DE69504386T2

DE69504386T2 - Teilchenstrahlbeschleuniger und sein Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE69504386T2
Application number: DE69504386T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hitachioota-Shi Ibaraki 313 Hiramoto; Junichi Hitachi-Shi Ibaraki 316 Hirota; Hiroaki Hitachi-Shi Ibaraki 317 Sakurabata; Masahiro Hitachioota-Shi Ibaraki 313 Tadokoro
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-03-17
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2015-03-16
Also published as: JPH07263200A; JP3307059B2; US5783914A; EP0673187B1; EP0673187A1; DE69504386D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleuniger und ein Verfahren zum Betreiben desselben, und spezieller betrifft sie einen Beschleuniger, der zur Verwendung bei medizinischer Bestrahlungsbehandlung geeignet ist.
Das Dokument US-A-5285166 offenbart einen Beschleuniger für geladene Teilchen, der einen Umlenkmagnet und einen Mehrpolmagnet aufweist, wobei beide Magnete zur Steuerung der Umlaufbahn der geladenen Teilchen im Beschleuniger dienen. Aus dem Beschleuniger wird ein Strahl dadurch ausgeschleust, dass die Gleichgewichts-Umlaufbahn der geladenen Teilchen unter Verwendung entweder des Umlenkmagnets oder des Mehrpolmagnets eingestellt wird, um dadurch den Tunewert der geladenen Teilchen zu ändern. Das Ziel dieses Ausschleusverfahrens besteht darin, den Gradienten der Umlaufbahn des ausgeschleusten Strahls im Wesentlichen konstant zu halten.
Die japanische Patentanmeldung JP-A-198397/1993 offenbart einen Strahlbeschleuniger, wie er in Fig. 2 dargestellt und mit der Bezugszahl 101 versehen ist. Bei diesem Beschleuniger wird ein Strahl dadurch ausgeschleust, dass bei einer Betatronschwingung eines im Beschleuniger 101 umlaufenden Strahls geladener Teilchen Resonanz erzeugt wird und dann der ausgeschleuste Strahl zur Verwendung bei medizinischer Strahlungsbehandlung zu einer Kammer 103 für medizinische Behandlung transportiert wird.
Beim Ausschleusen eines Strahls auf diesem Beschleuniger wird ein Resonanzeffekt einer Betatronschwingung genutzt, und dies wird unten detaillierter erläutert.
Die geladenen Teilchen laufen im Beschleuniger um, während sie horizontal oder vertikal schwingen, und dies wird als Betatronschwingung bezeichnet. Die Frequenz pro einem Umlauf in einem Umlaufpfad der Betatronschwingung wird als "Tunewert" bezeichnet, und der Tunewert kann durch Quadrupolelektromagnete gesteuert werden. Wenn der Tunewert unter Verwendung von Quadrupolelektromagneten 5 zum Konvergieren sowie Quadrupolelektromagneten 6 zum Divergieren der Pfade der geladenen Teilchen zusammen mit einem Hexapolelektromagnet 9 zum Erzeugen von Resonanz, der auf dem Umlaufpfad einwirkt, so eingestellt wird, dass er sich nahe bei einem Wert von (ganze Zahl +1/3), (ganze Zahl +2/3) oder (ganze Zahl + 1/2) befindet, nimmt die Amplitude der Betatronschwingung derjenigen umlaufenden geladenen Teilchen, die bereits eine Amplitude der Betatronschwingung bei einem bestimmten Grenzwert oder über diesem aufweisen, schnell zu. Dieser Effekt wird als Resonanz der Betatronschwingung bezeichnet. Die Grenze zum Erzeugen von Resonanz wird als Stabilitätsgrenze bezeichnet, wobei deren Größe abhängig von den Magnetfeldstärken der Quadrupolelektromagnete und der Mehrpolelektromagnete variiert.
Die Resonanz bei einem auf ungefähr (ganze Zahl +1/2) eingestellten Tunewert wird als Resonanz zweiter Ordnung bezeichnet, und die Resonanz bei einem auf ungefähr (ganze Zahl +2/3) eingestellten Tunewert wird als Resonanz dritter Ordnung bezeichnet. Nun erfolgt eine Erläuterung für ein Beispiel, bei dem der Tunewert auf ungefähr (ganze Zahl + 1/3) eingestellt ist. Je kleiner die Abweichung des Tunewerts von (ganze Zahl +1/3) ist und je stärker die Magnetfeldintensität des Quadrupolelektromagnets 9 ist, umso kleiner ist die Größe der Resonanzstabilitätsgrenze.
Bei einem Verfahren zur Strahlausschleusung, wie es beim in Fig. 2 dargestellten Beschleuniger verwendet werden kann, wird der Tunewert in gewissem Grad auf ungefähr (ganze Zahl +1/3) eingestellt, während die Intensität des Hexapolelektromagnets 9 konstant gehalten wird, und Resonanz wird in denjenigen geladenen Teilchen erzeugt, die unter den umlaufenden geladenen Teilchen eine große Amplitude der Betatronschwingung aufweisen. Danach wird der Tunewert noch näher bei (ganze Zahl +1/3) eingestellt, was die Stabilitätsgrenze einengt, um dadurch Resonanz auch für geladene Teilchen mit einer kleineren Schwingungsamplitude zu erzeugen. Die Strahlenergie wird bei diesem Vorgang konstant gehalten. Eine derartige Steuerung des Tunewerts wird dadurch ausgeführt, dass die Magnetfeldstärken der entlang dem Umlaufpfad angebrachten Quadrupolelektromagnete 5 und 6, wie in Fig. 2 dargestellt, gesteuert wird.
Ein weiteres Verfahren der Strahlausschleusung ist in JP-A- 198397/1993 offenbart. Dazu gehört ein Verfahren des Erzeugens von Resonanz durch Erhöhen der Amplitude der Betatronschwingung, während nicht nur die Intensitäten der Umlenkelektromagnete 2 und des Hexapolelektromagnets 9 konstant gehalten werden, sondern auch der Tunewert, d. h. die Magnetfeldstärke der Quadrupolelektromagnete.
Bei diesem Strahlausschleusungsverfahren wird Resonanz dadurch erzeugt, dass die Amplitude der Betatronschwingung dadurch erhöht wird, dass von einer Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung 14 ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld in einer Richtung rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Strahls angelegt wird, während gleichzeitig die Resonanzstabilitätsgrenze durch einen konstanten Tunewert konstant gehalten wird. Ferner wird bei diesem Ausschleusungsverfahren auch die Strahlenergie auf konstantem Pegel gehalten.
Der ausgeschleuste Strahl wird zur Kammer 103 für medizini sche Behandlung transportiert, wo er dazu verwendet werden kann, einen Körper zu bestrahlen. Wenn ein Ionenstrahl bei der medizinischen Strahlungsbehandlung in ein Innengewebe des Körpers eindringt, wird Energie an das Gewebe abgegeben. Die in einer speziellen Tiefe abgegebene Energiemenge variiert abhängig von der Tiefe, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Tiefe, bei der maximale Bestrahlung auftritt, wird als Braggspitze (Bezugszahl 300 in Fig. 3) bezeichnet, und die Position der Braggspitze ist durch die Strahlenergie bestimmt. Bei einer medizinischen Bestrahlungsbehandlung wird die Braggspitze des Strahls an die gewünschte Bestrahlungstiefe des betroffenen Teils angepasst.
Die Position der Braggspitze und die Eigenschaften der Strahlungsmenge in der Nähe derselben werden unter Verwendung einer Bereichssteuerungseinrichtung 106 gesteuert, wie in Fig. 4 dargestellt, während die Strahlenergie für den aus dem Beschleuniger ausgeschleusten Strahl konstant gehalten wird.
Jedoch variiert im Allgemeinen die Position eines betroffenen Teils bei verschiedenen Patienten, weswegen die gewünschte Tiefe maximaler Bestrahlung (und demgemäß die gewünschte Strahlenergie) variiert. Außerdem kann die Größe des betroffenen Teils dergestalt sein, dass Strahlung in einem Bereich von Tiefen erforderlich ist, wobei dieser Bereich denjenigen Bereich überschreitet, der in der Nähe der Braggspitze des Strahls liegt. Um diese Tiefe einzustellen, oder um für Strahlung in einem Bereich von Tiefen zu sorgen, ist es erforderlich, die Bereichssteuerungseinrichtung zu wechseln, was eine Unterbrechung des Strahlausschleusungsprozesses erfordert. Im Fall eines einzelnen Patienten bedeutet dies, dass die Behandlung unterbrochen werden muss, und im Fall der Einstellung zwischen Patienten benötigt dies, dass zwischen der Behandlung verschiedener Patienten eine beträchtliche Zeitverzögerung existiert.
Eine Bereichssteuerungseinrichtung ist in Nuclear Instruments and Methods 131 (1975), S. 437-440 beschrieben, wobei der Strahl dadurch eingestellt wird, dass er durch eine Bereichssteuerungseinrichtung aus einem Schwermetall oder Kunstglas hindurchgeleitet wird. In diesem Fall ist es erforderlich, die Form oder die Größe oder dergleichen der Bereichssteuerungseinrichtung abhängig von der Tiefe oder der Größe des betroffenen, zu behandelnden Teils einzustellen, weswegen es erforderlich ist, eine Anzahl verschiedener Bereichseinstelleinrichtungen zu verwenden.
In einer Veröffentlichung mit dem Titel "Beam Delivery System of HIMAC" von H. Ogawa et al. aus Proceedings of the 7th Symposium on Accelerator Science and Technology (5. 48-50) sind Gesichtspunkte des vorgeschlagenen Designs von HIMAC (Heavy Iron Medical Accelerator in Chiba) offenbart. Das Design umfasst das Vorsehen einer Anzahl von Transportlinien zum Transportieren von aus dem Beschleuniger ausgeschleusten Strahlen zu einer Anzahl verschiedener Räume für medizinische Behandlung.
Bei der oben beschriebenen Technik bestehen die folgenden Schwierigkeiten.
Erstens ist es schwierig, die Strahlenergie zu ändern, während ein Strahl ausgeschleust wird. Zweitens kann, wenn eine Bereichssteuerungseinrichtung dazu verwendet wird, die Strahlenergie zu ändern, der Strahldurchmesser vergrößert werden, und es können die Strahleigenschaften beeinträchtigt werden. Drittens ist es bei einer medizinischen Einrichtung erforderlich, Bereichssteuerungseinrichtungen zu verwenden, von denen jede für jeden Patienten verschieden sein kann, weswegen beträchtliche Zeit beim Auswählen und/oder Posi tionieren oder dergleichen der Bereichssteuerungseinrichtung erforderlich ist. Daher kann die Wartezeit beträchtlich sein, bis ein Patient eine Bestrahlungsbehandlung erhält.
Die Erfindung zielt darauf ab, einen Beschleuniger zu schaffen, der einige oder alle der obigen Probleme lindert.
Demgemäß sind durch die Erfindung in einer ersten Erscheinungsform ein Umlaufraum zum Zirkulieren eines Strahls geladener Teilchen, ein Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum zum Ändern der Energie eines im Umlaufraum umlaufenden Strahls sowie eine Ausschleusungseinrichtung zum Ausschleusen von Ausgangsstrahlen aus der Vorrichtung geschaffen. Steuerungseinrichtungen sind so ausgebildet, dass sie so betreibbar sind, dass die Energie des umlaufenden Strahls unter Verwendung des Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraums geändert wird, um Ausgangsstrahlen mindestens zweier Energien unter Verwendung der Ausschleusungseinrichtung aus der Vorrichtung ausschleusen zu können, während der in der Vorrichtung umlaufende Strahl aufrechterhalten wird.
So kann die Energie des Strahls (die z. B. zum Bestrahlen eines Patienten verwendet wird) geändert werden, ohne dass die Beschleunigungsvorrichtung abgeschaltet werden muss, d. h. der umlaufende Strahl angehalten werden muss.
Die Dauer der Ausgangsstrahlen kann von beliebiger Länge sein, und sie kann extrem kurz sein. Vorzugsweise werden die Ausgangsstrahlen zusammengeführt, so dass tatsächlich der Ausgangsstrahl der Ausschleusungseinrichtung ein kontinuierlicher Strahl mit mindestens zwei Energiepegeln zu verschiedenen Zeitpunkten ist. In diesem Fall sind die Steuerungseinrichtungen so beschaffen, dass sie so betreibbar sind, dass die Ausgangsstrahlen sequentiell unter Verwendung der Ausschleusungseinrichtung ausgeschleust werden, so dass die Ausgangsstrahlen zusammengeführt werden, um einen kontinuierlichen Strahl zu bilden.
Vorzugsweise sind die Steuerungseinrichtungen so beschaffen, dass sie so betreibbar sind, dass sie die Energie des umlaufenden Strahls unter Verwendung des Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraums gleichzeitig mit dem Ausschleusen der Ausgangsstrahlen unter Verwendung der Ausschleusungseinrichtung ändern. So kann der Energiepegel der Ausgangsstrahlen variiert werden, ohne dass die Ausschleusung des Ausgangsstrahls unterbrochen werden muss.
Vorzugsweise umfasst die Ausschleusungseinrichtung eine Einrichtung zum Steigern der Amplitude einer Betatronschwingung des umlaufenden Strahls, um die Resonanzstabilitätsgrenze des umlaufenden Strahls zu überschreiten, und die Steuerungseinrichtungen sind so betreibbar, dass sie die Amplitude gleichzeitig mit dem Betrieb des Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraums erhöhen. Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zum Erhöhen der Amplitude einer Betatronschwingung eine Einrichtung zum Anlegen eines ersten elektromagnetischen Felds an den umlaufenden Strahl in einer Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung (Laufrichtung) des umlaufenden Strahls, und die Steuerungseinrichtungen sind so beschaffen, dass sie so betreibbar sind, dass sie das erste elektromagnetische Feld gleichzeitig mit dem Betrieb des Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraums einstellen.
Vorzugsweise sind die Steuerungseinrichtungen so beschaffen, dass sie so betreibbar sind, dass sie die Frequenz mindestens einer Komponente des ersten elektromagnetischen Felds ändern, während die Ausschleusungseinrichtung in Betrieb ist.
Zusätzlich oder alternativ umfasst der Hochfrequenz-Be schleunigungshohlraum eine Einrichtung zum Anlegen eines zweiten elektromagnetischen Felds an den umlaufenden Strahl in einer Richtung entlang der Ausbreitungsrichtung des umlaufenden Strahls, und die Vorrichtung umfasst ferner Umlenk(Ablenk)- und Mehrpolmagnete zum Erzeugen von Umlenk- bzw. Mehrpol-Magnetfeldern zum Steuern des Umlaufpfads (des Laufpfads) des umlaufenden Strahls. Die Steuerungseinrichtungen können so beschaffen sein, dass sie so betreibbar sind, dass sie die Werte des Umlenk- und des Mehrpol-Magnetfelds während des Betriebs des Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraums auf einem im Wesentlichen konstanten Verhältnis halten.
Die Vorrichtung kann auch eine Transporteinrichtung zum Transportieren der ausgeschleusten (oder emittierten) Ausgangsstrahlen aus dem Umlaufraum aufweisen, zusammen mit einem Elektromagnet zum Steuern der Ausgangsstrahlen in der Transporteinrichtung. Die Steuerungseinrichtungen können so beschaffen sein, dass sie das vom Elektromagnet erzeugte Magnetfeld entsprechend der Energie der Ausgangsstrahlen ändern.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform ist durch die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Ringbeschleunigers für einen Strahl geladener Teilchen geschaffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (i) Aufrechterhalten eines in einem Umlaufraum des Ringbeschleunigers umlaufenden Strahls, (ii) Ändern der Energie des umlaufenden Strahls während des Schritts (i), und (iii) Ausschleusen von Ausgangsstrahlen mindestens zweier Energien aus dem Umlaufraum während des Schritts (1).
Die Schritte (ii) und (iii) können im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, und/oder die Energie mindestens eines der Ausgangsstrahlen kann variieren, wenn er aus dem Umlaufraum ausgeschleust wird. Ferner können die Ausgangsstrahlen zusammengeführt werden, um einen kontinuierlichen Strahl zu bilden, und die Energie des kontinuierlichen Strahls kann variieren, während er aus dem Umlaufraum ausgeschleust wird.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Ausschleusens von Ausgangsstrahlen den Schritt des Erhöhens der Amplitude einer Betatronschwingung des umlaufenden Strahls in solcher Weise, dass die Resonanzstabilitätsgrenze des umlaufenden Strahls überschritten wird. Die Stabilitätsgrenze kann im Wesentlichen konstant gehalten werden, während die Amplitude der Betatronschwingung des umlaufenden Strahls erhöht wird.
Vorzugsweise wird die Amplitude der Betatronschwingung dadurch erhöht, dass ein erstes elektromagnetisches Feld in einer Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des umlaufenden Strahls angelegt wird.
Vorzugsweise umfasst der Ringbeschleuniger Umlenk- und Mehrpolmagnete zum Erzeugen von Umlenk- bzw. Mehrpol-Magnetfeldern, und sowohl das Umlenk- als auch das Mehrpol-Magnetfeld bleiben im Wesentlichen konstant, während das erste elektromagnetische Feld variiert wird.
Ferner kann das erste elektromagnetische Feld mehrere Hochfrequenzkomponenten verschiedener Frequenzen aufweisen, und die Frequenz mindestens einer Komponente des ersten elektromagnetischen Felds kann geändert werden, wenn mindestens einer der Ausgangsstrahlen ausgeschleust wird.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Änderns der Energie des umlaufenden Strahls die Schritte des Anlegens eines zweiten elektromagnetischen Felds an den umlaufenden Strahl in einer Richtung entlang der Ausbreitungsrichtung desselben, und des Anlegens eines ersten und eines zweiten Magnetfelds, wie sie durch den Umlenk- bzw. den Mehrpolmagnet erzeugt werden, wobei die Werte des ersten und zweiten Magnetfelds auf einem im Wesentlichen konstanten Verhältnis gehalten werden.
Weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 9 bis 12 angegeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist durch die Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 13 zum Betreiben eines Ringbeschleunigers mit einem Ring für einen Strahl geladener Teilchen geschaffen, das die folgenden Schritte aufweist: (i) Ändern der Energie des Strahls geladener Teilchen und, gleichzeitig, (ii) Ausschleusen des Strahls geladener Teilchen aus dem Beschleuniger.
Die abhängigen Ansprüche 14 bis 26 beschreiben spezielle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der abhängige Anspruch 27 beschreibt ein medizinisches Gerät, das die Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8 enthält.
Der abhängige Anspruch 28 beschreibt ein medizinisches Gerät, das die Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 und 27 enthält, und Anspruch 29 beschreibt eine spezielle Ausführungsform dieses Geräts.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist durch die Erfindung ein Verfahren zum Bestrahlen eines Körpers mit einem Strahl geladener Teilchen geschaffen, das den Schritt des Variierens der Energie des Strahls geladener Teilchen über einen vorbestimmten Bereich während kontinuierlicher Bestrahlung des Körpers umfasst, um die Tiefe maximaler Absorption des Strahls geladener Teilchen im Körper einzustellen. Der vor bestimmte Bereich kann innerhalb eines Bereichs von 50 MeV bis 800 MeV ausgewählt werden.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform ist durch die Erfindung ein Verfahren zum Variieren der Energie eines Ausgangsstrahls geladener Teilchen über einen vorbestimmten Bereich geschaffen, das den Schritt des Einstellens der Funktion der folgenden Elemente eines Ringbeschleunigers für einen Strahl geladener Teilchen aufweist: (i) einer Beschleunigungseinrichtung zum Ändern der Energie eines in der Vorrichtung umlaufenden Strahls; (ii) einer Hochfrequenz- Ausschleusungseinrichtung zum Ausschleusen des Ausgangsstrahls geladener Teilchen aus der Vorrichtung; (iii) eines Umlenkmagnets und eines Mehrpolmagnets zum Steuern des Pfads des umlaufenden Strahls; und (iv) eines Transportmagnets zum Einstellen des Ausgangsstrahls geladener Teilchen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist durch die Erfindung ein medizinisches Gerät mit einem Beschleuniger zum Beschleunigen und Ausschleusen (d. h. Emittieren) eines Teilchenstrahls sowie einem Transportsystem zum Transportieren eines aus dem Beschleuniger ausgeschleusten Ausgangsstrahls zu einer Kammer für medizinische Behandlung geschaffen, wobei die Kammer für medizinische Behandlung dazu dient, eine medizinische Bestrahlungsbehandlung unter Verwendung des Ausgangsstrahls auszuführen. Es ist eine Steuerungseinrichtung vorhanden, um den Beschleuniger und das Transportsystem zu steuern.
Der Beschleuniger umfasst eine Beschleunigungseinrichtung zum Beschleunigen des Teilchenstrahls durch Zuführen von Energie zu demselben, Umlenkelektromagnete zum Erzeugen von Umlenkmagnetfeldern, einen Mehrpolelektromagnet zum Erzeugen eines Mehrpol-Magnetfelds zum Spezifizieren einer Resonanzstabilitätsgrenze für den Teilchenstrahl, und eine Hochfre quenz-Anlegeeinrichtung zum Steigern der Amplitude einer Betatronschwingung des Teilchenstrahls innerhalb der Stabilitätsgrenze desselben. Die Steuerungseinrichtung ist so beschaffen, dass sie eine solche Steuerung vornimmt, dass sie sowohl das Intensitätsverhältnis des Mehrpol-Magnetfelds gegenüber den Umlenkmagnetfeldern als auch das Intensitätsverhältnis der Umlenkmagnetfelder gegenüber einem Magnetfeld im Transportsystem ungefähr konstant hält.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist durch die Erfindung ein medizinisches Gerät zum Bestrahlen eines Körpers mit einem Strahl geladener Teilchen geschaffen, mit: (i) einem Strahlbeschleuniger für geladene Teilchen mit einer Energieeinrichtung zum Ändern der Energie eines in der Vorrichtung umlaufenden Strahls und einer Einrichtung zum Ausschleusen eines Ausgangsstrahls aus der Vorrichtung; und (ii) einer Steuerungseinrichtung mit einer Eingabeeinrichtung zum Eingeben eines Start-Energiewerts und eines End-Energiewerts für den Ausgangsstrahl, wobei die Steuerungseinrichtung so beschaffen und ausgebildet ist, dass sie den Strahlbeschleuniger für geladene Teilchen so steuert, dass er den erforderlichen Ausgangsstrahl erzeugt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist durch die Erfindung eine Beschleunigungsvorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen geschaffen, die Folgendes aufweist: einen Umlauf raum zum Zirkulieren eines Strahls geladener Teilchen; eine Energieeinrichtung zum Ändern der Energie des in der Vorrichtung umlaufenden Strahls; eine Energie zum Ausschleusen von Ausgangsstrahlen aus der Vorrichtung; eine Einrichtung zum Steigern der Amplitude einer Betatronschwingung des umlaufenden Strahls in solcher Weise, dass die Resonanzstabilitätsgrenze des umlaufenden Strahls überschritten wird, mit einer Einrichtung zum Anlegen eines ersten elektromagnetischen Felds an den umlaufenden Strahl in einer Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung desselben; wobei die Energieeinrichtung eine Einrichtung zum Anlegen eines zweiten elektromagnetischen Felds an den umlaufenden Strahl in einer Richtung entlang der Ausbreitungsrichtung des umlaufenden Strahls aufweist; und wobei die Vorrichtung ferner folgendes aufweist: Umlenk- und Mehrpol-Magnete zum Erzeugen eines ersten bzw. zweiten elektromagnetischen Felds zum Steuern des Umlaufpfads (Laufpfad) des umlaufenden Strahls; und eine Steuerungseinrichtung, die so beschaffen ist, dass sie so betreibbar ist, dass sie gleichzeitig die Energie des umlaufenden Strahls und das erste elektromagnetische Feld steuert, während sie die Werte des ersten und zweiten Magnetfelds während des Betriebs der Energieeinrichtung auf einem im Wesentlichen konstanten Verhältnis hält.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist durch die Erfindung ein Beschleuniger mit Elektromagneten zum Zirkulieren eines Strahls geladener Teilchen und einer Ausschleusungseinrichtung zum Ausschleusen des Strahls geschaffen, wobei der Beschleuniger Folgendes aufweist: eine Beschleunigungseinrichtung zum Beschleunigen des Strahls geladener Teilchen durch Zuführen von Energie zu denselben; Umlenkelektromagnete zum Erzeugen von Magnetfeldern zum Umlenken des Strahls geladener Teilchen; einen Mehrpol-Elektromagnet zum Erzeugen eines Mehrpol-Magnetfelds zum Spezifizieren einer Resonanzstabilitätsgrenze für den Strahl geladener Teilchen; eine Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung zum Steigern der Amplitude einer Betatronschwingung des Strahls geladener Teilchen innerhalb der Stabilitätsgrenze; und einer Steuerungseinrichtung für Steuerung in solcher Weise, dass die Intensitäten der Umlenkmagnetfelder im Wesentlichen konstant gehalten werden, und zum Steuern der Frequenz eines elektrischen Felds oder eines Magnetfelds, wie es durch die Beschleunigungseinrichtung und die Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung erzeugt wird, um eine erforderliche Änderung der Energie des Strahls gelade ner Teilchen zu erzielen.
Vorzugsweise steuert die Steuerungseinrichtung das Intensitätsverhältnis des Mehrpol-Magnetfelds gegenüber einem Strahlmoment, um das Verhältnis ungefähr konstant zu halten.
Es folgt eine allgemeine Beschreibung des Betriebs einiger Ausführungsformen der Erfindung.
Als erstes wird die Energie eines Strahls geladener, in einem Beschleuniger umlaufender Teilchen während des Ausschleusungsvorgangs variiert. Die Steuerung der Energie des Strahls geladener Teilchen erfolgt durch eines der folgenden Verfahren (1) und (2):
(1) Die Stärken von Magnetfeldern der Umlenkelektromagnete und von Quadrupolelektromagneten werden dadurch variiert, dass ein hochfrequentes elektrisches Feld in der Ausbreitungsrichtung des Strahls geladener Teilchen angelegt wird. Während dieses Schritts wird das Intensitätsverhältnis der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete zur Intensität des Magnetfelds der Quadrupolelektromagnete ungefähr konstant gehalten. Wenn das geladene Teilchen ein Ion ist, wird auch die Frequenz des hochfrequenten elektrischen Felds entsprechend der variablen Strahlenergie variiert.
(2) Es wird die Frequenz des hochfrequenten elektrischen Felds variiert, und dieses wird in der Ausbreitungsrichtung des Strahls geladener Teilchen angelegt, während die Intensität der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete konstant gehalten wird.
Das hochfrequente elektrische Feld wird unter Verwendung z. B. eines Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraums erzeugt.
Zweitens wird ein Mehrpol-Magnetfeld zum Erzeugen von Strahlresonanz durch einen Hexapolelektromagnet oder einen Oktapolelektromagnet erzeugt. Wenn die Energie des umlaufenden Strahls beim Ausschleusungsvorgang durch das Verfahren (1) variiert wird, ist es erwünscht, die Intensität des Magnetfelds des Mehrpolelektromagnets dergestalt zu variieren, dass das Intensitätsverhältnis betreffend das Magnetfeld des Mehrpolelektromagnets gegenüber den Magnetfeldern der Umlenkelektromagnete im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Drittens wird die Amplitude der Betatronschwingung des Strahls geladener Teilchen innerhalb der Resonanzstabilitätsgrenze des Strahls dadurch erhöht, dass das hochfrequente Elektromagnetfeld in einer Richtung rechtwinklig zur Strahlausbreitungsrichtung angelegt wird. In diesem Fall wird das Frequenzspektrum des hochfrequenten Elektromagnetfelds entsprechend einer Änderung der Strahlenergie eingestellt. Das hochfrequente Elektromagnetfeld wird unter Verwendung von z. B. einer Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung erzeugt.
Ferner können die Intensitäten der Aggregate im Ausschleusungsstrahl-Transportsystem, das den Strahl zur Kammer für medizinische Behandlung transportiert, entsprechend der Änderung der Strahlenergie variiert werden.
Als nächstes erfolgt eine Erläuterung zum Betrieb einer Ausführungsform der Erfindung für den Fall, dass das Verfahren (1) verwendet wird, und dann für den Fall, dass das Verfahren (2) verwendet wird.
Gemäß dem Verfahren (1) wird dem Strahl Energie unter Verwendung des hochfrequenten elektrischen Felds zugeführt, und gleichzeitig wird die Intensität der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete variiert. Der Krümmungsradius des Strahls ist durch die Strahlenergie und die Intensität der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete bestimmt. Daher ist es mög lich, den Krümmungsradius des Strahls entsprechend einer Änderung der Strahlenergie durch Variieren der Intensität der Magnetfelder der Umlenk-Elektromagnetfelder im Wesentlichen konstant zu halten. D. h., dass die ungefähre Intensität der Magnetfelder der Umlenkmagnete am Anfang und am Ende der Ausschleusung eines Strahls auf Grundlage der Strahlenergien am Start und am Ende der Ausschleusung bestimmt werden kann.
Wenn die Intensität der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete erhöht wird, nimmt der Krümmungsradius des Strahls ab, und es verkürzt sich die Länge des Umlaufpfads des Strahls im Beschleuniger. Im Ergebnis nimmt die Periode für einen Umlauf des Strahls ab, und die Phase des angelegten hochfrequenten elektrischen Felds, wenn der Strahl den Beschleunigungshohlraum durchläuft, verschiebt sich zu einer anderen Phase, so dass die Strahlenergie zunimmt. Auf diese Weise erhält der Strahl Energie aus dem hochfrequenten elektrischen Feld, so dass seine Strahlenergie zunimmt.
In diesem Stadium des Betriebs des Beschleunigers ist es möglich, den Tunewert des Strahls dadurch im Wesentlichen konstant zu machen, dass das Intensitätsverhältnis der Magnetfelder der Quadrupolelektromagnete gegenüber denjenigen der Umlenkmagnete so gesteuert wird, dass das Verhältnis im Wesentlichen konstant bleibt. Es ist auch möglich, die Resonanzstabilitätsgrenze dadurch im Wesentlichen konstant zu halten, dass eine solche Steuerung vorgenommen wird, dass das Intensitätsverhältnis der Magnetfelder der Mehrpolelektromagnete (zum Anregen der Strahlresonanz) gegenüber denjenigen der Umlenkelektromagnete bei einem Betriebszustand mit konstantem Tunewert im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Demgemäß ist es möglich, die Strahlenergie zu erhöhen, während die Resonanzstabilitätsgrenze der Betatronschwingung des Strahls im Wesentlichen konstant gehalten wird. Jedoch können dann, wenn die Änderung der Stabilitätsgrenze selbst dann klein ist, wenn die Intensitäten der Magnetfelder der Quadrupolmagnete und des Mehrpol-Elektromagnets konstant bleiben, die Intensitäten der Magnetfelder dieser Elektromagnete ungefähr konstant sein.
Ferner kann, wenn das geladene Teilchen ein Ion ist, die Strahlenergie dadurch erhöht werden, dass die Frequenz des an den Strahl angelegten hochfrequenten elektrischen Felds entsprechend der Energieänderung des Strahls variiert wird, und zwar selbst dann, wenn sich die Umlauffrequenz des Strahls entsprechend der Energieänderung desselben ändert.
Beim Verfahren (2) wird dem Strahl dadurch Energie zugeführt, dass die Frequenz des an ihn angelegten hochfrequenten elektrischen Felds geändert wird, während die Intensität der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete im Wesentlichen konstant gehalten wird. In diesem Fall wird ein Effekt genutzt, gemäß dem dann, wenn sich die Frequenz des hochfrequenten elektrischen Felds ändert, die Phase des hochfrequenten elektrischen Felds, bei der der Strahl Energie aufnimmt, ebenfalls ändert. So existiert eine Zunahme oder eine Abnahme der Strahlenergie. Jedoch ändert sich die Position des Strahls aufgrund der Änderung des Krümmungsradius desselben, da die Intensität der Umlenkelektromagnete konstant gehalten wird.
Das Verfahren (1) ist unabhängig von der Größe der Energieänderung des Strahls anwendbar und gegen das Verfahren (2) für einen Fall geeigneter, bei dem die Energieänderung klein ist. Der Grund hierfür besteht darin, dass, da die Intensität der Magnetfelder der Umlenkmagnete beim Verfahren (2) konstant gehalten wird, sich der Ort des zentralen Umlaufpfads des Strahls entsprechend der Strahlenergie desselben ändert, weswegen auf den Vakuumtrakt treffende Teilchen dann zunehmen, wenn die Energieänderung des Strahls groß ist.
Ferner ist es, wie gemäß der dritten Eigenschaft, möglich, Resonanz hinsichtlich der Betatronschwingung dadurch zu erzeugen, dass ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld in einer Richtung rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Strahls angelegt wird, wodurch dafür gesorgt wird, dass der Strahl die Stabilitätsgrenze überschreitet, und zwar durch Erhöhen der Amplitude der Betatronschwingung des Strahls (der innerhalb der Resonanzstabilitätsgrenze stabil umlief), während er seine Energie ändert, um den Strahl dadurch auszuschleusen.
Als nächstes erfolgt eine Erläuterung zu einem Verfahren, bei dem die Amplitude der Betatronschwingung von Teilchen innerhalb der Resonanzstabilitätsgrenze des Strahls unter Verwendung eines hochfrequenten Magnetfelds oder eines hochfrequenten elektrischen Felds in einer Richtung rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Strahls erhöht wird.
Die Ausbreitungsrichtung des Strahls im Beschleuniger wird als Richtung s bezeichnet, die horizontale Richtung als Richtung x und die vertikale Richtung als Richtung y. Wenn ein hochfrequentes Magnetfeld verwendet wird, wird das Feld in der vertikalen Richtung (Richtung y) angelegt, wenn sich eine Ebene (oder Fläche) zum Ausschleusen des Strahls (Ausschleusungsebene) in einer horizontalen Ebene befindet, wohingegen es in horizontaler Richtung (Richtung x) angelegt wird, wenn sich die Ausschleusungsebene in einer vertikalen Ebene befindet.
Obwohl die Gradientenänderung des Strahlumlaufpfads bei jedem Umlauf im Beschleuniger aufgrund des hochfrequenten Magnetfelds klein ist, wächst die Schwingungsamplitude des Strahls allmählich durch einen Aufsummiereffekt. Jedoch existiert keine spezielle Beschränkung hinsichtlich des Anbringungsorts der Einrichtung zum Anlegen des hochfrequenten Magnetfelds, d. h., sie kann an beliebigem Ort im Beschleuniger positioniert sein.
Wenn die Amplitude der Betatronschwingung unter Verwendung eines hochfrequenten Magnetfelds erhöht wird, ist es wünschenswert, dass die Frequenz des hochfrequenten Magnetfelds nahe bei einer Frequenzkomponente synchron mit der Betatronschwingung liegt. Die Frequenzkomponente synchron mit der Betatronschwingung ist als (m + ν)fr oder (m - ν)fr ausgedrückt, wobei m eine ganze Zahl ist, fr die Umlauffrequenz ist und ν der Dezimalteil des Tunewerts ist.
Da der Strahl eine vorgegebene Energieverteilung aufweist, werden Teilchen mit verschiedenen Energien mit verschiedenen Werten fr erzeugt. Es ist wünschenswert, die Amplitude der Betatronschwingung aller Teilchen mit verschiedenen Energien zu erhöhen. Daher kann das hochfrequente Magnetfeld mit mehreren Frequenzkomponenten versehen sein, oder mit einem kontinuierlichen Frequenzband, in dem Frequenzkomponenten synchron mit der Betatronschwingung im Frequenzbereich enthalten sein können. Die zeitvariable Änderung des hochfrequenten Magnetfelds kann regelmäßig oder unregelmäßig sein.
Es ist z. B. möglich, einen Elektromagnet, eine Elektrode vom Typ mit parallelen Leitungen, eine ebene Elektrode oder eine Elektrode vom Kreisbodentyp usw. als Einrichtung zum Anlegen des hochfrequenten Magnetfelds an den Strahl zu verwenden. Es ist möglich, die Amplitude der Betatronschwingung des Strahls innerhalb der Stabilitätsgrenze dadurch zu erhöhen, dass diese Einrichtungen mit einem Stromsignal betrieben werden, das eine Frequenzkomponente enthält, die nahe bei einer Frequenzkomponente synchron mit der Betatron schwingung liegt.
Wenn ein hochfrequentes elektrisches Feld angelegt wird, kann dieses Feld in der Richtung s (die die Ausbreitungsrichtung des Strahls ist) oder in der horizontalen Richtung (Richtung x) angelegt werden, wenn die Ausschleusungsebene des Strahls die horizontale Ebene ist, oder es kann in der vertikalen Richtung (Richtung y) angelegt werden, wenn die Ausschleusungsebene die vertikale Ebene ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Amplitude der Betatronschwingung des Strahls innerhalb der Stabilitätsgrenze zu erhöhen, wie im Fall der Verwendung eines hochfrequenten Magnetfelds.
Auf die obigen Arten ist es möglich, die Amplitude der Betatronschwingung des Strahls innerhalb der Stabilitätsgrenze unter Verwendung eines hochfrequenten elektrischen Felds oder eines hochfrequenten Magnetfelds synchron mit der Betatronschwingung zu erhöhen. Da sich jedoch die Geschwindigkeit des Strahls durch Ändern der Strahlenergie beim Ausschleusungsvorgang gemäß den Verfahren (1) und (2) ändert, ändert sich auch die Frequenz synchron mit der Betatronschwingung.
Demgemäß ist es wünschenswert, die Frequenz des hochfrequenten elektromagnetischen Felds entsprechend der Änderung der Strahlenergie zu ändern. Wenn das hochfrequente elektromagnetische Feld mit mehreren Frequenzkomponenten versehen ist, ist es bevorzugt, die jeweiligen zu ändern. Wenn es über kontinuierliche Frequenzbreite verfügt, ist es bevorzugt, alle Frequenzen zu ändern, während die Frequenzbreite unverändert bleibt. Jedoch ist es nicht erforderlich, die Frequenz bei Verwendung eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds zu ändern, das eine weite Frequenzbreite aufweist, das die gesamte Änderung der Frequenz synchron mit der Betatronschwingung umfasst.
Wie oben angegeben, ist es möglich, einen Strahl kleinen Durchmessers auszuschleusen, während die Energie geändert wird, da der Strahl ausgeschleust werden kann, während die Stabilitätsgrenze konstant gehalten wird, und zwar selbst dann, wenn die Strahlenergie über die Zeit kontinuierlich geändert wird.
Ferner ist es möglich, eine medizinische Strahlungsbehandlung mit einem Strahl zeitlich kontinuierlich auszuführen, und zwar selbst dann, wenn die betroffenen Teile verschiedene Tiefen oder Größen aufweisen, was durch Ändern der Intensitäten von Aggregaten des Ausschleusungsstrahls-Transportsystems einschließlich der Ausschleusungseinrichtung erfolgt, ohne dass die herkömmliche verwendete Bereichssteuerungseinrichtung verwendet wird. Demgemäß ist es möglich, die Wartezeit beträchtlich zu verkürzen, die vergeht, bevor ein Patient eine medizinische Strahlungsbehandlung erfährt.
Nun werden Ausführungsformen der Erfindung durch nicht beschränkende Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen medizinischen Geräts zeigt;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines bekannten medizinischen Geräts;
Fig. 3 ist ein Kurvenbild zum Bestrahlungspegel/Eindringtiefe für einen Ionenstrahl, das die Braggspitze zeigt;
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Bereichssteuerungseinrichtung zeigt;
Fig. 5a-5f bilden eine Anzahl von Kurvenbildern, die ein Betriebsverfahren des Geräts von Fig. 1 veranschaulichen;
Fig. 6 ist ein Kurvenbild, das den Phasenraum eines Strahls vor der Emission für das Gerät von Fig. 1 zeigt;
Fig. 7 ist ein Flussdiagramm, das ein Betriebsverfahren zum Ausschleusen eines Strahls aus dem Gerät von Fig. 1 zeigt;
Fig. 8 ist ein Kurvenbild, das den Phasenraum eines Strahls bei der Emission für das Gerät von Fig. 1 zeigt;
Fig. 9a ist eine erläuternde Ansicht einer Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung zur Verwendung beim Gerät von Fig. 1;
Fig. 9b ist eine Draufsicht des Geräts von Fig. 9a;
Fig. 10 ist eine schematische Ansicht, die ein zweites Beispiel eines erfindungsgemäßen medizinischen Geräts zeigt;
Fig. 11 ist ein Kurvenbild für den Bereich um einen Magnetpol eines Ablenkelektromagnets beim Gerät gemäß Fig. 10 herum;
Fig. 12 ist ein Flussdiagramm, das ein Betriebsverfahren zum Ausschleusen eines Strahls aus dem Gerät von Fig. 10 veranschaulicht;
Fig. 13 ist ein detailliertes Flussdiagramm für eine Steuerungseinrichtung für die Geräte von Fig. 1 und Fig. 10.
Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel, bei dem die Erfindung bei einem medizinischen Gerät angewandt ist. Bei diesem Beispiel werden Protonen mit einer Energie von ungefähr 20 MeV durch einen Beschleuniger auf eine Energie zwischen 50 und 300 MeV beschleunigt, und der Protonenstrahl wird für eine Bestrahlungsbehandlung verwendet.
Dieses medizinische Gerät enthält einen Vorbeschleuniger 16, der einen Protonenstrahl erzeugt, vorbeschleunigt und emittiert. Ein Injektionsstrahl-Transportsystem 17 transportiert dann den aus dem Vorbeschleuniger 16 ausgeschleusten Strahl in einen Beschleuniger 111 und speist ihn in diesen ein.
Der Beschleuniger beschleunigt den Strahl in einem Umlaufraum, der allgemein als 115 dargestellt ist, und er beschleunigt und emittiert ihn. Ein Ausschleusungsstrahl- Transportsystem 102 transportiert den aus dem Beschleuniger 111 ausgeschleusten Strahl zu einer Kammer 103 für medizinische Behandlung, die dazu dient, unter Verwendung des Strahls eine medizinische Bestrahlungsbehandlung auszuführen. Es existiert auch eine Steuerungseinrichtung 110 zum Steuern verschiedener Aufbauaggregate.
Der Beschleuniger 111 enthält einen Injektor 15 zum Einspeisen des Strahls, einen Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 8 zum Zuführen von Energie zum Strahl, Umlenkelektromagnete 2 zum Umlenken der Umlaufbahn des Strahls, Quadrupolelektromagnete 5 zum Konvergieren und Korrigieren des Strahlumlaufpfads, Quadrupolelektromagnete 6 zum Divergieren des Strahls, einen Hexapolelektromagnet 9 zum Erregen von Resonanz im Strahl, eine Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung 14 wie eine Elektrode zum Steigern der Amplitude der Betatronschwingung des Strahls innerhalb der Resonanzstabilitätsgrenze, und eine Ausschleusungseinrichtung 4 zum Ausschleusen des Strahls. Als Elektromagnet zum Erregen von Resonanz kann ein anderer Mehrpolelektromagnet als ein Hexapolelektromagnet, wie ein Oktapolelektromagnet, verwendet werden.
Die Einspeisestrahl-Transporteinrichtung 17 ist mit einem Umlenkelektromagnet 18 versehen. Das Ausschleusungsstrahl- Transportsystem 102 ist mit Quadrupolelektromagneten 104 und einem Umlenkelektromagnet 105 versehen.
Von diesen Aggregaten werden der Hexapolelektromagnet 9, die Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung 14, die Ausschleusungseinrichtung 4, die Quadrupolelektromagnete 104 und der Umlenkelektromagnet 105 nur beim Vorgang der Strahlausschleusung verwendet.
Im Betrieb bestimmt die Bedienperson innerhalb der Kammer 103 für medizinische Behandlung eine Strahlenergie Es, die der Strahl zu Beginn der Ausschleusung aufweisen soll, sowie eine Strahlenergie Ee, die am Ende der Ausschleusung erforderlich ist. Es und Ee können im Bereich von 50 bis 300 MeV liegen, und sie können auf Information zum betroffenen Teil (Tiefe oder Größe des betroffenen Teils) eines Patienten und dergleichen beruhen. Die Bedienperson überträgt diesen Erfordernissen entsprechende Signale an die Steuerungseinrichtung 110. Die Steuerungseinrichtung 110 steuert eine Spannungsquelle 112 für Aggregate des Ausschleusungsstrahl- Transportsystems sowie eine Spannungsquelle 113 für Aggregate des Beschleunigers (2, 4, 5, 6, 8, 9, 14), wie dargestellt).
Wie es durch Fig. 13 dargestellt ist, umfasst die Steuerungseinrichtung 110 eine Recheneinheit 200, in die Information von der Kammer für medizinische Behandlung eingegeben wird (wie die Ausschleusungs-Startenergie Es und die Ausschleusungs-Endenergie Ee) und die dazu verwendet wird, Änderungsmuster von Intensitäten der Aggregate zu berechnen, sowie eine Musterdaten-Übertragungseinheit 201 zum Übertragen von Steuerungssignalen zu den Intensitäten der Aggregate an die Spannungsquellen 112 und 113 auf Grundlage des Rechenergebnisses.
Der Inhalt der Musterberechnung in der Recheneinheit 200 ist in 200a, 200b und 200c eingeteilt.
In 200a berechnet der Vorgang als erstes Moment Pi und Ps des Strahls entsprechend einer Energie Ey des Einspeisestrahls sowie einer Ausschleusungs-Startenergie Es, wobei der Vorgang darauf beruhend Änderungsmuster der Intensitäten von Aggregaten berechnet, wie sie bei der Beschleunigung ausgehend von der Einspeisung des Strahls bis zur Energie Ee verwendet werden. Auf diese Weise können, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, die Intensitäten der Aggregate dadurch linear geändert werden, dass das Momentum linear erhöht wird, weswegen die Mustereinstellung und die Steuerung der Intensitäten der Aggregate vereinfacht sind.
Der Umlaufpfad des Strahls 1 (schematisch durch eine gestrichelte Linie in Fig. 1 dargestellt), der vom Injektor 15 eingespeist wurde, wird durch die Umlenkmagnete 2 beim Umlaufvorgang umgebogen, und er wird dadurch korrigiert, dass der Gradient des Umlaufpfads durch die Quadrupolelektromagnete mittels einer Kraft geändert wird, die proportional zur Abweichung vom gewünschten Umlaufpfad ist (normalerweise ein Umlaufpfad, gemäß dem die Zentren der Vakuumtrakte 10 verbunden sind).
Die Quadrupolelektromagnete 5 werden dazu verwendet, den Gradienten des Umlaufpfads in einer Richtung zum Konvergieren des Strahls in horizontaler Richtung zu ändern, wohingegen die Quadrupolelektromagnete 6 dazu verwendet werden, den Gradienten des Umlaufpfads in einer Richtung zum Divergieren des Strahls in horizontaler Richtung zu ändern. Hinsichtlich der vertikalen Richtung werden die Quadrupolelektromagnete 5 zum Divergieren des Strahls verwendet, wohingegen die Quadrupolelektromagnete 6 zum Konvergieren des Strahls verwendet werden. Der Strahl läuft um, während er eine Betatronschwingung um den spezifizierten Umlaufpfad 1 ausführt, und die Frequenz der Betatronschwingung kann durch die Erregungsausmaße der Quadrupolelektromagnete 5 und 6 gesteuert werden.
Um den Strahl stabil im Beschleuniger 101 umlaufen zu lassen, ist es bei den Vorgängen des Einspeisens und Beschleunigens wünschenswert, die Betatronfrequenz (den Tunewert) pro Umlauf im Beschleuniger mit einem Wert zu versehen, der keine Resonanz verursacht. Bei diesem Beispiel werden die Quadrupolelektromagnete 5 und 6 dergestalt gesteuert, dass der Tunewert νx in horizontaler Richtung 2,25 beträgt und der Tunewert νy in vertikaler Richtung 1,25 beträgt. In diesem Fall werden die Intensitäten der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete 2 und der Quadrupolelektromagnete 5 und 6 auf Grundlage des Momentums Pi beim Einspeisen des Strahls berechnet. In diesem Zustand läuft der Strahl stabil im Beschleuniger, und er wird mit Energie aus dem Hochfrequenz- Beschleunigungshohlraum 8 versorgt.
Die Frequenz f eines an den Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 8 angelegten hochfrequenten Signals ist eine gegebene Frequenz fri zum Zirkulieren des Strahls, und Energie wird dem Strahl vom Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 8 zugeführt, und es werden, während jeweilige Intensitätsverhältnisse der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete 2 gegenüber dem Quadrupolelektromagnet 5 sowie der Umlenkelektromagnete 2 gegenüber dem Quadrupolelektromagnet 6 konstant gehalten werden, die Intensitäten der Magnetfelder erhöht.
Die Umlauffrequenz fri wird durch die Umfangslänge des Beschleunigers 111 und das Strahlmoment berechnet. Dabei nimmt der Krümmungsradius des Umlaufpfads des Strahls in gekrümmten Teilen der Umlenkelektromagnete 2 ab, und es verkürzt sich der Umlaufpfad eines Umlaufs. Im Ergebnis wird der Strahl mit hochfrequenter Energie vom Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 8 versorgt, und die Strahlenergie nimmt zu. Ferner stehen eine Zunahme der Zentrifugalkraft durch die Zunahme der Strahlenergie sowie eine Zunahme der Zentripedalkraft durch die Zunahme des Erregungsausmaßes der Umlenkelektromagnete 2 im Gleichgewicht, und der Strahl läuft so um, dass er zentrisch auf demselben Umlaufpfad liegt.
Wenn die Strahlenergie zunimmt, nimmt die Frequenz zu, mit der der Strahl im Beschleuniger umläuft. Daher wird die Frequenz des an den Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 8 angelegten hochfrequenten Signals erhöht, um an die Umlauffrequenz des Strahls angepasst zu sein. Bei diesem Vorgang werden die erforderlichen Intensitäten der Magnetfelder der Umlenkmagnete 2 und der Quadrupolelektromagnete 5 und 6 sowie die Spannung und die Frequenz für den Hochfrequenzbetrieb des Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraums 8 im Schritt 200a von Fig. 3 berechnet.
Bei diesem Beschleunigungsvorgang wird der Tunewert konstant gehalten, da die jeweiligen Intensitätsverhältnisse der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete 2 gegenüber den Quadrupolelektromagneten 5 sowie der Umlenkelektromagnete 2 gegenüber den Quadrupolelektromagneten konstant gehalten werden.
Fig. 6 zeigt die Orte der geladenen Teilchen im Phasenraum (x, dx/ds) an der Einspeiseposition s = s0 in der Richtung s (Richtung des spezifizierten Umlaufpfads) beim Beschleunigungsvorgang. Hinsichtlich der Orte im betrachteten Phasenraum existiert eine Anzahl ähnlicher Ellipsen 120 mit verschiedenen Durchmessern. Die Größe des Durchmessers einer Ellipse entspricht der Stärke der Amplitude der Betatronschwingung des Strahls, und je kleiner der Ellipsendurchmesser ist, umso kleiner ist die Amplitude der Betatronschwin gung.
Nach dem Berechnen von Intensitätsmustern der bei der Beschleunigung bis zur Energie Es verwendeten Aggregate im Schritt 200a von Fig. 13 berechnet der Vorgang im Schritt 200b die Intensitätsmuster von Aggregaten im Beschleuniger 111, wenn der Strahl ausgeschleust wird, während die Strahlenergie geändert wird. Im Schritt 200c berechnet der Vorgang die Änderungsmuster von Intensitäten der Ausschleusungseinrichtung 4 und der Aggregate des Ausschleusungsstrahl-Transportsystems 102, wie zum Transportieren des Strahls verwendet, der zur Kammer 103 für medizinische Behandlung ausgeschleust wurde. Die Änderungsmusterdaten für die Intensitäten der Aggregate, wie sie in der Recheneinheit 200 von Fig. 13 berechnet wurden, werden von einer Übertragungseinheit 201 an die Spannungsquellen 112 und 113 übertragen, und die Steuerung der jeweiligen Spannungsquellen beruht auf diesen Musterdaten.
Als nächstes erfolgt unter Verwendung des in Fig. 7 dargestellten Flussdiagramms eine Erläuterung zu einem Betriebsverfahren beim Ausschleusungsvorgang. Das Betriebsverfahren wird gemäß den folgenden Schritten (1) bis (8) ausgeführt.
(1) die Steuerungseinrichtung steuert die Spannungsquelle für die Quadrupolelektromagnete 5 zum Konvergieren sowie die Quadrupolelektromagnete 6 zum Divergieren, und sie stellt den Tunewert in horizontaler Richtung als νx = 2,30 ein.
Das Intensitätsverhältnis der Magnetfelder der Quadrupolelektromagnete 5 zum Konvergieren gegenüber den Umlenkelektromagneten 2 zu diesem Zeitpunkt ist als R1 definiert, wohingegen das Verhältnis der Intensitäten der Magnetfelder der Quadrupolelektromagnete 6 zum Divergieren gegenüber den Umlenkelektromagneten 2 als R2 definiert ist.
(2) Die Steuerungseinrichtung startet einen Erregungsstrom zum Erregen von Resonanz in die Hexapolelektromagnete 9.
Der in den Hexapolelektromagneten 9 fließende Strom hat eine solche Stärke, dass Teilchen mit großer Amplitude der Betatronschwingung im umlaufenden Strahl innerhalb der Resonanzstabilitätsgrenze bleiben. Dieser Wert wird durch eine vorige Rechnung oder durch wiederholte Ausschleusungsvorgänge geliefert.
Das Verhältnis der Intensitäten der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete 2 gegenüber dem Hexapolelektromagnet 9 ist als R3 definiert. Dabei haben, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, die Orte der geladenen Teilchen im Phasenraum an der Position des Injektors 4 dreieckige Form.
(3) Durch die Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung 14 wird ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld mit breitem Frequenzband unregelmäßig, zeitvariabel an den Strahl angelegt.
Fig. 9 zeigt den Aufbau der Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung 14. Die Elektroden 25 und 26 bei dieser Ansicht sind stabförmige Elektroden in einem Vakuumtrakt 22, und sie stehen einander in horizontaler Richtung (Richtung x im Diagramm) gegenüber, wobei an jede ein zeitvariables Signal angelegt wird. Durch Hindurchleiten entgegengesetzter Ströme (60, 61) von einer breitbandigen Hochfrequenz-Spannungsquelle 24 durch die stabähnlichen Elektroden werden ein elektrisches Feld 65 in der Richtung x sowie ein Magnetfeld 66 in der Richtung -y an den Strahl angelegt, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Lastwiderstände 23 sind so angebracht, dass die zugeführten Ströme von den Endteilen der Elektroden nicht zur Seite der hochfrequenten Spannungsquelle 24 reflektiert werden.
Der von der hochfrequenten Spannungsquelle 24 zugeführte hochfrequente Strom ist ein unregelmäßiges Signal, und er wird mit einem Frequenzspektrum geliefert, das ein Frequenzband von ungefähr 0,25 frs bis 0,35 frs umfasst, wobei frs die Umlauffrequenz ist, wenn die Energie des Strahls den Wert Es hat. D. h., dass das Signal mit einem Frequenzspektrum mit einer Mittenfrequenz von 0,30 frs und einer Frequenzbreite Δf von 0,1 frs geliefert wird.
Der Grund zum Liefern einer derartigen Frequenzkomponente besteht darin, dass der Tunewert des Strahls abhängig von der Amplitude der Betatronschwingung variiert. D. h., dass der Tunewert eines Strahls mit extrem kleiner Amplitude der Betatronschwingung 2,30 beträgt, wobei dieser durch die Quadrupolelektromagnete eingestellt wird. Jedoch weicht der Tunewert eines Strahls mit großer Amplitude der Betatronschwingung, der sich nahe an der Stabilitätsgrenze befindet, durch den Einfluss des Hexapolelektromagnets 9 zum Erzeugen von Resonanz um ungefähr 2,3333 - 2,30 = 0,0333 von diesem Wert ab.
Demgemäß, da nämlich der Tunewert des Strahls, dessen Schwingungsamplitude im obigen Bereich kontinuierlich zwischen 2,3333 und 2,30 verteilt ist, ist es erwünscht, Frequenzkomponenten zu liefern, die die Tunewertverteilung des Strahls umfassen, um die Amplitude der Betatronschwingung aller Strahlen innerhalb der Stabilitätsgrenze zu erhöhen.
Auf diese Weise variiert, durch Anlegen der hochfrequenten elektromagnetischen Felder von der Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung 14 an den Strahl, der Gradient des Umlaufpfad des Strahls, durch die Funktion des elektrischen Felds und des Magnetfelds, die Amplitude der Betatronschwingung des Strahls im in Fig. 8 dargestellten Phasenraum nimmt zu, und die Amplitude der Betatronschwingung von die Stabilitätsgrenze überschreitenden Teilchen (mit Linien 70 gekennzeichnet) nimmt durch Resonanz schnell zu. Im Phasenraum von Fig. 8 dargestellte Zahlen kennzeichnen Nummern von Umlaufbahnen, und die Teilchen treten durch den Umlauf zwischen die Elektroden 4a und 4b der Ausschleusungseinrichtung ein und werden von dieser Ausschleusungseinrichtung 4 ausgeschleust.
(4) Die Steuerungseinrichtung ändert die Intensitäten der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete 2 von Bs auf Be.
(5) Gleichzeitig mit (4) ändert die Steuerungseinrichtung die Frequenz des hochfrequenten elektromagnetischen Felds, das vom Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 8 an den Strahl angelegt wird, von frs auf fre.
(6) Gleichzeitig mit (4) ändert die Steuerungseinrichtung die Intensitäten der Magnetfelder der Quadrupolelektromagnete 5 und 6 und des Hexapolelektromagnets 9 in solcher Weise, dass die Intensitätsverhältnisse R1, R2 und R3 der Magnetfelder konstant bleiben.
Bei diesem Ablauf ändert sich die Umlauffrequenz von frs auf fre, da sich die Energie des umlaufenden Strahls von Es auf Ee ändert. Die Fig. 5a-5f zeigen zeitliche Änderungen der Energie (Fig. 5a), des Moments (Fig. 5a) und der Umlauffrequenz des Strahls (Fig. 5f) sowie Intensitäten der jeweiligen Magnetfelder (Fig. 5b-5e) bei den Ausschleusungsabläufen gemäß (4) bis (6).
(7) Gleichzeitig mit (4) ändert die Steuerungseinrichtung die Mittenfrequenz des hochfrequenten elektromagnetischen Felds, wie es von der Hochfrequenz-Anlegevorrichtung 14 an den Strahl angelegt wird, von 0,3 frs auf 0,3 fre, während die Frequenzbreite auf Δf = 0,1 frs gehalten wird.
Während der Änderung der Umlauffrequenz des Strahls von frs auf fre ändert sich auch die mit der Betatronschwingung synchrone Frequenz. Daher ist es möglich, die Amplitude der Betatronschwingung der jeweiligen Teilchen dadurch zu erhöhen, dass die Energie des Strahls durch den Vorgang (7) geändert wird. Demgemäß überschreiten Teilchen mit kleiner Anfangsamplitude der Betatronschwingung schließlich die Stabilitätsgrenze (in Fig. 8 dargestellt), und sie werden von der Ausschleusungseinrichtung 4 ausgeschleust. Im Phasenraum von Fig. 8 bleibt die Stabilitätsgrenze konstant, und der Gradient dx/ds des Umlaufpfads am Einlass der Ausschleusungseinrichtung 4 bleibt während des Ausschleusungsvorgangs konstant.
Die Steuerung gemäß den obigen Schritten (4) bis (7) wird vorab in der Recheneinheit 200b der Steuerungseinrichtung 110 in solcher Weise berechnet, dass das Moment des Strahls eine gewünschte Änderung erfährt, und sie wird dadurch ausgeführt, dass die Mustersignale von der Übertragungseinheit 201 an die Spannungsquelle 113 für die Aggregate des Beschleunigers übertragen werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Strahl auszuschleusen, während seine Energie geändert wird.
(8) Gleichzeitig mit (4) ändert die Steuerungseinrichtung die Intensitäten der Ausschleusungseinrichtung 4 und der Aufbauaggregate des Ausschleusungsstrahl-Transportsystems 102 entsprechend der Änderung der Strahlenergie.
D. h., dass der Ablauf die Intensitäten dergestalt ändert, dass Verhältnisse hinsichtlich der Intensität der Ausschleusungseinrichtung 4, der Intensitäten der Magnetfelder des Umlenkmagnets 105 und der Quadrupolelektromagnete 104 des Ausschleusungsstrahl-Transportsystems 102 sowie die Intensität der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete 2 des Beschleunigers 111 konstant gehalten werden.
Die Steuerungseinrichtung berechnet vorab die Änderung der Intensitäten des Injektors 4 und der Aufbauaggregate des Ausschleusungsstrahl-Transportsystems 102 unter Verwendung der Recheneinheit 200c der Steuerungseinrichtung 110, sie überträgt die Mustersignale von der Übertragungseinheit 201 an eine Spannungsquelle für die Ausschleusungseinrichtung 4 innerhalb der Spannungsquellen 113 und 112, und sie steuert sie synchron mit den anderen Aggregaten des Beschleunigers.
Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, wird der Gradient des Umlaufpfads im Eintrittsteil der Ausschleusungseinrichtung 4 konstant, da der Strahl ausgeschleust wird, während die Stabilitätsgrenze aufrechterhalten bleibt, obwohl sich die Strahlenergie ändert. Ferner kann ein Strahl kleinen Durchmessers kontinuierlich dadurch zur Kammer 103 für medizinische Behandlung ausgeschleust werden, dass die Verhältnisse der Intensitäten hinsichtlich der Ausschleusungseinrichtung 4, der Aufbauaggregate des Ausschleusungsstrahl-Transportsystems 102 und der Umlenkelektromagnete 102 konstant gehalten werden.
Als nächstes erfolgt eine Erläuterung zu einem zweiten Beispiel der Erfindung, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, bei dem die Erfindung auf ein medizinisches Gerät angewandt ist. Dieses Beispiel unterscheidet sich vom in Fig. 1 dargestellten ersten Beispiel, und es ist ein Umlenkelektromagnet 11 mit der Funktion des Konvergier-Quadrupolelektromagnets versehen, ein Umlenkelektromagnet 12 ist mit der Funktion des Divergier-Quadrupolelektromagnets versehen, und es ist eine Anzahl von beim ersten Beispiel verwendeten Quadrupolelektromagnet weggelassen. Es ist nur ein Quadrupolelektromagnet 13 zum Einstellen des Tunewerts verwendet, wobei die anderen Aufbauaggregate dieselben wie beim ersten Beispiel sind (und es sind dieselben Bezugszahlen verwendet), und es wird eine zugehörige Erläuterung weggelassen.
Der Umlenkelektromagnet 11 ist mit der Funktion des Umlenkens des Umlaufpfads des Strahls zusammen mit dem Konvergieren des Strahls in horizontaler Richtung versehen, während der Umlenkelektromagnet 12 mit der Funktion des Umlenkens des Umlaufpfads des Strahls zusammen mit dem Divergieren des Strahls in horizontaler Richtung versehen ist.
Als nächstes erfolgt eine Erläuterung zu den Quadrupol-Elektromagnetfeldern, wie sie von den Umlenkelektromagneten 11 und 12 erzeugt werden. Fig. 11 zeigt ein detailliertes Diagramm um einen Magnetpol des Umlenkelektromagnets 12 herum. Die Zahl 100 bezeichnet eine einem Spalt 200 zugewandte Magnetpolfläche, wobei das Zentrum des Krümmungsradius des Elektromagnets auf der Seite der negativen Richtung der x- Achse liegt und das Spaltintervall 202 in Durchmesserrichtung zur Außenseite (Seite der positiven Richtung der x- Achse) hin vergrößert ist.
Durch diesen Aufbau der Magnetelektrode nimmt die Intensität des Magnetfelds B in vertikaler Richtung (Richtung y) in Durchmesserrichtung zur Außenseite hin ab, während die Intensität des Magnetfelds in horizontaler Richtung, oder der Richtung x, zu einer Richtung hin zunimmt, die von der Ebene y-0 weggeht, weswegen eine Quadrupolmagnetfeld-Komponente erzeugt wird.
Wenn das Spaltintervall 202 so eingestellt wird, dass die Intensität des Magnetfelds By in vertikaler Richtung der Beziehung der folgenden Gleichung genügt, ändert sich der Gradient des Umlaufpfads des Strahls durch eine Kraft propor tional zu (1-n) in horizontaler Richtung, und auf n in vertikaler Richtung:
By = B&sub0;(r/ρ)-n (Gleichung 1)
wobei B&sub0; eine Konstante ist, ρ der Krümmungsradius des spezifizierten Umlaufpfads ist, r der Abstand vom Zentrum des Krümmungsradius ist und n eine reelle Zahl ist. Der Tunewert des Strahls kann dadurch auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, dass die Größe und das Vorzeichen von n in der Gleichung 1 ausgewählt werden.
Der Umlenkelektromagnet 11 ist mit der Funktion des Umlenkens des Strahls als auch der Funktion des Konvergierens des Strahls in horizontaler Richtung dadurch, dass n negativ gemacht wird, versehen, wohingegen der Umlenkelektromagnet 12 mit der Funktion des Umlenkens des Strahls als auch mit der Funktion des Divergierens des Strahls in horizontaler Richtung, dadurch dass n zu größer als 1 gemacht wird, versehen. Durch geeignetes Auswählen des Werts von n für die Umlenkelektromagnete 11 und 12 wird der Tunewert in horizontaler Richtung zu 2,25 gemacht, während der Tunewert in vertikaler Richtung zu 1,25 gemacht wird.
Wie beim ersten Beispiel wird der in den Beschleuniger 111 eingespeiste Strahl als erstes bis zur Energie Es beschleunigt, so dass der Energiebereich des Ausschleusungsstrahls entsprechend der Information von der Kammer 103 für medizinische Behandlung von Es auf Ee gebracht ist. Jedoch wird eine Beschleunigung bis zur Energie Es dadurch ausgeführt, dass die Intensitäten der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete 11 und 12 erhöht werden und die Frequenz des vom Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 8 an den Strahl angelegten hochfrequenten elektromagnetischen Felds geändert wird.
Bei diesem Vorgang werden die Intensitäten der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete 11 und 12 zusammen mit der Frequenz des hochfrequenten elektromagnetischen Felds vom Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 8 vorab in der Recheneinheit 200a der Steuerungseinrichtung 110 berechnet, und sie werden dadurch eingestellt, dass Musterdaten von der Übertragungseinheit 201 an die Spannungsquelle 113 übertragen werden.
Ferner wird bei der Beschleunigung auf die Energie Es der Quadrupolelektromagnet 13 nicht verwendet. Auf diese Weise kann die Energie wie beim ersten Ausführungsbeispiel dadurch bis auf Es erhöht werden, dass die Intensitäten der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete 11 und 12 erhöht werden, und die Frequenz des vom Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 8 an den Strahl angelegten hochfrequenten elektromagnetischen Felds erhöht wird.
Als nächstes erfolgt eine Erläuterung zu einem Betriebsverfahren entsprechend einem Ausschleusungsvorgang für das zweite Beispiel, wie in Fig. 12 dargestellt.
Das Betriebsverfahren umfasst die Schritt (1) bis (6).
(1) Der Vorgang stellt den Tunewert in horizontaler Richtung mittels des Quadrupolelektromagnets 13 auf 2,30 ein, bevor mit dem Ausschleusen begonnen wird. Das Verhältnis aus der Intensität des Magnetfelds des Quadrupolelektromagnets 13 gegenüber dem Strahlmoment ist als Rqp definiert. Beim ersten Beispiel wurde das Intensitätsverhältnis der Magnetfelder der Quadrupolelektromagnete gegenüber den Umlenkelektromagneten betrachtet. Demgegenüber wird bei diesem Beispiel das Verhältnis aus dem Strahlmoment gegenüber der Intensität des Magnetfelds des Quadrupolelektromagnets betrachtet, da bei diesem Beispiel dafür gesorgt ist, dass sich das Strahlmoment ändert, während die Intensität der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete konstant gehalten wird.
(2) Es wird der Strom zum Erregen von Resonanz im Hexapolelektromagnet 9 gestartet.
Der Ablauf sorgt dafür, dass der Strom im Hexapolelektromagnet 9 mit solcher Stärke fließt, dass Teilchen mit großen Amplituden der Betatronschwingung im umlaufenden Strahl innerhalb der Stabilitätsgrenze bleiben, die durch eine vorige Berechnung oder durch wiederholte Ausschleusungsvorgänge erhalten wurde. Das Verhältnis aus der Intensität des Magnetfelds des Hexapolelektromagnets 9 gegenüber dem Strahlmoment ist als Rsp definiert.
(3) Der Vorgang legt ein breitbandiges, hochfrequentes elektromagnetisches Feld, das zeitlich unregelmäßig variiert, von der Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung 14 an den Strahl an.
Die von der Spannungsquelle 24 an die Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung 14 gelieferte Hochfrequenz wird als unregelmäßiges Signal geliefert, und es wird ein Frequenzspektrum geliefert, das einen Bereich variabler Frequenz der Betatronschwingung umfasst, d. h. ein Band von ungefähr 0,25 frs bis 0,35 fre, um auf einfache Weise eine Zunahme der Amplitude der Betatronschwingung beim Ablauf des Änderns der Strahlenergie von Es auf Ee zu erzielen. In diesem Stadium sind frs und fre Umlauffrequenzen, wenn die Strahlenergien Es und Ee sind.
Durch Liefern dieser Frequenzkomponenten sind alle Frequenzkomponenten der Betatronschwingung im Energiebereich vom Beginn bis zum Ende des Ausschleusungsvorgangs enthalten, und daher ist es nicht erforderlich, das Frequenzspektrum zu ändern, wie es beim ersten Beispiel angegeben ist. Durch Anlegen des hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl von der Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung 14 nimmt die Amplitude der Betatronschwingung des Strahls durch Ändern des Gradienten des Umlaufpfads des Strahls durch die Funktion des elektrischen Felds und des Magnetfelds zu, und die Amplitude der Betatronschwingung von Teilchen über der Stabilitätsgrenze, wie in Fig. 8 dargestellt, nimmt durch die Resonanz schnell zu, und die Teilchen werden von der Ausschleusungseinrichtung 4 ausgeschleust.
(4) Der Ablauf ändert die Frequenz des vom Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 8 an den Strahl angelegten hochfrequenten elektromagnetischen Felds von frs auf fre, während die Intensitäten der Magnetfelder der Umlenkelektromagnete 11 und 12 konstant gehalten werden.
In diesem Stadium bezeichnen frs und fre die Umlauffrequenzen des Strahls, wenn die Energien Es und Ee sind.
(5) Gleichzeitig mit (4) ändert der Ablauf die Intensitäten der Magnetfelder der Quadrupolelektromagnete 13 und des Hexapolelektromagnets 9 in solcher Weise, dass Rqp und Rsp konstant bleiben.
Die Änderung der Intensitäten der Magnetfelder in (4) und (5) wird dadurch gesteuert, dass als Mustersignale diejenigen Änderungsmuster der Intensitäten der Aggregate, die in der Recheneinheit 200b der Steuerungseinrichtung 110 erhalten wurden, von der Übertragungseinheit 201 an die Spannungsquelle 113 für die Aggregate des Beschleunigers übertragen werden.
(6) Gleichzeitig mit (4) ändert der Vorgang die Intensitäten jeweiliger Aggregate in solcher Weise, dass die Verhältnisse des Strahlmoments gegenüber den Intensitäten der Aggregate der Ausschleusungseinrichtung 4 und der Aufbauaggregate des Ausschleusungsstrahl-Transportsystems 102 konstant bleiben.
D. h., dass der Vorgang die Intensitäten des Injektors 4 und des Umlenkelektromagnets 105 sowie der Quadrupolelektromagnete 104 des Ausschleusungsstrahl-Transportsystems 102 in solcher Weise ändert, dass die Verhältnisse aus dem Strahlmoment und den Intensitäten der jeweiligen Aggregate konstant bleiben. Auf diese Weise bleibt der Gradient des Umlaufpfads am Eintrittsteil der Ausschleusungseinrichtung 4 konstant, obwohl sich die Strahlenergie ändert, und daher kann kontinuierlich ein Strahl kleinen Durchmessers zur Kammer 103 für medizinische Behandlung ausgeschleust werden.
Die Änderung der Intensitäten der Aggregate gemäß (6) wird dadurch gesteuert, dass als Mustersignale diejenigen Änderungsmuster der Intensitäten der Aggregate, die in der Recheneinheit 200c der Steuerungseinrichtung 110 berechnet wurden, von der Übertragungseinheit 201 an die Spannungsquelle 113 für die Aggregate des Beschleunigers übertragen werden.
Ferner erfolgte bei den obigen Beispielen eine Erläuterung zu einem Beispiel, bei dem der Strahl ausgeschleust wird, während die Protonenstrahlenergie in einem Bereich von 50 bis 300 MeV geändert wird. Jedoch ist es möglich, den Strahl auszuschleusen, während die Strahlenergie in einem Energiebereich von ungefähr 50 bis 800 MeV (oder in einem beliebigen anderen geeigneten Bereich) auf ähnliche Weise variiert wird, selbst wenn schwere Ionen wie C oder Ar verwendet werden.
Während die Erfindung durch Ausführungsbeispiele veranschaulicht wurde, ist sie nicht auf dieselben beschränkt. Modifizierungen und Variationen sind innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche möglich.

Claims

1. Vorrichtung zur Beschleunigung eines geladenen Teilchenstrahls mit:

einer Umlaufkammer (115) zur Zirkulation eines geladenen Teilchenstrahls,

einem Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum (8) zum Ändern der Energie eines in der Umlaufkammer zirkulierenden Zirkulationsstrahls,

eine Ausschleusungseinrichtung (4) zum Ausschleusen von Ausgangsstrahlen aus der Vorrichtung,

gekennzeichnet durch

eine Steuereinrichtung (110), die angeordnet ist, betriebsbereit zum Ändern der Energie des Zirkulationsstrahls mittels des Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraums (8) zu ein, um in der Lage zu sein, Ausgangsstrahlen mit wenigstens zwei Energien aus der Vorrichtung mittels der Ausschleusungseinrichtung (4) auszuschleusen, während der in der Vorrichtung zirkulierende Zirkulationsstrahl aufrechterhalten wird.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (110) angeordnet ist, um die Ausgangsstrahlen aufeinanderfolgend mittels der Ausschleusungseinrichtung (4) auszuschleusen, so daß die Ausgangsstrahlen verbunden sind, um einen kontinuierlichen Strahl zu bilden.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (110) angeordnet ist, um betriebsbereit zum Ändern der Energie des Zirkulationsstrahls mittels des Hochfreguenz-Beschleunigungshohlraums (8) zu gleicher Zeit zu sein, wenn die Ausgangsstrahlen mittels der Ausschleusungseinrichtung (4) ausgeschleust werden.

4. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausschleusungseinrichtung (4) eine Einrichtung (14) zum Steigern einer Amplitude einer Betaron-Oszilation des

Zirkulationsstrahls aufweist, um einen Stabilitätsgrenzwert für eine Resonanz des Zirkulationsstrahls zu überschreiten, und die Steuereinrichtung (110) für ein Steigern der Amplitude zur gleichen Zeit betriebsbereit ist, wenn der Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum (8) in Betrieb ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Einrichtung (14) zum Steigern einer Amplitude einer Betatron-Oszillation eine Einrichtung zum Anlegen eines ersten elektromagnetischen Feldes an den Zirkulationsstrahl quer zur Laufrichtung des Zirkulationsstrahls aufweist, und die Steuereinrichtung (110) angeordnet ist, um betriebsbereit zum Anpassen des ersten elektromagnetischen Feldes zur gleichen Zeit zu sein, wenn der Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum in Betrieb ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung (110) angeordnet ist, um betriebsbereit zum Ändern der Frequenz wenigstens einer Komponente des ersten elektromagne- tischen Feldes zu sein, wenn die Ausschleusungseinrichtung in Betrieb ist.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum (8) eine Einrichtung zum Anlegen eines zweiten elektromagnetischen Feldes an den Zirkulationsstrahl in eine Richtung längs der Laufrichtung des Zirkulationsstrahls aufweist, und die Vorrichtung weiter Biege- (2) und Multipol- (5, 6) Magneten zum Erzeugen von Biege- bzw. multipolaren Magnetfeldern aufweist, um die orbitale Bahn des Zirkulationsstrahls zu steuern, wobei die Steuereinrichtung (110) angeordnet ist, um betriebsbereit zum Aufrechterhalten von Werten der Biege- und multipolaren Magnetfeldern in einem im wesentlichen konstanten Verhältnis zu einem Zeitpunkt zu sein, wenn der Hochfrequenz- Beschleunigungshohlraum (8) in Betrieb ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Steuereinrichtung (110) zum Steuern der Intensitäten der Biege- und multipolaren Magnetfelder betriebsbereit ist, um die Werte der Biege- und multipolaren Magnetfelder in einem im wesentlichen konstanten Verhältnis aufrechtzuerhalten.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Steuereinrichtung (110) zum Steuern der Intensitäten der Biege- und multipolaren Magnetfelder, um einen Stabilitätsgrenzwert einer Resonanz der Betatron-Oszillation des Zirkulationsstrahls im wesentlichen konstant zu halten, und zum Steuern einer Frequenz des durch eine Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung (14) erzeugten ersten elektrischen Magnetfeldes und des durch die Beschleunigungseinrichtung erzeugten zweiten Magnetfeldes, um die erforderliche Energieänderung des geladenen Teilchenstrahls zu erreichen, betriebsbereit ist.

10. Vorrichtung zur Beschleunigung eines Strahls geladener Teilchen gemäß Anspruch 7, bei der das Steuergerät (110) so beschaffen ist, daß es zum gleichzeitigen Steuern der Energie des umlaufenden Strahls und des ersten elektromagnetischen Feldes betreibbar ist, wobei die Werte der Umlenk- und Mehrpol-Magnetfelder in einem im wesentlichen konstanten Verhältnis aufrechterhalten werden, während der Hochfrequenz- Beschleunigungshohlraum in Betrieb ist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Steuereinrichtung (110) zum Steuern, um die Intensitäten der Biege-Magnet- Felder im wesentlichen konstant zu halten, und zum Steuern einer Frequenz eines elektrischen Feldes oder eines Magnetfeldes, die durch die Beschleunigungseinrichtung und die Hochfrequenz-Anlegeeinrichtung erzeugt werden, um die erforderliche Energieänderung des geladenen Teilchenstrahls zu erreichen, betriebsbereit ist.

12. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Transporteinrichtung (102) zum Transportieren der aus der Umlaufkammer ausgeschleusten Ausgangsstrahlen und einem Elektromagnet (104) zum Steuern der Ausgangsstrahlen in der Transporteinrichtung, wobei die Steuereinrichtung (110) angeordnet ist, um das von dem Elektromagnet in Übereinstimmung mit der Energie der Ausgangsstrahlen erzeugten elektromagnetischen Feldes zu ändern.

13. Verfahren zum Betreiben eines Ringbeschleunigers für einen geladenen Teilchenstrahl mit dem Verfahrensschritt

(i) Aufrechterhalten eines in einer Umlaufkammer (115) des Ringbeschleunigers zirkulierenden Zirkulationsstrahls,

gekennzeichnet durch die weiteren Verfahren:

(ii) Ändern der Energie des Zirkulationsstrahls während des Verfahrensschrittes (i), und

(iii) Ausschleusen von Ausgangsstrahlen mit wenigstens zwei Energien während des Verfahrensschrittes (i) aus der Umlaufkammer (115).

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Verfahrensschritte (ii) und (iii) im wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden.

15. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Energie wenigstens eines der Ausgangsstrahlen sich ändert, wenn er aus der Umlaufkammer ausgeschleust wird.

16. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Ausgangsstrahlen verbunden sind, um einen kontinuierlichen Strahl zu bilden.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Energie des kontinuierlichen Strahles sich ändert, wenn er aus der Umlaufkammer ausgeschleust wird.

18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der Verfahrensschritt Auschleusen von Ausgangsstrahlen den Verfahrensschritt Steigern einer Amplitude einer Betatron-Oszillation des Zirkulationsstrahls zum Überschreiten eines Stabilitätsgrenzwertes einer Resonanz des Zirkulationsstrahls enthält.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Stabilitätsgrenzwert im wesentlichen konstant gehalten wird, wenn die Amplitude der Betatron-Oszillation des Zirkulationsstrahls gesteigert wird.

20. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei die Amplitude der Betatron-Oszillation durch Anlegen eines ersten elektromagnetischen Feldes an den Zirkulationsstrahl in eine Richtung quer zur Laufrichtung des Zirkulationsstrahls gesteigert wird.

21. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Ringbeschleuniger Biege- und Multipolmagneten zum Erzeugen von Biege- bzw. multipolaren Magnetfeldern aufweist, und sowohl Biege- wie multipolare Magnetfelder im wesentlichen konstant bleiben, wenn das erste elektromagnetische Feld geändert wird.

22. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei das erste elektromagnetische Feld eine Vielzahl von Hochfrequenzkomponenten bei unterschiedlichen Frequenzen aufweist.

23. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die Frequenz wenigstens einer Komponente des ersten elektromagnetischen Feldes geändert wird, wenn wenigstens einer der Ausgangsstrahlen ausgeschleust wird.

24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der Verfahrensschritt Ändern der Energie des Zirkulationsstrahls die Verfahrensschritte Anlegen eines zweiten elektromagnetischen Feldes an den Zirkulationsstrahl in eine Richtung längs der Laufrichtung des Zirkulationsstrahls und Anpassen von Biege- und multipolaren Magnetfeldern, die durch ablenkende bzw. multipolare Magneten erzeugt werden, wobei die Werte der Biege- und multipolaren Magnetfelder in einem im wesentlichen konstanten Verhältnis gehalten werden, aufweist.

25. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Vorrichtung eine Ring-Umlaufkammer (115) aufweist.

26. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Energie eines geladenen Ausgangsteilchenstrahls über einen vorbestimmten Bereich verändert wird, wobei das Verfahren weiter den Verfahrensschritt Anpassen des Betriebes der folgenden Elemente einer ringförmigen Geladene-Teilchenstrahl-Beschleunigungsvorrichtung (111) aufweist:

(i) einer Beschleunigungseinrichtung (8) zum Ändern der Energie des in der Vorrichtung zirkulierenden Zirkulationsstrahls;

(ii) einer Ausschleusungseinrichtung (4) zum Auschleusen des geladenen Ausgangsteilchensstrahls aus der Vorrichtung;

(iii) eines Biegemagneten (2) und eines Multipolmagneten (5, 6) zum Steuern der Bahn des Zirkulationsstrahls;

und wobei das Verfahren den Verfahrensschritt Transportieren des Ausgangsstrahl vom Beschleuniger mittels eines Transportmagneten (104, 105) zum Steuern des geladenen Ausgangsteilchenstrahls aufweist.

27. Medizinisches Gerät mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei das Transportsystem (102) den Ausgangsstrahl zu einer medizinischen Behandlungskammer (103) transportiert, wobei die medizinische Behandlungskammer zum Ausführen einer medizinischen Bestrahlung mittels des Ausgangsstrahls dient, und wobei die Steuereinrichtung (110) auch zum Steuern der Transporteinrichtung betrieben wird und zum Steuern geeignet ist, so daß sowohl ein Verhältnis der Intensitäten des Multipol-Magnetfeldes zu den Biege-Magnetfeldern als auch ein Ver hältnis der Intensitäten der Biege-Magnetfelder zu einem Magnetfeld im Transportsystem nahezu konstant bleibt, und wobei die Biege-Elektromagneten (2) betrieben werden, um Biege-Magnetfelder zu erzeugen, und die Multipol-Elektromagneten (5, 6) betrieben werden, um ein Multipol-Magnetfeld zur genaueren Angabe eines Stabilitätsgrenzwertes einer Resonanz des Teilchenstrahls zu erzeugen und die Einrichtung weiter eine Hochfrequenz-Anlageeinrichtung (14) aufweist, die betriebsbereit zum Steigern einer Amplitude einer Betatron-Ozillation des Teilchenstrahls innerhalb des Stabilitätsgrenzwertes des Teilchenstrahls ist.

28. Medizinisches Gerät zum Bestrahlen eines Körpers mit einem geladenen Teilchenstrahl, umfassend die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 und 27, wobei die Steuereinrichtung (110) auch eine Eingabeeinrichtung zum Eingeben eines Start-Energiewertes und eines End-Energiewertes für den Ausgangsstrahl aufweist, wobei die Steuereinrichtung geeignet und angeordnet ist, um den Strahlbeschleuniger für geladene Teilchen zum Erzeugen des geforderten Ausgangsstrahls zu steuern.

29. Gerät gemäß Anspruch 28, wobei die Steuereinrichtung (110) ein Verhältnis einer Intensität des Multipol-Magnetfeldes zu einem Impuls des Strahles steuert, so daß das Verhältnis nahezu konstant bleibt.