EP2011127A1 - Gekrümmter strahlführungsmagnet mit sattel- und rennbahnförmigen supraleitenden spulen und bestrahlunsanlage mit einem solchen magneten - Google Patents

Gekrümmter strahlführungsmagnet mit sattel- und rennbahnförmigen supraleitenden spulen und bestrahlunsanlage mit einem solchen magneten

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EP2011127A1
EP2011127A1 EP07712257A EP07712257A EP2011127A1 EP 2011127 A1 EP2011127 A1 EP 2011127A1 EP 07712257 A EP07712257 A EP 07712257A EP 07712257 A EP07712257 A EP 07712257A EP 2011127 A1 EP2011127 A1 EP 2011127A1
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EP
European Patent Office
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curved
coils
magnet
guiding
guiding magnet
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EP2011127B1 (de
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Günter RIES
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF 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
    • G21K1/08—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
    • G21K1/093—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means by magnetic means
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K5/00—Irradiation devices
    • G21K5/04—Irradiation devices with beam-forming means

Definitions

  • the invention relates to a beam guiding magnet for deflecting a beam of electrically charged particles along a curved particle path, the magnet being provided with a path defined by the curved particle path
  • a corresponding curved ⁇ ter beam guiding magnet is z.
  • the invention further relates to an irradiation system with egg ⁇ nem such curved beam guiding magnet.
  • an irradiation system with egg ⁇ nem such curved beam guiding magnet.
  • Such a system is z. B. DE 199 04 675 Al.
  • Curved beam guidance magnets are used in part ⁇ chenbeschreiberanlagen in deflection and / or focusing of a beam of charged particles such as electrons or ions used.
  • such systems can also be designed for radiotherapy in the field of medical technology.
  • a corresponding therapy system is shown in the cited DE 199 04 675 A1 or US Pat. No. 4,870,287. It comprises a particle source or a accelerometer ⁇ niger for generating a high-energy particle beam, which ⁇ from the source in the direction of an irradiation axis and on a region to be irradiated a subject such. B. a tumor of a patient is addressed.
  • ei ⁇ ne irradiation may be from several sides, the magnet arrangement of the deflecting and focussing magnets is arranged on a frame of the gantry and adapted for rotation about the original direction of radiation as a rotational axis and gantry rotation axis , wherein the exiting beam always passes through a fixed point in the so-called "isocenter” and so can limit the exposure to radiation in the surrounding area or tissue by distribution over a relatively large area.
  • Object of the present invention is longitudinally to provide a curved beam guiding magnet for deflecting a beam of electrically charged particles of a curved particle path, in particular for an irradiation system, the back ⁇ its size and weight over entspre ⁇ sponding normal conducting magnet having clearly reduced values.
  • a preferred irradiation system is to be specified with such a magnet.
  • the beam guiding magnet should be free of ferromagnetic material influencing the beam guidance and should additionally have the following features, namely a) a beam plane defined by the curved particle path, b) a curved one the particle enclosing Strahlon extension tube ⁇ , associated system c) a beam guide tube of at least six in the guiding direction of the particle beam out ⁇ stretched, curved superconducting individual coils, which in pairs in mirror image to the beam guidance plane abandonedbil det ⁇ and are arranged, wherein the coil system comprises at least;
  • Swivel frame for the rotation of the magnets to a gantry rotation axis can be advantageously made easier and easier.
  • the embodiment can be combined according to claim 1 with the features of one of the subclaims or preferably also those of several subclaims. Accordingly, the beamline magnet of the following features may additionally comprise according to the invention to ⁇ :
  • the magnet can advantageously be designed such that its central angle of curvature is between 30 ° and 90 °. wearing. Especially with larger angles of curvature, the advantage of weight reduction and smaller size compared to normal-conducting magnet comes especially to fruition.
  • the secondary coils may preferably extend between the bent end parts of their respective associated main coil. In this way, a compact structure of the system can be realized from the individual coils.
  • the conductors of the individual windings may comprise known metallic LTC (LoW T c ) superconducting material.
  • Corresponding ladder z. B. based on NbTi operate at very low temperatures and generally require a helium cooling technology. They are technically mature and relatively easy to work with.
  • the conductors of the single windings can of course also be combined with known metal oxide HTC (High
  • T c T c superconducting material to be created.
  • Such conductors with preferably strip form ren allow higher Railtemperatu ⁇ which may preferably be in particular between 10 and 40 K from 20 to 30 K.
  • the effort is correspondingly reduced.
  • known HTC superconductors in the temperature range mentioned for generating strong magnetic fields have sufficiently large critical current carrying capacities or current densities. If a particle beam of C 6+ ions to be deflected is provided, the advantages of weight and size reduction are particularly pronounced in the case of these high-energy particles.
  • the beam guiding magnet can advantageously be run so that a magnetic Aperturfeldher of ⁇ min, preferably ben least 2 Tesla 3-5 Tesla, gege ⁇ . Namely, high aperture fields to be produced with superconductors bring with them the stated advantages of weight and size reduction.
  • the system has a fixed, a beam electric kusstechniksmagnete charged particle generating source of irradiation, more Fo and at least one beam guidance Magne ⁇ th according to the claimed embodiment, for deflecting the particle beam.
  • a system may in particular be characterized by a gantry system with a rotatability of the magnets with respect to a gantry rotation axis lying in the beam guidance plane.
  • the use of superconducting single solenoids considerably reduces the size, weight and power requirement of the gantry system compared to conventional systems with normal conducting magnets. In particular, a required bogie to rotate the individual magnets is much easier and easier to perform.
  • FIG. 1 shows a beam guiding magnet according to the invention in FIG. 1
  • FIG. 2 shows the cross section through a corresponding beam guiding magnet
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a corresponding beam guiding magnet
  • Figure 4 shows a basic structure of a gantry system using a plurality of curved beam guiding magnets.
  • the beamline magnet 2 serves for deflecting a direction indicated by an arrowed line particle beam 3 ⁇ around a center of curvature or arc angle, the preferred Zvi ⁇ 's 30 ° and 90 ° (ie 30 ° ⁇ ⁇ ⁇ 90 °).
  • the particle beam 3 is a beam of electrically charged particles, such as ions, in particular C 6+ ions.
  • the particle beam is held or guided by means of magnetic forces within a correspondingly curved beam guiding tube 5.
  • the curved path of the particle beam sets as ⁇ with a beam guidance plane 6 fixed, which will be indicated in figure 2 by a dashed line.
  • superconductors are used to construct the magnet windings or coils of the beam guiding magnet 2.
  • known materials for superconductors usable here are known metallic LTC (Low T c ) superconductor materials such.
  • a He-cooling technique is required for LTC superconductor generally at, for example, operating temperatures of about 4.2 K higher operating temperatures for example from 10 to 40 K, be preferably from 20 to 30 K before ⁇ , when using HTC superconductors.
  • known HTC superconductors to generate the required magnetic field strengths sufficiently high critical current densities.
  • To the required cooling of the superconductors can be made of known refrigeration equipment.
  • the invention has a system of at least six conductive supra ⁇ individual coils are provided, two of which are formed in pairs in mirror image to the beam guidance plane from 6 ⁇ and arranged.
  • the system comprises, on individual coils, two elongated, saddle-shaped, and subsequently main coil These coils each have two curved lateral parts 8a, 8b or 9a, 9b, which extend laterally relative to the beam-guiding tube 5, as well as end-side end parts 8c, 8d or 9c, 9d.
  • the end-side end parts are in each case in such a way out of the through the side parts of the
  • Bent or cranked plane that they lead around the outside of the beam tube 5 each semicircular arc.
  • the design form of corresponding main coils is generally known (see, for example, EP 0 276 360 B1). If necessary, however, other known saddle shapes are suitable, called the lie on a curved cylinder surface ⁇ . That is, the side sections 8a, 8b or 9a, 9b ever need ⁇ wells not exactly ⁇ fen in a non-curved plane to duri and / or the end-side end portions 8c 8db and 9c, 9d respectively need not necessarily be accurately formed semi-circular arc-shaped but may also be parabolic similar Ge ⁇ have Stalt (see. eg., JP 02-246305 A).
  • two at least largely flat, bannin-shaped curved, hereinafter referred to as sub-coils ⁇ te coils 10 and 11 are provided in parallel planes lying. These coils are designed as curved racetrack coils and preferably extend between the end-side, winding-winding-like end portions of the main coils 8 and 9.
  • the design form of corresponding, for example, about 90 ° curved bana- nenförmiger secondary coils is also known (see, for example, EP 0 185 955 Bl or DE 35 04 211 Al).
  • the conductors of the secondary coils 10 and 11 in each case enclose a banana-shaped curved inner region 12 or 13 and there in each case a correspondingly curved, hereinafter referred to as additional coil ⁇ designated 14 and 15 also racecourse type. As is apparent from Figure 2, the winding cross-section of these additional coils
  • the individual coils can be assigned more coils to required field conditions z. B. with regard to homogeneity on. However, with the minimum number of six coils, generally satisfactory field conditions can be achieved.
  • these thermal insulation means comprise a warm outer housing 17 which is designed as a vacuum or cryostat housing and which encloses a vacuum space 18.
  • a cold inner vessel 20 Within this vacuum space is a cold inner vessel 20, in which a holding structure 21 for receiving and fixing the individual superconducting coils is arranged.
  • the conductors of the individual superconducting coils in this inner vessel must have the required
  • Refrigeration capacity for their cooling for example, provided via a refrigerant in a suitable manner.
  • the housing between the cold inner vessel 20 and the warm outer 17 in the vacuum space 18, further, even discreetly cooled isolation means such as radiation shields or insulators ⁇ tion films are provided 22nd
  • Figure 3 shows a side plan view of the guide plane in the beam ⁇ made longitudinal section through a entspre ⁇ sponding beam guiding magnet with a bending angle ⁇ 2 of 90 °.
  • the leading out of this plane angle heads or end portions of one of the saddle-shaped main coils, for example, the semi-circular arc-like end portions 8c and 8d of the coil 8 are particularly highlighted.
  • the support structure 21 for the main coil 8 is provided with special reinforcing ribs 23. These parts are located within the cold inner vessel 20, the z. B. for receiving a liquid refrigerant such as He or Ne serves.
  • the inner ⁇ vessel is equipped with end face end flanges 25 and 26. In a corresponding manner, end-face end flanges 27 and 28 are also provided for the warm outer housing 17.
  • the secondary coils 10 and 11 and the additional coils 14 and 15 are formed as a completely flat, lying in a plane ⁇ banana-shaped curved racing track coils.
  • at least partially these coils are designed only approximately flat. This is understood to mean that the coils can also be bent saddle-shaped at least in the region of their arcuate end parts. The coils are then no longer in a flat plane but on a lateral surface of a cylinder which surrounds the curved beam guide axis 4.
  • Such coils can be produced, for example, from initially flat, curved racetrack coils, by then being adapted in a form-fitting manner to the lateral surface of the curved cylinder.
  • the curved beam guidance magnet 2 described with reference to FIGS 1 to 3 (z. B. cf. US. 4,870,287 A or JP 2000-075100 A) treatment plants per se for any Bestrah ⁇ for deflecting radiation of any suitable electrically charged particles. It is preferably provided for a gantry system which serves for medical therapy.
  • the design features of corresponding systems are likewise generally known (cf., for example, DE 199 04 675 A1 or WO 02/069350 A1).
  • Such a system is characterized by the fact that its end-side focusing and deflection magnets are mounted around a gantry Rotation axis are designed to pivot.
  • the gantry system generally designated 30, has an irradiation source 31, which is not detailed in the figure, for generating a beam 3 of ions, in particular C 6+ ions. These ions exit the source in a beam steering ⁇ direction, at the same time the gantry rotation axis A fixed ⁇ sets.
  • the ion beam 3 is brought into a region remote from the axis A and from there through an inventively formed, for example by 90 ° deflecting deflection or beam guiding magnet 2 is directed in a direction perpendicular to the axis of rotation A direction where it intersects the axis A in an isocenter 35.
  • deflection magnets such as
  • a 45 ° magnet and a 135 ° magnet or two 30 ° magnets and a 120 "magnet are suitable for use in the FIGURE
  • a diagnostic head through which the beam 3 passes and which is magnetically shielded by means of an iron box Beam position and the radiation dose designated 36.

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Description

Beschreibung
GEKRÜMMTER STRAHLFÜHRUNGSMAGNET MIT SATTEL- UND RENNBAHNFÖRMIGEN SUPRALEITENDEN SPULEN UND BESTRAHLUNSANLAGE MIT EINEM SOLCHEM MAGNETEN
Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlführungsmagneten zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten Teilchenbahn, wobei der Magnet versehen ist - mit einer durch die gekrümmte Teilchenbahn festgelegten
Strahlführungsebene,
- mit einem die gekrümmte Teilchenbahn umschließenden gekrümmten Strahlführungsrohr, und - mit einem dem Strahlführungsrohr zugeordneten System von in Führungsrichtung des Teilchenstrahls ausgedehnten gekrümmten Einzelspulen, die spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene ausgebildet und angeordnet sind. Ein entsprechender gekrümm¬ ter Strahlführungsmagnet geht z. B. aus der WO 02/069350 Al hervor.
Die Erfindung betrifft ferner eine Bestrahlungsanlage mit ei¬ nem solchen gekrümmten Strahlführungsmagneten. Eine solche Anlage ist z. B. der DE 199 04 675 Al zu entnehmen.
Gekrümmte Strahlführungsmagnete kommen verbreitet in Teil¬ chenbeschleunigeranlagen zu einer Ablenkung und/oder Fokus- sierung eines Strahls geladener Teilchen wie Elektronen oder Ionen zum Einsatz. Solche Anlagen können insbesondere auch für eine Strahlentherapie auf dem Gebiet der medizinischen Technik konzipiert sein. Eine entsprechende Therapieanlage geht aus der genannten DE 199 04 675 Al oder der US 4,870,287 hervor. Sie umfasst eine Teilchenquelle bzw. einen Beschleu¬ niger zur Erzeugung eines hochenergetischen Teilchenstrahls, der aus der Quelle in Richtung einer Bestrahlungsachse aus¬ tritt und auf einen zu bestrahlenden Bereich eines Probanden wie z. B. eine Geschwulst eines Patienten gerichtet wird. Um die Bestrahlungsdosis im umliegenden Bereich möglichst gering zu halten, wird der Strahl in einer so genannten „Gantry" mittels einer Anordnung aus verschiedenen Ablenk- und Fokus- sierungsmagneten mehrfach aus der Richtung der ursprünglichen Bestrahlungsachse so abgelenkt, dass er unter einem vorbe- stimmten Winkel bezüglich dieser Achse, insbesondere unter 45 bis 90°, auf den zu bestrahlenden Bereich auftritt. Damit ei¬ ne Bestrahlung von mehreren Seiten erfolgen kann, ist die Magnetanordnung aus Ablenk- und Fokussierungsmagneten auf einem Gestell der Gantry so angeordnet und um die ursprüngliche Bestrahlungsrichtung als Drehachse bzw. Gantry-Rotationsachse drehbar ausgebildet, wobei der austretende Strahl immer durch einen festen Punkt im so genannten „Isozentrum" läuft und sich so die Bestrahlungsbelastung im umliegenden Bereich bzw. Gewebe durch Verteilung auf eine verhältnismäßig große Fläche begrenzen lässt.
Bei der aus der genannten DE-Al-Schrift entnehmbaren Gantry- Anlage sind alle Ablenk- und Fokussierungsmagnete mit Leitern aus normalleitendem Material wie Kupfer (Cu) ausgebildet. Der Grund hierfür ist, dass die Wicklungen dieser Magnete mit diesem Leitermaterial verhältnismäßig einfach auszubilden sind, weil zu einer Formung der den Strahl ablenkenden und/oder fokussierenden Magnetfelder Körper bzw. Joche aus ferromagnetischem Material wie Eisen verwendet werden. Gerade die Strahlführungsmagnete zur Ablenkung weisen deshalb z. B. mit Wasser zu kühlende Kupferwicklungen und entsprechende Ei¬ senjoche auf. Dabei ist jedoch die magnetische Flussdichte durch die Sättigung des Eisens auf maximal etwa 1,8 Tesla be¬ schränkt. Der Kurvenradius und die Magnetlänge der allgemein verwendeten Magnete mit Ablenk-/ bzw. Krümmungswinkeln von
45° bis 90° liegen hierbei für den Fall einer Bestrahlung mit C6+-Ionen bei einigen Metern. Bei diesen Abmessungen ist aber das Gewicht insbesondere der Eisenjoche der Magnete dement¬ sprechend hoch. So haben z. B. die Magnete einer bekannten Gantry-Anlage ein Gesamtgewicht von etwa 95 t. Das erforder¬ liche Drehgestell für die schwenkbaren Magnete einer solchen Gantry-Anlage muss dementsprechend stabil ausgeführt sein und dabei eine exakte Strahlführung gewährleisten. Außerdem ist bei einer großen Magnetapparatur, wie sie bei einer raster- förmigen Ablenkung eines Teilchenstrahls gemäß dem so genann¬ ten „Spot Scanning-Verfahren" für Gantry-Anlagen benötigt wird, der Bedarf an elektrischer Leistung und somit an Kühl- wasser ganz erheblich und liegt bei einer bekannten Gantry- Anlage bei etwa 800 kW.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gekrümmten Strahlführungsmagnet zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten Teilchenbahn, insbesondere für eine Bestrahlungsanlage anzugeben, der hin¬ sichtlich seiner Größe und seines Gewichts gegenüber entspre¬ chenden normalleitenden Magneten reduzierte Werte aufweist. Außerdem soll eine bevorzugte Bestrahlungsanlage mit einem solchen Magneten angegeben werden.
Die sich auf den Strahlführungsmagneten beziehende Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll der Strahlführungsmagnet zur Ablenkung ei- nes Strahls elektrisch geladener Teilchen frei von ferromag- netischem, die Strahlführung beeinflussendem Material sein und zusätzlich noch die folgenden Merkmale aufweisen, nämlich a) eine durch die gekrümmte Teilchenbahn festgelegte Strahl¬ führungsebene, b) ein die gekrümmte Teilchenbahn umschließendes Strahlfüh¬ rungsrohr, c) ein dem Strahlführungsrohr zugeordnetes System von mindestens sechs in Führungsrichtung des Teilchenstrahls ausge¬ dehnten, gekrümmten supraleitenden Einzelspulen, die paar- weise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene ausgebil¬ det und angeordnet sind, wobei das Spulensystem zumindest umfasst ,
- zwei sattelförmige Hauptspulen mit in Strahlführungs¬ richtung lang gestreckten Seitenteilen und stirnseitig aufgebogenen Endteilen,
- zwei zumindest weitgehend flache, bananenförmig gekrümm¬ te Nebenspulen vom Rennbahntyp, die jeweils einen Innenbe¬ reich umschließen, - zwei zumindest weitgehend flache, jeweils in dem Innen¬ bereich der jeweiligen Nebenspule angeordnete, bananenför- mig gekrümmte Zusatzspulen vom Rennbahntyp, und d) Mittel zur thermischen Isolation und Mittel zur Kühlung der supraleitenden Einzelspulen.
Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass es bei einem Verzicht auf feldformende Teile aus ferromagne- tischem Material wie Eisenjoche mindestens sechs gekrümmter Einzelspulen bedarf, um eine gewünschte, vorgebbare Feldgüte im Strahlbereich für die Strahlablenkung realisieren zu können .
Die mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen verbundenen Vorteile sind dann insbesondere in der angestrebten Reduzierung von Gewicht und Baugröße des gekrümmten Strahlführungsmagneten gegenüber normalleitenden Ablenkmagneten zu sehen. Diese Vorteile kommen besonders dann zum Tragen, wenn schwere Ionen wie z. B. C6+-Ionen zum Einsatz kommen sollen. So ist z. B. für eine Gantry-Anlage mit einem 90 ° -Ablenkmagneten und zwei 45 ° -Ablenkmagneten für C6+-Ionen das Magnetgewicht etwa 6 Tonnen (t) bei einer Leistungsaufnahme der erforderlichen Kä- temaschinen von einigen 10 kW. Dabei ist der Platzbedarf fast um die Hälfte zu reduzieren, wobei ein erforderliches
Schwenkgestell für die Drehung der Magnete um eine Gantry- Rotationsachse vorteilhaft einfacher und leichter ausgeführt werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann der Strahlführungsmagnet nach der Erfindung zu¬ sätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:
- So kann der Magnet vorteilhaft so ausgeführt sein, dass sein zentraler Krümmungswinkel zwischen 30° und 90° be- trägt. Gerade bei größeren Krümmungswinkeln kommt der Vorteil an Gewichtsreduzierung und kleinerer Baugröße gegenüber normalleitenden Magneten besonders zum Tragen.
- Die Nebenspulen können sich bevorzugt zwischen den aufgebo- genen Endteilen ihrer jeweils zugeordneten Hauptspule erstrecken. Auf diese Weise ist ein kompakter Aufbau des Systems aus den Einzelspulen zu realisieren.
- Die Leiter der Einzelwicklungen können bekanntes metallisches LTC(LoW Tc) -Supraleitermaterial aufweisen. Entspre- chende Leiter z. B. auf Basis von NbTi sind bei sehr tiefen Temperaturen zu betreiben und erfordern im Allgemeinen eine Helium-Kühltechnik. Sie sind technisch ausgereift und verhältnismäßig einfach zu verarbeiten.
- Stattdessen können die Leiter der Einzelwicklungen selbst- verständlich auch mit bekanntem metalloxidisches HTC (High
Tc) -Supraleitermaterial erstellt sein. Solche Leiter mit vorzugsweise Bandform ermöglichen höhere Betriebstemperatu¬ ren, die insbesondere zwischen 10 und 40 K, vorzugsweise zwischen 20 und 30 K liegen können. Gegenüber der Kühltech- nik der LTC-Supraleiter ist dann der Aufwand entsprechend verringert. Zudem haben bekannte HTC-Supraleiter in dem genannten Temperaturbereich zur Erzeugung starker Magnetfelder hinreichend große kritische Stromtragfähigkeiten bzw. Stromdichten . - Wird ein abzulenkender Teilchenstrahl von C6+-Ionen vorgesehen, so sind im Falle dieser hochenergetischen Teilchen die Vorteile der Gewichts- und Baugrößenreduzierung besonders ausgeprägt .
- Außerdem lässt sich der Strahlführungsmagnet vorteilhaft so ausführen, dass eine magnetische Aperturfeldstärke von min¬ destens 2 Tesla, vorzugsweise zwischen 3 und 5 Tesla, gege¬ ben ist. Mit Supraleitern zu erzeugende hohe Aperturfeld¬ stärken bringen nämlich die genannten Vorteile der Gewichts- und Baugrößenreduzierung mit sich.
Die sich auf die Bestrahlungsanlage beziehende Aufgabe ist mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Dementsprechend weist die Anlage eine feststehende, einen Strahl elektrisch geladener Teilchen erzeugende Bestrahlungsquelle, mehrere Fo- kussierungsmagnete und mindestens einen Strahlführungsmagne¬ ten gemäß der beanspruchten Ausgestaltung zur Ablenkung des Teilchenstrahls auf. Eine solche Anlage kann insbesondere durch ein Gantry-System mit einer Drehbarkeit der Magnete bezüglich einer Gantry-Rotationsachse, die in der Strahlführungsebene liegt, gekennzeichnet sein. Durch die Verwendung von supraleitenden Einzelmagneten sind die Baugröße, das Gewicht und der Leistungsbedarf der Gantry-Anlage gegenüber be- kannten Anlagen mit normalleitenden Magneten erheblich reduziert. Insbesondere ist ein erforderliches Drehgestell zur Drehung der einzelnen Magnete erheblich einfacher und leichter auszuführen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Strahlführungsmagneten und der ihn aufweisenden Bestrahlungsanlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie insbesondere aus der Zeichnung hervor.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung weiter erläutert, aus der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten und dessen Einsatzmöglichkeit in einer Bestrahlungsanlage oh¬ ne Einschränkung auf die konkret veranschaulichte Ausfüh- rungsform veranschaulicht ist. Dabei zeigen deren
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten in
Schrägansicht,
Figur 2 den Querschnitt durch einen entsprechenden Strahlführungsmagneten, Figur 3 einen Längsschnitt durch einen entsprechenden Strahlführungsmagneten sowie
Figur 4 einen prinzipiellen Aufbau einer Gantry-Anlage unter Verwendung mehrerer gekrümmter Strahlführungsmagnete.
Beim Aufbau eines aus den Figuren 1 und 2 entnehmbaren, gekrümmten Strahlführungsmagneten 2 wird von an sich bekannten Ausführungsformen entsprechender Magnete mit normalleitenden Spulenwicklungen ausgegangen, wie sie in der Teilchenbeschleunigertechnik zum Einsatz kommen. In den Figuren nicht dargestellte Teile sind daher bekannt.
Der Strahlführungsmagnet 2 dient zur Ablenkung eines durch eine gepfeilte Linie angedeuteten Teilchenstrahls 3 um einen zentralen Krümmungs- oder Bogenwinkel α, der bevorzugt zwi¬ schen 30° und 90° liegt (d.h. mit 30°≤ α ≤ 90°) . Bei dem Teilchenstrahl 3 handelt es sich um einen Strahl elektrisch geladener Teilchen wie Ionen, insbesondere von C6+-Ionen. Der Teilchenstrahl wird mit Hilfe magnetischer Kräfte innerhalb eines entsprechend gekrümmten Strahlführungsrohres 5 gehalten bzw. geführt. Die gekrümmte Bahn des Teilchenstrahls legt da¬ bei eine Strahlführungsebene 6 fest, die in Figur 2 durch ei- ne gestrichelte Linie angedeutet sein soll.
Erfindungsgemäß werden Supraleiter zum Aufbau der Magnetwicklungen bzw. -spulen des Strahlführungsmagneten 2 verwendet. Als bekannte Materialien für hier verwendbare Supraleiter sind bekannte metallische LTC (Low Tc) -Supraleitermaterialien wie z. B. NbTi oder auch bekannte oxidische HTC (High Tc) -Sup¬ raleitermaterialien geeignet. Während für LTC-Supraleiter im Allgemeinen eine He-Kühltechnik erforderlich ist bei beispielsweise Betriebstemperaturen von etwa 4,2 K können bei Verwendung von HTC-Supraleitern höherer Betriebstemperaturen von beispielsweise 10 bis 40 K, vorzugsweise 20 bis 30 K vor¬ gesehen werden. Bei diesen Temperaturen weisen bekannte HTC- Supraleiter zur Erzeugung der erforderlichen Magnetfeldstärken hinreichend hohe kritische Stromdichten auf. Zu der er- forderlichen Kühlung der Supraleiter kann auf bekannte Kälteeinrichtungen zurückgegriffen werden.
Erfindungsgemäß muss ein System von mindestens sechs supra¬ leitenden Einzelspulen vorgesehen werden, von denen jeweils zwei paarweise spiegelbildlich zur Strahlführungsebene 6 aus¬ gebildet und angeordnet sind. Demgemäß umfasst das System an Einzelspulen zwei in Strahlführungsrichtung langgestreckte, sattelförmig ausgebildete, nachfolgend als Hauptspulen be- zeichnete Spulen 8 und 9. Diese Spulen weisen jeweils zwei gekrümmte, seitlich zu dem Strahlführungsrohr 5 verlaufende Seitenteile 8a, 8b bzw. 9a, 9b sowie stirnseitige Endteile 8c, 8d bzw. 9c, 9d auf. Bevorzugt sind die stirnseitigen End- teile dabei jeweils so aus der durch die Seitenteile der
Hauptspule aufgespannten Ebene aufgebogen bzw. gekröpft, dass sie außen um das Strahlführungsrohr 5 jeweils halbkreisbogen- artig herumführen. Die Gestaltungsform entsprechender Hauptspulen ist allgemein bekannt (vgl. z. B. EP 0 276 360 Bl) . Gegebenenfalls sind aber auch andere bekannte Sattelformen geeignet, die auf einer gekrümmten Zylindermantelfläche lie¬ gen. D.h., die Seitenteile 8a, 8b bzw. 9a, 9b brauchen je¬ weils nicht exakt in einer nicht-gekrümmten Ebene zu verlau¬ fen und/oder die stirnseitigen Endteile 8c, 8db bzw. 9c, 9d müssen jeweils nicht unbedingt exakt halbkreisbogenförmig ausgebildet werden, sondern können auch parabelähnliche Ge¬ stalt haben (vgl. z. B. JP 02-246305 A).
Oberhalb und unterhalb des Strahlführungsrohres 5 sind in pa- rallelen Ebenen liegend zwei zumindest weitgehend flache, ba- nanenförmig gekrümmte, nachfolgend als Nebenspulen bezeichne¬ te Spulen 10 bzw. 11 vorgesehen. Diese Spulen sind als gekrümmte Rennbahnspulen gestaltet und erstrecken sich dabei vorzugsweise zwischen den stirnseitigen, wickelkopfartigen Endteilen der Hauptspulen 8 und 9. Die Gestaltungsform entsprechender, hier beispielsweise etwa um 90° gekrümmter bana- nenförmiger Nebenspulen ist ebenfalls bekannt (vgl. z. B. EP 0 185 955 Bl oder DE 35 04 211 Al) . Die Leiter der Nebenspulen 10 und 11 umschließen dabei jeweils einen bananenför- mig gekrümmten Innenbereich 12 bzw. 13 und dort jeweils eine entsprechend gekrümmte, nachfolgend als Zusatzspule bezeich¬ nete 14 bzw. 15 ebenfalls vom Rennbahntyp. Wie aus Figur 2 hervorgeht, ist der Wicklungsquerschnitt dieser Zusatzspulen
14 und 15 gegenüber dem der sie jeweils umschließenden Neben- spule 10 bzw. 11 deutlich geringer. In dieser Figur sind außerdem die Stromflussrichtungen in den Spulen 10, 11, 14 und
15 angedeutet. Gegebenenfalls können den einzelnen Spulen noch weitere Spulen zugeordnet werden, um geforderte Feldverhältnisse z. B. hinsichtlich der Homogenität weiter zu verbessern. Mit der Mindestzahl von sechs Spulen sind jedoch im Allgemeinen hin- reichend befriedigende Feldverhältnisse zu realisieren.
Da sich die supraleitenden Einzelspulen 8, 9, 10, 11, 14 und 15 auf einer kryogenen Betriebstemperatur mittels entsprechender, in den Figuren nicht ausgeführter Mittel und Vor- richtungen zur Kühlung befinden, müssen auch Mittel zu deren thermischer Isolation gegenüber dem auf Raumtemperatur befindlichen Außenbereich des Strahlführungsmagneten vorgesehen sein. Diese thermische Isolationsmittel umfassen gemäß der Darstellung der Figur 2 ein als Vakuum- oder Kryostatengehäu- se ausgebildetes warmes Außengehäuse 17, das einen Vakuumraum 18 einschließt. Innerhalb dieses Vakuumraums befindet sich ein kaltes Innengefäß 20, in dem eine Haltestruktur 21 zur Aufnahme und Fixierung der einzelnen supraleitenden Spulen angeordnet ist. Außerdem muss in diesem Innengefäß den Lei- tern der einzelnen supraleitenden Spulen die erforderliche
Kälteleistung zu deren Kühlung beispielsweise über ein Kältemittel in geeigneter Weise zur Verfügung gestellt werden. Selbstverständlich können, wie in Figur 2 ferner angedeutet ist, zwischen dem kalten Innengefäß 20 und dem warmen Außen- gehäuse 17 in den Vakuumraum 18 noch weitere, auch diskret gekühlte Isolationsmittel wie Bestrahlungsschilde oder Isola¬ tionsfolien 22 vorgesehen werden.
Selbstverständlich müssen die einzelnen Wicklungen des erfin- dungsgemäß gestalteten Strahlführungsmagneten so mechanisch fixiert sein, dass die auf sie wirkenden Kräfte aufgenommen werden, ohne dass es zu unerwünschten Leiterbewegungen kommt. Diesbezügliche Maßnahmen sind allgemein bekannt und deshalb in Figur 2 nicht ausgeführt.
Figur 3 zeigt eine seitliche Aufsicht auf den in der Strahl¬ führungsebene vorgenommenen Längsschnitt durch einen entspre¬ chenden Strahlführungsmagneten 2 mit einem Krümmungswinkel α von 90°. Dabei sind die aus dieser Ebene herausführenden Winkelköpfe bzw. Endteile einer der sattelförmigen Hauptspulen, beispielsweise die halbkreisbogenartigen Endteile 8c und 8d der Spule 8 besonders hervorgehoben. Wie ferner ersichtlich, ist die Haltestruktur 21 für die Hauptspule 8 mit besonderen Verstärkungsrippen 23 versehen. Diese Teile befinden sich innerhalb des kalten Innengefäßes 20, das z. B. zur Aufnahme eines flüssigen Kältemittels wie He oder Ne dient. Das Innen¬ gefäß ist mit stirnseitigen Endflanschen 25 und 26 ausgestat- tet . In entsprechender Weise sind auch stirnseitige Endflansche 27 und 28 für das warme Außengehäuse 17 vorgesehen.
Bei dem vorstehend geschilderten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass die Nebenspulen 10 und 11 sowie die Zusatzspulen 14 und 15 als völlig flache, in einer Ebene lie¬ gende, bananenförmig gekrümmte Rennbahnspulen ausgebildet sind. Gegebenenfalls ist es auch möglich, dass wenigstens teilweise diese Spulen auch nur annähernd flach gestaltet sind. Hierunter ist zu verstehen, dass die Spulen zumindest im Bereich ihrer bogenförmigen Endteile auch sattelförmig aufgebogen sein können. Die Spulen liegen dann nicht mehr in einer flachen Ebene sondern auf einer Mantelfläche eines Zylinders, der die gekrümmte Strahlführungsachse 4 umschließt. Solche Spulen lassen sich beispielsweise aus zunächst ebenen, gekrümmten Rennbahnspulen herstellen, indem sie dann der Mantelfläche des gekrümmten Zylinders formschlüssig angepasst werden .
Der an Hand der Figuren 1 bis 3 beschriebene gekrümmte Strahlführungsmagnet 2 ist an sich für beliebige Bestrah¬ lungsanlagen zur Ablenkung von Strahlen beliebiger elektrisch geladener Teilchen geeignet (vgl. z. B. US 4,870,287 A oder JP 2000-075100 A) . Bevorzugt wird er für eine Gantry-Anlage vorgesehen, die zur medizinischen Therapie dient. Die Gestal- tungsmerkmale entsprechender Anlagen sind ebenfalls allgemein bekannt (vgl. z. B. DE 199 04 675 Al oder WO 02/069350 Al). Eine solche Anlage zeichnet sich dadurch aus, dass ihre end- seitigen Fokussierungs- und Ablenkmagnete um eine Gantry- Rotationsachse schwenkbar ausgeführt sind. Nur die schwenkba¬ ren Ablenkmagnete einer solchen Anlage sind in Figur 4 in stark schematisierter Darstellung angedeutet. Die allgemein mit 30 bezeichnete Gantry-Anlage weist eine in der Figur nicht näher ausgeführte Bestrahlungsquelle 31 zur Erzeugung eines Strahls 3 von Ionen wie insbesondere C6+-Ionen auf. Diese Ionen treten aus der Quelle in einer Strahlführungs¬ richtung aus, die zugleich die Gantry-Rotationsachse A fest¬ legt. Mit Hilfe von beispielsweise zwei 45°-Ablenkmagneten 33 und 34, die vorteilhaft entsprechend dem erfindungsgemäßen gekrümmten Strahlführungsmagneten 2 ausgebildet sein können, wird der Ionenstrahl 3 in einen bezüglich der Achse A entfernten Bereich gebracht und von dort durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten, beispielsweise um 90° ablenkenden Ablenk- bzw. Strahlführungsmagneten 2 in eine senkrecht zur Rotationsachse A gerichtete Richtung gelenkt, wo er in einem Isozentrum 35 die Achse A kreuzt. Selbstverständlich sind auch andere Kombinationen von Ablenkmagneten wie z. B. von einem 45° -Magneten und einem 135°-Magneten oder von zwei 30°- Magneten und einem 120 "-Magneten geeignet. Ferner ist in der Figur noch ein von dem Strahl 3 durchlaufener, mittels einer Eisenkastens magnetisch abgeschirmter Diagnostikkopf für die Strahllage und die Strahlungsdosis mit 36 bezeichnet.
Zu Vergleichszwecken ist außerdem in der Figur 4 durch gestrichelte Linien ein weiteres Magnetsystem 38 angedeutet, das sich ergeben würde, wenn man statt eines Systems aus sup¬ raleitenden Magneten entsprechende normalleitende Magnete mit feldformenden EisenJochen verwenden würde. Das Isozentrum 35 läge dann um etwa 1 m weiter entfernt von der Ionenquelle 31, wenn man die aus der folgenden Tabelle entnehmbaren Werte zugrunde legt :
Aus Figur 4 und der vorstehenden Tabelle geht unmittelbar der Vorteil einer Verwendung von supraleitenden Magneten in einer Gantry-Anlage als Bestrahlungsanlage hervor.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlführungsmagnet (2) zur Ablenkung eines Strahls (3) elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten Teil- chenbahn (4), wobei der Magnet (2) frei von ferromagneti- schem, die Strahlführung beeinflussendem Material ist und versehen ist a) mit einer durch die gekrümmte Teilchenbahn (4) festgeleg¬ ten Strahlführungsebene (6), b) mit einem die gekrümmte Teilchenbahn (4) umschließenden gekrümmten Strahlführungsrohr (5) , c) mit einem dem Strahlführungsrohr (5) zugeordneten System von mindestens sechs in Führungsrichtung des Teilchenstrahls ausgedehnten gekrümmten supraleitenden Einzelspu- len, die paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungs¬ ebene (6) ausgebildet und angeordnet sind, wobei das Spu¬ lensystem zumindest umfasst:
- zwei sattelförmigen Hauptspulen (8, 9) mit in Strahlführungsrichtung lang gestreckten Seitenteilen (8a, 8b bzw. 9a, 9b) und stirnseitigen, aufgebogenen Endteilen (8c, 8d bzw. 9c, 9d) ,
- zwei zumindest weitgehend flache, bananenförmig gekrümm¬ te Nebenspulen (10, 11) vom Rennbahntyp, die jeweils einen Innenbereich (12 bzw.13) umschließen, - zwei zumindest weitgehend flache, jeweils in dem Innen¬ bereich (12, 13) der jeweiligen Nebenspule (10, 11) ange¬ ordnete, bananenförmig gekrümmte Zusatzspulen (14, 15) vom Rennbahntyp, und e) mit Mitteln zu thermischen Isolation und Mitteln zur Kühlung der supraleitenden Einzelspulen.
2. Strahlführungsmagnet nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zentralen Krümmungswinkel (α) zwischen 30° und 90°.
3. Strahlführungsmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nebenspulen (10, 11) zwischen den aufgebogenen Endteilen (8c, 8d bzw. 9c, 9d) ihrer jeweils zugeordneten Hauptspule (8 bzw. 9) erstrecken.
4. Strahlführungsmagnet nach einem der vorangehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter der Einzelspulen metallisches LTC-Supraleitermaterial aufweisen.
5. Strahlführungsmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Leiter der Einzelspulen metal- loxidisches HTC-Supraleitermaterial aufweisen.
6. Strahlführungsmagnet nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Betriebstemperatur der Leiter der Einzelspulen zwischen 10 K und 40 K, vorzugsweise zwischen 20 K und 30 K.
7. Strahlführungsmagnet nach einem der vorangehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahl (3) von C6+- Teilchen abzulenken ist.
8. Strahlführungsmagnet nach einem der vorangehenden Ansprü¬ che, gekennzeichnet durch eine magnetische Aperturfeldstärke in seinem Strahlführungsrohr (5) von mindestens 2 Tesla, vorzugsweise zwischen 3 und 5 Tesla.
9. Bestrahlungsanlage (30) mit einer feststehenden, einen
Strahl (3) elektrisch geladener Teilchen erzeugenden Bestrahlungsquelle (31), mit mehreren Fokussierungsmagneten (36) zur Fokussierung des Teilchenstrahls (3) und mit mindestens einem Strahlführungsmagneten (2) nach einem der vorangehenden An- sprüche zur Ablenkung des Teilchenstrahls (3)
10. Bestrahlungsanlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Gantry-System mit einer Drehbarkeit der Magnete (2, 32, 33, 36) bzgl. einer Gantry-Rotationsachse (A), die in der Strahlführungsebene (6) liegt.
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