EP2011127B1 - 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 Download PDF

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EP2011127B1
EP2011127B1 EP07712257A EP07712257A EP2011127B1 EP 2011127 B1 EP2011127 B1 EP 2011127B1 EP 07712257 A EP07712257 A EP 07712257A EP 07712257 A EP07712257 A EP 07712257A EP 2011127 B1 EP2011127 B1 EP 2011127B1
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EP
European Patent Office
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guiding
magnet
coils
curved
irradiation machine
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EP07712257A
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EP2011127A1 (de
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Günter RIES
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • 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

  • a corresponding irradiation system is z. B. from the WO 02/069350 A1 or the DE 199 04 675 A1 out.
  • Curved beam guiding magnets are widely used in particle accelerator systems for deflecting and / or focusing a beam of charged particles, such as electrons or ions.
  • such systems can also be designed for radiotherapy in the field of medical technology.
  • a corresponding therapy system goes from the mentioned DE 199 04 675 A1 or the US 4,870,287 out. It comprises a particle source or an accelerator for generating a high-energy particle beam which emerges from the source in the direction of an irradiation axis and onto a region of a subject to be irradiated such. B. a tumor of a patient is addressed.
  • the beam is in a so-called "gantry" by means of an array of different deflection and focusing magnets repeatedly deflected from the direction of the original irradiation axis so that it at a predetermined angle with respect to this axis, in particular at 45 to 90 °, to be irradiated on the Area occurs.
  • the magnet arrangement of deflection and focusing magnets is arranged on a frame of the gantry and rotatable around the original irradiation direction as a rotation axis or gantry rotation axis, whereby the exiting beam is always guided through a fixed point in the so-called called "isocenter" runs and so the exposure to radiation in the surrounding area or tissue can be limited by distribution over a relatively large area.
  • the radius of curvature and the magnet length of the commonly used magnets with deflection / bending angles of 45 ° to 90 ° are in this case for the case of irradiation with C 6+ ions at a few meters. With these dimensions, however, the weight of the iron yokes of the magnets is correspondingly high. So z. As the magnets of a known gantry system a total weight of about 95 t. The required bogie for the pivoting magnets of such a gantry system must be carried out accordingly stable and thereby ensure an accurate beam guidance.
  • the DE 43 35 807 A1 discloses a superconductive deflection magnet apparatus for deflecting an electron beam.
  • This device has a magnetic shield surrounding a cryostat. In the cryostat two groups of coils are arranged. Overall, the deflection electromagnet device comprises two main coils and four and six pole correction coils.
  • the superconducting magnet coils are cooled within the cryostat in a refrigerant bath, preferably a bath of liquid helium.
  • the EP 0 208 163 A1 discloses a magnetic field device for a system for accelerating and / or storing electrically charged particles.
  • the electrically charged particles in particular electrons, are deflected with the specified magnetic field device along a curved particle path.
  • the magnetic field device has superconducting windings which generate a dipole.
  • the magnetic Guide field which is effective on the particle beam should act in particular with respect to this focusing.
  • the US 6,403,967 B1 discloses a device with a magnet system for ion implantation.
  • the magnet system serves to generate a dipole field for deflecting the ion beam.
  • the corresponding device has in particular specially shaped ferromagnetic yokes for magnetic field shaping.
  • the US 5,111,173 discloses a charged particle deflection magnet suitable for a synchrotron, for example.
  • a 180 ° deflection magnet is provided with superconducting coils which are suitable for generating a magnetic field which is improved in terms of its homogeneity.
  • the object of the present invention is to specify an irradiation system with at least one beam guiding magnet, wherein the beam guiding magnet should have reduced values with respect to its size and its weight compared with corresponding normal conducting magnets.
  • the beam guiding magnet 2 serves for deflecting a particle beam 3 indicated by a broken line about a central curvature or arc angle ⁇ , which is preferably between 30 ° and 90 ° (ie with 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 defines a beam guiding plane 6, which in FIG. 2 should be indicated 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 generally required for LTC superconductors, for example at operating temperatures of about 4.2 K, higher operating temperatures of, for example, 10 to 40 K, preferably 20 to 30 K may be provided when using HTC superconductors.
  • known HTC superconductors to generate the required magnetic field strengths sufficiently high critical current densities.
  • For the required cooling of the superconductor can be made of known refrigeration equipment.
  • a system of at least six superconducting individual coils has to be provided, of which in each case two are formed and arranged in pairs in mirror image to the beam guidance plane 6.
  • the system comprises on individual coils two in the beam-guiding direction elongated, saddle-shaped, hereinafter referred to as main coils Coils 8 and 9. These coils each have two curved, laterally to the beam guide tube 5 extending side parts 8a, 8b and 9a, 9b and end-side end portions 8c, 8d and 9c, 9d.
  • the end-side end parts are preferably each bent or bent from the plane spanned by the side parts of the main spool such that they lead around the beam-guiding tube 5 in each case in the manner of a semicircle.
  • the design form of corresponding main coils is generally known (cf. EP 0 276 360 B1 ).
  • other known saddle shapes are suitable, which lie on a curved cylinder jacket surface. That is to say, the side parts 8a, 8b and 9a, 9b need not each extend exactly in a non-curved plane and / or the front end parts 8c, 8db or 9c, 9d do not necessarily have to be exactly semicircular in shape, but can also be formed parabolic-like shape (cf. JP 02-246305 A ).
  • secondary coils coils 10 and 11 are provided in parallel planes. These coils are designed as curved racetrack coils and preferably extend between the end, winding-like end portions of the main coils 8 and 9.
  • the design form corresponding, here for example, about 90 ° curved banana-shaped secondary coils is also known (see. EP 0 185 955 B1 or DE 35 04 211 A1 ).
  • the conductors of the secondary coils 10 and 11 each enclose a banana-shaped curved inner region 12 or 13 and there each a correspondingly curved, hereinafter referred to as additional coil 14 and 15 also of the racetrack type. How out FIG. 2 As can be seen, the winding cross-section of these additional coils 14 and 15 is significantly smaller than that of the sub-coils 10 and 11 respectively enclosing them. In this figure, also the current flow directions in the coils 10, 11, 14 and 15 are indicated.
  • 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.
  • thermal insulation means comprise as shown in FIG. 2 a trained as a vacuum or cryostat housing warm outer housing 17 which includes 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 the required cooling capacity must be provided for their cooling, for example via a refrigerant in a suitable manner.
  • FIG. 2 is also indicated, between the cold inner vessel 20 and the warm outer housing 17 in the vacuum chamber 18 even more, even discretely cooled insulation means such as radiation shields or insulating films 22 are provided.
  • FIG. 3 shows a lateral view of the made in the beam guide plane longitudinal section through a corresponding beam guiding magnet 2 with a curvature angle ⁇ 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 front 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 completely flat, lying in a plane, banana-shaped curved racetrack 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.
  • FIGS. 1 to 3 described curved beam guiding magnet 2 is suitable for any irradiation facilities for the deflection of rays of any electrically charged particles per se (see, for. US 4,870,287 A or JP 2000-075100 A ). It is preferably provided for a gantry system which serves for medical therapy.
  • the design features of corresponding systems are also generally known (cf. DE 199 04 675 A1 or WO 02/069350 A1 ).
  • Such a system is characterized in that its end focusing and deflection magnets to a gantry rotation axis are designed pivotally. Only the pivotable deflection of such a system are in FIG. 4 indicated in a highly schematic representation.
  • 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 emerge from the source in a beam-guiding direction, which at the same time defines the gantry rotation axis A.
  • 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. B. from a 45 ° magnet and a 135 ° magnet or two 30 ° magnets and a 120 ° magnet suitable.
  • one of the beam 3 traversed by means of an iron box magnetically shielded diagnostic head for the beam position and the radiation dose is designated 36.
  • FIG. 4 For comparison purposes is also in the FIG. 4 indicated by dashed lines another magnet system 38, which would result if instead of a system of superconducting magnets corresponding normal conducting magnets would be used with field-forming iron yokes.
  • the isocenter 35 would then be located about 1 m farther from the ion source 31, based on the values shown in the following table: embodiment conventional superconducting magnet technology Cu conductor and iron LTC or HTC conductor Aperture field B max 1.8 Tesla 4-5 Tesla field shaping iron yoke Air coils without iron Magnetic material (1 90 ° magnet, 2 45 ° magnets) about 95 t about 6 tons Power consumption at B max 830 kW 15-30 kW Gantry diameter x gantry length ⁇ 12 mx 18 m ⁇ 7 mx 12 m
  • FIG. 4 and the table above immediately shows the advantage of using superconducting magnets in a gantry plant as an irradiation facility.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Bestrahlungsanlage mit einer feststehenden, einen Strahl elektrisch geladener Teilchen erzeugenden Bestrahlungsquelle und einem Gantry-System mit einem Strahlführungsmagneten. Der Strahlführungsmagnet dient 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.
  • Eine entsprechende Bestrahlungsanlage geht z. B. aus der WO 02/069350 A1 oder der DE 199 04 675 A1 hervor.
  • Gekrümmte Strahlführungsmagnete kommen verbreitet in Teilchenbeschleunigeranlagen zu einer Ablenkung und/oder Fokussierung 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 A1 oder der US 4,870,287 hervor. Sie umfasst eine Teilchenquelle bzw. einen Beschleuniger zur Erzeugung eines hochenergetischen Teilchenstrahls, der aus der Quelle in Richtung einer Bestrahlungsachse austritt 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 Fokussierungsmagneten mehrfach aus der Richtung der ursprünglichen Bestrahlungsachse so abgelenkt, dass er unter einem vorbestimmten Winkel bezüglich dieser Achse, insbesondere unter 45 bis 90°, auf den zu bestrahlenden Bereich auftritt. Damit eine 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-A1-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 Eisenjoche auf. Dabei ist jedoch die magnetische Flussdichte durch die Sättigung des Eisens auf maximal etwa 1,8 Tesla beschränkt. 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 dementsprechend hoch. So haben z. B. die Magnete einer bekannten Gantry-Anlage ein Gesamtgewicht von etwa 95 t. Das erforderliche 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 rasterförmigen Ablenkung eines Teilchenstrahls gemäß dem so genannten "Spot Scanning-Verfahren" für Gantry-Anlagen benötigt wird, der Bedarf an elektrischer Leistung und somit an Kühlwasser ganz erheblich und liegt bei einer bekannten Gantry-Anlage bei etwa 800 kW.
  • Das Dokument von C. Priano et al., "A Superconducting Magnet for a Beam Delivery System for Carbon Ion Cancer Therapy", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 12, No. 1, March 2002 offenbart allgemein einen supraleitenden Magneten für eine Bestrahlungsanlage für die Krebstherapie.
  • Die DE 43 35 807 A1 offenbart eine supraleitende Ablenkmagnet-Vorrichtung zur Ablenkung eines Elektronenstrahls. Diese Vorrichtung weist eine magnetische Abschirmung auf, welche einen Kryostaten umgibt. In dem Kryostaten sind zwei Gruppen von Spulen angeordnet. Insgesamt umfasst die Ablenkelektromagnet-Vorrichtung zwei Hauptspulen sowie vier- und sechspolige Korrekturspulen. Die supraleitenden Magnetspulen werden innerhalb des Kryostaten in einem Kältemittelbad, vorzugsweise einem Bad aus flüssigem Helium, gekühlt.
  • Die Druckschrift von G. Sabbi, "Design of Racetrack Coils for High-Field Diple Magnets", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 11, No. 1, March 2001 offenbart einen Beschleunigermagnet für einen Teilchenbeschleuniger. Dieser Beschleunigermagnet weist zum Schließen eines von den Magnetfeldspulen erzeugten magnetischen Feldes ein Eisenjoch auf.
  • Die EP 0 208 163 A1 offenbart eine Magnetfeldeinrichtung für eine Anlage zur Beschleunigung und/oder Speicherung elektrisch geladener Teilchen. Die elektrisch geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen, werden mit der angegebenen Magnetfeldeinrichtung entlang einer gekrümmten Teilchenbahn abgelenkt. Zu diesem Zweck verfügt die Magnetfeldeinrichtung über supraleitende Wicklungen, die einen Dipol erzeugen. Das magnetische Führungsfeld, welches auf den Teilchenstrahl wirksam ist, soll insbesondere gegenüber diesem fokussierend wirken.
  • Die US 6,403,967 B1 offenbart eine Vorrichtung mit einem Magnetsystem für die Ionenimplantation. Das Magnetsystem dient der Erzeugung eines Dipolfeldes zur Ablenkung des Ionenstrahls. Die entsprechende Vorrichtung weist insbesondere speziell ausgeformte ferromagnetische Joche zur Magnetfeldformung auf.
  • Die US 5,111,173 offenbart einen Ablenkmagneten für geladene Teilchen, dieser ist beispielsweise für ein Synchrotron geeignet. Insbesondere wird ein 180°-Ablenkmagnet mit supraleitenden Spulen angegeben, der zur Erzeugung eines Magnetfeldes geeignet ist, das hinsichtlich seiner Homogenität verbessert ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bestrahlungsanlage mit zumindest einem Strahlführungsmagneten anzugeben, wobei der Strahlführungsmagnet hinsichtlich seiner Größe und seines Gewichtes gegenüber entsprechenden normalleitenden Magneten reduzierte Werte aufweisen soll.
  • Die Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll eine Bestrahlungsanlage mit einer feststehenden, einen Strahl elektrisch geladener Teilchen, erzeugende Bestrahlungsquelle und einem Gantry-System mit einem Strahlführungsmagneten angegeben werden. Der Strahlführungsmagnet zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen soll frei von ferromagnetischem, die Strahlführung beeinflussendem Material sein und zusätzlich noch die folgenden Merkmale aufweisen, nämlich
    1. a) eine durch die gekrümmte Teilchenbahn festgelegte Strahlführungsebene,
    2. b) ein die gekrümmte Teilchenbahn umschließendes Strahlführungsrohr,
    3. c) ein dem Strahlführungsrohr zugeordnetes System von mindestens sechs in Führungsrichtung des Teilchenstrahls ausgedehnten, gekrümmten supraleitenden Einzelspulen, die paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene ausgebildet und angeordnet sind, wobei das Spulensystem zumindest umfasst,
      • zwei sattelförmige Hauptspulen mit in Strahlführungsrichtung lang gestreckten Seitenteilen und stirnseitig aufgebogenen Endteilen,
      • zwei zumindest weitgehend flache, bananenförmig gekrümmte Nebenspulen vom Rennbahntyp, die jeweils einen Innenbereich umschließen,
      • zwei zumindest weitgehend flache, jeweils in dem Innenbereich der jeweiligen Nebenspule angeordnete, bananenförmig gekrümmte Zusatzspulen vom Rennbahntyp,
        und
    4. 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 ferromagnetischem 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 Kät 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 der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanlage 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 die Bestrahlungsanlage nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:
    • So kann der Strahlführungsmagnet vorteilhaft so ausgeführt sein, dass sein zentraler Krümmungswinkel zwischen 30° und 90° beträgt. 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 aufgebogenen 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. Entsprechende 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 selbstverständlich auch mit bekanntem metalloxidisches HTC(High Tc)-Supraleitermaterial erstellt sein. Solche Leiter mit vorzugsweiser Bandform ermöglichen höhere Betriebstemperaturen, die insbesondere zwischen 10 und 40 K, vorzugsweise zwischen 20 und 30 K liegen können. Gegenüber der Kühltechnik 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 mindestens 2 Tesla, vorzugsweise zwischen 3 und 5 Tesla, gegeben ist. Mit Supraleitern zu erzeugende hohe Aperturfeldstärken bringen nämlich die genannten Vorteile der Gewichts- und Baugrößenreduzierung mit sich.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen 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 Strahlführungsmagneten und dessen Einsatzmoglichkeit in einer Bestrahlungsanlage ohne Einschränkung auf die konkret veranschaulichte Ausführungsform veranschaulicht ist. Dabei zeigen deren
    • Figur 1
    einen Strahlführungsmagneten in Schrägansicht,
    Figur 2
    den Querschnitt durch einen entsprechenden Strahlfüh- rungsmagneten,
    Figur 3
    einen Längsschnitt durch einen entsprechenden Strahl- führungsmagneten
    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 zwischen 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 dabei eine Strahlführungsebene 6 fest, die in Figur 2 durch eine 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)-Supraleitermaterialien 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 vorgesehen werden. Bei diesen Temperaturen weisen bekannte HTC-Supraleiter zur Erzeugung der erforderlichen Magnetfeldstärken hinreichend hohe kritische Stromdichten auf. Zu der erforderlichen Kühlung der Supraleiter kann auf bekannte Kälteeinrichtungen zurückgegriffen werden.
  • Erfindungsgemäß muss ein System von mindestens sechs supraleitenden Einzelspulen vorgesehen werden, von denen jeweils zwei paarweise spiegelbildlich zur Strahlführungsebene 6 ausgebildet und angeordnet sind. Demgemäß umfasst das System an Einzelspulen zwei in Strahlführungsrichtung langgestreckte, sattelförmig ausgebildete, nachfolgend als Hauptspulen bezeichnete 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 Endteile dabei jeweils so aus der durch die Seitenteile der Hauptspule aufgespannten Ebene aufgebogen bzw. gekröpft, dass sie außen um das Strahlführungsrohr 5 jeweils halbkreisbogenartig herumführen. Die Gestaltungsform entsprechender Hauptspulen ist allgemein bekannt (vgl. z. B. EP 0 276 360 B1 ). Gegebenenfalls sind aber auch andere bekannte Sattelformen geeignet, die auf einer gekrümmten Zylindermantelfläche liegen. D.h., die Seitenteile 8a, 8b bzw. 9a, 9b brauchen jeweils nicht exakt in einer nicht-gekrümmten Ebene zu verlaufen und/oder die stirnseitigen Endteile 8c, 8db bzw. 9c, 9d müssen jeweils nicht unbedingt exakt halbkreisbogenförmig ausgebildet werden, sondern können auch parabelähnliche Gestalt haben (vgl. z. B. JP 02-246305 A ).
  • Oberhalb und unterhalb des Strahlführungsrohres 5 sind in parallelen Ebenen liegend zwei zumindest weitgehend flache, bananenförmig gekrümmte, nachfolgend als Nebenspulen bezeichnete 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 bananenförmiger Nebenspulen ist ebenfalls bekannt (vgl. z. B. EP 0 185 955 B1 oder DE 35 04 211 A1 ). Die Leiter der Nebenspulen 10 und 11 umschließen dabei jeweils einen bananenförmig gekrümmten Innenbereich 12 bzw. 13 und dort jeweils eine entsprechend gekrümmte, nachfolgend als Zusatzspule bezeichnete 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 Nebenspule 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 hinreichend 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 Vorrichtungen 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 Kryostatengehäuse 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 Leitern 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 Außengehäuse 17 in den Vakuumraum 18 noch weitere, auch diskret gekühlte Isolationsmittel wie Bestrahlungsschilde oder Isolationsfolien 22 vorgesehen werden.
  • Selbstverständlich müssen die einzelnen Wicklungen des erfindungsgemäß 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 Strahlführungsebene vorgenommenen Längsschnitt durch einen entsprechenden 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 Innengefäß ist mit stirnseitigen Endflanschen 25 und 26 ausgestattet. 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 liegende, 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 Bestrahlungsanlagen 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 Gestaltungsmerkmale entsprechender Anlagen sind ebenfalls allgemein bekannt (vgl. z. B. DE 199 04 675 A1 oder WO 02/069350 A1 ). Eine solche Anlage zeichnet sich dadurch aus, dass ihre endseitigen Fokussierungs- und Ablenkmagnete um eine Gantry-Rotationsachse schwenkbar ausgeführt sind. Nur die schwenkbaren 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 Strahlführungsrichtung aus, die zugleich die Gantry-Rotationsachse A festlegt. 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 supraleitenden 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:
    Ausführungsart konventionell supraleitend
    Magnettechnologie Cu-Leiter und Eisen LTC- oder HTC-Leiter
    Aperturfeld Bmax 1,8 Tesla 4-5 Tesla
    Feldformung Eisenjoch Luftspulen ohne Eisen
    Magnetmasse (1 90°-Magnet, 2 45°-Magnete) ca. 95 t ca. 6 t
    Leistungsverbrauch bei Bmax 830 kW 15-30 kW
    Gantry-Durchmesser x Gantry-Länge φ 12 m x 18 m φ 7 m x 12 m
  • Aus Figur 4 und der vorstehenden Tabelle geht unmittelbar der Vorteil einer Verwendung von supraleitenden Magneten in einer Gantry-Anlage als Bestrahlungsanlage hervor.

Claims (8)

  1. Bestrahlungsanlage (30) mit
    einer feststehenden, einen Strahl (3) elektrisch geladener Teilchen erzeugenden Bestrahlungsquelle (31) und einem Gantry-System mit mindestens einem
    Strahlführungsmagneten (2) zur Ablenkung des Strahls (3) elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten Teilchenbahn (4), wobei
    - die gekrümmte Teilchenbahn (4) eine Strahlführungsebene (6) festlegt,
    - das Gantry-System um eine in der Strahlführungsebene (6) liegende Achse (A) drehbar ist,
    und
    - der Strahlführungsmagnet (2) frei von ferromagnetischem, die Strahlführung beeinflussendem Material ist und versehen ist
    a) mit einem die gekrümmte Teilchenbahn (4) umschließenden gekrümmten Strahlführungsrohr (5),
    b) mit einem dem Strahlführungsrohr (5) zugeordneten System von mindestens sechs in Führungsrichtung des Teilchenstrahls ausgedehnten gekrümmten supraleitenden Einzelspulen, die paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene (6) ausgebildet und angeordnet sind, wobei das spulensystem zumindest umfasst:
    - zwei sattelförmige Hauptspulen (8, 9) mit in Strahlführungsrichtung lang gestreckten seitenteilen (8a, 8b bzw. 9a, 9b) und stirnseitigen, aufgebogenen Endteilen (8c, 8d bzw. 9c, 9d),
    - zwei flache, bananenförmig gekrümmte Nebenspulen (10, 11) vom Rennbahntyp, die jeweils einen Innenbereich (12 bzw.13) umschließen,
    - zwei flache, jeweils in dem Innenbereich (12, 13) der jeweiligen Nebenspule (10, 11) angeordnete, bananenförmig gekrümmte Zusatzspulen (14, 15) vom Rennbahntyp,
    und
    c) mit Mitteln zu thermischen Isolation und Mitteln zur Kühlung der supraleitenden Einzelspulen.
  2. Bestrahlungsanlage (30) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Strahlführungsmagneten (2) mit einem zentralen Krümmungswinkel (α) zwischen 30° und 90°.
  3. Bestrahlungsanlage (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nebenspulen (10, 11) des Strahlführungsmagneten (2) zwischen den aufgebogenen Endteilen (8c, 8d bzw. 9c, 9d) ihrer jeweils zugeordneten Hauptspule (8 bzw. 9) erstrecken.
  4. Bestrahlungsanlage (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter der Einzelspulen des Strahlführungsmagneten (2) metallisches LTC-Supraleitermaterial aufweisen.
  5. Bestrahlungsanlage (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter der Einzelspulen des Strahlführungsmagneten (2) metalloxidisches HTC-Supraleitermaterial aufweisen.
  6. Bestrahlungsanlage (30) 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. Bestrahlungsanlage (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl (3) C6+-Teilchen enthält.
  8. Bestrahlungsanlage (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine magnetische Aperturfeldstärke des Strahlführungsmagneten (2) in seinem Strahlführungsrohr (5) von mindestens 2 Tesla, vorzugsweise zwischen 3 und 5 Tesla.
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