DE2164207C3

DE2164207C3 - Einrichtung zur Bestrahlung mit energiereichen Elektronen

Info

Publication number: DE2164207C3
Application number: DE19712164207
Authority: DE
Inventors: Riccardo G. Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Benedetti
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-12-23
Filing date: 1971-12-23
Publication date: 1978-05-03
Also published as: CH542632A; IT972278B; DE2164207A1; FR2164652B1; JPS4868998A; DE2164207B2; GB1386318A; FR2164652A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestrahlung mit energiereichen Elektronen, bei welcher die aus einem Teilchenbeschleuniger austretenden Elektronen mittels eines Magnetfeldes auf ein bestimmtes Bestrahlungsfeld gelenkt werden, und soll vor allem die tiefentherapeutische Wirksamkeit von Elektronenbestrahlungen erhöhen.

Aus den bekannten Elektronenbeschleunigern, die zur Erzeugung eines Elektronenstrahls verwendet werden, tritt in der Regel ein divergenter Elektronenstrahl kleinen Querschnitts aus. Um damit größere Flächen bestrahlen zu können, hat man elektrische Ablenkmittel verwendet, durch die der Elektronenstrahl in Abtastbewegung versetzt wird. In der medizinischen Bestrahlungstechnik hat man auch in den Weg des Elektronen-Strahls sog. Streukörper oder Streufolien angeordnet, um den Elektronenstrahl aufzustreuen und damit dessen Querschnitt zu vergrößern und um zugleich die Elektronenstrahldichte zu homogenisieren (Siemens-Zeitschrift, Bd. 42 (1968), Heft 5, S. 335 bis 362). Auch durch die Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, Juli 1948, S. 599 bis 604 ist es bekannt, eine Elektronenstrahlung, die aus einem Generator austritt, durch eine Membran und durch magnetische Mittel aufzuweiten. Auch bei dieser bekannten Einrichtung hängt die Dosis vom Abstand zwischen der Elektronenquelle und der zu bestrahlenden Stelle ab.

Bei der Tiefentherapie mittels Elektronen ist man bestrebt, die Lage der Zone, in welcher 80% der Strahlung wirksam werden (80% Isodose), in die größtmögliche Tiefe des Bestrahlungsfeldes zu verlagern. Dies ist auch die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe. Bei den bekannten Elektronenaustrittssystemen tritt demgegenüber aber infolge der Strahlendivergenz eine Abnahme der Dosis; proportional dem Quadrat der Entfernung von der Elektronenquelle (1 : R²-Gesetz) ein, so daß die Tiefenlage der 80% Isodose zusätzlich zu dem von der kinetischen Energie abhängigen Reichweitespektrum noch weiter vermindert wird.

Bei einer Einrichtung der eingangs genannten ArI sind daher erfindungsgemäß dem Austrittsfenster des F.lpktronenheschleunieers in Richtung des ElektronenStrahls nacheinander eine Aufweitvorrichtung und eine magnetische Fokussiervorrichtung nachgeordnet Hierdurch wird ein Elektronenstrahienbündel erweiterten Querschnitts erhalten, bei welchem die Strahlenrichtung parallel oder auch konvergent ist so daß die Lage der 80% Isodose unabhängig von dem 1 : R²-Gesetz wird. Die bei bekannnten Verfahren zur Bestrahlung größerer Flächen mit Elektronen hoher Energie verwendeten Mittel erzeugen dagegen ein divergentes Elektronenstrahlenbündel mit dadurch bedingter geringerer Tiefenlage der 80% Isodose. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die zu verwendenden Elemente auch an fertige Elektronenbeschleuniger anbringbar sind.

>5 Eine einfache Bauweise läßt sich erreichen, wenn die Aufweitvorrichtung in Weiterbildung der Erfindung eine Streufolie ist. Mit Streufolien wird bereits in der medizinischen Bestrahlungstechnik gearbeitet Sie sind relativ preiswert ihre Anwendung ist problemlos.

«J In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Aufweitvorrichtung eine magnetische Linse sein. Bei dieser Weiterbildung der Erfindung ergibt sich die Möglichkeit, durch gleichzeitige Beeinflussung des Magnetfeldes der Aufweitvorrichtung und der Fokussiervorrichtung die Auslenkung und den Querschnitt des Elektronenstrahlenbünde's zu verändern. Die durch die den Elektronenstrahl aufweitenden Elemente erhaltene Divergenz des Elektronenstrahls wird durch eine in Strahlungsrichtung im Abstand von

3» den den Elektronenstrahl aufweitenden Elementen angeordnete elektromagnetische Fokussiervorrichtung wieder aufgehoben. Hierzu werden im wesentlichen Quadrupollinsen oder andere Magnete verwendet, die Ablenkfelder erzeugen. Auch fokussierende Toroidspulen sind anwendbar. Dabei muß die Fokussiervorrichtung einen dem aufgeweiteten Elektronenstrahienbündel angepaßten Querschnitt erhalten.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen

F i g. 1 den schematischen Querschnitt durch ein Betatron,

F i g. 2 den Querschnitt durch einen dem Elektronenaustrittsfenster des Betatrons nachgeschalteten Einsatz, welchem ein Streukörper und Fokussierungslinsen zugeordnet sind, und

F i g. 3 den Querschnitt durch einen anderen, dem Elektronenaustrittsfenster des Betatrons nachgeschalteten Einsatz, bei welchem der Streukörper durch Elektromagnete ersetzt ist.

In der F i g. 1 ist mit 1 ein Magnet eines Betatrons bezeichnet, bei welchem Elektronen in einer evakuierten Röhre 2 längs einer gestrichelt angedeuteten Sollkreisbahn in bekannter Weise beschleunigt werden. Durch eine hier nicht dargestellte Ablenkvorrichtung werden die beschleunigten Elektronen aus der Sollkreisbahn und auf ein Elektronenaustrittsfenster 3 gelenkt, durch das sie aus der Röhre austreten. Durch eine dem Austrittsfenster gegenüberliegende Öffnung in einer Bleiabschirmung 4 gelangen die Elektronen ins Freie.

*° Durch Schwenken des Betatrons können sie auf ein Bestrahlungsobjekt gerichtet werden. In der Öffnung in der Bleiabschirmung 4 befindet sich ein Einsatz 5, der die erfindungsgemäßen Aufweit- und Fokussiervorrichtung enthält.

In der F i g. 2 ist der Einsatz 5 vergrößert herausgezeichnet. Er schließt in der gestrichelten Umrandung eine Streufolie 6 und magnetische Fokussierungslinsen 7 und 8 ein. Für die im Betatron der Fi g. 1 erzeugten 42

MeV Elektronen ist die Streufolie 6 etwa 1,5 mm dick und aus Pb. Sie hat einen Durchmesser von 25 cm. Die Fckussierungslinsen 7 und 8 liegen bezüglich des Austrittsfensters 3 in einem Abstand von 10 crn nach der Streufolie 6 und haben eine Durchtrittsöffnung von 30 cm. Weil die Magnetfelder jeder der beiden Fokussierungslinsen 7 und 8 nur in jeweils eimer Ebene fokussieren, müssen zwei Magnetfelder, d. h. zwei um 90° um die Symmetrieachse des ursprünglichen Elektronenstrahls 9 gegeneinander verdrehte Fokussierungslinsen vorgesehen sein. Durch überlagerte Magnetfelder kann sich außer der Fokussierung des Eiektronenstrahlenbündels auch eine aus der Fig.2 ersichtliche Umlenkung des Strahlenbündels ergeben. Diese Umlenkung des Strahlenbündels kann, da die beiden von den Fokussierungslinsen 7 und 8 erzeugten Magnetfeld um 90° gegeneinander verdreht sind, auch um zwei zueinander und zur Symmetrieachse des ursprünglichen Elektronenstrahls 9 senkrechte Achse erfolgen.

Der durch das Fenster 3 austretende Elektronenstrahl 9 wird in der Streufolie 6 aufgeweitet, so daß die Elektronen in einem durch die Linien 10 und 11 begrenzten Kegel auseinanderlaufen. Dieses divergierende Elektronenstrahlenbündel wird dann durch die durch die Fokussierungslinsen 7 und 8 erzeugten Magnetfelder zu einem konvergierenden Stra ilenkegel gebündelt, der durch die strichpunktierten Linien 12' und 13' begrenzt würde, wenn keine gleichzeitige Umlenkung des Eiektronenstrahlenbündels stattfände. Wegen der Umlenkung des Eiektronenstrahlenbündels wird die Kegel in Wirklichkeit durch die Linie 12 und 13, die nicht mehr in der Zeichenebene der F i g. 2 zu liegen brauchen, begrenzt. Die beiden Fokussierungslinsen bewirken somit letztendlich, daß die Elektronen statt in einem divergierenden Kegel, der in der F i g. 2 durch die Linien 10' und 11' begrenzt wird, in einem zwar umgelenkten, aber konvergierenden Kegel, der durch die Linien 12 und 13 begrenzt ist, verlaufen. Ein Körper, dessen Begrenzung durch die gestrichelte Linie 14 angedeutet ist, kann auf diese Weise mit einem konvergierenden Strahlenbündel bestrahlt werden, bei welchem die 80% Isodose um 50% tiefer liegt als bei Einrichtungen ohne den erfindungsgemäßen Einspiz 5.

Die Fi g. 3 zeigt eine Variante mit einem gegenüber dem Einsatz 5 etwas abgewandelten Einsatz 5'. Der aus einer Röhre 15 durch ein Austrittsfenster 16 austretende Elektronenstrahl 17 durchsetzt in dem Einsatz 5' magnetische Linsen 18,18', die anstelle einer Streufolie zur Aufweitung des Elektronenstrahls vorgesehen sind. Der Elektronenstrahl 17 wird durch die Ablenkfelder der Linsen 18,18' zu einem divergierenden Elektronenstrahlenbündel, das in der F i g. 3 von den Linien 19 und 20, die nicht in der Zeichenebene zu liegen brauchen, dargestellt wird. Durch die in Strahlenrichtung hinter den Linsen 18, 18' zur Aufweitung des Elektronenstrahls liegenden Fokussierungslinsen 21, 2Γ wird das durch die Linien 19 und 20 begrenzte Elektronenstrahlbündel fokussiert und gegebenenfalls auch umgelenkt.

Nach Durchtritt durch die Fokussierungstinsen 21, 2Γ wird das nunmehr konvergierende Elektronenstrahlenbündei durch die Linien 22 und 23 begrenzt dargestellt. In einem Körper, dessen Kontur durch die gestrichelte Linie 24 angedeutet wird, liegt daher die 80% Isodose tiefer und ist der Durchmesser des Strahlenkegels größer, als wenn der Einsatz 5' fehlen würde. Da die Ablenkfelder der Linsen 18 und 18' zusätzlich zur Aufweitung des Elektronenstrahls eine Umlenkung des Elektronenstrahls bewirken können, ähnlich wie bei den Fokussierungslinsen 21 und 21' oder 7 und 8, kann das aus dem Einsatz 5' austretende durch die Linien 22, 23 begrenzte Elektronenstrahlenbündel etwas außerhalb der Zeichenebene liegen. Die Linsen 18, 18', durch welche die Aufweitung des Elektronenstrahls erfolgt,

haben eine Öffnung von etwa 15 cm Durchmesser. Durch zusätzliche Elemente, die den Strom in den Wicklungen der Linsen 18,18' bzw. Fokussierungslinsen 21 und 21' verändern, ist eine Anpassung des Eiektronenstrahlenbündels an verschieden große Be-Strahlungsfelder möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bestrahlung mit energiereichen Elektronen, bei welcher die aus einem Teilchenbeschleuniger austretenden Elektronen mittels eines Magnetfeldes auf ein bestimmtes Bestrahlungsfeld gelenkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Austrittsfenster (3, 16) des Elektronenbeschleunigers in Richtung des Elektronenstrahls (9, 17) nacheinander eine Aufweitvorrichtung (6,18,18') und eine magnetische Fokussiereinrichtung (7,8,21, 21') nacr-geordneit sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitvorrichtung eine Streufolie (6) ist.

3. Einriclitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitvorrichtung eine magnetische Linse (18,18') ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Fokussiereinrichtung (7,8,21,21') justierbar ist.