EP0021442B1 - Elektronenbeschleuniger - Google Patents

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EP0021442B1
EP0021442B1 EP80103662A EP80103662A EP0021442B1 EP 0021442 B1 EP0021442 B1 EP 0021442B1 EP 80103662 A EP80103662 A EP 80103662A EP 80103662 A EP80103662 A EP 80103662A EP 0021442 B1 EP0021442 B1 EP 0021442B1
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EP
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target
collimator
electron accelerator
electron
section
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EP80103662A
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EP0021442A1 (de
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Leonhard Dipl.-Phys. Taumann
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/02—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators

Definitions

  • the invention relates to an electron accelerator with a target exposed to the electron beam emerging from the acceleration tube, with an electron absorber downstream of the target in the beam direction, with a collimator for masking an X-ray cone and with a compensating body centered for the masking aperture of the collimator.
  • US-A-4121109 discloses an electron accelerator intended for use in radiation therapy.
  • a target is exposed to the electron beam emerging from the acceleration tube in this electron accelerator.
  • an electron absorber in which the remaining electrons are filtered out of the X-rays and a collimator with a passage opening for the suppression of the maximum, usually conical, X-ray field that is used.
  • a compensation body is installed in the passage opening of the collimator, by means of which the dose rate of the emerging X-radiation is compensated for over its entire cross-section.
  • neutrons are also generated which increase the patient's radiation exposure in a highly undesirable manner.
  • the object of the invention is to limit the radiation exposure of the patient as a whole to what is therapeutically necessary and in particular to reduce the radiation exposure to neutrons.
  • the edge zone of the collimator facing the target is therefore provided with a recess which is symmetrical to the axis of the collimator's blanking opening and which, in order to reduce neutron generation, has an element which fills the recess and is made of a material with a small cross section for (y, n) processes.
  • This solution is based on the surprising finding that only a very small part of the neutrons in the parts built into the useful beam cone, i. H. the target, the electron absorber or the compensating body. The majority of the neutrons are generated on the side of the collimator facing the radiation source. The neutrons generated there penetrate the collimator and lead to the observed diffuse radiation of the surroundings.
  • the element can have an extent radially to the target that corresponds approximately to the half-value depth of the X-rays in this material.
  • This relation gives a good guide for the optimization of the collimator. Because in the deeper layers of the collimator, i.e. H. after passing through the half-value depth for the X-rays, only a comparatively low X-ray quantum density and therefore a lower generation rate for the neutrons can be expected both because of the absorption of the X-rays and because of the quadratic distance law. Those parts can therefore be made without too much influence on the neutron production from a heavy metal which shields the X-ray quanta well, such as, for. B. tungsten or lead.
  • a further optimization of the collimator can be achieved in that the element extends transversely to the direction of the axis of symmetry of the blanking opening to a distance from the target which is approximately 1.5 times the distance between the target and the edge of the blanking opening of the collimator closest to the target .
  • the zones further away from the target of the primary collimator are subjected to a lower x-ray quantum density anyway because of the quadratic distance law, so that fewer neutrons are generated by (y, n) processes in this area as well. Lining them with a material with a smaller cross section for (y, n) processes would therefore not result in such a great reduction in neutron production that a deterioration in X-ray absorption should be accepted.
  • the figure shows a schematic representation of an electron accelerator with a target for generating X-ray brake radiation and with a collimator according to the invention for masking an X-ray cone.
  • the end of the acceleration tube 3 of an electron accelerator which is cut open in the plane of the axis of symmetry 1 of the last cavity resonator 2, can be seen.
  • a lead foil is arranged as a target 6 in the beam direction behind the window 5.
  • the target 6 is mounted in a bore 7 of a carrier plate 8.
  • a first electron absorber 9 in the bore 7 of the carrier plate 8. It consists of an approximately 20 mm thick copper disc.
  • a collimator 10 for the X-rays is arranged behind this electron absorber in the beam direction.
  • the collimator 10 is provided with a conical blanking opening 11 for the passage of the maximum useful beam cone 12.
  • the front section of this conical blanking opening 11 facing the target is drilled cylindrically to accommodate a further electron absorber 13 made of aluminum.
  • a compensating body 14 is attached to the collimator 10, projecting into its conical blanking opening 11.
  • the edge zone of the conical blanking opening 11 of the collimator 10 facing the target 6 is cylindrical.
  • the removed volume element is replaced by an annular body 15 which is adapted in terms of its outer dimensions and is made of a material with a small effective cross section for (y, n) processes.
  • the strength of this ring-shaped body is expediently chosen to be approximately as large in the beam direction as the half-value depth for X-ray quanta in this material.
  • the extension of this annular body 15 transversely to the axis of symmetry 1 of the conical blanking opening 11 of the collimator 10 extends up to a distance from the target 6 that is 1.5 times as large as the distance of the target 6 from the edge section of the blanking opening 11 of the collimator nearest to it 10 including the annular body 15.
  • the accelerated electrons which have penetrated the window 5 of the acceleration tube 3, strike the target 6 and generate X-ray brake radiation there.
  • the x-ray quanta generated in this way also generate neutrons in the target 6 on the basis of (y, n) processes. This cannot be avoided because those elements of a higher atomic number that have a good efficiency in the generation of X-ray quanta also have a low energy threshold and, at the same time, a relatively high cross section for (y, n) processes. Nevertheless, the total number of neutrons generated in the target 6 is negligible due to the relatively small volume of the target, in the present case an approximately 0.3 mm thick lead foil.
  • the other elements located in the useful beam cone 12, such as electron absorber 9, 13 and compensating body 14, are made of copper, iron or aluminum and therefore already have a significantly lower cross section for (y, n) processes. They therefore hardly contribute to the generation of neutrons.
  • the situation is different with the collimator 10 delimiting the x-ray cone. Because of the required high absorption coefficient for X-rays, it consists of a material with a high atomic number, preferably tungsten, tantalum or lead. Its radiated volume is also relatively large. In general, 80% of all neutrons generated in such systems are generated in it. In particular, the areas of the collimator in which the x-ray dose rate is particularly high contribute to neutron generation. These are, in particular, the areas of the collimator 10 closest to the target 6. The production rate of neutrons decreases in direct proportion to the X-ray quantum density in the material of the collimator.
  • the neutron production is reduced relatively strongly with minimal material exchange.
  • the density of the X-ray quanta has dropped so far behind this annular body 15 in the beam direction that a replacement of this area with a material with a small cross section does not seem to make much sense for (y, n) processes. Because an additional slight reduction in - neutron production would be bought through a more significant reduction in the shielding of the X-rays.
  • Carbon, aluminum, beryllium, calcium, iron and at most copper are to be mentioned as materials with a small cross section for (y, n) processes. While carbon and aluminum have particularly smaller cross sections for (y, n) processes, a smaller range of X-ray quanta is to be expected for iron and copper, which has the disadvantage of a somewhat larger cross section for (y, n) processes the dimension of the selected shield, again compensate something.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektronenbeschleuniger mit einem dem aus der Beschleunigungsröhre austretenden Elektronenstrahl ausgesetzten Target, mit einem dem Target in Strahlenrichtung nachgeschalteten Elektronenabsorber, mit einem Kollimator zur Ausblendung eines Röntgenstrahlenkegels und mit einem zur Ausblendöffnung des Kollimators zentrierten Ausgleichskörper.
  • Durch die US-A-4121109 ist ein für den Einsatz in der Strahlentherapie bestimmter Elektronenbeschleuniger bekannt. Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung wird bei diesem Elektronenbeschleuniger ein Target dem aus der Beschleunigungsröhre austretenden Elektronenstrahl ausgesetzt. In Strahlenrichtung hinter dem Target sind ein Elektronenabsorber, in dem die übriggebliebenen Elektronen aus der Röntgenstrahlung herausgefiltert werden und ein Kollimator mit einer Durchlaßöffnung für die Ausblendung des maximalen, zur Anwendung kommenden, meist kegelförmigen Röntgenstrahlenfeldes angeordnet. In der Durchlaßöffnung des Kollimators ist ein Ausgleichskörper eingebaut, durch den die Dosisleistung der austretenden Röntgenstrahlung über ihren gesamten Querschnitt hinweg ausgeglichen wird. Bei solchen Elektronenbeschleunigern wird es jedoch als nachteilig empfunden, daß zusätzlich zu den therapeutisch erwünschten Röntgenquanten auch noch Neutronen erzeugt werden, die die Strahlenbelastung des Patienten in höchst unerwünschter Weise erhöhen.
  • Dieser unerwünschte Anteil an Neutronen wird auch bei einem Elektronenbeschleuniger beobachtet, bei dem die Innenwand der Strahlenaustrittsöffnung des Kollimators zwecks Verminderung des Anteils an gestreuten RöntgenQuanten mit einem Material niedriger Ordnungszahl ausgekleidet ist (= FR-A-2 406 889).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strahlenbelastung des Patienten insgesamt auf das therapeutisch Notwendige zu beschränken und insbesondere die Strahlenbelastung durch Neutronen zu verringern.
  • Bei einem Elektronenbeschleuniger der eingangs genannten Art ist daher erfindungsgemäß die dem Target zugewandte Randzone des Kollimators mit einer symmetrisch zur Achse der Ausblendöffnung des Kollimators ausgebildeten Ausnehmung versehen, die zur Reduzierung der Neutronenerzeugung ein die Ausnehmung ausfüllendes Element aus einem Material mit geringem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse aufweist. Dieser Lösung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß die Neutronen nur zu einem sehr geringen Teil in den im Nutzstrahlenkegel eingebauten Teilen, d. h. dem Target, dem Elektronenabsorber oder dem Ausgleichskörper, erzeugt werden. Der überwiegende Teil der Neutronen wird auf der der Strahlenquelle zugewandten Seite des Kollimators erzeugt. Die dort erzeugten Neutronen durchdringen den Kollimator und führen zu der beobachteten diffusen Bestrahlung der Umgebung. Die Verwendung eines Materials mit geringem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse in der Ausnehmung des Kollimators führt zu einer ganz entscheidenden Herabsetzung der Zahl der je Zeiteinheit insgesamt erzeugten Neutronen. Da Isotope mit geringem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse durchweg unter den Elementen mit geringer Ordnungszahl zu finden sind, eignen sie sich nicht für Röntgenstrahlenkollimatoren. Anders ausgedrückt, werden gerade bei Kollimatoren, wegen der besseren Röntgenstrahlenabsorption, üblicherweise gerade solche Materialien verwandt, die eine höhere Ordnungszahl und damit auch einen sehr viel höheren Wirkungsquerschnitt für (y,n)-Prozesse aufweisen. Durch die Beschränkung der Verwendung von Material mit geringem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse auf die Ausnehmung des Kollimators werden einerseits die spezifischen Absorptionseigenschaften des Kollimators für Röntgenstrahlen nur in geringem, durch Vergrößerung der Wandstärke noch kompensierbarem Maße verschlechtert und wird zugleich die Erzeugung von Neutronen gerade in jenen Bereichen mit größerer Röntgenstrahlendichte reduziert oder je nach Art des verwendeten Materials und der maximal benutzten Quantenenergie ganz unterbunden.
  • In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung kann das Element radial zum Target eine Ausdehnung aufweisen, die etwa der Halbwertstiefe der Röntgenstrahlung in diesem Material entspricht. Diese Relation gibt einen guten Anhaltspunkt für die Optimierung des Kollimators. Denn in den tieferen Schichten des Kollimators, d. h. nach Durchlaufen der Halbwertstiefe für die Röntgenstrahlung, ist sowohl wegen der Absorption der Röntgenstrahlung als auch wegen des quadratischen Abstandsgesetzes nur noch mit einer vergleichsweisen geringen Röntgenquantendichte und somit geringeren Erzeugungsrate für die Neutronen zu rechnen. Jene Teile können daher ohne allzu großen Einfluß auf die Neutronenproduktion aus einem die Röntgenquanten gut abschirmenden Schwermetall, wie z. B. Wolfram oder Blei, gefertigt werden.
  • Eine weitere Optimierung des Kollimators läßt sich dadurch erreichen, daß sich das Element quer zur Richtung der Symmetrieachse der Ausblendöffnung bis in einen Abstand vom Target erstreckt der etwa das 1,5fache des Abstandes zwischen dem Target und dem dem Target nächstliegenden Rand der Ausblendöffnung des Kollimators beträgt. Das führt dazu, daß nur ein verhältnismäßig kleiner Teil des Kollimators aus einem Röntgenstrahlen weniger gut absorbierenden Material gefertigt werden muß. Die vom Target weiter entfernten Zonen des Primärkollimators werden wegen des quadratischen Abstandsgesetzes ohnehin mit einer geringeren Röntgenquantendichte beaufschlagt, so daß auch in diesem Bereich weniger Neutronen durch (y, n)-Prozesse erzeugt werden. Ihre Auskleidung mit einem Material mit geringerem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse ergäbe daher keine so große Reduzierung der Neutronenproduktion, daß man dafür eine Verschlechterung der Röntgenstrahlenabsorption in Kauf nehmen sollte.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Elektronenbeschleunigers mit einem Target für die Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung und mit einem erfindungsgemäßen Kollimator zur Ausblendung eines Röntgenstrahlenkegels.
  • In der Figur erkennt man das strahlenaustrittsseitige, in der Ebene der Symmetrieachse 1 des letzten Hohlraumresonators 2 aufgeschnittene Ende der Beschleunigungsröhre 3 eines Elektronenbeschleunigers. In der Schnittebene erkennt man die zylindersymmetrische Form des letzten Hohlraumresonators 2 mit dem längs der Symmetrieachse beschleunigten Elektronenstrahl 4 und die Anordnung des die Beschleunigungsröhre austrittsseitig vakuumdicht abschließenden, für Elektronen durchlässigen Fenster 5. In Strahlenrichtung hinter dem Fenster 5 ist eine Bleifolie als Target 6 angeordnet. Das Target 6 ist in einer Bohrung 7 einer Trägerplatte 8 gelagert. Unmittelbar hinter dem Target befindet sich noch in der Bohrung 7 der Trägerplatte 8 ein erster Elektronenabsorber 9. Er besteht aus einer etwa 20 mm starken Kupferscheibe. In Strahlenrichtung hinter diesem Elektronenabsorber ist ein Kollimator 10 für die Röntgenstrahlung angeordnet. Der Kollimator 10 ist mit einer kegelförmigen Ausblendöffnung 11 für den Durchtritt des maximalen Nutzstrahlenkegels 12 versehen. Der dem Target zugewandte vordere Abschnitt dieser kegelförmigen Ausblendöffnung 11 ist zur Aufnahme eines weiteren, aus Aluminium gefertigten Elektronenabsorbers 13 zylindrisch aufgebohrt. Hinter diesem weiteren Elektronenabsorber 13 ist ein Ausgleichskörper 14 am Kollimator 10, in dessen kegelförmige Ausblendöffnung 11 hineinragend, befestigt.
  • Die dem Target 6 zugewandte Randzone der kegelförmigen Ausblendöffnung 11 des Kollimators 10 ist zylinderförmig ausgenommen. Das herausgenommene Volumenelement ist mit einem in seinen äußeren Abmessungen angepaßten ringförmigen Körper 15 aus einem Material mit geringem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse ersetzt. Die Stärke dieses ringförmigen Körpers wird in Strahlenrichtung zweckmäßigerweise etwa so groß gewählt wie die Halbwertstiefe für Röntgenquanten in diesem Material. Die Ausdehnung dieses ringförmigen Körpers 15 quer zur Symmetrieachse 1 der kegelförmigen Ausblendöffnung 11 des Kollimators 10 erstreckt sich bis zu einem Abstand vom Target 6, der 1,5mal so groß ist wie der Abstand des Targets 6 von dem ihm nächstliegenden Randabschnitt der Ausblendöffnung 11 des Kollimators 10 einschließlich des ringförmigen Körpers 15.
  • Bei der Inbetriebnahme des Elektronenbeschleunigers treffen die beschleunigten Elektronen, die das Fenster 5 der Beschleunigungsröhre 3 durchdrungen haben, auf das Target 6 auf und erzeugen dort Röntgenbremsstrahlung. Die so erzeugten Röntgenquanten erzeugen im Target 6 aufgrund von (y,n)-Prozessen auch Neutronen. Dies läßt sich nicht vermeiden, weil jene Elemente höherer Ordnungszahl, die einen guten Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Röntgenquanten aufweisen, auch eine niedrige Energieschwelle und zugleich einen verhältnismäßig hohen Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse aufweisen. Dennoch ist die Zahl der insgesamt im Target 6 erzeugten Neutronen wegen des verhältnismäßig kleinen Volumens des Targets, im vorliegenden Fall eine ca. 0,3 mm starke Bleifolie, vernachlässigbar gering. Die übrigen, im Nutzstrahlenkegel 12 befindlichen Elemente, wie Elektronenabsorber 9,13 und Ausgleichskörper 14, bestehen aus Kupfer, Eisen oder Aluminium und haben daher schon von Haus aus einen deutlich niedrigeren Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse. Sie tragen daher auch kaum zur Erzeugung von Neutronen bei.
  • Anders sieht es mit dem den Röntgenstrahlenkegel begrenzenden Kollimator 10 aus. Er besteht wegen des geforderten hohen Absorptionskoeffizienten für Röntgenstrahlung aus einem Material hoher Ordnungszahl, vorzugsweise aus Wolfram, Tantal oder Blei. Auch ist sein durchstrahltes Volumen verhältnismäßig groß. Im allgemeinen werden 80% aller bei solchen Anlagen erzeugten Neutronen in ihm erzeugt. Und zwar tragen dabei insbesondere die Bereiche des Kollimators zur Neutronenerzeugung bei, in denen die Röntgendosisleistung besonders hoch ist. Das sind insbesondere die dem Target 6 nächstliegenden Bereiche des Kollimators 10. Die Produktionsrate von Neutronen nimmt direkt proportional mit der Röntgenquantendichte im Material des Kollimators ab.
  • Wird das Material des Kollimators 10 bis in einer Tiefe, die der Halbwertstiefe für Röntgenstrahlen entspricht, durch ein Material mit geringem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse ersetzt, so wird die Neutronenproduktion bei minimalem Materialaustausch relativ stark reduziert. In diesem Fall ist in Strahlenrichtung hinter diesem ringförmigen Körper 15 die Dichte der Röntgenquanten so stark abgesunken, daß ein Ersatz auch dieses Bereiches durch ein Material mit geringem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse wenig sinnvoll erscheint. Denn eine zusätzliche geringfügige Verringerung der-Neutronenproduktion würde durch eine stärker ins Gewicht fallende Verringerung der Abschirmung der Röntgenstrahlung erkauft werden. Anderes würde nur gelten, wenn infolge einer Vergrößerung der gesamten Wandstärke des Kollimators die Vergrößerung der Schichtdicke der aus Material mit geringem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse bestehenden Abschnitte nicht auf Kosten der Sti:rkc der aus einem Material mit hoher Ordnungszahl bestehenden Wandabschnitte erfolgen würde. In diesem Fall müßte die Wandstärke des Kollimators vergrößert werden. Aus dem gleichen Grunde ist auch die seitliche Ausdehnung des ringförmigen Körpers quer zur Symmetrieachse der kegelförmigen Ausblendöffnung 11 des Kollimators 10 auf einen Abstand vom Target zu begrenzen, der etwa dem 1,5fachen des Abstandes des Targets vom nächstliegenden RandabschnittderAusblendöffnung des Kollimators entspricht. Auch in diesem Fall würde eine weitere Vergrößerung des aus einem Material mit geringem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse bestehenden ringförmigen Körpers quer zur Symmetrieachse der Ausblendöffnung nur noch eine relativ geringe Herabsetzung der Neutronenproduktion bewirken. Eine fertigungstechnisch etwas aufwendigere, aber besonders rationelle Ausnutzung des Materials mit geringem Querschnitt für (y, n)-Prozesse ergibt sich daher, wenn der ringförmige Körper 15 zum Kollimator 10 hin die Form einer Kugelkalotte 16 erhält.
  • Als Material mit geringem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse sind Kohlenstoff, Aluminium, Beryllium, Calcium, Eisen und allenfalls noch Kupfer zu nennen. Während Kohlenstoff und Aluminium besonders geringere Wirkungsquerschnitte für (y, n)-Prozesse aufweisen, ist dafür bei Eisen und Kupfer mit einer geringeren Reichweite der Röntgenquanten zu rechnen, die den Nachteil des etwas größeren Wirkungsquerschnittes für (y, n)-Prozesse, bezogen auf die Abmessung der gewählten Abschirmung, wieder etwas kompensieren.

Claims (6)

1. Elektronenbeschleuniger mit einem dem aus der Beschleunigungsröhre austretenden Elektronenstrahl ausgesetzten Target, mit einem dem Target in Strahlenrichtung nachgeschalteten Elektronenabsorber, mit einem Kollimator zur Ausblendung eines Röntgenstrahlenkegels und mit einem zur Ausblendöffnung des Kollimators zentrierten Ausgleichskörper, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Target (6) zugewandte Randzone (15) des Kollimators (10) mit einer symmetrisch zur Achse der Ausblendöffnung des Kollimators ausgebildeten Ausnehmung versehen ist, die zur Reduzierung der Neutronenerzeugung ein die Ausnehmung ausfüllendes Element (15, 16) aus einem Material mit geringem Wirkungsquerschnitt für (y, n)-Prozesse aufweist.
2. Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (15, 16) radial zum Target (6) eine Ausdehnung aufweist, die etwa der Halbwertstiefe der Röntgenstrahlung in diesem Material entspricht.
3. Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (15, 16) sich quer zur Richtung der Symmetrieachse der Ausblendöffnung bis in einem Abstand vom Target (6) erstreckt, der etwa das 1,5fache des Abstandes zwischen dem Target und dem dem Target nächstliegenden Rand der Ausblendöffnung (11) des Kollimators (10) beträgt.
4. Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (15) die Form eines Ringes mit rechteckigem Querschnitt hat.
5. Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (16) die Form einer Kugelkalotte mit zentraler Bohrung hat.
6. Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kugelmittelpunkt mit dem Target deckt.
EP80103662A 1979-07-03 1980-06-27 Elektronenbeschleuniger Expired EP0021442B1 (de)

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