DE60219283T2

DE60219283T2 - Vorrichtung zum Erzeugen und zum Auswählen von Ionen, die in einer Schwerionen-Krebstherapie-Anlage verwendet werden

Info

Publication number: DE60219283T2
Application number: DE60219283T
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dahl; Bernhard Schlitt
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2022-02-06
Also published as: EP1358656B1; US20040069958A1; US6855942B2; ATE392797T1; US20040084634A1; WO2002063933A1; WO2002063637A1; ATE358878T1; JP3995089B2; EP1358782A1; EP1358782B1; JP2004523068A; US7138771B2; US6809325B2; DE60226124T2; US20050134204A1; EP1358656A1; JP2004525486A; DE60226124D1; ES2301631T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen und zum Auswählen von Ionen, die in einer Schwerionen-Krebstherapie-Anlage verwendet werden, gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Aus dem US-Patent 4,870,287 ist ein Protonenstrahl-Therapiesystem zum selektiven Erzeugen und Transportieren von Protonenstrahlen von einer einzelnen Protonenquelle bekannt. Der Nachteil eines solchen Systems ist, dass die Flexibilität beim Behandeln von Patienten ganz auf Protonenstrahlen begrenzt ist, die eine relativ geringe Wirksamkeit aufweisen.
Aus dem Dokument A. PETERS et al.: Beam Instrumentation Workshop 2000, Ninth Workshop, Cambridge MA. USA B. bis 11. Mai 2000, Nr. 546, Seiten 519 bis 526, AIP Conference Proceedings, 2000, ISSN: 0094-243X, sind Strahldiagnoseeinrichtungen für eine Schwerionen-Krebstherapie-Anlage bekannt. Dieses Dokument ist die Grundlage des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.
Aus dem Papier von M. Muramatsu et al., 7th International Conference an Ion Sources, Taormina, Italien, 7. bis 13. September 1997, Band 69, Nr. 2, Seiten 1076 bis 1078, Review of Scientific Instruments, Februar 1998, ISSN: 003-6748, ist eine Elektron-Zyklotronresonanz-Ionenquelle mit Permanentmagneten bekannt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung zum Erzeugen und Auswählen verschiedener Ionen zu schaffen, die in einer Ionenstrahl-Krebstherapie-Anlage verwendbar sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Merkmale bevorzugter Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zum Erzeugen, Extrahieren und Auswählen von Ionen, die in einer Ionen-Krebstherapie-Anlage verwendet werden, vorgesehen ist. Die Vorrichtung weist eine unabhängige erste und eine unabhängige zweite Elektron-Zyklontronresonanz-Ionenquelle zum Erzeugen schwerer bzw. leichter Ionen auf. Ferner umfasst sie einen Spektrometermagneten zum Auswählen einer Schwerionenspezies von einer isotopischen Konfiguration, der in Strahlrichtung nach jeder Ionenquelle angeordnet ist; eine Magnetquadrupol-Tripletlinse, die in Stahlrichtung nach jedem Spektrometermagnet angeordnet ist; einen Schaltmagneten zum Schalten zwischen Hoch-LET-Ionenspezies und Niedrig-LET-Ionenspezies der beiden unabhängigen ersten und zweiten Ionenquellen. Ein Analysierschlitz ist am Bildfokus von jedem Spektrometer- Magneten angeordnet, und ein Strahlumformer ist zwischen dem Analysierschlitz und dem Magnetquadrupol-Triplet angeordnet.
Eine solche Vorrichtung hat den Vorteil, dass die Möglichkeit Patienten zu helfen, stark verbessert ist, indem zwei unabhängige Ionenquellen und ein Schaltmagnet zum Auswählen der für eine optimale Behandlung geeigneten Ionenspezies vorgesehen ist. Ferner weist die Vorrichtung den zusätzlichen Vorteil auf, dass zwei unabhängige Spektrometeranordnungen (eine für jede Ionenquelle) die Selektivität der Vorrichtung erhöhen und die Reinheit der Ionenspezies verbessern, indem die Ionenspezies, die zur Beschleunigung in einem Linac aus all den anderen gleichzeitig aus den Ionenquellen extrahierten Ionenspezies ausgewählt sind, mit höherer Genauigkeit separiert werden.
Für das intensitätsgesteuerte Rasterscanner-Ionenstrahl-Applikationssystem werden bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung für jeden individuellen Synchrotronzyklus verschiedene Strahlintensitäten innerhalb eines Intensitätsumfangs von 1/1000 bereitgestellt. Die Vorrichtung hat den Vorteil, dass die Strahlintensität bei einem niedrigen Energiewert gesteuert wird, da der Strahl entlang einer Niedrigenergie-Strahltransportlinie (LEBT = Low Energy Beam Transport) zwischen dem Magnetquadrupol-Triplet und einem Hochfrequenz-Quadrupol-Beschleuniger (RFQ = Radio Frequency Quadrupole) vernichtet wird. Insbesondere sind Iris-Einrichtungen mit festen Aperturen nach einem Schaltmagneten ebenso wie vor und nach einem Makropuls-Chopper und bei einem RFQ-Eingangsflansch vorgesehen. Eine Intensitätsmessung der relativen Intensitätsreduktion versus dem Magnetstrom des mittleren Quadrupols der Magnetquadrupol-Tripletlinse in Strahlrichtung nach dem Bildschlitz des Spektrometers wird für die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ausgeführt und zeigt, dass die Strahlintensität ausgehend von der Standardeinstellung des Quadrupolmagneten bis hinunter zu einem verschwindenden Strom um ca. einen Faktor von 430 reduziert wird. Eine weitere Reduktion der Strahlintensität, die zu einem Degradationsfaktor von 1000 führt, kann durch eine zusätzliche Reduktion des Feldes des dritten Quadrupols des Magnetquadrupol-Triplets erzielt werden. Eine sehr glatte Kurve wird erhalten, wobei eine gute Reproduzierbarkeit der verschiedenen Intensitätspegel vorliegt.
Deshalb wird eine unnötige radioaktive Kontamination der Maschine vermieden, da die Strahlintensität bei der niedrigsten möglichen Strahlenergie, d.h. in der Niedrigenergie-Strahltransportlinie, gesteuert wird. Da das Synchrotron-Injektionsschema für die verschiedenen Strahlintensitätspegel nicht verändert wird, d.h. die Anzahl der in das Synchrotron eingespeisten Umläufe in allen Fällen die gleiche ist, wird durch das Intensitätskontrollschema im LEBT der volle dynamische Bereich von 1000 bereitgestellt. In der Vorrichtung tritt ein Strahlverlust hauptsächlich im LEBT auf, d.h. die relative Intensitätsreduktion, wie sie direkt hinter dem LEBT bei einem niedrigen Energiepegel gemessen wird, und wie sie an der Therapiestrahllinie bei einem hohen Energiepegel gemessen wird, ist fast gleich.
Ferner werden Strahlprofile an verschiedenen Orten entlang der Beschleunigerkette und am letzten Strahlabgabesystem der Therapiestrahllinie gemessen. Bei den Strahlprofilen ebenso wie bei den Strahlpositionen konnten für die verschiedenen Strahlintensitäten keine Unterschiede beobachtet werden. Dies ist ein sehr wichtiger Vorteil, um verlässliche und konstante und von der Intensität unabhängige Strahlparameter an den Behandlungsorten bereitzustellen, insbesondere wenn die Vorrichtung für eine Schwerionen-Krebstherapie-Anlage angewendet wird.
Der zwischen dem Analysierschlitz und dem Magnetquadrupol-Triplet angeordnete Strahlumformer hat den Vorteil, dass er den Ionenstrahl-Strom der zur Beschleunigung ausgewählten Ionenspezies online misst und überwacht, ohne den Ionenstrahl zu zerstören. Da dieser Umformer in Strahlrichtung vor dem für die Intensitätsreduktion verwendeten Magnetquadrupol-Triplet angeordnet ist, überwacht der Strahlumformer kontinuierlich den nicht-degradierten Ionenstrahlstrom, während die Intensität des Linearbeschleunigerstrahls unter Verwendung der Tripletmagneten von Puls zu Puls geändert werden kann. Dies ist für eine Onlineüberwachung der Leistung der ausgewählten Ionenquelle sehr wichtig.
Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist am Ausgang von jeder Ionenquelle ein Spulenmagnet angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die aus jeder Ionenquelle extrahierten Ionenstrahlen durch einen Spulenmagneten in den Objektpunkt des Spektrometers fokussiert werden.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in Strahlrichtung nach jeder Ionenquelle ein Magnetquadrupol-Singlet angeordnet. Dieses Quadrupol-Singlet hat den Vorteil, die Auflösungsleistung von jedem Spektrometersystem zu erhöhen und eine flexible Anpassung zwischen den Ionenquellen und den Spektrometersystemen bereitzustellen.
Die Ionenquellen weisen ausschließlich Permanentmagneten auf. Diese Permanentmagnete schaffen ein Magnetfeld für die Ionenquellen und haben den Vorteil, dass keine Magnetspulen erforderlich sind, die für jede Ionenquelle einen hohen Leistungsverbrauch bedingen würden. Zusätzlich zu dem hohen Leistungsverbrauch haben diese Magnetspulen den Nachteil, dass sie einen Hochdruck-Wasserkühlkreislauf benötigen, der im Fall der Permanentmagnete innerhalb der Ionenquellen der vorliegenden Erfindung vermieden wird. Dies hat den Vorteil, dass die Betriebskosten verringert und die Zuverlässigkeit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vergrößert werden.
Strahldiagnoseeinrichtungen sind in Strahlrichtung vor jedem Spektrometermagnet angeordnet. Solche Strahldiagnoseeinrichtungen können das Querschnittsprofil des Strahls und/oder den insgesamt extrahierten Ionenstrom messen. Solche Strahldiagnoseeinrichtungen weisen vorzugsweise Profilgitter und/oder Faraday-Cups auf.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht eine Strahldiagnoseeinrichtung vor, die an jedem Bildschlitz angeordnet ist. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, die Strahlgröße und die Strahlintensität für verschiedene extrahierte Ionenspezies zu messen und ein Spektrum aufzuzeichnen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der fokussierende Spulenmagnet in Strahlrichtung nach dem Makropuls-Chopper und vor dem Hochfrequenz-Quadrupol-Beschleuniger angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass der Strahl durch den Spulenmagneten innerhalb einer sehr kurzen Distanz von ca. 10 cm zwischen der Spulenlinse und dem Anfang der RFQ-Elektroden direkt auf die Eingangselektroden des Hochfrequenz-Quadrupols fokussiert wird.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht eine Diagnoseeinrichtung mit einem Faraday-Cup und/oder Profilgittern innerhalb des Niedrigenergie-Strahltransportsystems (LEBT) in Strahlrichtung nach dem Schaltmagnet vor. Diese Diagnoseeinrichtung ist nicht permanent innerhalb des Bereichs des Ionenstrahls, sondern wird für Messzwecke innerhalb des Bereichs des Ionenstrahls angeordnet. Der Faraday-Cup erfasst alle Ionen, die den Schaltmagneten passieren, und die Profilgitter messen die örtliche Verteilung von Ionen innerhalb des Strahlquerschnitts. während eines Betriebszyklus werden diese Diagnoseeinrichtungen aus dem Bereich des Ionenstrahls gefahren.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die alternierenden Stems bzw. Säulen innerhalb des Hochfrequenz-Quadrupols auf einer gemeinsamen wassergekühlten Basisplatte angebracht. Dies hat den Vorteil, dass der Energieverlust des RFQ zur Außenseite der Kammer geleitet wird und nicht die Stems oder die Elektroden des RFQ beschädigt.
Die Basisplatte umfasst ein elektrisch isolierendes Material. Dies hat den Vorteil, dass die Stems nicht kurzgeschlossen sind, obwohl sie als Induktivität wirken, während die die Elektroden bildenden Miniblatt-Paare bzw. Mini-Vane-Paare als Kondensator für eine λ/2-Resonanzstruktur wirken.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Ausführungsbeispiele gemäß den nachfolgenden Figuren erklärt.
1 zeigt eine schematische Zeichnung eines vollständigen Injektor-Linearbeschleunigers für ein Ionenstrahl-Anwendungssystem, der eine Vorrichtung zum Erzeugen und Auswählen von in einer Schwerionen-Krebstherapie-Anlage verwendeten Ionen aufweist.
2 zeigt eine schematische Zeichnung eines Details aus 1.
3 zeigt Beispiele von Strahl-Einhüllenden einer Vorrichtung zum Erzeugen und Auswählen von Ionen entlang einer Niedrigenergie-Strahltransportlinie.
Die Bezugszeichen in den 1, 2 und 3 sind wie folgt definiert:

ECRIS1: erste Elektron-Zyklotronresonanz-Ionenquelle für schwere Ionen wie ¹²C⁴⁺ oder ¹⁶C⁶⁺
ECRIS2: zweite Elektron-Zyklotronresonanz-Ionenquelle für leichte Ionen wie H₂ ⁺, H₃ ⁺ oder ³He⁺
SOL: Spulenmagnet am Ausgang von ECRIS1 und ECRIS2
BD: Strahldiagnostikblock mit Profilbreite und/oder Faraday-Cups
SL: Kollimatorschlitz
ISL: Kollimator-Bild-Schlitz
BTR: Strahlumformer
QS1: Magnetquadrupol-Singlet eines ersten Zweiges
QS2: Magnetquadrupol-Singlet eines zweiten Zweiges
QD: Quadrupol-Dublet
QT: Magnet quadrupol-Triplet
SP1: Spektrometermagnet eines ersten Zweiges
SP2: Spektrometermagnet eines zweiten Zweiges
SM: Schaltmagnet
CH: Makropuls-Chopper
RFQ: Hochfrequenz-Quadrupol-Beschleuniger
IH-DTL: Driftrohr-Linac beim IH-Typ
SF: Stripperfolie

a) (3) Strahl-Einhüllende bei einer Strahl-Emittanz von 120 π mm mrad
b) (3) Strahl-Einhüllende bei einer Strahl-Emittanz von 240 π mm mrad

Die Aufgaben der verschiedenen Abschnitte aus 1 und 2 einer Vorrichtung zum Erzeugen und Auswählen von Ionen zum Versorgen eines Injektorsystems und die entsprechenden Komponenten können in den folgenden Punkten zusammengefasst werden:

1. Die Produktion von Ionen, die Vorbeschleunigung der Ionen auf eine kinetische Energie von 8 keV/u und die Bildung von Ionenstrahlen mit ausreichender Strahlqualität finden in zwei unabhängigen Ionenquellen und den Ionenquellen-Extraktionssystemen statt. Für einen Routinebetrieb kann eine der Ionenquellen eine Ionenspezies mit hohem LET (¹²C⁴⁺ bzw. ¹⁶O⁶⁺) liefern, während die andere Ionenquelle Ionenstrahlen mit niedrigem LET (H₂ ⁺, H₃ ⁺ oder ³He¹⁺) produzieren kann.
2. Die zur Beschleunigung in den Injektor-Linac zu verwendenden Ladungszustände werden in zwei unabhängigen Spektrometerlinien separiert. Das Schalten zwischen den ausgewählten Ionenspezies von den beiden Ionenquellen-Zweigen, die Steuerung der Strahlintensität (erforderlich für das intensitätsgesteuerte Rasterscan-Verfahren), das Anpassen der Strahlparameter an die Erfordernisse des nachfolgenden Linearbeschleunigers und die Definition der Länge der in dem Linac beschleunigten Strahlpulse werden in der Niedrigenergie-Strahltransportlinie (LEBT) vorgenommen.
3. Der Linearbeschleuniger besteht aus einem kurzen Hochfrequenz-Quadrupol-Beschleuniger (RFQ) von ca. 1,4 m Länge, der die Ionen von 8 keV/u auf 400 keV/u beschleunigt, einem kompakten Strahlanpassungsabschnitt von 0,25 m Länge und einem 3,8 m langen Driftröhren-Linac vom IH-Typ (IH-DTL; IH-DTL = IH-Type Drift-Typ Linac) zum wirksamen Beschleunigen auf die Endenergie des Linac von 7 MeV/u.
4. Verbleibende Elektronen werden in einer dünnen Stripper-Folie abgestreift, die ca. einen Meter hinter dem IH-DTL angeordnet ist, um vor der Injektion in das Synchrotron die höchsten möglichen Ladungszustände zu erzeugen, um die Beschleunigungseffizienz des Synchrotrons zu optimieren (Tabelle 1).

Tabelle 1 zeigt Ladungszustände von allen zur Beschleunigung vorgeschlagenen Ionenspezies in dem Injektor-Linac (linke Spalte) und hinter der Stripper-Folie (rechte Spalte).

Ionen von der Quelle Ionen zum Synchrotron

¹⁶O⁶⁺ ¹⁶O⁸⁺

¹²C⁴⁺ ¹²C⁶⁺

³He¹⁺ ³He²⁺

¹H₂ ⁺ oder ¹H₃ ⁺ Protonen
Das Design der Vorrichtung zum Erzeugen und Auswählen von Ionen und das Injektorsystem der vorliegenden Erfindung haben den Vorteil, die speziellen Probleme eines in einer klinischen Umgebung installierten medizinischen Geräts, die in einer hohen Zuverlässigkeit ebenso wie in stabilen und reproduzierbaren Strahlparametern bestehen, zu lösen. Zusätzliche Vorteile sind Kompaktheit, reduzierte Betriebs- und Unterhaltserfordernisse. Weitere Vorteile sind niedrige Investitions- und Betriebskosten der Vorrichtung.
Sowohl der RFQ als auch der IH-DTL sind für Verhältnisse zwischen Ionenmasse und Ladung von A/q ≦ 3 (Entwurf für ¹²C⁴⁺) und eine Betriebsfrequenz von 216,816 MHz entworfen. Diese vergleichsweise hohe Frequenz ermöglicht eine Verwendung eines recht kompakten Linac-Designs und daher eine Reduktion der Anzahl der unabhängigen Kavitäten und Hochfrequenz-Leistungsüberträger. Die Gesamtlänge des Injektors einschließlich der Ionenquellen und der Stripper-Folie beträgt ca. 13 Meter. Da die von dem Synchrotron benötigten Strahlpulse bei einer niedrigen Wiederholungsrate ziemlich kurz sind, ist ein sehr kleines Hochfrequenz-Tastverhältnis von ca. 0,5 % ausreichend und hat den Vorteil, die Kühlungserfordernisse sehr stark zu reduzieren. Dadurch benötigen sowohl die Elektroden der RFQ-Struktur in der Art von vier Stäben als auch die Driftröhren innerhalb des IH-DTL keine direkte Kühlung (nur die Grundplatte der RFQ-Struktur und die Träger der IH-Struktur sind wassergekühlt), was die Erstellungskosten signifikant reduziert und die Zuverlässigkeit des Systems verbessert.
Um sehr stabile Strahlströme ohne ausgeprägte Zeitstruktur ebenso wie eine hohe Strahlqualität bereitzustellen, wird eine Elektron-Zyklotronresonanz-Ionenquelle (ECRIS) für die Produktion von ¹²C⁴⁺- und ¹⁶O⁶⁺-Ionen verwendet (ECRIS1 in 1 und 2). Für die Produktion von Protonen- und Heliumstrahlen können zwei verschiedene Typen von Ionenquellen verwendet werden. Entweder wird hier ebenfalls eine ECR-Ionenquelle des selben Typs angewendet, der für die Produktion der Ionenstrahlen mit hohem LET verwendet wird (ECRIS2 in 1 und 2), oder eine spezielle kostengünstige, kompakte und eine hohe Brillanz aufweisende Filament-Ionenquelle wird verwendet.
Im Falle einer ECR-Ionenquelle werden molekulare H₂ ⁺-Ionen in der Ionenquelle produziert und für die Beschleunigung in dem Linac verwendet. Im Fall der Filament-Quelle werden H₃ ⁺-Ionen vorgeschlagen, die das gleiche Verhältnis zwischen Masse und Ladung A/q = 3 aufweisen wie die ¹²C⁴⁺-Ionen. Zur Produktion des Heliumstrahls werden in beiden Fällen ³He¹⁺-Ionen aus der Quelle extrahiert. Um Kontaminationen des Strahls mit anderen leichten Ionen, die gleichzeitig in der Ionenquelle produziert werden, zu vermeiden, wird ³He anstelle von ⁴He vorgeschlagen.
Die maximalen für das Synchrotron diskutierten Strahlintensitäten sind ca. 10⁹ C⁶⁺-Ionen pro Spill bzw. Ausschüttung an den Patienten. Wenn man von einem mehrere Umläufe umfassenden Injektionsschema unter Verwendung von 15 Umläufen bei 7 MeV/u ausgeht, wird ein von dem Linac abgegebener Bunch-Train von ca. 25 μm Länge in das Synchrotron eingespeist. Wenn man Strahlverluste in der Synchrotron-Injektionslinie, dem Synchrotron und der Hochenergie-Strahllinie berücksichtigt, entspricht dies einem Linac-Ausgangsstrom von ca. 100 eμA C⁶⁺. Wenn man weitere Strahlverluste in dem LEBT, dem Linac und der Stripper-Folie berücksichtigt, ist ein aus der Ionenquelle extrahierter minimaler C⁴⁺-Strom von ca. 130 eμA erforderlich. In Tabelle 2 sind die für alle hier diskutierten Ionenspezies erforderlichen Mindestströme (genannt I_min) aufgelistet.
Die in Betracht gezogenen Ionenquellen sollten jedoch mit einem Ionenstrom getestet werden, der eine Sicherheitsspanne von mindestens 50 % umfasst. Diese Werte sind in Tabelle 2 mit I_safe benannt und reichen von 150 eμA für ¹⁶O⁶⁺ bis zu 1 eμA für H²⁺. Um der Stabilität willen wird ein Gleichstrombetrieb für die ECR-Ionenquellen vorgeschlagen.

Tabelle 2 zeigt Parameter für Extraktionsspannungen und Ionenströme, die aus den Ionenquellen der vorliegenden Erfindung für verschiedene Ionenspezies extrahiert werden.

Ion	A/Q	U_ext/kV	I_min/μA	I_safe/μA
¹⁶O⁶⁺	2,66	21,3	100	150
¹²C⁴⁺	3	24	130	200
³He¹⁺	3	24	320	500
³He²⁺	1,5	12	640	1000
P	1	8	1300	2000
¹H₂ ⁺	2	16	650	1000
¹H₃ ⁺	3	24	440	700

Für das Extraktionssystem wird ein Dioden-Extraktionssystem für die ECR-Ionenquelle vorgeschlagen, das aus einer feststehenden Plasmaelektrode und einer einzelnen bewegbaren Extraktionselektrode besteht. Die für eine Strahlenergie von 8 keV/u notwendigen Extraktionsspannungen U_ext sind ebenfalls in Tabelle 2 aufgelistet. Im Fall von ¹²C⁴⁺ und ³He¹⁺ sind Extraktionsspannungen von 24 kV erforderlich. Im Fall eines direkt von der Ionenquelle gelieferten Protonenstrahles wäre die erforderliche Extraktionsspannung von 8 kV ziemlich klein, um einen Protonenstrom von 2 mA zu erzielen. Ferner muss in einem solchen Fall mit signifikanten Raumladungsproblemen innerhalb der Niedrigenergie-Strahltransportlinie und des RFQ-Beschleunigers umgegangen werden. Daher werden die Produktion und die Beschleunigung von molekularen H₂ ⁺- bzw. H₃ ⁺-Ionen vorgeschlagen.
Die unabhängigen ersten und zweiten Elektron-Zyklotronresonanz-Ionenquellen (ECRIS1 und ECRIS2) stellen eine sehr gut geeignete Lösung für einen bei einer Klinik installierten Injektor-Linac bereit, wobei die Magnetfelder ausschließlich durch Permanentmagnete erzeugt werden. Dies hat den großen Vorteil, dass keine elektrischen Spulen erforderlich sind, die einen sehr großen Leistungsverbrauch von bis zu ca. 120 kW pro Ionenquelle hätten. Zusätzlich zu dem großen Leistungsverbrauch haben Spulen den Nachteil, einen zusätzlichen Hochdruck-Wasser-Kühlkreislauf (15 Bar) zu benötigen, der nicht so sicher ist, wie die Permanentmagnet-Ionenquellen der vorliegenden Erfindung. Beide Aspekte haben den Vorteil, die Betriebskosten zu reduzieren und die Zuverlässigkeit des vorliegenden Systems zu erhöhen.
Die Hauptparameter einer geeigneten Hochleistungs-Permanentmagnet-ECRIS einer 14,5 GHz-SUPERNANOGAN sind in Tabelle 3 aufgelistet und mit den Daten von zwei elektrische Spulen verwendenden ECR-Ionenquellen verglichen, welche das ECR4-M (HYPERNANOGAN) und die 10 GHz-NIRS-ECR sind, die zur Routineproduktion von Strahlen zur zur Patientenbestrahlung am HIMAC und am Hyogo Ion Beam Medical Center verwendet werden.
Für SUPERNANOGAN wird das Plasma-Confinement bzw. der Plasmaeinschluss durch eine Mindest-B-Magnetstruktur mit magnetischen Parametern, die recht nahe an denen der ECR4-M liegen, sichergestellt, jedoch mit einer reduzierten Länge des Magnetspiegels (ca. 145 mm statt 190 mm) und einem kleineren Durchmesser der Plasmakammer (44 mm statt 66 mm). Die maximalen axialen Spiegelfelder sind 1,2 T bei der Injektion und 0,9 T bei der Extraktion. Das Gewicht der FeNdB-Permanentmagneten beträgt ca. 120 kg, der Durchmesser des Magnetkörpers ist 380 mm, und seine Länge ist 324 mm.
Für unsere Zwecke wurde SUPERNANOGAN an einer ECR-Ionenquellen-Testbank getestet. Für alle hier vorgeschlagenen Ionenspezies konnten die erforderlichen Ionenströme unter Verwendung von Extraktionsspannungen nahe den Werten für den Injektor-Linac und bei moderaten Hochfrequenz-Leistungspegeln zwischen 100 W und 420 W in einem stabilen Gleichstrom-Betriebsmodus erzielt werden. Für O⁶⁺ ebenso wie für He¹⁺ konnte sogar ca. das Zweifache der erforderlichen Ströme I_safe ohne weiteres erzielt werden. Für die Produktion von ¹²C⁴⁺ wurde CO₂ als Hauptgas verwendet, wie es auch bei der GSI für die Produktion von ¹²C²⁺ angewendet wird. Experimentelle Untersuchungen am HIMAC haben gezeigt, dass der Ertrag an ¹²C⁴⁺-Ionen unter Verwendung von CH₄ als Hauptgas signifikant verbessert werden kann. Weitere Verbesserungen der C⁴⁺-Produktionsleistung können ebenso für SUPERNANOGAN erwartet werden, wenn CH₄ als Hauptgas verwendet würde. Die gemessene geometrische Emittanz von ca. 90 % des Strahls liegt im Bereich zwischen 110 mm mrad für ¹⁶O⁶⁺ und bis zu 180 mm mrad für He¹⁺ und ¹²C⁴⁺, was einer normalisierten Strahlemittanz von 0,4 mm mrad bis 0,7 mm mrad entspricht.

Tabelle 3 zeigt einen Vergleich einiger ECR-Ionenquellen. ECR4-M ≡ HYPERNANOGAN, Werte in Klammern für ECR4-M beziehen sich auf einen 18 GHz-Betrieb, die anderen Werte beziehen sich auf einen 14,5 GHz-Betrieb. Für NIRS-ECR wurden die Werte in Klammern unter Verwendung eines verbesserten Sechstupol-Magnets erzielt.

		SUPERNANO-GAN	ECR4-M	NIRS-ECR
Betriebsfrequenz	GHz	14,5	14-18	10
Ionendurchmesser der Plasmakammer	mm	44	66	70
Magneten für axiales Feld		Permanent	Spulen	Spulen
Leistungsverbrauch der Spulen	kW	–	120 (180)	70

Außenlänge des Jochs	mm	324	405	358
Außendurchmesser des Jochs	mm	380	430	650
Länge des magnetischen Spiegels	mm	≈ 145	≈ 190	≈ 200
B_{max, Injektion}	T	1,2	1,2 (1,6)	0,93
B_min	T	0,45	0,4 (0,5)	0,3
B_{max, Extraktion}	T	0,9	1,0 (1,35)	0,72
B_Hexapol	T	1,1	1,1	0,9
U_{ext, max} (erzielt)	kV	30	30	25
Gemessene Ionenströme:
C⁴⁺	μA	200	≥ 350	430 (460)
P	mA	> 2,1		>2
H₂ ⁺	mA	1,0		1 (2,1)
He²⁺	mA	1,1		1,5-2,1
O⁶⁺	μA	300	1000

Zwei mit ECR4-M für C⁴⁺ und O⁶⁺ erhaltene Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 3 aufgelistet und demonstrieren, dass die erforderlichen Ionenströme um einen bestimmten Betrag übertroffen werden können. Einige Ionenströme, die mit NIRS-ECR erhalten wurden, sind ebenfalls in Tabelle 3 aufgelistet. Die Werte in Klammern wurden mit der nachgerüsteten Version erhalten, die aus einem verbesserten Sechstupol-Magnet besteht. Wiederum übertreffen alle Werte die hier erforderlichen Ströme um einen bestimmten Betrag. Die gemessene normalisierte Strahlemittanz reicht von ca. 0,5 mm mrad für C⁴⁺ bis etwa 1 mm mrad für einen H²⁺-Strahl mit 2,1 emA. Die NIRS-ECR hat eine Anzahl von Vorteilen: für die zur Patientenbestrahlung vorgeschlagenen vergleichsweise leichten Ionen, wie Kohlenstoff, Helium und Sauerstoff, scheint eine 10 GHz-ECR-Quelle leistungsstark genug zu sein, um ausreichend hohe Ionenströme zu produzieren, wenn der Durchmesser der Plasmakammer groß genug ist. Andererseits kann das einschließende Magnetfeld bei 10 GHz verglichen zu 14,5 GHz (wie es für ECR4-M verwendet wird) kleiner sein, wodurch der Leistungsverbrauch der elektrischen Spulen um ca. 40 % reduziert wird. Darüber hinaus ist die NIRS-ECR am HIMAC speziell für die Produktion von ¹²C⁴⁺-Strahlen in Betrieb. Wie bei dem hier vorgeschlagenen Projekt beträgt die Injektionsenergie am HIMAC-Injektor ebenfalls 8 keV/u und die für die Produktion von ¹²C⁴⁺-Strahlen angewendete Extraktionsspannung beträgt 24 kV.
Diese Parameter sind im vorliegenden Fall die gleichen. Zusätzlich wurde bei NIRS-ECR eine Anzahl von Verbesserungen angewendet, hauptsächlich um die Zuverlässigkeit der Quelle und die Lebensdauer von kritischen Komponenten der Quelle und die Wartungsintervalle zu vergrößern.
Die Elektron-Zyklotronresonanz-Ionenquellen der vorliegenden Erfindungen umfassen:

1. ein Gleichstrom-Vorspannungssystem: Um die Quelleneffizienz für Ionen in hohen Ladungszuständen zu erhöhen, sind sowohl SUPERNANOGAN als aus HYPERNANOGAN mit einem Gleichstrom- Vorspannungssystem ausgestattet. An dem inneren Rohr der koaxialen Kammer liegt eine Gleichstrom-Vorspannung von ca. 200 V bis 300 V an.
2. ein Gasversorgungssystem: Um eine ausreichende Langzeitstabilität des extrahierten Ionenstroms sicherzustellen, werden die Thermoventile für das Hauptgas und das Trägergas durch passende Thermoventil-Steuerungen geregelt. Ferner werden temperaturgeregelte Heizmäntel für die Thermoventile verwendet, um deren Temperatur zu stabilisieren. Zwischen den Hauptgas-Reservoirs und den Thermoventilen werden Druckreduzierer verwendet.
3. ein Hochfrequenzsystem: Hochleistungs-Klystron-Verstärker mit einer Hochfrequenz-Ausgangsleistung von ca. 2 kW werden verwendet (abhängig von dem Ionenquellenmodell 14,5 GHz oder 10 GHz). Um eine hohe Verfügbarkeit zu garantieren ist ein zusätzlicher Generator für eine Substitution im Falle eines Ausfalls des Verstärkers im Betrieb verfügbar. Deshalb sind im Fall der vorliegenden Erfindung für die zwei ECR-Ionenquellen (ECRIS1 und ECRIS2) drei Generatoren vorgesehen. Zwischen den einzelnen Generatoren ist ein schnelles Umschalten möglich. Eine Fernsteuerung der Ausgangsleistungspegel der Generatoren zwischen Null und maximaler Leistung ist vorgesehen. Die Ausgangsleistungspegel werden durch aktive Steuereinheiten mit einer hohen Stabilität von ΔP/P ≤ 1 % gesteuert. Die gesamte von den Generatoren übertragene Hochfrequenzleistung kann in einigen Fällen durch die Ionenquellen-Plasmen reflektiert werden. Deshalb können die Generatoren der vorliegenden Erfindung mit Zirkulatoren und Dummylasten ausgestattet sein, die in der Lage sind, die gesamte von den Generatoren übertragene Leistung zu absorbieren ohne einen Zusammenbruch der Generatoren zu bewirken. Für einen Routinebetrieb ist die Messung der reflektierten Leistung möglich.

Eine solche ECR-Ionenquelle ist eine bevorzugte Lösung für die Produktion von hoch geladenen C⁴⁺- und O⁶⁺-Ionenstrahlen für einen Therapiebeschleuniger. Im Prinzip kann das gleiche Quellenmodell auch für die Produktion von H₂ ⁺- und He⁺-Strahlen verwendet werden, einige zusätzliche Redundanz vorausgesetzt. Alternativ kann eine speziell für die Produktion von hochbrillanten Strahlen von einfach geladenen Ionen entwickelte Gasentladungs-Ionenquelle für die Produktion von H₃ ⁺- und ³H¹⁺-Strahlen vorgesehen sein.
Der Plasmagenerator der Quelle ist in einer wassergekühlten zylindrischen Kupferkammer von 60 mm Durchmesser und ca. 100 mm Länge gehäust. Für einen Plasmaeinschluss ist die Kammer von einem kleinen Spulenmagneten mit einem vergleichsweise niedrigen Leistungsverbrauch von weniger als 1 kW umgeben. An der Rückseite der Kammer ist ein Gaseinlasssystem angebracht, und nahe der Achse ist ein Wolfram-Filament installiert. Das vordere Ende der Kammer ist durch die Plasmaelektrode geschlossen, die in Bezug auf die Anode (Kammerwände) mit einer negativen Vorspannung versehen sein kann. Zur Ionenextraktion wird ein Triodonsystem in accel/decel-Konfiguration verwendet. Die Geometrie des Extraktionssystems der vorliegenden Erfindung wurde (unterstützt durch Computersimulationen) für verschiedene Extraktionsspannungen von ca. 22 kV und 55 kV sorgfältig optimiert.
Wenn die Quelle bei kleinen Bogenströmen von ≤ 10 A mit Wasserstoff betrieben wird, beträgt der H₃ ⁺-Anteil des Strahls bis zu ca. 90 % mit einer kleinen Menge von H⁺-Ionen (≤ 10 %) und einem nur sehr kleinen Anteil von H₂ ⁺-Ionen. Der H⁺-Anteil erhöht sich mit ansteigendem Bogenstrom. Für die Produktion eines H₃ ⁺-Stroms von nur wenigen mA ist jedoch eine Bogenleistung von weniger als 1 kW bei kleinen Bogenströmen von wenigen Ampere ausreichend, was eine ideale Lösung für den Therapieinjektor bereitstellt. Für diese Parameter wird für einen Gleichstrombetrieb eine Lebensdauer des Wolfram-Filaments von ca. 1000 h erwartet. Um die Lebensdauer weiter zu erhöhen, wird ein gepulster Betriebsmodus der Quelle vorgeschlagen. Im gepulsten Modus ist die Stabilität des extrahierten Ionenstroms mit einem gemessenen Rauschpegel des Strahls von nur ca. 1 % noch besser als für einen Gleichstrombetrieb.
Die Verwendung dieser Ionenquelle hat im Vergleich zu einer herkömmlichen ECR-Ionenquelle eine Anzahl von ökonomischen und technischen Vorteilen:

1. Die Investitionskosten für die Gasentladungs-Ionenquelle der vorliegenden Erfindung sind mindestens ca. fünfmal niedriger als für eine ECR-Ionenquelle (einschließlich des Hochfrequenzgenerators). Außerdem sind die Kosten für die Betriebsunterhaltung niedriger, insbesondere verglichen mit einer ECR-Ionenquelle mit elektrischen Spulen. Beispielsweise muss das Klystron des Hochfrequenzgenerators für eine herkömmliche ECR-Ionenquelle regelmäßig ersetzt werden.
2. Die Verwendung von H₃ ⁺ für eine Beschleunigung in dem Linac hat mehrere Vorteile: da es das gleiche Verhältnis zwischen Masse und Ladung A/Q = 3 aufweist wie die ¹²C⁴⁺-Ionen, werden die Linac-Kavitäten in beiden Fällen beim gleichen Hochfrequenz-Leistungspegel betrieben. Dies stellt einen sehr stabilen Betrieb des Linacs sicher, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems erhöht wird. Ferner wäre ein sehr schnelles Umschalten zwischen ¹²C⁴⁺- und H₃ ⁺-Strahlen möglich. Zusätzlich sind Raumladungsprobleme entlang des LEBT und des RFQ-Beschleunigers für H₃ ⁺-Strahlen verglichen mit H₂ ⁺- oder H⁺-Strahlen minimiert.
3. Viel höhere Strahlströme sind verfügbar.
4. Hochbrilliante Ionenstrahlen mit normalisierten Strahlemittanzen von ε_n < 0,1 π mm mrad, d.h. ca. eine Größenordnung kleiner als bei den H₂ ⁺-Strahlen von ECR-Ionenquellen. Beispielsweise wurde für einen He⁺-Strahl mit 9 mA bei einer Extraktionsspannung von 17 kV eine normalisierte 80 %-Strahlemittanz von 0,003 π mm mrad gemessen.

3 zeigt Beispiele für Strahleinhüllende einer Vorrichtung zum Erzeugen und Auswählen von Ionen entlang einer Niederenergie-Strahltransportlinie. In 3 sind Strahleinhüllende in horizontaler Richtung (oberer Teil) und vertikaler Richtung (unterer Teil) für zwei transversale Strahlemittanzen von a) 120 π mm mrad (ε_n = 0,50 π mm mrad) und b) 240 π mm mrad (ε_n = 1,0 π mm mrad) aufgetragen. Die Strahlemittanzen sind in x- und y-Richtung identisch und basieren auf den Werten, die für die in der vorliegenden Erfindung verwendeten ECR-Ionenquellen gemessen wurden, und die im Bereich zwischen ca. ε_n ≈ 0,5 π mm mrad bis 0,7 π mm mrad für Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Helium-Ionenstrahlen und bis zu ca. ε_n ≈ 1,0 π mm mrad für H₂ ⁺-Strahlen liegen. Die Rechtecke in 3 markieren die verschiedenen Magnete und deren Apertur-Radien. Die Simulationen beginnen bei einem Objektfokus, der in dem Extraktionssystem der Ionenquellen angeordnet ist, und enden am Anfang der RFQ-Elektroden.
Die Strahlparameter am Startpunkt der Simulationen sind durch die Geometrie des Ionenquellen-Extraktionssystems einschließlich der Apertur der Plasmaelektrode und durch die Betriebsparameter der Ionenquelle bestimmt, die die Form der Plasmaoberfläche in der Extraktionsapertur der Plasmaelektrode beeinflussen. Um eine flexible Anpassung von Strahlparametern am Startpunkt des Spektrometersystems bereitzustellen, d.h. verschiedene Strahl-Radien, verschiedene Divergenzwinkel und eine Verschiebung des Objektfokusses in axialer Richtung, werden zwei fokussierende Magnete vor den Spektrometermagneten SP1, SP2 verwendet, wie es in den 1 und 2 gezeigt ist.
Zunächst werden die von jeder Ionenquelle extrahierten Ionenstrahlen durch einen Spulenmagneten SOL, wie er in 1 und 2 gezeigt ist, in den Objektpunkt des nachfolgenden Spektrometers fokussiert. Die Strahlgröße und der Ort in der Ablenkungsebene des Spektrometers an diesem Punkt können durch einen variablen horizontalen Schlitz (SL) definiert werden. Um die Auflösungsleistung des Spektrometers zu erhöhen, die proportional zur maximalen horizontalen Strahlgröße innerhalb des ablenkenden Magneten ist, und um die vertikale Strahlbreite entlang der Spektrometermagneten SP1, SP2 zu reduzieren, ist ein einzelner horizontal defokussierender Quadrupolmagnet QS zwischen dem Objektfokus des Spektrometers und den Spektrometermagneten SP1, SP2 angeordnet. Die nachfolgenden doppelten fokussierenden 90°-Spektrometermagnete SP1, SP2 haben einen Krümmungsradius von 400 mm und Kantenwinkel von 26,6°. Für Ionenstrahlen mit einem Verhältnis zwischen Masse und Ladung von A/Q = 3 und einer Energie von 8 keV/u wird nur bis 0,1 T erregt. Die theoretische Massenauflösungsleistung des Systems am folgenden Bildschlitz (ISL) von
ist ausreichend, um die erwünschten ¹²C⁴⁺-Ionen von anderen Ladungszuständen und von einigen anderen leichten Ionen zu trennen.
Wie in 1 und 2 gezeigt, fokussiert nach den Bildschlitzen ISL ein Magnetquadrupol-Triplet QT1, QT2 die Strahlen auf eine fast kreisförmige Symmetrie entlang des gemeinsamen Teils der LEBT zwischen dem Schaltmagnet SM und dem RFQ.
Schließlich fokussiert ein Spulenmagnet den Ionenstrahl in eine kleine angepasste Taille am Anfang des Hochfrequenz-Quadrupol-Beschleunigers (RFQ-Beschleunigers). Ein Paar Chopper-Platten zur Makropuls-Bildung ist zwischen dem Schaltmagnet und dem RFQ angeordnet.
Strahldiagnose-Einrichtungen BD umfassen Profilgitter und Faraday-Cups, die hinter den Extraktionssystemen der Ionenquellen ECRIS1 und ECRIS2 an den Objektfokussen der Spektrometer SP1, SP2 und an den Bildschlitzen ISL angeordnet sind. Weitere Strahldiagnoseeinrichtungen sind hinter dem Schaltmagneten und in Strahlrichtung vor dem Spulenmagneten vor dem RFQ angeordnet. Für Onlinemessungen des Strahlstromes ist bei jedem der Ionenquellen-Zweige vor den Magnetquadrupol-Triplets QT1 und QT2 ein Strahlumformer vorgesehen.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen, Extrahieren und Auswählen von in einer Schwerionen-Krebstherapie-Anlage verwendeten Ionen, mit: – einer unabhängigen ersten (ECRIS1) und einer unabhängigen zweiten Elektron-Zyklotronresonanz-Ionenquelle (ECRIS2) zum Erzeugen schwerer bzw. leichter Ionen; – einem in Strahlrichtung nach jeder Ionenquelle (ECRIS1, ECRIS2) angeordneten Spektrometermagnet (SP1, SP2) zum Auswählen von Schwerionenspezies einer isotopischen Konfiguration; – einem in Strahlrichtung nach jedem Analysierschlitz (ISL) angeordneten Quadrupolmagnet-Triplet (QT1, QT2); – einem am Bildfokus von jedem Spektrometermagnet (SP1, SP2) angeordneten Analysierschlitz (ISL); – einer an jedem Schlitz (SL, ISL) angeordneten Strahldiagnoseeinrichtung (BD) mit zumindest Profilgittern und Faraday-Cups; – einem Schaltmagnet (SM) zum Schalten zwischen Ionenspezies mit hohem LET und Ionenspezies mit niedrigem LET von den zwei unabhängigen ersten und zweiten Ionenquellen; – einem in Strahlrichtung nach dem Schaltmagnet (SM) angeordneten Hochfrequenz-Quadrupol-Beschleuniger (RFQ); – einem zwischen dem Analysierschlitz (ISL) und dem Quadrupolmagnet-Triplet (QT1, QT2) angeordneten Strahlumformer (BTR); dadurch gekennzeichnet, dass – die Ionenquellen (ECRIS1, ECRIS2) ausschließlich Permanentmagneten enthalten; und – der RFQ eine Vier-Stab-ähnliche Struktur mit alternierenden Schäften (ST), die an einer gemeinsamen Basisplatte (P) innerhalb des RFQ angebracht sind, hat, wobei die Schäfte (ST) als Induktivitäten und ein Miniflügel-Paar formende Elektroden (EL) und als Kondensator für eine λ/2-Resonanzstruktur wirken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spulenmagnet (SOL) am Ausgang von jeder Ionenquelle (ECRIS1, ECRIS2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quadrupolmagnet-Singlet (QS1, QS2) in Strahlrichtung nach jeder Ionenquelle (ECRIS1, ECRIS2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein fokussierender Spulenmagnet (SOL) in Strahlrichtung nach einem Chopper (CH) und vor dem Hochfrequenz-Quadrupol-Beschleuniger (RFQ) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedrigenergie-Strahltransportsystem (LEBT) in Strahlrichtung nach dem Schaltmagnet (SM) eine Diagnoseeinrichtung (FO1, FO2) umfasst, die einen Faraday-Cup und/oder Profilgitter umfasst.