt. Die Ablenkung des Teilchenstrahls, insbesondere seine Ablenkung nach dem Scannermagneten in einem letzten 45°- oder 90°-Ablenkmagnet, erfolgt durch ein Dipolmoment. Eine Kompensation der durch die Scanner hervorgerufenen Defokussierung erfolgt durch üblicherweise gesonderte Quadrupolmagnete. Quadrupolmomente haben jedoch die Eigenschaft, dass sie in einer ersten Ebene fokussierend und in einer zweiten, zu der ersten senkrechten Ebene, defokussierend wirken.
Die Position der Scannermagnete bezüglich des letzten 45°- oder 90°-Ablenkmagneten ist daher aus Gründen der Fokussierung nahezu punktgenau festgelegt. Scannermagnete nehmen außerdem einen erheblichen Bauraum in der Gantry einer Bestrahlungsanlage ein und vergrößern zudem das Gewicht der drehbaren Gantry.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bestrahlungsanlage mit einem Strahlführungsmagneten anzugeben, welcher hinsichtlich seiner fokussierenden Eigenschaften verbessert ist, insbesondere soll eine Bestrahlungsanlage angegeben werden, welche hinsichtlich der Positionierbarkeit der Scannermagnete flexibel auslegbar ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, einen Strahlführungsmagneten, insbesondere einen Strahlführungsmagneten, welcher von dem Teilchenstrahl nach Durchlaufen der Scannermagnete vor dem Auftreffen im Isozentrum zuletzt durchlaufen wird, derart auszugestalten, dass dieser neben einem den Teilchenstrahl ablenkenden Dipolmoment, zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende Quadrupolmomente aufweist. Durch eine derartige Ausgestaltung eines Strahlführungsmagneten kann erreicht werden, dass ein Strahl elektrisch geladener Teilchen sowohl durch das Dipolmoment des Strahlführungsmagneten abgelenkt wird als auch durch die Quadrupolmomente des Strahlführungsmagneten fokussiert wird. Insbesondere bewirkt der Ablenkmagnet der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanlage, dass der Strahl elektrisch geladener Teilchen in zwei zueinander senkrechte Richtungen fokussiert wird. Ein derart ausgestalteter Strahlführungsmagnet gestattet es, eine Bestrahlungsanlage anzugeben, welche hinsichtlich der Positionen ihrer Scannermagnete flexibel ausgestaltet ist.
Erfindungsgemäß wird eine Bestrahlungsanlage mit einem Strahlführungsmagneten zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen angegeben. Ausgehend von einer ortsfesten Teilchenquelle wird der Strahl elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten, eine Strahlführungsebene festlegenden Teilchenbahn, die außerdem ein Kreissegment mit dem Radius R und einem Öffnungswinkel α beschreibt, in ein Isozentrum abgelenkt. Der Strahlführungsmagnet weist ein Spulensystem auf, welches auf ferromagnetisches, die Strahlführung beeinflussendes Material verzichtet. Das Spulensystem weist entlang der Teilchenbahn ausgedehnte, gekrümmte Einzelspulen auf, die jeweils paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene angeordnet sind. Dabei umfasst das Spulensystem:

– zwei sattelförmige Hauptspulen mit in Richtung der Teilchenbahn langgestreckten Seitenteilen und bezüglich der Strahlführungsebene gegebenenfalls aufgebogenen Endteilen,
– zwei zwischen den Endteilen der Hauptspulen angeordnete, zumindest weitgehend flache, bananenförmig gekrümmte Nebenspulen mit in Richtung der Teilchenbahn langgestreckten Seitenteilen und bogenförmigen Endteilen, die jeweils einen Innenbereich umschließen, und
– zwei zumindest weitgehend flache, in dem Innenbereich der jeweiligen Nebenspule angeordnete bananenförmig gekrümmte Zusatzspulen.
– Der Strahlführungsmagnet ist entlang einer Trennebene senkrecht zur Richtung der Teilchenbahn in einen ersten und einen zweiten Bereich unterteilt. Der Teilchenstrahl durchläuft ausgehend von der Teilchenquelle zuerst den ersten Bereich und dann den zweiten Bereich.
– In dem ersten Bereich sind die Nebenspulen und die Zusatzspulen in eine erste Richtung parallel zu dem Radius R gegenüber den Hauptspulen verschoben. In dem zweiten Bereich sind die Nebenspulen und die Zusatzspulen in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung gegenüber den Hauptspulen verschoben.
– Der Strahlführungsmagnet weist in seinem ersten Bereich und seinem zweiten Bereich jeweils ein Quadrupolmoment auf, welches entgegengesetzte Vorzeichen aufweist.

Vorteilhaft kann mit der erfindungsgemäßen Strahlungsanlage eine bessere Fokussierung des Strahls elektrisch geladener Teilchen erreicht werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanlage mit einem Strahlführungsmagneten gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines, vorzugsweise mit dem mehrere Unteransprüche kombiniert werden. Demgemäß kann die Bestrahlungsanlage nach der Erfindung noch die folgenden Merkmale aufweisen:

– Die Hauptspulen und die Nebenspulen können gegenüber ihrer Lage in dem ersten Bereich in den zweiten Bereich entlang der ersten Richtung in eine Position mit größerem Radius R verschoben sein. Die Zusatzspulen können gegenüber ihrer Lage in dem ersten Bereich in den zweiten Bereich entlang der zweiten Richtung in eine Position mit kleinerem Radius verschoben sein. Gemäß der zuvor beschriebenen Ausgestaltung der Bestrahlungsanlage kann diese mit einem besonders einfachen und effektiv ausgestalteten Strahlführungsmagneten versehen werden.
– Der Strahlführungsmagnet der Bestrahlungsanlage kann in dem ersten Bereich ein Quadrupolmoment mit positivem Vorzeichen aufweisen und in dem zweiten Bereich ein Quadrupolmoment mit negativem Vorzeichen. Durch die zuvor beschriebene Anordnung der Quadrupolmomente kann eine Bestrahlungsanlage mit besonders günstigen fokussierenden Eigenschaften angegeben werden.
– Die Bestrahlungsanlage kann einen X-Scannermagneten und einen Y-Scannermagneten zur lateralen Ablenkung des Teilchenstrahls am Ort des Isozentrums in eine X-Richtung und eine dazu senkrechte Y-Richtung aufweisen. Der X-Scannermagnet und der Y-Scannermagnet können von der Teilchenquelle aus betrachtet vor dem Ablenkmagneten angeordnet sein. Der jeweilige Abstand des X-Scannermagneten und des Y-Scannermagneten von dem Strahlführungsmagneten kann durch die Ausgestaltung des Spulensystems des Strahlführungsmagneten einstellbar sein. Vorteilhaft kann bei der zuvor beschriebenen Bestrahlungsanlage die Position des X-Scannermagneten und des Y-Scannermagneten variabel eingestellt werden. Auf diese Weise kann in ihrer Konstruktion flexiblere Bestrahlungsanlage angegeben werden.
– Der X-Scannermagnet und der Y-Scannermagnet können zu einem gemeinsamen XY-Scannermagneten zusammengefasst sein. Die Ablenkung des Teilchenstrahls kann in X-Richtung und in Y-Richtung im Wesentlichen am gleichen Ort erfolgen. Indem die beiden Scannermagnete zu einem gemeinsamen Scannermagneten zusammengefasst werden, kann eine besondere platzsparende und kompakte Bestrahlungsanlage angegeben werden.
– Der XY-Scannermagnet kann ein um die Achse der Teilchenbahn drehbarer X-Scannermagnet oder Y-Scannermagnet sein. Durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung des XY-Scannermagneten kann einer der beiden Scannermagnete eingespart werden. Es ergibt sich somit ein Platz- und Kostenvorteil für die Bestrahlungsanlage.
– Die Leiter der Einzelspulen des Strahlführungsmagneten der Bestrahlungsanlage können au supraleitendem Material, insbesondere aus LTC-Supraleitermaterial oder HTC-Supraleitermaterial, gefertigt sein. Eine Bestrahlungsanlage mit supraleitenden Ablenkmagneten ist erheblich leichter und kleiner als eine Bestrahlungsanlage mit herkömmlich ausgeführten Elektromagneten. Indem die Bestrahlungsanlage in ihrer Größe reduziert werden kann, ergibt sich ein erheblicher Kostenvorteil für eine derartige Bestrahlungsanlage. Die Verwendung von LTC-Supraleitermaterial ist insbesondere daher vorteilhaft, da das Material technisch gut beherrschbar ist und entsprechend verarbeitet werden kann. Die Verwendung von HTC-Supraleitermaterial ist vorteilhaft, da der kühltechnische Aufwand zur Aufrechterhaltung der Supraleitung verringert ist.
– Die Betriebstemperatur der Leiter der Einzelspulen kann zwischen 10 K und 40 K, vorzugsweise zwischen 20 K und 30 K, liegen. In den zuvor gegebenen Temperaturbereichen weist das HTC-Supraleitermaterial besonders hohe kritische Stromdichten auf.
– Der Teilchenstrahl kann ein Strahl aus C⁶ ⁺-Teilchen sein. C⁶ ⁺-Teilchen sind zur Strahlentherapie aufgrund ihrer Absorptionseigenschaften besonders geeignet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen sowie insbesondere aus den nachfolgend erläuterten Zeichnungen hervor. Dabei zeigen deren
1 eine Bestrahlungsanlage,
2 einen bekannten Strahlführungsmagneten in Perspektivansicht,
3 einen Querschnitt durch diesen Magneten,
4 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Strahlführungsmagneten und
5 und 6 jeweils einen Querschnitt durch den Strahlführungsmagneten gemäß 4.
Sich in der Zeichnung entsprechende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Weitere in der Zeichnung nicht explizit dargestellte oder erwähnte Teile sind allgemein bekannter Stand der Technik.
1 zeigt eine Bestrahlungsanlage 100 mit einer ortsfesten Teilchenquelle 101. Ausgehend von der Teilchenquelle 101 wird ein Strahl elektrisch geladener Teilchen entlang einer Teilchenbahn 102 in eine Gantry eingeschossen. Die Gantry umfasst mehrere Ablenk- und/oder Strahlführungsmagnete 104, 105, einen X-Scannermagnet 106 und einen Y-Scannermagnet 107. Die gesamte Gantry ist um eine Drehachse A drehbar, so dass der Strahl elektrisch geladener Teilchen entlang seiner Teilchenbahn 102 bei der Drehung der Gantry stets die Drehachse A in einem festen Punkt, dem so genannten Isozentrum 103, schneidet.
2 zeigt einen bekannten Strahlführungsmagneten 105, wobei bis auf die Spulen des Magnetsystems übrige Bauteile weggelassen sind. Der Strahlführungsmagnet 105 dient zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen entlang einer Teilchenbahn 102. Die von den geladenen Teilchen entlang ihrer Teilchenbahn 102 beschriebene Trajektorie entspricht dabei im Wesentlichen einem Kreissegment mit dem Radius R und dem Öffnungswinkel α. Der Strahl elektrisch geladener Teilchen wird in ein Isozentrum 103 abgelenkt.
Das Spulensystem des Ablenkmagneten 105 umfasst zwei Hauptspulen 201 mit langgestreckten Seitenteilen 202 und stirnseitig aufgebogenen Endteilen 203. Zwischen den stirnseitig aufgebogenen Endteilen 203 der Hauptspulen 201 befindet sich jeweils eine Nebenspule 204. Die Nebenspulen 204 schließen einen Innenbereich 205 ein, in dem sich eine Zusatzspule 206 befindet. Der entlang der Teilchenbahn 102 abgelenkte Strahl elektrisch geladener Teilchen definiert eine Strahlführungsebene SA.
Die Hauptspulen 201 aus 2 lassen sich in eine flache Innenspule und eine flache Außenspule einsetzen. Die Stromrückführung des inneren langgestreckten Seitenteils 202 erfolgt dabei durch ein Seitenteil auf kleinerem Radius und die Stromrückführung des äußeren langgestreckten Seitenteils 202 erfolgt auf größerem Radius. Die Verbindung der Seitenteile 202 mit ihren jeweiligen Rückführungen erfolgt über flache halbkreisförmige Bögen. Sofern der Strahlführungsmagnet vollständig aus planaren Wicklungen aufgebaut wird, können die sattelförmig ausgebildeten Endteile 203 auch entfallen.
3 zeigt einen Querschnitt durch den bekannten Strahlführungsmagneten 105, wie er in 2 angedeutet ist. Das Spulensystem des Strahlführungsmagneten ist bezüglich der Strahlführungsebene SA spiegelsymmetrisch aufgebaut. Ein Strahl elektrisch geladener Teilchen wird entlang seiner Teilchenbahn 102 in einem Strahlführungsrohr 301 geführt. Zu beiden Seiten des Strahlführungsrohrs 301 befinden sich die Hauptspulen 201, die Nebenspulen 204 sowie die im Innenbereich 205 der Nebenspulen 204 angeordneten Zusatzspulen 206. Das Spulensystem wird von einer Haltestruktur 305 mechanisch gehalten.
Bei den Spulen des Spulensystems kann es sich insbesondere um supraleitende Spulen handeln, welche zur Aufrechterhaltung der Supraleitung auf tiefe Temperaturen zu kühlen sind. Zu diesem Zweck kann sich das gesamte Spulensystem einschließlich der Haltestruktur 305 in einem Kryostaten 303 befinden. Zur Verbesserung der thermischen Isolation insbesondere hinsichtlich der Wärmestrahlung kann sich innerhalb des Kryostaten 303 zusätzlich eine Superisolation 304 befinden. Das gesamte beschriebene System befindet sich innerhalb eines Magnetgehäuses 302.
Wie 2 zu entnehmen sind, weisen die Spulen des Spulensystems, insbesondere im Bereich ihrer langgestreckten Seitenbereiche, eine kontinuierliche Krümmung auf. Wie aus 3 ersichtlich, sind die Abstände der einzelnen Spulen zu der Teilchenbahn 102, aber auch zu dem Strahlführungsrohr 301 über die gesamte Länge des Ablenkmagneten 105 im Wesentlichen konstant. Das Verhältnis der Abstände der Spulen untereinander ist ebenfalls über die Länge des Strahlführungsmagneten 105 im Wesentlichen konstant.
4 zeigt einen Strahlführungsmagneten 105 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Demnach ist der Strahlführungsmagnet 105 in einen ersten Bereich B₁ und in einen zweiten Bereich B₂ entlang einer Trennebene T unterteilt. Die Trennebene T ist senkrecht zur Teilchenbahn 102 orientiert. Die Flächennormale der Trennebene T entspricht also ihrer Richtung nach dem Ortsvektor der Teilchenbahn 102 am Ort der Trennebene T.
Der in 4 gezeigte Strahlführungsmagnet 105 weist sowohl im ersten Bereich B₁ als auch im zweiten Bereich B₂ zumindest zwei Hauptspulen 201, zwei Nebenspulen 204 und zwei Zusatzspulen 206 auf. In dem ersten Bereich B₁ sind die Nebenspulen 204 und die Zusatzspulen 206 parallel zu dem Radius R gegenüber den Hauptspulen 201 verschoben. In dem zweiten Bereich B₂ sind die Nebenspulen 204 und die Zusatzspulen 206 in eine zweite, zu der ersten Richtung R₁ entgegengesetzte Richtung R₂ gegenüber den Hauptspulen 201 verschoben. Zum Vergleich sei auf 2 verwiesen.
Durch die Verschiebung des Spulensystems kann erreicht werden, dass das Strahlführungsmagnet 105 gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel neben dem zur Ablenkung des Teilchenstrahls notwendigen Dipolmoment zwei in ihrer Richtung entgegengesetzte Quadrupolmomente aufweist. Dabei unterscheiden sich das Quadrupolmoment in dem ersten Bereich B₁ und das Quadrupolmoment in dem zweiten Bereich B₂ durch ihre Vorzeichen.
Die Verschiebung der Einzelspulen des Spulensystems wird anhand zweier Schnitte durch den in 4 gezeigten Strahlführungsmagneten 105, welche in 5 und 6 dargestellt sind, deutlich. Dabei zeigt 5 einen Schnitt im ersten Bereich B₁ entlang der Ebene V-V, und 6 einen Schnitt im zweiten Bereich B₂ entlang der Ebene VI-VI.
5 zeigt einen Querschnitt durch das Spulensystem des Strahlführungsmagneten aus 4. Die Nebenspulen 204 sowie die Zusatzspulen 206 sind gegenüber den Hauptspulen 201 in eine Richtung R₁ verschoben. Die Verschiebung in die Richtung R₁ erfolgt dabei parallel zu der Strahlführungsebene SA.
6 zeigt einen weiteren Querschnitt durch das Spulensystem des Strahlführungsmagneten 105 aus 4. Die Nebenspulen 204 und die Zusatzspulen 206 sind in dem zweiten Bereich B₂ in eine zweite Richtung R₂, welche der ersten Richtung R₁ entgegengesetzt ist, verschoben.
Alternativ lässt sich die Verschiebung der einzelnen Spulen des Spulensystems wie folgt erklären. Gegenüber ihrer Position in dem ersten Bereich B₁ sind die Hauptspulen 201 in dem zweiten Bereich B₂, wie in 6 angedeutet, in eine Richtung R₁ verschoben sind. Neben den Hauptspulen 201 werden die Nebenspulen 204 ebenfalls in Richtung R₁ verschoben. Die Zusatzspulen 206 werden hingegen in eine der ersten Richtung R₁ entgegengesetzte Richtung R₂ verschoben.
Die zuvor beschriebene Verschiebung der Position der einzelnen Spulen des Spulensystems des Strahlführungsmagneten 105 in dem ersten Bereich B₁ und dem zweiten Bereich B₂ bewirken, dass der Strahlführungsmagnet 105 in dem ersten Bereich B₁ und in dem zweiten Bereich B₂ Quadrupolmomente mit unterschiedlichen Vorzeichen aufweist.
Die Ablenkung des Strahls elektrisch geladener Teilchen erfolgt durch das Dipolmoment des Strahlführungsmagneten 105.
Die Quadrupolmomente bewirken eine Fokussierung des Teilchenstrahls, und kompensieren somit insbesondere die Wirkung des X-Scannermagneten und des Y-Scannermagneten 106, 107. In einer Bestrahlungsanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel kann somit der Strahl elektrisch geladener Teilchen in zwei zueinander senkrechte Richtungen fokussiert werden. Die Fokussierung geschieht mit ein und demselben Magneten, mit welchem der Strahl elektrischer Teilchen abgelenkt wird. Die Position des X-Scannermagneten 106 und des Y-Scannermagneten 107 gegenüber dem Strahlführungsmagneten 105, insbesondere die Abstände der entsprechenden Scannermagnete, entlang der Teilchenbahn 102 sind durch die Dimensionierung der Quadrupolmomente in den Bereichen B₁ und B₂ somit einstellbar.
Insbesondere können der X-Scannermagnet 106 und der Y-Scannermagnet 107 zu einem gemeinsamen XY-Scannermagneten zusammengefasst werden. Dies kann insbesondere dadurch geschehen, dass wahlweise der X-Scannermagnet 106 oder der Y-Scannermagnet 107 um die Teilchenbahn 102 drehbar angeordnet wird. Die Drehung der Feldrichtung zur Ablenkung im dann einzigen Scannermagneten kann mechanisch erfolgen. Vorteilhaft kann ein einziger Scannermagnet mit mehreren z. B. zwei senkrecht zueinander orientierter Polpaaren ausgeführt sein, so dass über das Bestromungsverhältnis der Polepaare eine Felddrehung auf rein elektrische Weise und damit erheblich schneller erfolgen kann als eine mechanische Drehung. Durch eine 90°-Drehung beispielsweise kann auf diese Weise ein X-Scannermagnet in einen Y-Scannermagnet übergehen, i. e. die gleiche Wirkung erzielen. Die Bestrahlungsanlage kann auf diese Weise in ihrer räumlichen Ausdehnung wesentlich verkürzt werden.

Claims

Bestrahlungsanlage (100) mit einem Strahlführungsmagneten (105) zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen, ausgehend von einer ortsfesten Teilchenquelle (101), längs einer gekrümmten, eine Strahlführungsebene (SA) festlegenden Teilchenbahn (102), die ein Kreissegment mit einem Radius R und einem Öffnungswinkel α beschreibt in ein Isozentrum (103), welcher Magnet (105) ein auf ferromagnetisches, die Strahlführung beeinflussendes Material verzichtendes Spulensystem umfasst, das entlang der Teilchenbahn (102) ausgedehnte, gekrümmte Einzelspulen aufweist, die jeweils paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene (SA) angeordnet sind, wobei das Spulensystem mindestens umfasst: a) zwei sattelförmige Hauptspulen (201) mit in Richtung der Teilchenbahn (102) langgestreckten Seitenteilen (202) und bezüglich der Strahlführungsebene (SA) aufgebogenen Endteilen (203), b) zwei zwischen den Endteilen (203) der Hauptspulen (201) angeordnete, zumindest weitgehend flache, bananenförmig gekrümmte Nebenspulen (204) mit den in Richtung der Teilchenbahn (102) langgestreckten Seitenteilen (202) und den Endteilen (203), die jeweils einen Innenbereich (205) umschließen, und c) zwei zumindest weitgehend flache, jeweils in den Innenbereich (205) der jeweiligen Nebenspule (204) angeordnete bananenförmig gekrümmte Zusatzspulen (206), dadurch gekennzeichnet, dass d) der Strahlführungsmagnet (105) entlang einer Trennebene (T) senkrecht zur Richtung der Teilchenbahn (102) in einen ersten und zweiten Bereich (B₁, B₂) unterteilt ist, wobei der Teilchenstrahl ausgehend von einer Teilchenquelle (101) den ersten Bereich (B₁) zuerst durchläuft, e) in dem ersten Bereich (B₁) die Nebenspulen (204) und die Zusatzspulen (206) in eine erste radiale Richtung (R₁) gegenüber den Hauptspulen (201) verschoben sind und in dem zweiten Bereich (B₂) die Nebenspulen (204) und die Zusatzspulen (206) in eine zweite, der ersten radialen Richtung (R₁) entgegengesetzte Richtung (R₂) gegenüber den Hauptspulen (201) verschoben sind, und f) die Quadrupolmomente des Strahlführungsmagneten (105) in dem ersten und zweiten Bereich (B₁, B₂) entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.
Bestrahlungsanlage (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Hauptspulen (201) und die Nebenspulen (204) gegenüber ihrer Lage in dem ersten Bereich (B₁), in dem zweiten Bereich (B₂), entlang der ersten Richtung (R₁) in eine Position mit größerem Radius R verschoben sind, und – die Zusatzspule (206) gegenüber ihrer Lage in dem ersten Bereich (B₁), in dem zweiten Bereich (B₂) entlang der zweiten Richtung (R₂) in eine Position mit kleinerem Radius (R) verschoben sind.
Bestrahlungsanlage (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Hauptspule (101) in eine flache Innenspule und eine flache Außenspule geteilt ist, wobei die Stromrückführung des inneren langgestreckten Seitenteils (202) durch ein Seitenteil auf kleinerem Radius und die Stromrückführung des äußeren langgestreckten Seitenteils (202) auf größerem Radius erfolgen und wobei die Verbindung der Seitenteile (202) mit ihren jeweiligen Rückführungen über flache halbkreisförmige Bögen erfolgt.
Bestrahlungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Quadrupolmoment mit positivem Vorzeichen im ersten Bereich (B₁) und ein Quadrupolmoment mit negativem Vorzeichen im zweiten Bereich (B₂).
Bestrahlungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen X-Scannermagnet (106) und einen Y-Scannermagnet (107) zur lateralen Ablenkung des Teilchenstrahls am Ort des Isozentrums (103) in eine X-Richtung und eine dazu senkrechte Y-Richtung, wobei der X-Scannermagnet (106) und der Y-Scannermagnet (107) von der Teilchen quelle (101) aus betrachtet vor dem Strahlführungsmagneten (105) angeordnet sind, und ihr jeweiliger Abstand von dem Strahlführungsmagneten (105) durch die Ausgestaltung des Spulensystems einstellbar ist.
Bestrahlungsanlage (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, der X-Scannermagnet (106) und der Y-Scannermagnet (107) zu einem gemeinsamen XY-Scannermagneten zusammengefasst sind, wobei die Ablenkung des Teilchenstrahls in X-Richtung und in Y-Richtung im Wesentlichen am gleichen Ort erfolgt.
Bestrahlungsanlage (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der XY-Scannermagnet ein um die Achse der Teilchenbahn drehbarer X-Scannermagnet (106) oder Y-Scannermagnet (107) ist.
Bestrahlungsanlage (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, das der XY-Scannermagnet über mehrere, vorzugweise eine gerade Anzahl von Polpaaren verfügt, womit die Feldrichtungsdrehung, über das Bestromungsverhältnis der Polpaare zueinander erfolgt.
Bestrahlungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter der Einzelspulen metallisches LTC-Supraleitermaterial aufweisen.
Bestrahlungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter der Einzelspulen metalloxidisches HTC-Supraleitermaterial aufweisen.
Bestrahlungsanlage (100) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Betriebstemperatur der Leiter der Einzelspulen zwischen 10 K und 40 K, vorzugsweise zwischen 20 K und 30 K.
Bestrahlungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Teilchenstrahl aus C⁶⁺-Teilchen.