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Die Erfindung betrifft Elektromagnete zur Führung von Teilchenstrahlen zur Strahlentherapie mit einer Spule in Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle zur Ausbildung eines magnetischen Feldes.
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Zur Ablenkung von Teilchenstrahlen werden Elektromagnete eingesetzt. Diese bestehen bekannterweise aus einer Spule mit einem Kern oder einem Joch zur Verstärkung des Magnetfeldes. Die Größe des Magnetfeldes bestimmt dabei die Ablenkung des Teilchenstrahls. Derartige Elektromagnete sind allgemein bekannt.
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Zum Einen liefem konventionelle Teilchenbeschleuniger einen kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Teilchenstrahl und damit einen Teilchenstrahl mit hohem Strahl-An-zu-Strahl-Aus-Verhältnis (Duty-Cycle). Zur Ablenkung des Teilchenstrahls werden Elektromagnete mit Spulen und Eisenkern eingesetzt, wobei das Magnetfeld über längere Zeiträume - einige Sekunden - konstant gehalten wird.
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Zum Anderen erzeugen Teilchenbeschleuniger auch gepulste Strahlen. So ist durch die Druckschrift
DE 10 2011 075 210 A1 ein Linearbeschleuniger bekannt, der Pulse geladener Teilchen erzeugt.
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Durch die Druckschrift
DE 195 13 683 A1 sind hochstromgepulste Multipole für die Strahlführung und Strahloptik sowie Linsen-Multipletts daraus bekannt. Dazu sind auf einer dielektrischen Folie Leiterbahnen auf photolithografischen Weg aufgebracht. Die Folie ist dann auf einem Träger um das Strahlrohr gewickelt, wodurch der vorgesehene Multipol vorhanden ist. Die erzielbare Feldstärke ist durch die Ausbildung der Leiterbahnen beschränkt.
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Durch die Druckschrift
WO 2014 / 089 540 A2 ist eine Leiteranordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds bekannt. Die einzelnen Spulen sind als Sattelspulen mit jeweils mehreren Windungen ausgebildet, wobei die Leiter neben- und übereinander angeordnet sind. Die Sattelspulen befinden sich damit auf der Mantelfläche eines Zylinders. Die Windungen sind dabei auf eine sehr einfache Geometrie mit zwei Kreisbögen und zwei geraden Verbindungsstücken beschränkt. Die Spulen bestehen aus einem isolierten Draht.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 045 874 A1 beinhaltet Multipolspulen mit mindestens zwei Spulen, die eine gedachte Achse konzentrisch einschließend angeordnet sind. Für jede der Spulen wird mindestens eine Windung auf einer flexiblen Leiterplatte durch aufgebrachte Leiterbahnen angeordnet und wird die Leiterplatte mindestens in einer Leiterplattenlage gerollt. Die Leiterbahnen bedingen eingeschränkte erzielbare Magnetfeldstärken.
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Die Druckschrift
US 5 821 543 A zeigt eine elektrostatisch wirkende Linse zum Fokussieren oder Defokussieren von Partikelstrahlen, die ein Array koaxial in Ringen angeordnete Elektroden aufweist. Jeder der Ringe ist mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden, so dass das wirkende elektrische Feld präzise eingestellt werden kann. Die Partikelstrahlen werden durch die Ringe geführt, wobei der Strahlquerschnitt beeinflusst wird.
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Durch die Druckschrift
US 2009 / 0 206 974 A1 ist eine spiralförmige Leiteranordnung bekannt, die eine dreidimensionale Raumspule in Form einer Schraube ist. Die Richtung des Leiters ändert sich in Bezug zu einer Referenzachse. Der Abstand von Leiterabschnitten, der in Schnittebenen gemessen wird, variiert. Die Leiteranordnung dient vorzugsweise zur genauen Einstellung von Multipolmomenten und damit zur präzisen Fokussierung von Teilchenstrahlen.
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Die Druckschrift
DE 20 14 099 A zeigt einen Elektromagneten zum Betätigen nachgeordneter Vorrichtungen, wie das beispielsweise Ventile sind. Der metallische Kern als Magnetkörper ist aus elektrisch voneinander isolierten, weichmagnetischen Drähten aufgebaut.
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Druckschrift
US 6 153 885 A beinhaltet eine Ablenkeinrichtung insbesondere für einen Elektronenstrahl mit zwei spiralförmig angeordneten Leiterbahnen auf sich gegenüberliegenden Oberflächen eines dünnen Trägers, die mittels einer Durchkontaktierung miteinander verbunden sind. Dabei sind mehrere solche Träger in einem zylindrischen Rahmen befestigt. Die Leiterbahnen bedingen wiederum eingeschränkte erzielbare Magnetfeldstärken.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromagnet für ein gepulstes Magnetfeld zur Führung von gepulsten Teilchenstrahlen zur Strahlentherapie einfach zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Elektromagnete zur Führung von Teilchenstrahlen zur Strahlentherapie mit einer Spule in Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle zur Ausbildung eines magnetischen Feldes zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Führung der Teilchenstrahlen mit einem gepulsten Magnetfeld erfolgt.
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Dazu besteht die Spule aus mindestens einem aus einem elektrisch nichtleitenden Material bestehenden plattenförmigen Grundkörper mit wenigstens einem flach spiralförmig angeordneten, flexiblen und elektrischen Leiter in einem Kanal des Grundkörpers, wobei der elektrische Leiter aus mehreren Einzeldrähten besteht und damit eine Litze ist. Mehrere plattenförmige Grundkörper sind mit den elektrischen Leitern als Stapel und/oder winklig zueinander angeordnet der Elektromagnet oder bilden einen Teil davon aus. Weiterhin ist die Spule mit einer eine gepulste Energie liefernden Energiequelle verbunden.
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Die Spule besteht damit im Wesentlichen aus dem elektrischen Leiter und dem Grundkörper, wobei der Grundkörper als Träger und Isolator fungiert.
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Teilchenstrahlen werden durch Magnete abgelenkt und geformt. Die Magnete werden zu einem Strahlführungssystem zusammengesetzt, die die Teilchenstrahlen an den gewünschten Ort und in die gewünschte Form bringen. Je größer die magnetische Feldstärke der Magnete ist, umso kompakter können die Strahlführungssysteme gebaut werden. Dabei definiert die genaue Feldform in den Magneten die Qualität der Strahlführungseigenschaften, insbesondere die Strahlfleckgröße an verschiedenen Punkten der Strahlführung. Üblicherweise werden Magnete mit Eisenkern eingesetzt. Hier wird die Feldform maßgeblich durch die Form des Eisenjochs beeinflusst, so dass einfache Leiterführungen möglich sind.
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Bei gepulsten Teilchenstrahlen besteht die Möglichkeit, das Magnetfeld nur dann aufzubauen, wenn ein Paket des Strahls den Magnet passiert. Die Einrichtung zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass gepulste Magnetfelder mit großen Feldstärken erzeugbar sind. Das wird erst durch den Verzicht auf einen magnetisierbaren Festkörperkern, beispielsweise einem Eisenkern, möglich. Allerdings wird dann die Feldform, von der Leiterführung definiert, so dass komplexe Leiterführungen notwendig sind. Diese können aber leicht durch eine Litze entlang von Vertiefungen im Grundkörper realisiert werden, wozu der Grundkörper Kanäle aufweist. Die Vertiefungen bestimmen dabei die Leiterführungen. Für Magnetfelder mit großer Feldstärke müssen äquivalent große elektrische Ströme fließen.
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Grundlage dazu ist, dass sich bekannterweise in einer Spule bei Stromfluss ein magnetisches Feld ausbildet. Die Felder der einzelnen Windungen der Spule summieren sich zu einem den Wicklungsquerschnitt umlaufenden Gesamtfeld. Die Magnetfeldlinien konzentrieren sich im Innern der Spule, wobei die magnetische Flussdichte im Zentrum der Spule am höchsten ist. Die Spule ist als kernlose Spule ohne magnetisierbaren Festkörperkern ausgebildet.
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Die Leiterführungen können durch die Vertiefungen, Erhöhungen und/oder Anschläge vorgegeben sein, wobei auch komplexe Leitergeometrien leicht ausbildbar sind. Es ist eine stabile Leitergeometrie gewährleistet. Als Leitung kann günstigerweise eine verdrillte Litzenleitung verwendet werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Der Grundkörper besteht nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 aus mehreren Teilstücken, wobei wenigstens ein Teilstück einen Durchbruch für den Leiter aufweist, so dass im Zusammenbau der Durchbruch der Kanal ist.
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Die Kanäle von Grundkörpern weisen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 wenigstens eine Durchführungsöffnung für den Leiter auf, so dass die Spulen mehrerer Grundkörper miteinander verbindbar und damit verbunden sind. Die Grundkörper lassen sich einfach und ökonomisch insbesondere wiederholend herstellen. Mehrere können einfach zu einem Stapel zusammengefasst werden, wobei bekannte Verbindungstechnologien einsetzbar sind. Die Verbindung der Leiter der Platten erfolgt über die Durchführungsöffnungen, so dass ein kompakter Elektromagnet mit mehreren beabstandet und benachbart zueinander angeordneten Spulen realisiert ist.
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Die plattenförmigen Grundkörper sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 mittels Kleb-, Press- und/oder Schraubenverbindungen miteinander verbunden. Das sind bekannte Verbindungstechnologien, so dass Einrichtungen ökonomisch günstig realisierbar sind.
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Der Grundkörper der Spule besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 günstigerweise eine Öffnung zum Durchtritt des Teilchenstrahles.
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Der Kanal mit dem Leiter ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 gleichzeitig ein Strömungskanal für ein Kühlmedium. Bei großen fließenden elektrischen Strömen kann die entstehende Verlustleistung in Form von Wärme einfach und sicher abgeführt werden. Dementsprechend können Magnete mit großen gepulsten Feldstärken realisiert werden.
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Im Grundkörper ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 eine Vertiefung eingebracht, die als Strömungskanal für wenigstens ein Kühlmedium dient. Damit kann auch ein elektrisch leitendes Kühlmedium, beispielsweise Wasser, eingesetzt werden.
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Günstigerweise besteht der Grundkörper nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 aus einem Kunststoff, einer Keramik, einem Verbundwerkstoff oder einer Kombination davon.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 ein Elektromagnet zur Führung von Teilchenstrahlen zur Strahlentherapie mit einer Spule in Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle zur Ausbildung eines magnetischen Feldes,
- 2 ein derartiger Elektromagnet mit einer mehrere Windungen aufweisenden Spule,
- 3 ein weiterer derartiger Elektromagnet mit einer spiralförmigen Spule,
- 4 ein Querschnitt durch einen Grundkörper mit einem Leiter,
- 5 ein Elektromagnet mit einer Öffnung für den Teilchenstrahl und
- 6 ein Elektromagnet mit mehreren Spulen.
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Ein Elektromagnet zur Führung von Teilchenstrahlen zur Strahlentherapie besteht im Wesentlichen aus einer Spule in Verbindung mit einer eine gepulste Energie liefernden elektrischen Energiequelle 3 zur Ausbildung eines magnetischen Feldes. Die Spule ist damit ein Ablenkmagnet des Teilchenstrahles. Die Spule besteht aus mindestens einem aus einem elektrisch nichtleitenden Material bestehenden Grundkörper 1 mit wenigstens einem elektrischen und flexiblen Leiter 2 mit mindestens einer Biegung.
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Es zeigen die
- 1 ein Elektromagnet zur Führung von Teilchenstrahlen zur Strahlentherapie mit einer Spule in Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle zur Ausbildung eines magnetischen Feldes,
- 2 ein derartiger Elektromagnet mit einer mehrere Windungen aufweisenden Spule und
- 3 ein weiterer derartiger Elektromagnet mit einer spiralförmigen Spule jeweils in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Leiter 2
- - ist ein offen ringförmig angeordneter elektrischer Leiter 2,
- - sind mehrere über Durchführungsöffnungen 4 miteinander verbundene offen ringförmig angeordnete elektrische Leiter 2 oder
- - ist ein flach spiralförmig angeordneter elektrischer Leiter 2.
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Bei letzterer Ausführungsform ist das innere Ende des spiralförmig angeordneten Leiters 2 über eine Durchführungsöffnung 4 zum Ende eines Grundkörpers 1 geführt.
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Die 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Grundkörper 1 mit einem Leiter 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Grundkörper 1 besitzt mindestens einen Kanal als eine eingebrachte Nut 5, in dem sich der elektrische Leiter 2 befindet. Der Grundkörper 1 besteht aus einem elektrisch nichtleitenden Material. Das ist insbesondere ein Kunststoff, eine Keramik, ein Verbundwerkstoff oder eine Kombination davon. Der Grundkörper 1 ist vorzugsweise ein plattenförmiger Grundkörper 1 mit der Nut 5, die den elektrischen Leiter 2 vollständig aufnimmt. Die Nut 5 ist wenigstens einmal offen ringförmig oder spiralförmig eingebracht. Eine mehrfach ringförmige oder eine spiralförmige Anordnung des Leiters 2 führt zu einer Spule mit mehreren Windungen. Über wenigstens eine Durchführungsöffnung 4 und einer den Rand schneidenden Nut 5 sind die Enden des Leiters 2 zum Rand geführt, so dass der Leiter 2 mit der elektrischen Energiequelle 3 verbindbar ist. Darüber hinaus können auch mehrere Durchführungsöffnungen 4 vorhanden sein, so dass Brücken und damit Kreuzungen von Leitern 2 realisierbar sind.
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Der Leiter 2 ist ein aus Einzeldrähten bestehender Leiter in Form einer Litze, die günstigerweise verdrillt ist. Der damit elastische Leiter 2 ist leicht biegbar und in der eingebrachten Nut 5 platzierbar.
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Mehrere derartig ausgebildete Spulen können auch aneinander angeordnet sein, so dass die Leiter 2 als Spulen benachbart zueinander angeordnet sind. Die Verbindung der Leiter 2 erfolgt mittels der Durchführungsöffnungen 4.
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Die 5 zeigt einen Elektromagnet mit einer Öffnung 6 für den Teilchenstrahl in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Grundkörper besitzt in einer Ausführungsform eine Öffnung 6 zum Durchtritt des Teilchenstrahls.
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Die wenigstens eine Spule ist zur Ausbildung der Einrichtung zur Führung von Teilchenstrahlen zur Strahlentherapie mit der eine gepulste elektrische Energie liefernden elektrischen Energiequelle 3 verbunden, so dass die Spule ein gepulster Magnet ist.
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Mehrere aneinander angeordnete Spulen sind in einer weiteren Ausführungsform ein Stapel 7 aus mehreren plattenförmigen Grundkörpern 1 mit in den Nuten 5 angeordneten Leitern 2, wobei diese durch eine vorgeordnete Platte abgedeckt und/oder durch eine nächstfolgende Platte abgedeckt sind. Die plattenförmigen Grundkörper 1 und die wenigstens eine Platte sind dazu mittels bekannter Kleb-, Press- und/oder Schraubenverbindungen miteinander verbunden.
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Die Kanäle dienen dabei der Aufnahme des Leiters 2 oder der Leiter 2 und können gleichzeitig Strömungskanäle für ein Kühlmedium sein. Dazu ist der Querschnitt der Nut 5 größer als der Querschnitt des Leiters 2, so dass ein freier Raum oder freie Räume für das fließende Kühlmedium vorhanden ist oder sind. Natürlich kann sich im Grundkörper eine weitere Vertiefung als Bestandteil eines Strömungskanals oder ein Strömungskanal für wenigstens ein Kühlmedium befinden.
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Die 6 zeigt einen Elektromagnet mit mehreren Spulen in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Einrichtung zur Führung von Teilchenstrahlen zur Strahlentherapie kann aus mehreren Spulen und/oder mehreren Stapeln 7 von Spulen bestehen, die auch winklig zueinander angeordnet sein können. In der 6 sind dazu prinzipiell vier Stapel 7 bestehend aus jeweils drei Grundkörpern 1 beispielhaft gezeigt. Dabei können parallel zueinander angeordnete Stapel 7 mit Öffnungen 6, wie beispielhaft in der Darstellung der 5 gezeigt, für den Durchtritt des Teilchenstrahls versehen sein. Weitere parallel zueinander angeordnete Stapel 7 von Spulen können im Querschnitt ein O-Form ausbilden oder umgeben einen durch die Stapel 7 umschlossenen Innenraum. Letzterer bildet zusammen mit den Öffnungen 6 den Raum zum Durchtritt des Teilchenstrahls. Die Spulen der Stapel 7 sind zur gezielten Ablenkung des Teilchenstrahls mit der elektrischen Energiequelle 3 oder mit elektrischen Energiequellen 3 für die Spulen jeweils eines Stapels 7 zusammengeschaltet. Die elektrische Energiequelle 3 oder die elektrischen Energiequellen 3 sind dazu mit einer Steuereinrichtung 8 verbunden.
