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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Erzeugung beschleunigter Teilchen aus Targets zur Strahlentherapie.
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Die Erzeugung von Teilchen zur Strahlentherapie erfolgt mittels Targets, die mit einem fokussierten gepulsten Laserstrahl beaufschlagt werden. Dazu werden als Targets
- a) Metallfolien,
- b) Wasserstoffpellets in Form kleiner Tröpfchen in Form von Kugeln,
- c) strukturierte Metall-Folien, beispielsweise Folien mit Quadern aus organischen Stoffen, oder
- d) spezielle Formen in Einzelanfertigungen verwendet.
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Die damit verbundenen Nachteile bestehen
- – in der geringen Reproduzierbarkeit der Protonenanzahl bei a) und d),
- – in der geringen Reproduzierbarkeit der Flugrichtung und des Strahlöffnungswinkels bei b),
- – in der Kontaminierung des gewünschten Protonenstrahls mit anderen Teilchen bei a), c) und d) und
- – dem aufwändigen Targetwechsel bei a), c) und d).
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Durch die Druckschrift
DE 1 814 888 A sind ein Verfahren und eine Einrichtung zum Herstellen einer dünnen, freitragenden, im Hochvakuum aus bei Raumtemperatur gasförmigen Material, wie Wasserstoff, bekannt. Dazu wird ein Metallkörper, der ein Loch aufweist, dessen Durchmesser so klein ist, dass sich im Loch eine Lamelle aus dem verflüssigten Material bilden kann, in einem das Material in gasförmigem Zustand enthaltenden Raum unter die Verflüssigungstemperatur des Materials abgekühlt, bis das an der Oberfläche des Metallkörpers kondensierende und herablaufende verflüssigte Material eine die Öffnung überspannende Flüssigkeitslamelle bildet. Dann wird die Temperatur des Metallkörpers weiter erniedrigt, bis die Flüssigkeitslamelle erstarrt.
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Durch die Druckschrift
US 2004/0200977 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung beschleunigter Teilchen aus Targets bekannt. Auf einen Targethalter wird durch Eintauchen in ein flüssiges Medium und nachfolgenden Herausführen eine Membran des Mediums erzeugt. Durch Beaufschlagen der Membran mit einem Gasstrom wird im Gasstrom eine Blase des Mediums gebildet und diese Blase im Gasstrom transportiert. Diese damit im Gasstrom fliegende Blase stellt ein Target dar, welches mit einem Laserstrahl beaufschlagt wird, so dass beschleunigte Teilchen erzeugt werden.
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Die Druckschrift
US 3 907 477 A beinhaltet eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bildung von festen Deuteriumdrähten. Aus diesen werden auch Targets als Pellets hergestellt, jedoch nicht durch Laserschneiden. Ein Erzeugen von Partikeln unmittelbar nach dem Vereinzeln der Targets ist nicht vorgesehen.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 003 854 A1 betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung fester Filamente in einer Vakuumkammer. Dabei wird ein fadenförmiges Filament aus verflüssigten Gasen mit erhöhter zeitlicher und räumlicher Stabilität erzeugt. Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Bereitstellung langer Filamente.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beschleunigte Teilchen mit weitestgehend gleicher Energie zur Strahlentherapie durch Umwandlung eines Targets bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand nach den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Einrichtungen zur Erzeugung beschleunigter Teilchen aus Targets zur Strahlentherapie zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass durch Umwandlung eines Targets Teilchen weitestgehend gleicher Energie zur Strahlentherapie erzeugt werden.
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Dazu weist die Einrichtung
- – eine Kammer mit wenigstens einer Vorrichtung zur Zuführung zum Einen von festen Körpern aus bei Normalbedingungen flüssigen oder gasförmigen Stoffen oder zum Anderen von in der Kammer in die feste Phase zu überführenden flüssigen oder gasförmigen Stoffen, so dass in der Kammer mindestens ein fester Körper des Stoffes als Kugel, Faden oder Folie vorhanden ist,
- – wenigstens eine laserstrahlführende Einrichtung im Strahlengang eines ersten Lasers zum Schneiden einer Scheibe aus einer Kugel, eines Fadens oder einer Folie als Target,
- – wenigstens eine laserstrahlführende Einrichtung im Strahlengang eines zweiten Lasers zum reproduzierbaren Erzeugen und Beschleunigen von Teilchen aus der Scheibe und
- – eine mit den laserstrahlführenden Einrichtungen so verbundene Steuereinrichtung, dass unmittelbar nach dem Schneiden mit Laserstrahlen des ersten Lasers Teilchen aus dem freien Target mit Laserstrahlen des zweiten Lasers erzeugt und beschleunigt werden,
auf.
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Unmittelbar nach dem Schneiden entsteht somit ein frei schwebendes oder fallendes Target aus dem festen Körper. Die Eigenschaften eines Protonenstrahls als Teilchenstrahl werden wesentlich von den Eigenschaften dieses Targets bestimmt.
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Vorteilhafterweise werden die beschleunigten Protonen in der Strahlentherapie eingesetzt. Dabei wird ein Tumor bei seiner Behandlung mit den beschleunigten und damit hochenergetischen Protonen bestrahlt. Das erfolgt günstigerweise bei Tumoren, die entweder zu tief im Körper sitzen oder von empfindlichen Organen umgeben sind. Die Protonentherapie ermöglicht gegenüber anderen Strahlenarten eine tumorkonformere Dosisverteilung innerhalb der zu bestrahlenden Region.
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Mit der Einrichtung werden die folgenden Anforderungen erfüllt:
- a) schneller Targetwechsel:
Durch die Umwandlung in ein Plasma wird das Target zumindest lokal zerstört. Ist das Target beispielsweise eine Folie, so können abhängig von der Gesamtfläche nur einige Pulse von Protonenstrahlen erzeugt werden, bis dass die Folie gewechselt werden muss und währenddessen eine zu vermeidende Bestrahlungspause auftritt. Das kann durch Schneiden und unmittelbares Erzeugen und Beschleunigen der Protonen erfolgen. Günstigerweise können dazu auch mehrere Vorrichtungen zur Zuführung von Körpern oder eines flüssigen/gasförmigen, in der Kammer in eine feste Phase überführten Körper vorgesehen werden.
- b) Erzeugung von Teilchen weitestgehend gleicher Energie:
Werden Teilchen auf sehr verschiedenen Energien beschleunigt, ist im Teilchenstrom ein Filter vorzusehen, weil Teilchen mit unerwünschter Energie aus dem Strahl entfernt werden müssen. Dadurch wird aber eine unerwünschte Untergrundstrahlung erzeugt. Mittels der in der Erfindung angegebenen Targets werden vorteilhafterweise sofort monoenergetische Strahlen erzeugt. Das wird dadurch erreicht, dass das Target frei ist und keine oder zumindest eine minimale Verbindung zur umgebenden Materie aufweist.
- c) Reproduzierbarkeit:
Die Position des Fokuspunktes des Lasers zum Erzeugen und Beschleunigen der Protonen ist nur etwa so genau definiert, wie seine Größe ist. Der Beschleunigungsprozess hängt aber vom Winkel zwischen Laserstrahl und Targetoberfläche ab. Um die größtmögliche Stabilität zu erreichen, kann das Target wenigstens eine ebene Oberfläche besitzen. Noch vorteilhafter ist es ein Target mit zwei parallelen Oberflächen, wie sie eine Scheibe als Target aufweist. Dazu wird eine Scheibe aus der Kugel oder der Folie geschnitten. Ein Faden kann zu Scheiben geschnitten werden, wobei die Form des Querschnitts ein Kreis, eine Ellipse oder ein Mehreck sein kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben.
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Günstige Stoffe sind nach der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 2 Wasserstoff, Methan, Sauerstoff, Stickstoff, Deuterium, Kohlenstoffoxide oder Stickoxide oder ein Stoffgemisch bestehend aus einer Kombination dieser Stoffe.
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In der Kammer befindet sich nach der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 3 wenigstens ein Halter für den festen Körper. Mit dem Halter ist der feste Körper so angeordnet, dass die Laserstrahlen des Lasers den festen Körper schneiden und die dadurch entstandene Scheibe als freies Target vom Halter getrennt ist.
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Der Halter ist nach der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 4 vorteilhafterweise gleichzeitig eine Düse zur Zuführung entweder des festen Körpers oder des flüssigen/gasförmigen und in die feste Phase zu überführenden Körpers.
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In der Kammer ist nach der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 5 wenigstens eine Blende als ein Halter so angeordnet, dass ein Tropfen flüssigen Stoffes auf die durch Lamellen geschlossene Blende gelangt und durch Adhäsion an dieser haftet. Die Lamellen sind an einen Antrieb so gekoppelt, dass sich beim Öffnen der Blende eine dünne Folie aus dem Stoff ausbildet und durch die Expansion und Abdampfung einiger Moleküle die Folie als fester Körper gefriert.
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Eine den Laserstrahl des Lasers zum Schneiden auskoppelnde Einrichtung ist so angeordnet, dass durch die Laserstrahlen eine Scheibe und damit das freie Target aus der Folie ausgeschnitten wird. Dazu kann der Laserstrahl gesteuert geführt oder geformt werden. Ersteres kann über einen Scanner erfolgen. Im zweiten Fall ist das durch die Erzeugung eines Laserstrahls mit dem Querschnitt eines Kreisringes gegeben.
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In der Kammer sind nach der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 6 mindestens zwei mit wenigstens einem Antriebsmechanismus gekoppelte Blenden angeordnet, so dass die Blenden nacheinander in die Positionen zum Aufbringen des Tropfen flüssigen Stoffes und sowohl zum Ausschneiden der Scheibe als auch zum Erzeugen und Beschleunigen von Protonen aus dem freien Target gelangen. Damit wird weitestgehend ein Teilchenstrom mit höherer Frequenz im Hz-Bereich erzeugt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Realisierung einer Scheibe als freies Target aus einer Kugel gefrorenen Wasserstoffs für die Erzeugung beschleunigter Protonen,
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2 eine Düse mit einem freien Target aus einem zylinderförmigen Faden gefrorenen Wasserstoffs für die Erzeugung beschleunigter Protonen und
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3 eine Blende mit einem freien Target aus einer Folie gefrorenen Wasserstoffs für die Erzeugung beschleunigter Protonen.
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Eine Einrichtung zur Erzeugung beschleunigter Teilchen zur Strahlentherapie aus Wasserstofftargets 1 als Körper 1 besteht im Wesentlichen aus
- – einer Kammer,
- – einer Vorrichtung zur Zuführung von gefrorenen Wasserstoffkörpern 1 oder von flüssigen in der Kammer gefrierenden Wasserstoff,
- – einem ersten Laser zum Schneiden einer Scheibe 1 als Körper 1 und damit als freies Target 3 und
- – einem zweiten Laser zum Erzeugen und Beschleunigen von Protonen 5.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel ist die Kammer mit wenigstens einer Vorrichtung zur Zuführung von gefrorenen Wasserstoffkörpern 1 oder von flüssigem, in der Kammer gefrierenden Wasserstoff versehen.
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In einer ersten Ausführungsform werden damit als Körper 1 Kugeln 1 oder Tropfen 1 an einer Düse 2 oder über eine Düse 2 erzeugt.
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Die 1 zeigt eine Realisierung einer Scheibe aus einer Kugel 1 gefrorenen Wasserstoffs als freies Target 3 für die Erzeugung beschleunigter Protonen 5 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Kugel 1 ist eine Wasserstoffkugel 1 mit einem Durchmesser von beispielsweise 50 µm.
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Dazu wird bekannterweise ein flüssiger Strahl aus der Düse 2 herausgepresst. Die Düse 2 wird weiterhin mit Ultraschall angeregt, so dass der Flüssigkeitsstrahl nicht ganz gleichmäßig ist. Durch die Oberflächenspannung und die zunehmend höhere Geschwindigkeit reißt der Strahl in Tropfen 1 ab. Wegen der Oberflächenspannung sind das weitgehend Kugeln 1, die dann durch die Verdunstung der energiereichen Wasserstoffmoleküle als Körper 1 einfrieren. Der Ultraschall dient zur Reproduzierbarkeit der Körper 1.
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Durch die Laserstrahlung des ersten Lasers werden zwei Kugelsegmente durch die Schnitte S1 und S2 so abgeschnitten, dass daraus eine flache Zylinder-Scheibe mit einem Durchmesser von 50 µm und einer Dicke von 10 µm übrigbleibt. Unmittelbar danach wird diese abgetrennte Scheibe 1 als freies Target 3 durch die Einwirkung der Laserstrahlung 4 des zweiten Lasers in ein Plasma umgewandelt und die dabei freigesetzten Protonen 5 werden beschleunigt.
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In einer zweiten Ausführungsform wird als Körper 1 in der Kammer ein Faden 1 gefrorenen Wasserstoffes erzeugt.
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Die 2 zeigt eine Düse 2 mit einem freien Target 3 aus einem zylinderförmigen Faden 1 gefrorenen Wasserstoffs für die Erzeugung beschleunigter Protonen 5 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Faden 1 besitzt hierbei im Querschnitt die Form eines Kreises oder einer Ellipse. Mittels der Laserstrahlung des ersten Lasers werden durch die Schnitte S1 und S2 korrespondierend zueinander angeordnete und ebene Flächen geschaffen. Durch den Schnitt S3 wird ein Abschnitt als Scheibe als freies Target 3 abgetrennt. Das nach dem Schnitt S3 vorhandene freie Target 3 in der Kammer wird mittels der Laserstrahlung 4 des zweiten Lasers in ein Plasma umgewandelt und die dabei freigesetzten Protonen 5 werden beschleunigt.
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Die Vorrichtung zur Zuführung von flüssigem Wasserstoff ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass flüssiger Wasserstoff tropfenweise in die Kammer gelangt. In der Kammer befindet sich wenigstens eine durch Lamellen geschlossene Blende 6, auf die ein Tropfen Wasserstoff gelangt.
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Die 3 zeigt eine Blende 6 mit einem freien Target 3 aus einer Folie 7 gefrorenen Wasserstoffs zur Erzeugung beschleunigter Protonen 5 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Durch Adhäsion haftet der Tropfen auf den Lamellen der Blende 6. Letztere sind an einen Antrieb gekoppelt. Mit der durch den Antrieb verursachten Öffnung und der Vergrößerung dieser Öffnung spannt sich nun als Körper 1 eine dünne Folie 7 aus Wasserstoff auf. Durch die Expansion und Abdampfung einiger Wasserstoffmoleküle gefriert die Folie 7. Die Blende 6 und damit die Folie 7 wird auf die Targetposition gebracht und mit Laserstrahlen des ersten Lasers als Körper 1 eine Kreisscheibe als freies Target 3 aus der Folie 7 herausgeschnitten. Dazu wird die Laserstrahlung kreisförmig über einen Scanner geführt oder in der Laserstrahlung ist ein Axikon angeordnet. Auf das für einen Moment nach dem Schneiden frei schwebende Target 3 wird die Laserstrahlung 4 des zweiten Lasers fokussiert, wobei
- – wenigstens ein Bereich des Targets 3 in ein Plasma umgewandelt wird und
- – die dabei freigesetzten Protonen als Teilchen gleichzeitig beschleunigt werden.
