DE3242852A1

DE3242852A1 - Bestrahlungsgeraet mit beschleuniger sowie ablenkungssystem dafuer

Info

Publication number: DE3242852A1
Application number: DE19823242852
Authority: DE
Inventors: Karl Leslie Menlo Park Calif. Brown; Phillip Thomas Los Altos Calif. Jones; William Garfield Cupertino Calif. Turnbull
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1981-11-19
Filing date: 1982-11-19
Publication date: 1983-05-26
Also published as: US4425506A; GB2109989A; GB2109989B; JPH0440680B2; FR2516390B1; FR2516390A1; JPS5931500A; CA1192676A

Description

-V-

Die Erfindung betrifft ganz allgemein das Gebiet der Optik und des Transportes von Strahlen geladener Teilchen und betrifft insbesondere die achromatische Strahlablenkung, die besonders verwendbar ist in Strahlenbehandlungsgeräten.

Achromatische optische Elemente sind wesentlich in kommerziellen und medizinisch-therapeutischen Bestrahlungssystemen, da das Hauptattribut bei derartigen Anwendungsfällen in der relativ' großen Strahlenintensität und Steuerung derselben liegt. Mit einem typischen starken Strahlstrombeschleuniger, beispielsweise dem .Mikroweilen-Linearbeschleuniger werden die nötigen Strahlenintensitäten erreicht, aber die Energieverteilung ist ziemlich breit. Um den zur Verfügung stehenden Strahl zu nutzen, müssen deshalb optische Elemente eingeführt werden, die gegenüber der Energieverteilung des Strahls verhältnismäßig unempfindlich sind. Insbesondere ist es bei Röntgengeräten wünschenswert, einen intensiven Strahl auf einen kleinen Strahlfleck auf dem Röntgentarget zu konzentrieren, um eine Röntgenquelle zu erhalten, die im Verhältnis zum bestrahlten Zielbereich klein genug ist.

Strahlablenkungsanordnungen in kommerziellen Bestrahlungsfällen und für medizinische Therapieanwendungen unterliegen meistens mechanischen und geometrischen Einschränkungen hinsichtlich der Manövrierbarkeit der Vorrichtung, der Abschirmung und Kollimation des Bestrahlungsflusses und anderer wirtschaftlicher Gesichtspunkte hinsichtlich der Konstruktion derartiger Vorrichtungen.

Ein achromatisches Strahlablenkungssystem geht aus US-PS 3 867 635 hervor. Bei dieser Vorrichtung durchläuft der Strahl drei gleichförmige Feldsektormagnete und zwei zwischengeschaltete Triftstrecken und erfährt dabei eine 27(^-Ablenkung zum Auftreffen auf das Röntgentarget. Die Sektormagnetpole sind in Bezug auf die Sektorwinkel exakt definiert. Der

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Einfallswinkel und Ausfallswinkel des Strahls in Bezug auf jeden Sektor und ein- Nebenschluß von komplexer Gestalt nimmt die zwischengeschalteten Strecken ebenso wie den Eingangsund Ausgangsbereich des Deflektors ein,, um die nötigen feld-· freien Triftstrecken zu gewährleisten. Die gegenseitige innere Ausrichtung aller Komponenten des Deflektors ist unbedingt wichtig, um die Leistung dieser bekannten Vorrichtung zu erzielen, wie auch die Ausrichtung des zusammengesetzten Deflektors mit dem Beschleunigerstrahl»

Ein weiteres bekanntes System geht aus US-PS 3 379 9Ll hervor, bei dem eine Ablenkung um 27 0° in einem gleichmäßigen Feld erzielt wird, in welches in der Nachbarschaft des Ablenkungsmittelpunkts (135 ) ein Gradientenbereich eingeführt wird, so daß das Magnetfeld in diesem Gradientenbereich radial- in der Ablenkungsebene zum Außenbereich akzeptierter Bahnen zunimmt ο Damit werden die Bahnen, die durch ein&n großen Krümmungsradius (in Abwesenheit eines Gradienten) gekennzeichnet sind, einem etwas stärkeren Feld ausgesetzt als es die Bahnen bei kleineren Krümmungsradien wären» Die richtige Einstellung der Gradienten-Ausgleichsscheibe ergibt eine achromatische Ablenkung erster Ordnung um den gewünschten Winkel.

Bei allen vorstehend beschriebenen Systemen ist es erwünscht,, daß der Deflektor keine wesentliche Momentstreuung des Strahls einführt und in der Ausgangsebene eine wahrheitsgetreue Wiedergabe der in der Eingangsebene des Systems herrschenden Bedingungen erzeugt.

Die Aufgabe der Erfindung liegt hauptsächlich in der Schaf-" fung eines außerordentlich einfachen achromatischen Äblenkungs· systems erster Ordnung in einem geladene Teilchen abgebenden Bestrahlungsgerät.

Gemäß der Erfindung weist ein Ablenkungsraagnet einen ersten gleichförmigen Feldbereich auf,, der von einem zweiten gleich-

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förraigen Feldbereich längs einer Grenze getrennt ist, wodurch die den ersten Bereich durchlaufenden Teilchenbahnen durch einen großen Krümmungsradius in diesem ersten Bereich, einen kleineren Krümmungsradius in dem zweiten Bereich gekennzeichnet sind und dann wieder den ersten Bereich mit dem großen Krümmungsradius durchlaufen.

Gemäß der Erfindung ist ferner das Verhältnis der Felder im ersten und zweiten Bereich eine Konstante und durch einen ersten (breiten) und einen zweiten (schmalen) Spalt zwischen abgestuften Polflächen verwirklicht.

Ferner ist gemäß der Erfindung die Grenze zwischen dem ersten und zweiten Bereich eine Gerade.

Gemäß der Erfindung sind außerdem Energieauswahlschlitze in dem verhältnismäßig schmalen Spalt des zweiten Feldbereichs vorgesehen, wodurch die Strahlung aus den Schlitzen durch eine größere Masse der magnetischen Polstücke in dem zweiten Feldbereich mit dem schmaleren Spalt wirksamer abgeschirmt ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine exakte Ausrichtung der Brechungs- bzw. Beugeebene des Ablenkungsmagneten mit der Achse eines Teilchenbeschleunigers durch Drehen des Magneten um eine Achse durch die Beugeebene erreicht, ohne daß eine innere Ausrichtung von Komponenten des Magneten nötig ist.

Ferner entspricht gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Größe der Verlagerung oder Verschiebung von Bahnen aus der Zentralumlaufbahn in der Abbildungsebene des Magneten der Verschiebung der Bahn aus der Zentralumlaufbahn an der Eingangsebene des Magneten, wodurch parallele Strahlen an der Eingangsebene auch an der Ausgangsebene parallel zur Verfügung stehen.

Es wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung nur ein einziges Quadrupolelement dazu verwendet, eine radiale und eine transversale Einschnürung in einem achromatischen Ablenkungssystem für einen Strahl geladener Teilchen in einer gemeinsamen Targetebene zu bewirken»

Im Folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert» In den Zeichnungen zeigt?

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Röntgentherapiegerätes mit Merkmalen der Erfindung;

Fig.2 eine Darstellung von Bahnen in der Beugeebene gemäß der Erfindung\

Fig. 3A einen Schnitt (rechtwinklig zur Beugeebene) durch den Magneten mit der Polkappe gemäß Figo Zy

Fig. 3B eine Darstellung der Feldklemme des bevorzugten Ausfuhr ungsbeispi eis?

Fig. k eine Darstellung der längs der ganzen Zentralumlaufbahn aufgefalteten transversalen projizierten Bahnen?

Fig. 5 eine Darstellung des Verhältnisses radialer und transversaler Einschnürungen»

Fig. 1 zeigt ein Röntgentherapiegerät 10 mit einem magnetischen Ablenkungssystem 12. Das Röntgentherapiegerät 10 weist ein insgesamt C-förraiges„ drehbares Gestell Ik auf, welches um eine Drehachse 16 in horizontaler Richtung drehbar ist» Das Gestell Ik ist auf einem Fußboden 18 über einen Sockel 20 abgestützt, der einen Lagerzapfen 22 zum drehbaren Abstützen des Gestells Ik aufweist. Das Gestell I^ hat zwei insgesamt hori- · zontal ausgerichtete parallele Arme Zk und 26. In dem Arm 26 ist ein linearer Elektronenbeschleuniger 27 angeordnet, der mit einem Quadrupol 28 in Verbindung steht,, und das magnetische Ablenkungssystem 12 sowie ein Target 29 sind am äußeren Ende des horizontalen Arms 26 so angeordnet,, daß ein Röntgenstrahl zwischen dem äußeren Ende des Arms 26 und einem am

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äußeren Ende des horizontalen Arras Zk abgestützten, Röntgenstrahlen absorbierenden Element 30 projiziert wird. Ein Patient 32 wird zur therapeutischen Behandlung auf eine Liegestatt 3^ in der Keule der vom Target 29.ausgehenden Röntgenstrahlen gelegt.

In den Fig. 2 und 3 ist eine Polkappe 50 des Polstücks der Erfindung gezeigt. Die Polkappe 50 ist durch eine Stufe 52 in Bereiche $k und 56 unterteilt, wobei die Dicke der Polkappe 50 im Bereich 56 um die Höhe h der Stufe 52 größer ist als im Bereich $k. Folglich zeichnet sich der die Polkappe 50 und 50' aufweisende Magnet durch einen verhältnismäßig schmalen Spalt der Breite d im Bereich 56 und einen verhältnismäßig breiten Spalt (d+2h Breite) im Bereich 5^ aus. Dementsprechend weist der Magnet einen konstanten gleichförmigen Bereich 5k eines verhältnismäßig geringen Magnetfeldes und einen weiteren konstanten gleichförmigen Bereich 56 eines verhältnismäßig starken Magnetfeldes auf. Die Erregung des Magneten erfolgt durch Stromzufuhr zu axial voneinander getrennten Spulenkonstruktionshälften 58 und 58', die jeweils um entsprechende äußere Pole 6Q und 60' herum angeordnet sind, an denen die Polkappen 50 und 50' befestigt sind. Den magnetischen Rückflußweg liefert ein Joch 62. Abgleichspulen 6k und 6k' liefern eine Feineinstellung des Feldverhältnisses in den Bereichen 5^ und 5^.

Zwischen den Polen des Magneten ist eine Vakuumhülle 56 angeordnet, die mit einem linearen Mikrowellenbeschleunigerhohlraum 68 durch einen Quadrtipol Q in Verbindung steht.

Wie weiter unten.noch näher erläutert wird, besteht ein weiterer wichtiger Konstruktionsparameter im Einfallswinkel der Bahn im Bezug.auf das Feld am Eingang des Deflektors. Die Steuerung des Randfeides zum Aufrechterhalten der gewünschten Position und Orientierung der äußeren virtuellen Feldgrenze 69 in Bezug auf den Eingangsbereich erfolgt mittels einer

Feldklemme 66, die durch ein Aluminiumabstandselement 66° gegenüber den Polkappen versetzt ist. In ähnlicher Weise ist der Ort der Ausgangsfeldgrenze und Orientierung durch entsprechende Gestalt und Anordnung der Feldklemme 66 in diesem Bereich gesteuert»

Eine innere virtuelle Feldgrenze 55 kann gegenüber· der Stufe

52 durch entsprechende Krümmung der abgestuften Oberflächen

53 und 53' bestimmt sein« Diese Krümmung gleicht das Verhalten des Magnetfeldes bei Annäherung an die Sättigung aus und steuert das Streufeld in diesem Bereich. Eine derartige Formgebung ist in der Technik bekannt«

Da weder die Feldgrenze 69 noch die Feldgrenze 55 gut festgelegte Orte bildet* wird jede in gleicher Weise als "virtuell" bezeichnet. Jeder virtuellen Feldgrenze ist ein Parameter zugeordnet,, der das Streufeldverhalten im Übergangsbereich von einem Magnetfeldbereich in den anderen kennzeichnet» So ist ein Parameter K, eine Einfachparameterbeschreibung des glatten Überganges des Feldes von der Eingangstriftstrecke Z-, zum Bereich 5^ längs einer gewählten Bahn₅ ζ»Bo einer Zentralumlaufbahn P₀ (und zwischen dem Bereich 5^ und der Ausgangstriftstrecke £-, in ähnlicher Weise)» Der Streufeldparameter K₂ beschreibt ein ähnliches Verhalten zwischen den Magnetfeldbereichen 5^ und 56«

Es ist bekannt, in der Erläuterung optischer Dipolmagnetelemente die Z-Achse des Koordinatensystems als Tangente an einer Bezugsbahn mit dem Ausgang ζ = 0 an der Eingangsebene und ζ = 1 an der Ausgangsebene zu wählen- (Die Eingangs- und Ausgangsebenen haben im allgemeinen um sogenannte Triftstrecken, wie gezeigt, einen Abstand von den Magnetfeldgrenzen und sollten nicht mit einer der Feldgrenzen identifiziert werden,) Die X-Achse ist als die Verschiebungsachse der Beugeebene in der AbIenkungsebene gewählt« Die Y-Achse liegt dann in Querrichtung zur Beugeebene ο Die Richtung der Y-Achse wird üblicher-

--7 -beweise als "vertikal" und die der X-Achse als "horizontal" bezeichnet.

In der Ablenkungsebene ist eine als Po bezeichnete Zentralumlaufbahnachse von einem Teilchen eines Bezugsmomentpfeils P_n beschrieben. Es ist erwünscht, daß verschobene Bahnen C und C , deren Anfangsbahnen parallel" zu P_n (in der Beugeebene bzw. quer dazu) verlaufen, eine gleiche Verschiebung am Ausgang des Defl'ektors erhalten. Eine Bahn, die in dieses System unter einem Winkel ß. zur Feldgrenze eintritt, tritt unter einem Winkel ß„ aus ihm aus. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist erwünscht, daß ß. = ß„ = ß. Die Bahn zeichnet sich durch einen Krümmungsradius /, im Bereich 5k des Magneten aufgrund eines Magnetfeldes B₁ aus. Im Bereich 56 ist der entsprechende Krümmungsradius ^_? aufgrund eines Magnetfeldes B₂. Die Bezeichnung f_n,. (siehe Fig. 2) bezieht sich auf den Krümmungsradius der Bezugsbahn P₀ im Schwachfeld-Bereich. Die von den entsprechenden Mitten der·Krümmungsradien f>, . und ^_n, „ bestimmte Linie schneidet die virtuelle Feldgrenze 55 und bestimmt den Einfallswinkel ß~ in den Bereich 56 (eingehend) und aus Symmetrie den Einfallswinkel durch die Feldgrenze 55» wenn die Bahn erneut in den Bereich 5^ eintritt. Aus Gründen der Einfachheit wird das Suffix (o) weggelassen. Der.Ablenkungswinkel in der Beugeebene im Bereich 5^ (eingehend) istoc, und wieder ein Winkel α, im aasgehenden Bahnbereich, des gleichen Feldbereichs 5^· Im Starkfeld-Bereich 56 wird das Teilchen um einen Gesamtwinkel 2uc₂ für einen Gesamtablenkungswinkel ψ = 2 (oC-, +CCp) durch ^das Ablenkungssystem abgelenkt. Es ist eine notwendige und ausreichende Bedingung für ein achromatisches Ablenkelement, daß die Momentstreubahn d (anfängliche Zentralbahnrichtung einer Größe von P-.+ Λ P) gestreut und mit der Zentralbahn P₀ am Mittelpunktsablenkungswinkel ot +⁰^₂' ä·*¹· ^an ^^er Symmetrieebene zur Parallelität gebracht wird. Ferner wird die .Bahn von Teilchen, die anfangs gegenüber der Bahn P_n (in der Beugeebene) verschoben und parallel zu derselben sind, zu einer Kreuzung mit der

α «

Bahn P_Q in der Symmetrieebene fokussiert» Diese Bahnen sind in der Technik als "kosinusartig" bekannt und mit C bereichnet, wobei das Suffix sich auf die Beugeebene besieht. Bahnen von Teilchen, die anfangs von der Bahn P_Q (in der Beugeebene) an der Eingangsebene des Magneten divergieren,, sind in Fig» gezeigt. Diese Bahnen sind in der Technik als "sinusartig" be kannt und mit S_v in der Beugeebene bezeichnet» Der Zustand maximaler Streuung und Parallel-Zu-Punkt-Fokussierung tritt an der Symmetrieebene auf» und deshalb sind B®stimmungsschlitze ?2 in dieser Ebene' angeordnet, um den Bereich des Moments, die von dem System akzeptierte Winkeldivergenz zu begrenzen. In Übereinstimmung mit ähnlichen Systemen liegen diese Schlitze 72, die sekundäre Strahlungsquellen sind_B im Abstand vom Target und sind von den Polstücken des Magneten abgeschirmt. Gemäß der Erfindung ist der Spalt in genau diesem Bereich schmaler, so daß die größere Masse der Polstücke 50 und 50' die Umgebung wirksamer gegenüber Spaltstrahlung abschirmt.

Bahnen C und S beziehen sich auf kosinusartige und sinusartige Bahnen in der vertikalen (Y-Z) Ebene»

Es ist deshalb nötig, das Verhältnis der Krümmungsradien Jt und f ₂ zu erhalten und deshalb die B/Iagnetfelder B₁ und B₂ für die Parameter von Cc₁ und&p, P_Q und die Felderstreckungs parameter K₁ und K₂ der virtuellen Feldgrensen für die Bedin gung einer Winkeldivergenz von Null in der Beugeebene der Momentstreubahn an der Symmetrieebenes, de ho ;

für den Ablenkungswinkel ij//2» Anhand dieser an der Symmetrie ebene auferlegten Bedingung kann gezeigt werden, daß d und dessen Divergenz d am Ausgang des Magneten verschwinden»

IS

In einer einfachen analytischen Behandlung des Problems werden Übertragungsmatrixen durch das System für die eingehende Bahn durch den Bereich 5^» fortschreitend zum eingehenden Anteil des Bereichs 56 zur Symmetrieebene und dann ausgehend

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- Al.

^aus dem Bereich 56 zur Grenze mit dem Bereich 5^ und erneut ausgehend durch den Bereich 5^ geschrieben. Diese Matrixen für die Beugeebene werden als Matrixprodukt der Transfermatrixen entsprechend der Fortpflanzung des Strahls durch die vier Bereiche 54 , 56 , 56.1 5^i wie in Fig. k gezeigt geschrieben.

\ 6

	α	O
<s	I	O
Px
O		(

\ α ο ι

Gleichung 1

darin ist c, , s, , Cp, s« eine Kurzangabe für kosinus oc bzw. sinus 06 in den entsprechenden Schwach- (1) und Stark- (2) feld-Bereichen und ß steht hier ifür tan ß. Die Variablen J⁷, und γ 2 beziehen sich auf Krümmungsradien in den jeweiligen Bereichen 1 und 2 entsprechend den Bereichen 5^ und 56. Die G.- und Si-Parameter sind in herkömmlicher Weise als Verschiebungen oder Verlagerungen gegenüber der Bezugsbahn

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-KJ-

ausgedrückt. Die Gleichung 1 kann so reduziert werden,, daß sie in der Beugeebene folgende Gleichung ergibt?

Gleichung 2

Das Matrixelement R,, drückt einen,Koeffizienten aus_p der die relative räumliche Verschiebung der C -Bahn beschreibt„ Das R^p-Element beschreibt die relative Verschiebung von S In ähnlicher Weise beschreibt das Element R^-i die relative Winkeldivergenz von C und das Element R₂-, die relative Winkeldivergenz der S_x-Bahn. Die Matrixelemente R₁- und R₂^ dienen der Beschreibung der Momentstreubahn d^ in der Beugeebene (die anfangs mit der Zentralbahn an der Öbjektebene kongruent war), und Rp_ beschreibt dessen Divergenz« Verschiedene Bedingungen vereinfachen die Optiks a) Die Vorrichtung bildet eingehende parallele Bahnen in ausgehenden parallelen Bahnen an der Eingangs- bzw. Ausgangsebene ab„ was aus dem Matrixelement R₂T ** 0 folgt; b) Der Ablenkungsmagnet hat keine Abhängigkeit vom Richtungssinn der Bahn₀ woraus folgt, daß Rp₂ = R,,$'(wie auch aus einer Betrachtung der Symmetrie des Systems hervorgeht; c) Die Determinante .der Matrix ist identisch

Si ^ β · · 9

--41 -

1 nach Liouville's Theorem. Es folgt aus den Bedingungen b) und c) daß R,, = - 1.

Die untere Reihe der Matrix beschreibt das Moment in der einen oder anderen Ebene. Diese Elemente sind identisch 0,0 und 1, da es keinen Nettogewinn oder Verlust an Strahlenergie (Momentgröße) beim Traversieren irgendeines statischen Magnetsystems gibt.

Für ein achromatisches System, Streuverschiebungsausdruck R, „ und dessen Divergenz R. muß 0 sein. Wie oben ausgedrückt, ist die Bedingung bei R~o ^an der Symmetrieebene analytisch entwickelt, um ein Verhältnis unter gewissen Konstruktionsparametern des Systems zu schaffen. Als Ergebnis dessen wird folgender Ausdruck erhalten:

Gleichung 3 die·gelöst werden kann, um folgende Bedingung zu ergeben:

P ■ ι -v *,

Gleichung 4

Gemäß herkömmlichem Verfahren können die entsprechenden Vertikalebenenmatrixen für die gleichen Bereiche 54 (eingehend), 56 (eingehend), 56 (ausgehend) und 5^- (ausgehend) geschrieben und reduziert werden, um die Matrixgleichung für die Transversalebenenfortpflanzung durch das System zu erhalten:

worin 1 die Z-Koordinatenstelle der Ausgangsebene für die Eingangsebene ist, ζ = 0. Eine wesentliche Auslegungseinschränkung liegt in der Verwirklichung einer Parallel-Zu-Parallel-Fokussierung in dieser Ebene im Gegensatz zur Ablenkungsebene, wo sich die entsprechende Bedingung aus der Geometrie des Magneten ergibt„

Bisher beschreiben die Transfermatrixen R und R die Transit y

ferfunktionen, die am nach innen gerichteten Momentvektor P(z,) an der Feldgrenze 69 wirksam sind,, um einen ausgehenden Momentveittor P(Zp) an der Feldgrenze 69 nach Durchlauf durch den Magneten zu erzeugen» Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind als Eingangs- und Ausgangstriftstrecken Triftstrecken 1, bzw. I₂ vorgesehen» Triftmatrixen in Form von

wirken auf die R „ -Matrixen_s die beide die Form der Glei-

χ y

chung 2 zeigen,, z.B. .

⁰ -iJ- W O

und es ist zu beachten, daß die Magnettransfermatrix die Form einer äquivalenten Triftstrecke hat„ Die Transforma-' tion durch das Gesamtsystem mit den Triftstrecken 1, und Ig ergibt also Gesamttransfermatrixen für die Beuge- und Transversalebenen wie folgt j

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worin das Minuszeichen sich auf die Matrix R und das Plus-

xp

zeichen auf R bezieht. Die Längen L und L sind die Abstände von der Ausgangsebene zu den projizierten Kreuzungen

der S - und S -Bahnen.
x y

Fig. 5 zeigt den allgemeinen Sachverhalt, bei dem die Einschnürung in der Beuge- oder Radialebene und die Einschnürung in der Transversalebene an verschiedenen Stellen auf der Z-Achse erreicht wird. In einer Ebene konvergiert also die Strahlhülle, während sie in einer anderen Ebene divergiert. Früher wäre eine Vielzahl von Quadrupolelementen angeordnet worden, um diese Einschnürungen an einer gemeinsamen Stelle ζ zur Koinzidenz zu bringen. Erfindungsgemäß ist die Bedingung d' = 0 und C= 0 an der Symmetrieebene erfüllt mit dem Ergeb-

nis, daß d = 0 an der Feldausgangsgrenze. Ferner ergibt sich

Jx

hieraus, daß C Parallel-Zu-Parallel-Transformation durch den Magneten in der Beugeebene charakterisiert. In der Transversalebene ist die Parallel-Zu-Parallel-Transformation der Auslegung auferlegt. Folglich hat die Matrix, die entweder die Transversal- oder die Beugeebene beschreibt, die oben angegebene Form. Die Wirkung des Quadrupol-Einfachelements am Eingang des Systems hat folgende Formi

-I χ

4 O O O Λ

worin s mit der (Variablen) Quadrupolbrennweite identifiziert werden kann. Die Einschnürung des Strahls wird erhalten aus Ausdrücken der Form

1*<«J* - \C*XQ?* )ζ

Es sei erwähnt^ daß S und S vom Quadrtspol unbeeinflußt

χ y

bleiben,, da diese Bahnen per Definition bei ζ = 0 eine Nullamplitude haben. Die Verschiebungen der Bahnen C und C sind

y . χ

zu entgegengesetzten Seiten. Bei entsprechender Wahl des Bereichs 1η + Ip kann die Brennweite des Quadrupols so eingestellt werden, daß die radiale Einschnürung koinzident ist mit der transversalen Einschnürung» Die Matrixgleichungen

die das Gesamtsystem einschließlich .der Triftstrecken in der vertikalen und Beugeebene beschreiben,, werden am zweckmäßigsten durch geeignete magnetische Optikprogramme gelöst, z.B. den Code TRANSPORT_t dessen Benutzung im SLAC-Bericht 91 beschrieben ist, der erhältlich ist beim Reports Distribution Office, Stanford Linear Accelerator Center,, P=Oo Box ^-349, Stanford CA 9^305· Der TRANSPORT-Code wird benutzt, um einen konsistenten Satz von Parametern zu suchen« vorbehaltlich gewählter Eingangsparameter P₁, der Krümmungsradius von P_ im Bereich 5^

•p—, der relative Krümmungsradius von P_n im Bereich 5^ gegen- Y 2 .

über dem Krümmungsradius im Bereich 56 /3-,, der Winkeleinfall der Bahn P_Q auf die virtuelle Feldgrenze

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- JL-5 -

OC₂ ^die Winkeldrehung der Zentralbahn P₀ im hohen Feldbereich, der auch ß„ den Einfallswinkel von P_Q auf die innere virtuelle Feldgrenze bestimmt,

ÖL-, die Drehung der Bezugsbahn im niedrigen Feldbereich, vorbehaltlich der gewählten Eingangsparameter wie folgt: K, der Parameter der virtuellen Feldgrenze zwischen dem Schwachfei d-Bereich ^un(* ^^en äußeren feldfreien Bereichen, Kp/K-, der relative Parameter, der die virtuelle innere Feldgrenze zwischen dem Starkfeld-Bereich und dem Schwachfeld-Bereich beschreibt.

Für das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist Symmetrie auferlegt worden, z.B. ψ= 2 (oc, ^{+ <}X₂)· ^Be* ^ei-^nem repräsentativen Satz von Konstruktionsparametern für eine Elektronenablenkung um 270° variiert die erwünschte mittlere Elektronenenergie zwischen 6 MeV und 4o, 5 MeY. Achromatische Bedingungen erster Ordnung sind in diesem Bereich nötig. Der Einfallswinkel ß für die Eingangs- und Ausgangsteile der Bahn beträgt ^5°, und die äußere virtuelle Feldgrenze 69 liegt bei ζ = 10 cm relativ zur Eingangskollimatoröffnung (z = O). Die Zentralbahn rotiert um einen Winkel cc, von 41,5° unter dem Einfluß eines Magnetfeldes B-, von ^-,17 Kilogauss und schneidet die innere virtuelle Feldgrenze 55 bei ζ = 33.5 cm unter einem Winkel B₂ = 90° - c\₂ von 3-1/2°, um die Symmetrieebene bei ζ = 37»^- cm zu erreichen und fortgesetzter Drehung um den Winkel oc„ (93,5°) unter dem Einfluß des Magnetfeldes B₂ von 15»9O Kilogauss. Die Bahn ist innerhalb der Magnetfeldgrenzen symmetrisch, und das Target ist jenseits der äußeren virtuellen Feldgrenze angeordnet. Am Eingangskollimator hat die Strahlhülle einen Durchmesser von 2,5 mm und zeigt Divergenzeigenschaften. (Halbkegelwinkel) in beiden Ebenen von 2,k mr.

Die .Geometrie des Magneten gewährleistet eine Parallel-Zu-Parallel-Transformation mit der Beugeebene. Die Bedingung, daß d· = O an der Symmetrieebene bietet Momentunabhängigkeit. Die Parallel-Zu-Parallel-Bedingung in der Transversalebene

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-μ -

ist deshalb eine Einschränkung» Die Beugewinkel cl, und CL ₂ und das Verhältnis der Feldstärken wird variiert, um den gewünschten Konstruktionsparametersatz zu erhalten= Es hat sich gezeigt, daß ein achromatisches Ablenkungssystem der ersten Ordnung für einen Ablenkungswinkel von 270° mit einer Vielfalt von Feldverhältnissen B-, erreicht werden kann, wie

die Gleichung 3 zeigt»

^B2

Ferner können absolute Werte entsprechender Matrixelemente für die horizontale und vertikale Ebene erhalten werden, die nahezu gleich sind und einen Abbildungsstrahlfleck ergeben, der symmetrisch ist.

Für den Durchschnittsfachmann ist erkennbar₀ daß andere Ablenkungswinkel von ähnlich konstruierten Ablenkungssystemen verwirklicht werden können. Ferner kann die innere Feldgrenze gegebenenfalls die Form einer gewünschten Kurve haben.

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Claims

324 2852 Patentanwälte ■ European Patent Attorneys München Vl P566 D Varian Associates, Inc. Palo AUo8 CaI., USA Bestrahlungsgerät mit Beschleuniger sowie-Ablenkungssystem dafür Priorität: 19. November 1981 -USA- Serial No. 323 010 Patentansprüche l) Bestrahlungsgerät mit einem Beschleuniger, für geladene Teilchen gekennzeichnet durch a) eine Beschleunigungseinrichtung zum Beschleunigen eines Strahls geladener Teilchen längs einer gegebenen Achse,, b) ein Ablenkungsmagnetsystem zum Ablenken des Strahls von der Achse um einen Ablenkungswinkel gegenüber der gegebenen Achse mit

1.) einem ersten gleichförmigen Magnetfeldbereich und diesem benachbart einem zweiten gleichförmigen Magnetfeldbereich,, wobei das Magnetfeld des zweiten Bereichs größer ist als das Magnetfeld im ersten Bereich und der erste Bereich eine erste Feldgrenze entfernt vom zweiten Bereich und der erste und zweite Bereich eine weite Feldgrenze aufweist,, 2.) einer Einrichtung zum Injizieren des Strahls geladener Teilchen in den ersten Bereich durch die erste Grenze und unter einem Winkel ß gegenüber der ersten Grenze in der Ablenkungsebene,, wodurch der Strahl um einen Winkel QL^ in der Ablenkungsebene in den zweiten Bereich abgelenkt wird und dann

durch die zweite Grenze unter einem Winkel ß_? zu derselben und erneut abgelenkt wird um einen Winkel 2ou im zweiten Bereich, um erneut in den ersten Bereich einzutreten, wodurch der Strahl um ein zusätzliches Winkelintervall Ot₁ abgelenkt wird, und mit

3.) einer Einrichtung zum Ausziehen des Strahls aus dem ersten Bereich.

2. Bestrahlungsgerät nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch eine Targeteinrichtung, die aufgrund der Kollision des Strahls mit derselben durchdringende Strahlung erzeugt.

3. Bestrahlungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Gestelleinrichtung zum Drehen des Geräts um Winkel in jeder von zwei orthogonalen Ebenen, die durch das Objekt verlaufen.

4. Achromatisches Ablenkungssystem erster Ordnung zum Ablenken geladener Teilchen um einen Ablenkungswinkel ψ, gekennzeichnet durch eine Polstückeinrichtung mit einer ersten und zweiten Polkappe, die so um eine Kittelebene angeordnet sind, daß sie mindestens einen ersten und zweiten,miteinander in Berührung stehenden Magnetfeldbereich erzeugen, von denen jeder Magnetfeldbereich ein im wesentlichen homogenes Feld aufweist.

5. Ablenkungssystem nach Anspruch k,

dadurch gekennzeichnet, daß in der Dicke jeder der Polkappen mindestens eine Stufe vorgesehen ist, die eine Feldgrenze zwischen den Magnetfeldbereichenschafft.

6. Ablenkungssystem nach Anspruch 5»

dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe längs einer geraden Linie in der Ebene der Polkappe liegt.

7. Ablenkungssystem nach Anspruch 5 oder 6„

dadurch gekennzeichnete daß die geladenen Teilchen auf den ersten Magnetfeldbereich im wesentlichen unter einem Winkel)ßlauftreffen, wodurch eine gewünschte Fokalbedingung erhalten wird und wodurch das Moment der geladenen Teilchen um einen Winkel Cl₁ gedreht wird»

8. Ablenkungssystem nach Anspruch 7*

dadurch gekennzeichnet,, daß die geladenen Teilchen den ersten Bereich verlassen und gleichzeitig auf den zweiten Bereich durch die Grenze unter einem Winkel ß„ auftreffen, wodurch eine weitere gewünschte Fokalbedingung erreicht und das Moment der geladenen Teilchen um einen zusätzlichen Winkel a₂ gedreht wird₅ wobei der Winkel ß, =90° -a₂.

9. Ablenkungssystem nach Anspruch 8„

dadurch gekennzeichne t„ daß die geladenen Teilchen um ein zusätzliches Winkelinkrement dp gedreht werden, um erneut die zweite Grenze, unter dem WinkelIB₂1 zu schneiden und in den ersten Bereich an einer Stelle einzutreten,, die** längs der zweiten Grenze einen Abstand von der ersten Stelle hat, und wobei eine dritte Fokalbedingung erzielt wirdo

10. Ablenkungssystem nach Anspruch 9p

dadurch gekennzeichnet,, daß die geladenen Teilchen erneut längs eines weiteren zusätzlichen Winkelinkrements CC₁ gedreht werden, wodurch die gesamte Winkelablenkung J ψ - 2 (et + OCp)I erreicht wird und das Moment geladener Teilchen den ersten Feldbereich an einer Stelle längs der ersten Feldgrenze verläßt, die einen Abstand von der Eingangsstelle hat, sowie unter einem Winkel ß gegenüber der ersten Feldgrenze .

BAD ORIGINAU