DE69925165T2

DE69925165T2 - Einrichtung zur veränderung der energie eines strahles von aus einem beschleuniger extrahierten teilchen

Info

Publication number: DE69925165T2
Application number: DE69925165T
Authority: DE
Inventors: Yves Jongen; Vincent Poreye
Original assignee: Ion Beam Applications SA
Current assignee: Ion Beam Applications SA
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2019-12-21
Also published as: EP1145605B1; CA2354071C; DE69925165D1; BE1012358A5; EP1145605A1; WO2000038486A1; JP2002533888A; ATE295062T1; CN1331903A; CN1203730C; US6433336B1; CA2354071A1; AU1850700A

Description

Aufgabe der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, das Variieren der Energie eines Strahls von Partikeln zu erlauben, die aus einem Partikelbeschleuniger extrahiert wurden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch den Gebrauch einer solchen Vorrichtung.
Allgemeiner Stand der Technik
Bestimmte Anwendungen, die den Einsatz von Strahlen mit geladenen Partikeln bedingen, müssen außerdem die Energie dieser Partikel schnell variieren lassen können.
Dazu besteht eine Lösung darin, einen Beschleuniger zu verwenden, der intrinsisch einen Strahl extrahierter Partikel erzeugen kann, dessen Energie variabel ist. In diesem Hinblick kann man vorschlagen, einen Beschleuniger zu verwenden, wie zum Beispiel ein Synchrotron, das in diesem Beschleuniger selbst einen Partikelstrahl erzeugen kann, dessen Energie variabel ist. Diese Art von Beschleuniger ist jedoch relativ komplex herzustellen und daher auch kostspieliger und weniger zuverlässig als Partikelbeschleuniger, die Strahlen mit stationärer Energie erzeugen, wie zum Beispiel Zyklotrone.
Es wurde daher vorgeschlagen, derartige Beschleuniger mit stationärer Energie mit einer Vorrichtung auszustatten, die die Energiekenndaten des Strahls ändern soll und dies auf dem Verlauf des aus dem Beschleuniger extrahierten Strahls. Diese Vorrichtungen beruhen auf dem gut bekannten Konzept gemäß welchem jedes Partikel, das einen Materialblock durchquert, eine Verringerung seiner Energie um eine Menge erfährt, die bei einem gegebenen Partikeltyp von den Kenn daten des durchquerten Materials und von seiner Stärke abhängt.
Der Hauptnachteil solcher Vorrichtungen, die auch Energieabstufer genannt werden, beruht in der Tatsache, dass der Materialblock die Energieauflösung des herabgestuften Strahls verschlechtert. Das ist auf eine Erscheinung zurückzuführen, die auch „straggling" genannt wird, die eine statische Energievariation von mehr oder minder 1,5 erzeugt. Indem man eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite parallel innerhalb des Energieabstufers selbst vorschlägt, tendiert man dazu, diese Erscheinung zu verringern.
Ferner beobachtet man, dass die optischen Kenndaten des Strahls, der den Energieabstufer durchquert, ebenfalls beeinträchtigt werden. Insbesondere wird der einfallende parallele Strahl am Ausgang des Energieabstufers aufgrund der vielfachen Diffusion innerhalb des Energieabstufers divergierend. Diese Nachteile (Steigerung der Divergenz und der Energiestreuung) können zu einer Situation führen, in der das Emissionsvermögen des Strahls zu hoch ist, um den Emissionsvermögensauflagen am Eingang zu entsprechen, die von den optischen Elementen des Strahls auferlegt werden, die sich stromabwärts entlang der Transportlinie des Strahls befinden.
Um diese Probleme zu lösen, wurde auch vorgeschlagen, einen Analysemagnet zu verwenden, der nach dem Energieabstufer angeordnet wird und darauf abzielt, nur die für eine vorausbestimmte Auflösung gewünschte Energie zu akzeptieren, und dies mit Hilfe von Schlitzen und Kollimatoren, die vorgesehen sind, um die optischen Kenndaten des herabgestuften Strahls zu verbessern. Beim Einsatz solcher Elemente beobachtet man jedoch, dass die Stärke des Strahls noch verringert ist, was auch eine starke Aktivierung der verschiedenen Elemente verursacht.
Das Dokument „Three-dimensional Beam Scanning for Proton Therapy" von Kanai et al., veröffentlicht in Nuclear Instruments and Methods in Physic Research (1. September 1983), Niederlande, Band 214, Nr. 23, Seiten 491–496 beschreibt den Einsatz eines Synchrotrons, das einen Protonenstrahl erzeugt, der von Abtastmagneten gesteuert wird, der anschließend zu einem Energieabstufer gelenkt wird, der die Aufgabe hat, die Energiekenndaten des Protonenstrahls zu modifizieren. Dieser Abstufer besteht im Wesentlichen aus einem Materialblock, dessen Stärke diskret variabel ist. Diese Anwendung schlägt jedoch nicht vor, eine kontinuierliche Variation der Energie des aus einem Partikelbeschleuniger, und insbesondere aus einem Partikelbeschleuniger mit stationärer Energie extrahierten Strahls durchzuführen.
Aufgaben der Erfindung
Die vorliegende Aufgabe zielt darauf ab, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die es erlaubt, die Energie des aus einem Partikelbeschleuniger, insbesondere aus einem Partikelbeschleuniger mit stationärer Energie extrahierten Strahls variieren zu lassen.
Die vorliegende Erfindung zielt insbesondere darauf ab, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die es erlaubt, die Energie eines aus einem Partikelbeschleuniger extrahierten Strahls so gut wie kontinuierlich variieren zu lassen.
Wichtigste charakteristische Elemente der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die dazu bestimmt sind, die Variation von Energie eines Strahls von Partikeln zu erlauben, die aus einem Partikelbeschleuniger mit stationärer Energie extrahiert werden. Mit diesem Ziel fügt man auf dem Verlauf des Strahls von Partikeln, die aus dem Beschleuniger extrahiert wurden, einen Energieabstufer ein, der im Wesentlichen aus einem Materialblock besteht, dessen Stärke diskret schrittweise variabel ist. Die Stärke wird als die Entfernung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite auf dem Materialblock definiert.
Die Energiedifferenz der Schritte ist variabel und wird so bestimmt, dass die Variation der Stärke des Strahls an der Grenze zwischen zwei aufeinander folgenden Schritten ein Maximum von 15 %, typisch 10 % der maximal am Ausgang jedes dieser aufeinander folgenden Schritte erzielten Stärke erreicht. Das erlaubt es, eine kontinuierliche Variation der Energie trotz der Tatsache zu erzielen, dass die Stärke diskret variiert. Dies ist in der Tat auf die Kombination der Berechnungsart der Energiedifferenz zwischen den Schritten mit der Verbindung eines Analyseelements zurückzuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist dieser Abstufer an der Stelle positioniert, an der der Mantel des Strahls eine Verengung („waist") aufweist. Ferner ist die Biegung der Eingangs- und der Ausgangsseiten des Abstufers, die durch die Höhe der Stufen oder diskreten Schritte festgelegt ist, so gestaltet, dass die „waist" für jede Stufe oder jeden Schritt immer die ideale Position zu der Eingangs- und Ausgangsseite belegt, ohne dass es erforderlich ist, von einem Schritt zum anderen die Einstellparameter des Transports des Strahls zu modifizieren und insbesondere die Position der „waist".
Das erlaubt es vorteilhafterweise, die Energiestreuungsmerkmale und die optischen Vorzüge des Strahls aufrechtzuerhalten.
Vorzugsweise weist der Energieabstufer Stufen oder Schritte mit variabler Breite auf, wobei die Breite einer Stufe als die Entfernung zwischen zwei aufeinander folgenden Stufen definiert ist. Diese Breite muss so angepasst werden, dass sie leicht größer ist als der Durchmesser des Strahls am Eingang oder am Ausgang des Energieabstufers, was bedeutet, dass die Breite der Stufen oder Schritte mit großer Stärke größer ist als die Breite der Stufen oder Schritte mit geringer Stärke.
Das Material, das den Energieabstufer bildet, muss eine hohe Dichte und eine geringe Atommasse aufweisen. Beispiele können der Diamant, gepresstes Diamantpulver oder Graphit sein.
Vorzugsweise ist der Energieabstufer auf ein automatisiertes Rad montiert, das auch Elemente zur Diagnose des Strahls umfasst, wie zum Beispiel Monitore des Profils des Strahls, Strahlstopps usw.
Herkömmlich kann man mit diesem Energieabstufer auch einen Analysemagnet verbinden.
Kurzbeschreibung der Figuren
1a und 1b stellen jeweils eine perspektivische Ansicht und eine Draufsicht eines Energieabstufers dar, der in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Energievariation eines Partikelstrahls verwendet wird, während 1c eine Vergrößerung eines Teils der 1b darstellt.
2 stellt die Variation der Dichte des Stroms in Abhängigkeit von der Energie für einen Protonenstrahl dar.
3 stellt eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, die in der Protontherapie verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Figuren detaillierter beschrieben, die eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
1a und 1b stellen einen Energieabstufer dar, der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird, der im Wesentlichen aus einem Materialblock besteht, dessen Stärke schrittweise diskret variabel ist. Dieser Energieabstufer erlaubt es, den Wert der gewünschten Energie grob zu bestimmen. Gewöhnlich fügt man zu diesem Energieabstufer einen Analysemagnet hinzu, der stromabwärts dieses Letzteren liegt, um eine feinere Einstellung des gewünschten Energiewerts zu erlauben.
Wie 1c darstellt, hat der erfindungsgemäße Energieabstufer eine „Treppenform", bei der jeder Schritt oder jede „Stufe" eine unterschiedliche Stärke aufweist, die einer bestimmten Energievariation entspricht, wobei die Stärke E1 + E2 als die Entfernung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Partikelstrahls definiert ist. Die Breite L der aufeinander folgenden Stufen ist ferner variabel und steigt in Abhängigkeit von der Stärke der Schritte. Der dritte Parameter ist die Höhe H von einem Schritt oder einer Stufe zum/zur anderen.
Dieser Block mit variabler Stärke hat vorzugsweise die Form eines Rings, der auf einem Rad angeordnet ist. Das erlaubt es, sich des diskreten Charakters des Energieabstufers zu entledigen und gleichzeitig eine Parallelität der Eingangs- und Ausgangsseiten des Energieabstufers aufrechtzuerhalten, was es erlaubt, die Energiestreuung des Strahls zu minimieren.
Derart kann man einen Energieabstufer mit Doppeltreppe bauen, dessen Stärke diskret variiert, was die Parallelität der Eingangs- und der Ausgangsseite möglich macht, um die Energiestreuung zu minimieren.
Wenn ein monoenergetischer Strahl von Protonen eine festgelegte Stoffstärke durchquert, ergibt die daraus resultierende Energiestreuung am Ausgang des Materialblocks ein Energiespektrum mit gaußscher Form, das die Variation der Stromdichte (Wert In, dargestellt in 2 für die „Stufe" n) in Abhängigkeit von der Energie charakterisiert. Diese gaußsche Form ist in einem Wert der Energie zentriert (Wert En, dargestellt in 2 für die „Stufe" n), der der ursprünglichen Energie abzüglich der Energiemenge entspricht, die in dem Material verloren wird, so wie man sie mit Hilfe der Verlaufstabellen (Range-Tabellen genannt) berechnen kann.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Schritt der Variation der Energie derart festgelegt, dass die Verringerung der Stärke des Strahls an den Rändern jeder Stufe ein Maximum von x % (typisch 10 %) erreicht. Die Auferlegung dieses Zwangs erlaubt es, das obere Energielimit Es für eine gegebene Stufe zu berechnen, das auch das untere Energielimit für die nächste Stufe ist (2). Eine wiederholte Berechnung legt daher die Anzahl von „Stufen" fest, die erforderlich ist, um eine kontinuierliche Variation der Energie zwischen den maximalen Werten (der des aus dem Beschleuniger extrahierten Strahls) und den minimalen Werten (geringste Energie, die man im Rahmen der betreffenden Anwendung verwendet) zu erzielen.
Vorteilhafterweise erzielt man gemäß der vorliegenden Erfindung eine Energievariation kontinuierlich, indem man gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen Analysemagnet stromabwärts des Energieabstufers anordnet, und das trotz der Tatsache, dass die Stärke des Energieabstufers in diskreten Schritten variiert. Das Prinzip besteht darin, dass der Energieabstufer aufgrund der großen Energiestreuung verbunden mit dem „straggling" die Energie nur grob festgelegt, wobei die Feineinstellung stromabwärts mit Hilfe des Analysemagnets erfolgt.
Die Lokalisierung des Energieabstufers auf dem Verlauf des Strahls hat in diesem Hinblick ebenfalls eine große Bedeutung. Daher befindet sich der Energieabstufer mit variabler Stärke zum Minimieren des Beitrags der durch den Energieabstufer an dem Emissionsvermögen des Strahls am Ausgang induzierten Divergenz genau an der Stelle, an der der Mantel des Strahls eine Verengung zeigt (das heißt an der Stelle, an der der Strahl die kleinste räumliche Ausdehnung aufweist, Stelle, die „waist" genannt wird). Der Strahl muss daher in dem Energieabstufer fokussiert werden, und jeder Teil mit variabler Stärke des Energieabstufers, das heißt jede „Stufe", die einer gegebenen Energieverringerung entspricht, befindet sich an einer Stelle, für die die Entfernung zwischen der Eingangsseite der Stufe und der Stelle der Fokussierung des Strahls (das heißt der waist) genau der Entfernung entspricht, die das Ausgangsemissionsvermögen des Strahls so wie von den Transportgleichungen und der Diffusionstheorie berechnet minimiert.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher, dass man die Optik des Strahls in Abhängigkeit von der Energievariation, die man erzeugen will, und insbesondere die Position der „waist" nicht modifiziert. Dank der entsprechenden Biegung der Eingangs- und Ausgangsseiten (das heißt dank der Form der „Eingangs- und Ausgangstreppen") bleibt die „waist" im Raum statisch und belegt immer, für jede Stufe, die ideale Position zu der Eingangs- und Ausgangsseite der Stufe.
Man bemerkt daher, dass E1 nicht unbedingt gleich E2 ist, wie in 1c dargestellt.
Vorteilhafterweise besteht der Energieabstufer aus einem Werkstoff mit einer sehr geringen Atommasse und mit hoher Dichte, um die Auswirkungen der vielfachen Diffusion zu verringern.
Dieses Rad ist automatisiert und wird dezentral so gesteuert, dass auf dem Verlauf des einfallenden Strahls der Teil des Energieabstufers (die „Stufe"), dessen Stärke dem Energieverlust, den man hervorrufen will, entspricht, platziert wird.
3 stellt ein Schema der Vorrichtung für ihren Einsatz in der Protontherapie dar. Sie wurde so bemessen, dass die kontinuierliche Variation in dem Bereich 70 MeV–230 MeV der Energie eines Protonenstrahls mit stationärer Energie (ca. 230 MeV), der von einem Zyklotron erzeugt wird, erlaubt wird.
Die Vorrichtung umfasst den Energieabstufer 1, der auf ein automatisiertes Rad montiert ist und aus Graphit besteht. Er besteht aus 154 „Stufen". Man findet auf diesem Rad auch Kontrollelemente für die Kenndaten des Strahls, wie zum Beispiel Monitore des Profils des Strahls 4 sowie Stopps des Strahls 3. Die Einheit umfasst zusätzlich zu einigen Steckverbindungen ferner einen Rahmen 6, Korrekturmagnete (5, „steering") und Versorgungskabel 2.

Claims

Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, die Variation der Energie eines Strahls von Partikeln zu erlauben, die aus einem Partikelbeschleuniger extrahiert sind, im wesentlichen bestehend aus einem Materialblock, dessen Stärke (E1 + E2) diskret schrittweise variabel ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiedifferenz der Schritte variabel ist und so festgelegt wird, dass die Variation der Stärke des Strahls an der Grenze zwischen zwei aufeinander folgen Schritten ein Maximum von 15 % und vorzugsweise ein Maximum von 10 %, der maximalen Stärke, die am Ausgang jedes der zwei benachbarten betreffenden Schritte erzielt wird, erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs- und Ausgangsseiten auf der Ebene jedes diskreten Schritts des Energieabstufers parallel sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieabstufer an der Stelle positioniert ist, an der der Mantel des Strahls eine Verengung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegung der Seiten, die die Höhe (H) der diskreten Schritte des Energieabstufers für den Eingang und den Ausgang des Energieabstufers bilden, so gestaltet ist, dass sich die Stelle, an der der Mantel des Strahls eine Verengung aufweist, für jeden Schritt ideal zu der Eingangs- und Ausgangsseite positioniert, so dass das Emissionsvermögen des Strahls minimiert wird.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieabstufer Schritte mit variabler Breite (L) aufweist, wobei die Breite jedes Schritts so festgelegt ist, dass sie leicht größer ist als der Durchmesser des Strahls am Eingang oder am Ausgang des Abstufers.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (L) der Schritte in Abhängigkeit von der Stärke der Schritte zunehmend ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieabstufer aus einem Material mit hoher Dichte und geringer Atommasse hergestellt ist, wie zum Beispiel aus Diamant, gepresstem Diamantpulver, Graphit.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieabstufer auf ein automatisiertes Rad montiert ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rad, auf das der Energieabstufer montiert ist, Elemente zur Diagnose des Strahls aufweist, wie zum Beispiel Monitore des Profils des Strahls und/oder Stopps des Strahls.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man mit dem Energieabstufer eine Analysevorrichtung des Strahls, wie zum Beispiel einen Analysemagnet verbindet.
Einsatz der Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche zum so gut wie kontinuierlich Variieren der Energie am Ausgang eines Partikelbeschleunigers und insbesondere eines Partikelbeschleunigers mit stationärer Energie, wie zum Beispiel eines Zyklotrons.