專利名稱：用離子束進(jìn)行放射治療的粒子加速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用離子束進(jìn)行放射治療的粒子加速器。這種粒子加速器可以參見文獻(xiàn)DE10010523C2，粒子加速器的部件包括將不同材料電離的不同離子源、用于選擇離子的質(zhì)譜儀、用于對(duì)離子進(jìn)行直線預(yù)加速的加速器以及用于將離子射入六重同步加速器環(huán)的射入裝置。六重同步加速器環(huán)用于對(duì)離子進(jìn)行進(jìn)一步高速加速。此外，公知的粒子加速器包括引出裝置，其用于將高速加速的離子從同步加速器環(huán)分離到帶有偏轉(zhuǎn)磁體的離子束引導(dǎo)段中，從而到達(dá)患者的相應(yīng)放射部位。
在利用離子束進(jìn)行放射治療的粒子加速器中用于對(duì)離子束進(jìn)行高速加速的主要部件是同步加速器環(huán)，其中通過同步加速器環(huán)中與加速循環(huán)一致的多個(gè)受控循環(huán)，提供具有這樣能量的離子，即，正好足以破壞預(yù)定深度處患病組織的體積元，而不損壞上方的健康覆蓋組織。因此，與回旋加速器相反，在同步加速器中各個(gè)循環(huán)之間產(chǎn)生的是不同的放射劑量，每個(gè)放射劑量只具有到達(dá)不同預(yù)定深度所需的放射能量。在回旋加速器中，不管真正的需要，在各個(gè)循環(huán)中總是一直產(chǎn)生最大的預(yù)定放射能量，因?yàn)槊看嗡璧姆派淠芰渴窃诩铀僦笸ㄟ^在適當(dāng)厚度的吸收器中進(jìn)行減速來進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因此這增加了環(huán)境的放射負(fù)荷。在該過程中，只有一小部分加速粒子束可以用于放射治療，這違背了環(huán)境保護(hù)準(zhǔn)則。
上述文獻(xiàn)中公開的六重同步加速器環(huán)具有六個(gè)直線離子束段和六個(gè)曲形離子束段，其在第一直線離子束段中包括用于將直線加速的離子束引入同步加速器環(huán)的射入裝置，并且在第二直線離子束段路線中具有至少一個(gè)離子束加速裝置，在第三直線離子束段處，在幾個(gè)循環(huán)之后的循環(huán)分離的末尾，利用引出裝置將調(diào)節(jié)了劑量的高速加速離子束引入離子束引導(dǎo)段中。除上述部件之外，在公知的同步加速器環(huán)中有三個(gè)緩沖磁體布置在直線離子束段中，在將離子射入同步加速器環(huán)之后，所述緩沖磁體在多個(gè)循環(huán)中使離子束居中，一個(gè)緩沖磁體布置在其中還布置有射入裝置的直線離子束段中。
因此，在公知的六重同步加速器環(huán)中，在每個(gè)曲形離子束段中布置有細(xì)長(zhǎng)實(shí)心的重量以噸計(jì)的偶極磁體，偶極磁體具有H型結(jié)構(gòu)的線圈和極靴，用于將離子束水平偏轉(zhuǎn)60°，為了水平穩(wěn)定離子束，水平聚焦的四極磁體和水平散焦的四極磁體順序布置在離子束進(jìn)入偶極磁體孔徑的入口上游。
公知的具有同步加速器環(huán)的粒子加速器的一個(gè)缺陷在于，離子束通過偶極磁體到達(dá)下一個(gè)直線離子束段必須經(jīng)歷較長(zhǎng)的距離。這需要較大的孔徑。這與偶極磁體的使用不利地聯(lián)系在一起，偶極磁體因?yàn)樾枰^大的電脈沖功率而在材料方面較為復(fù)雜，這增加了磁體和磁體電源的投資成本以及運(yùn)行成本。除此之外，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)實(shí)心的重量以噸計(jì)的偶極磁體所固定布置的基座還存在嚴(yán)格的技術(shù)要求，這對(duì)建造和投資成本造成壓力。最后，還存在維護(hù)和修理方面的問題，因?yàn)樾枰c待移動(dòng)的物體質(zhì)量相稱的沉重的抬升和運(yùn)輸設(shè)備，這增加了運(yùn)行成本。此外，大尺寸的偶極磁體還導(dǎo)致需要不利地使用至少兩個(gè)切隔磁體作為引出裝置，直線離子束段中的切隔磁體能夠在引出過程中引導(dǎo)離子束經(jīng)過偶極磁體并且引出同步加速器環(huán)。
采用可以在各個(gè)脈沖之間進(jìn)行調(diào)節(jié)的離子束的能量進(jìn)行動(dòng)態(tài)光柵掃描方法的概念對(duì)于利用離子束進(jìn)行放射治療證明是成功的。用于這種形式的放射技術(shù)的最佳類型的加速器是同步加速器。在GSI Darmstadt，重離子同步加速器SIS多年來已經(jīng)成功用于利用離子束進(jìn)行放射治療的開發(fā)。在海德堡大學(xué)醫(yī)院(UniversityHospital in Heidelberg)，目前正在建造具有小型同步加速器的新型加速器系統(tǒng)，用于利用離子束進(jìn)行放射治療的醫(yī)療應(yīng)用中，這可以參見下列文獻(xiàn)海德堡醫(yī)院進(jìn)行癌癥治療的專用離子束設(shè)備(The Proposed Dedicated Ion Beam Facility for Cancer Therapy atthe Clinic in Heidelberg)，EPAC 2000。
重離子同步加速器SIS是更大型的加速系統(tǒng)，其根據(jù)不同的技術(shù)概念而設(shè)計(jì)。然而，Heidelberg的加速器系統(tǒng)配備有上述六重同步加速器，這就涉及到與偶極磁體和相關(guān)部件(例如四極磁體、緩沖磁體和切隔磁體)相關(guān)的以及與投資、建造和運(yùn)行成本相關(guān)的上述缺陷。
本發(fā)明基于利用離子束進(jìn)行放射治療并且克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷的粒子加速器的制造的技術(shù)問題，并且提供一種利用離子束進(jìn)行放射治療的粒子加速器，該粒子加速器在完全電子控制下可靠地提供精確的離子束，從而利用離子束進(jìn)行放射治療。
該問題由獨(dú)立權(quán)利要求1的主題解決。根據(jù)從屬權(quán)利要求可以很清楚本發(fā)明的有利改進(jìn)。
因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種利用離子束進(jìn)行放射治療的粒子加速器，其中粒子加速器包括同步加速器環(huán)(100)，其具有直線離子束段(1至6)、曲形離子束段(7至12)、射入裝置(43)、引出裝置(45)以及至少一個(gè)加速裝置(44)，其中，-至少一個(gè)曲形離子束段(7至12)包括一對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)；-水平散焦的四極磁體(31至36)分別布置在成對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)之間；-水平聚焦的四極磁體(25至30)布置在每對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)的上游。
此外，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種利用離子束進(jìn)行放射治療的粒子加速器，其中粒子加速器包括同步加速器環(huán)，其具有多個(gè)直線離子束段和多個(gè)曲形離子束段。用于將直線加速離子束引入同步加速器環(huán)的射入裝置布置在所述多個(gè)直線離子束段的一個(gè)直線離子束段中。沿著另一個(gè)直線離子束段的路線，存在至少一個(gè)用于離子束的加速裝置。用于將幾個(gè)循環(huán)之后高速加速的離子束引出的引出裝置設(shè)置在又一個(gè)直線離子束段中。所述多個(gè)曲形離子束段中至少一個(gè)包括一對(duì)偶極磁體，水平散焦的四極磁體布置在成對(duì)偶極磁體之間，聚焦的四極磁體布置在成對(duì)偶極磁體的上游。
該粒子加速器的優(yōu)點(diǎn)在于長(zhǎng)的曲形離子束段在包括兩個(gè)偶極磁體的成對(duì)偶極磁體之間共用，其通過具有H型結(jié)構(gòu)的線圈和極靴的細(xì)長(zhǎng)而實(shí)心的重量以噸計(jì)的偶極磁體預(yù)先形成。因?yàn)殡x子束在偶極磁體對(duì)的各個(gè)偶極磁體中的行進(jìn)長(zhǎng)度變短，因此有利的是，可以大大減小孔徑，并因此使得偶極磁體重量更輕，并且為其提供改進(jìn)的線圈和極靴構(gòu)造。另外，根據(jù)本發(fā)明的偶極磁體對(duì)的布置提供了將水平散焦的四極磁體布置在成對(duì)偶極磁體之間的有利機(jī)會(huì)，這進(jìn)一步降低對(duì)于孔徑和四極磁體強(qiáng)度的需求。成對(duì)偶極磁體中的偶極磁體優(yōu)選彼此前后地緊密布置在曲形離子束段中，使得正好一個(gè)散焦四極磁體可以布置在成對(duì)偶極磁體的偶極磁體之間。
偶極磁體對(duì)優(yōu)選具有包括窗框磁體類型和H磁體類型組合(也可以稱為WF/H類型)的線圈結(jié)構(gòu)。因?yàn)榭s短軌跡長(zhǎng)度并且縮小孔徑，可以實(shí)現(xiàn)該有利的磁體類型，并且該磁體類型允許使用這樣的偶極磁體，即具有小得多的橫截面以及相應(yīng)更小的重量，并且大大降低對(duì)于電脈沖功率的需求。
此外，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，緩沖磁體以這樣的方式布置在用于射入裝置的直線離子束段外部，在六個(gè)直線離子束段中的另外三個(gè)段中，即一個(gè)緩沖磁體布置在射入裝置下游并且至少一個(gè)緩沖磁體布置在射入裝置上游。該實(shí)施例具有如下優(yōu)點(diǎn)，即不會(huì)使用于射入裝置的直線離子束段超負(fù)荷，使得可以使用六個(gè)短的直線離子束段，這對(duì)于同步加速器環(huán)的總體尺寸具有有利效果。
此外，意圖通過調(diào)節(jié)兩個(gè)緩沖磁體使離子射入之后的離子束可以居中，從而進(jìn)一步降低投資成本。
為了在有限數(shù)量的循環(huán)中射入離子束，緩沖磁體優(yōu)選具有主體連接器和控制單元，其為了控制減小激發(fā)電流，提供在末尾變?yōu)槠骄徛肪€的非線性斜線。在有利的方式中，通過為緩沖磁體的磁場(chǎng)提供非線性(例如，拋物)斜線，該斜線初始具有較大的降幅，在斜線C的末尾變?yōu)槠骄徛肪€，并且通過以至多三個(gè)緩沖磁體代替具有四個(gè)緩沖磁體的公知布置在可靠而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)軌跡位移，而在結(jié)構(gòu)緊湊的射入段中不需要緩沖磁體，用于同步加速器的射入裝置于是具有更可靠的所謂多轉(zhuǎn)射入的構(gòu)造。
而且，在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，為靜電射入切割器實(shí)現(xiàn)最佳幾何形狀，其中離子束入口位于孔徑的中心，并且離子束出口位于切割器的內(nèi)電極處，并且通過調(diào)節(jié)參數(shù)，即靜電射入切割器處的偏轉(zhuǎn)電壓和離子束入口處離子束射入射入切割器的入射角，實(shí)現(xiàn)離子束的準(zhǔn)確設(shè)置，這是因?yàn)槿缦率聦?shí)，即射入裝置包括靜電射入切割器，其曲形靜電偏轉(zhuǎn)具有比預(yù)加速的射入偏轉(zhuǎn)的離子束的軌跡半徑更大的半徑。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，引出裝置用于激發(fā)非線性共振，以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)分界線以及相應(yīng)地引出離子束的射出角度，作為可以以電子方式準(zhǔn)確控制的引出裝置，引出裝置包括六個(gè)單獨(dú)可調(diào)的六極磁體和偶極磁體對(duì)，所述六極磁體位于每個(gè)曲形離子束段的上游。另外，用于共振引出的各個(gè)六極磁體的激發(fā)電流是可調(diào)節(jié)的，六極磁體與作為引出離子束的引出裝置之一的固定靜電引出切割器操作性連接。此外，靜電引出切割器以及代替兩個(gè)切隔磁體的僅僅一個(gè)用于離子束偏轉(zhuǎn)的切隔磁體，以及同步加速器中的偏轉(zhuǎn)磁體和四極磁體的優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)最可靠地確保引出角度。
粒子加速器優(yōu)選包括至少一個(gè)用于產(chǎn)生碳離子束脈沖的激光離子源作為一個(gè)離子源。采用這種離子源，可以產(chǎn)生優(yōu)選包括充電態(tài)q＝4(C4+離子)的碳離子的離子束。該激光離子源具有優(yōu)于其它離子源的優(yōu)點(diǎn)(a)在脈沖寬度為20至30μs的短離子束脈沖中超過1×1010C4+離子的高離子束強(qiáng)度；(b)長(zhǎng)工作壽命，可以工作多個(gè)星期而無需維修；(c)高可靠性，可以工作數(shù)年；以及(d)有利的投資和運(yùn)行成本。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，粒子加速器包括具有作為射入直線加速器的IH段模塊的直線加速器以及IH段模塊之間的真空系統(tǒng)外部的四極透鏡模塊。這種直線加速器具有優(yōu)于直線預(yù)加速器的公知加速腔的如下優(yōu)點(diǎn)(a)直線加速器的用于每個(gè)所謂IH段的三個(gè)1.5m至2m長(zhǎng)的短加速段具有模塊化結(jié)構(gòu)；(b)與迄今為止通常為1MW至2MW常見性能的系統(tǒng)相比，該高頻系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)具有最高達(dá)180kW HF輸出的HF發(fā)生器，相應(yīng)地簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；(c)技術(shù)上更簡(jiǎn)單，更利于維修，例如通過在對(duì)稱平面中機(jī)械分隔四極磁軛而在真空系統(tǒng)外部于加速段之間安裝四極透鏡。
(d)高可靠性，可以工作數(shù)年；以及(e)有利的投資和運(yùn)行成本。
此外，在放射部位與六重同步加速器環(huán)之間設(shè)置有離子束引導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特征在于在同步加速器環(huán)緊鄰后面配備有水平分散補(bǔ)償，并且通過豎直偏轉(zhuǎn)分配到不同放射部位。因此有利地實(shí)現(xiàn)放射部位處離子束位置的高度穩(wěn)定性，其中，通過豎直偏轉(zhuǎn)，可以以不同入射角α(0°≤α≤90°)提供多個(gè)放射部位，0°為水平入射角α，90°為從上方垂直入射的入射角α。
下面將參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明。


圖1示意性顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中粒子加速器的六重同步加速器環(huán)的平面圖；圖2示意性顯示通過根據(jù)圖1所示六重同步加速器環(huán)的一對(duì)偶極磁體中一個(gè)偶極磁體的局部橫截面；圖3示意性顯示通過根據(jù)圖1所示六重同步加速器環(huán)的四極磁體的局部橫截面；
圖4示意性顯示根據(jù)圖1所示同步加速器環(huán)中的水平和豎直離子束半徑(離子束包跡)的示意圖；圖5顯示靜電射入切割器的平面示意圖；圖6示意性顯示在離子束路徑中的三個(gè)緩沖磁體的影響下根據(jù)圖1所示同步加速器環(huán)中離子束的軌跡位移的示意圖；圖7示意性顯示離子束的各個(gè)循環(huán)中由緩沖磁體引發(fā)的徑向接受角以及緩沖磁體磁場(chǎng)的拋物斜線；圖8示意性顯示具有引出支路的六重同步加速器環(huán)的一段的平面圖；圖9示意性顯示通過六個(gè)單獨(dú)可調(diào)的六極磁體引出的離子束的射出方向的示意圖；圖10示意性顯示通過六個(gè)單獨(dú)可調(diào)的六極磁體引出的離子束的多個(gè)不同射出方向的示意圖；圖11示意性顯示在引出裝置的區(qū)域中同步加速器環(huán)中的離子束偏轉(zhuǎn)的示意圖；圖12示意性顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的粒子加速器的平面圖，該粒子加速器具有離子源、射入直線加速器、六重同步加速器環(huán)以及引出支路；圖13示意性顯示離子源的基本構(gòu)造；圖14示意性顯示射入直線加速器的基本構(gòu)造；圖15示意性顯示用于多個(gè)放射部位的離子束引導(dǎo)系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖1示意性顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中粒子加速器的六重同步加速器環(huán)100的平面圖。六重同步加速器環(huán)100為此具有六個(gè)直線離子束段1至6以及六個(gè)曲形離子束段7至12。射入裝置43用于將直線加速的離子束150射入同步加速器環(huán)100，該射入裝置布置在六個(gè)直線離子束段1至6的第一直線離子束段1中。沿著第二直線離子束段5的路線存在至少一個(gè)用于離子束150的加速裝置44。引出裝置45用于將沿著離子束方向151經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)進(jìn)行徑向加速的離子束引出，該引出裝置設(shè)置在第三直線離子束段4中。
另外，每個(gè)曲形離子束段7至12包括一對(duì)偶極磁體13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24。水平散焦的四極磁體31至36分別布置在成對(duì)偶極磁體13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24的兩個(gè)偶極磁體之間。另外，水平聚焦的四極磁體25至30布置在每對(duì)偶極磁體13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24的上游。同步加速器環(huán)因此具有作為偏轉(zhuǎn)磁體46的偶極磁體13至24以及四極磁體25至36的最佳布置。在該布置中，作為曲形離子束段7至12的六個(gè)超周期中的作為偏轉(zhuǎn)磁體的成對(duì)偶極磁體13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24以及結(jié)構(gòu)F(聚焦磁體47)中的四極磁體，D(散焦磁體48)以及BM(偏轉(zhuǎn)磁體46)與六個(gè)自由直線離子束段1至6交替。
具有設(shè)計(jì)為窗框和H磁體組合的12個(gè)輕質(zhì)偶極磁體13至24的優(yōu)化磁體系統(tǒng)如此用于同步加速器環(huán)中。該磁體系統(tǒng)具有優(yōu)于其它設(shè)計(jì)的下列優(yōu)點(diǎn)(a)與現(xiàn)有技術(shù)中磁體重量超過210t相比，全部磁體的總重量降低至例如小于100t，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于射入和引出離子束能量的系統(tǒng)具有相當(dāng)大的側(cè)約束；(b)單個(gè)磁體的最大磁體重量至多為5t，對(duì)于偏轉(zhuǎn)磁體對(duì)，至多為10t，因此與現(xiàn)有技術(shù)中單個(gè)偏轉(zhuǎn)磁體對(duì)的重量超過25t相比，安裝和拆卸簡(jiǎn)單，隨之明顯降低重量和成本；(c)與單個(gè)偏轉(zhuǎn)磁體相比，因?yàn)楝F(xiàn)在可以為偏轉(zhuǎn)磁體對(duì)采用更小的孔徑，因此大大降低磁體電源所需的脈沖功率，并因此對(duì)于粒子加速器的構(gòu)建和運(yùn)行需要更低的成本。
通過如下面圖中所示為偶極磁體13至24和四極磁體25至36使用修改的磁體設(shè)計(jì)，并且如圖1所示為十二個(gè)偶極磁體13至24和十二個(gè)四極磁體25至36選擇不同的磁體布置而獲得這些優(yōu)點(diǎn)。
圖2示意性顯示通過根據(jù)圖1所示六重同步加速器環(huán)的一對(duì)偶極磁體13/14(即，偏轉(zhuǎn)磁體對(duì))的一個(gè)偶極磁體13的局部橫截面，僅僅顯示偶極磁體13的側(cè)向顛倒的半部50。作為示例以毫米為單位顯示尺寸。由極靴包圍的橢圓形孔徑輪廓54和磁體線圈結(jié)構(gòu)49是該窗框和H磁體類型的組合的特征，該組合僅僅可以通過發(fā)明性地縮短同步加速器環(huán)的每個(gè)偶極磁體的曲形離子束段而獲得。關(guān)于同步加速器環(huán)水平方向上所需的磁體孔徑ax和豎直方向上所需的ay，偶極磁體13的最佳結(jié)構(gòu)通過偏轉(zhuǎn)磁體和四極磁體的發(fā)明性優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)。
圖3示意性顯示通過根據(jù)圖1所示六重同步加速器環(huán)100的四極磁體25的局部橫截面。這里，圖3只以橫截面顯示四極磁體的四分之一部分56。作為示例以毫米為單位顯示尺寸。該示意性橫截面顯示具有矩形輪廓并因此具有較小總體寬度的四極磁體25的構(gòu)造。磁性線圈結(jié)構(gòu)49和極靴結(jié)構(gòu)55與圖2所示偶極磁體13的構(gòu)造不同，并且在重量以及儲(chǔ)存能量和同步加速器環(huán)的運(yùn)行能耗方面得到優(yōu)化。
圖4示意性顯示以曲形A表示的x方向的水平離子束半徑以及以曲形B表示的y方向的豎直離子束半徑，每條曲線在圖中縱坐標(biāo)上以毫米為單位繪制。與前面視圖中的部件功能相同的部件以相同的參考標(biāo)記表示并且不再單獨(dú)進(jìn)行討論。同步加速器環(huán)中以毫米為單位的軌跡長(zhǎng)度b沿著圖中橫坐標(biāo)表示。與公知的同步加速器環(huán)所具有的相當(dāng)大的側(cè)約束相比，以毫米為單位的x方向和y方向的離子束偏轉(zhuǎn)明顯更小，因此采用本發(fā)明可以有利地獲得較小的孔徑尺寸ax和ay，如圖2所示。
圖5顯示靜電射入切割器157的平面示意圖，該射入切割器屬于用于同步加速器環(huán)的根據(jù)本發(fā)明的射入系統(tǒng)。點(diǎn)劃線158表示直線離子束段的軌跡中心的位置，通過圖1所示的射入裝置43，將離子束150以多轉(zhuǎn)射入方式射入該直線離子束段。根據(jù)本發(fā)明的射入切割器157設(shè)計(jì)為可以自動(dòng)設(shè)定具有最小離子束損失的可重復(fù)操作。因此，靜電射入切割器157具有最佳幾何形狀，其中離子束入口154位于靜電射入切割器157的孔徑中心，用于入射離子束152，并且離子束出口155位于射入切割器157的內(nèi)電極156處，用于射出離子束153，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)，即靜電射入切割器157處的偏轉(zhuǎn)電壓和離子束入口154處離子束150射入靜電射入切割器157的入射角，實(shí)現(xiàn)離子束出口155處離子束位置以及離子束角度的準(zhǔn)確設(shè)置。為了這個(gè)目的，靜電射入切割器157包括曲形靜電偏轉(zhuǎn)器159，其具有比預(yù)加速的射入偏轉(zhuǎn)的離子束150的軌跡半徑r更大的曲率半徑R。
圖6示意性顯示在離子束路徑中三個(gè)緩沖磁體51、52和53的影響下，根據(jù)圖1所示同步加速器環(huán)100中的離子束150的軌跡位移的示意圖。運(yùn)用位于同步加速器環(huán)中射入段1外部的三個(gè)鐵素體永磁體控制圍繞離子束中心A2的離子束包跡A1、A3的軌跡位移，以產(chǎn)生局部軌跡干擾，而非本領(lǐng)域公知的三個(gè)緩沖磁體之一位于射入段1中的布置。在該實(shí)例中，直線段5和6中的兩個(gè)緩沖磁體52和53在具有射入切割器157的射入段1之前沿著離子束方向151插入，一個(gè)緩沖磁體51在直線射入段1之后插入，使得射入段1緊密布置有圖5所示的射入切割器157、六極磁體37和水平聚焦四極磁體25，從而有利地不包含緩沖磁體。在進(jìn)一步優(yōu)化的步驟中，可選的是，可以采用單個(gè)緩沖磁體替換兩個(gè)第一緩沖磁體52和53。
在圖7中，圖7a示意性顯示離子束的各個(gè)循環(huán)(N4至N15)中改進(jìn)的徑向接受角的相空間160的示意圖，相空間160的角度坐標(biāo)以弧度為單位顯示在縱坐標(biāo)上，并且位置坐標(biāo)x以毫米為單位顯示在橫坐標(biāo)上。橢圓161顯示射入離子束的離子束發(fā)射率以及對(duì)于多轉(zhuǎn)射入從循環(huán)N4到循環(huán)N15的可變接受角的可獲得的最佳調(diào)節(jié)。
該徑向接受角由三個(gè)緩沖磁體51、52和53引發(fā)，如圖6所示，緩沖磁體的磁場(chǎng)的拋物斜線示于圖7b中。圖7b的示意圖在縱坐標(biāo)上顯示緩沖磁體51、52和53的緩沖磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度，并且在橫坐標(biāo)上顯示循環(huán)數(shù)N1至N35。緩沖磁體的磁場(chǎng)的拋物斜線C初始具有較大的降幅，在斜線C的末尾變?yōu)槠骄徛肪€。
圖5、6和7中所示的用于根據(jù)本發(fā)明的粒子加速器的射入系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)(a)以最低的成本獲得最佳結(jié)構(gòu)；(b)對(duì)于多轉(zhuǎn)射入具有大約85％的高效率，即在射入過程中離子束損失最小，因此放射負(fù)荷最小，從而不像回旋加速器，根據(jù)本發(fā)明的同步加速器環(huán)100可以滿足放射保護(hù)準(zhǔn)則的要求；(c)安全、可重復(fù)的調(diào)節(jié)方法，該方法的自動(dòng)化程度很高。
另外，用于所謂多轉(zhuǎn)射入的根據(jù)本發(fā)明的射入裝置43具有如下改進(jìn)(a)緩沖磁體磁場(chǎng)的非線性(例如拋物)斜線C，在斜線C的開始具有較大的降幅，并且在斜線C的末尾變?yōu)槠骄徛肪€；(b)由具有三個(gè)最佳布置的所謂緩沖磁體51、52和53的多轉(zhuǎn)射入系統(tǒng)產(chǎn)生的軌跡位移，射入段1之前的兩個(gè)直線段5和6中的兩個(gè)緩沖磁體52和53將離子束150向外偏轉(zhuǎn)，并且射入段1之后的直線段2中的第三緩沖磁體51又將離子束150向內(nèi)偏轉(zhuǎn)；(c)不是使用具有三個(gè)緩沖磁體并且其中一個(gè)布置在射入段中的公知布置，僅僅使用兩個(gè)或者至多三個(gè)緩沖磁體，在非常緊密布置有射入裝置43的直線離子束段1中沒有使用緩沖磁體51、52和53中任一個(gè)；(d)靜電射入切割器157的最佳幾何形狀，其中離子束入口154位于孔徑的中心，離子束出口155位于射入切割器157的內(nèi)電極156處，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)，即，靜電射入切割器157處的偏轉(zhuǎn)電壓和離子束入口154處離子束150射入靜電射入切割器157的入射角(盡可能自動(dòng)調(diào)節(jié))，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的離子束設(shè)置。
圖8示意性顯示具有引出支路60的六重同步加速器環(huán)100的一段的平面圖，該引出支路從直線離子束段4或引出段4分支。引出段4中的離子束偏轉(zhuǎn)裝置只包括單個(gè)引出切隔磁體(extractionseptum magnet)62，因?yàn)槔帽景l(fā)明的同步加速器環(huán)100而減小偶極磁體對(duì)19/20中偶極磁體19的尺寸，因此以更小的角度實(shí)現(xiàn)離子束150的引出，而不像現(xiàn)有技術(shù)中的同步加速器環(huán)的情況那樣，需要以更大的偏轉(zhuǎn)角度順序設(shè)置至少兩個(gè)切隔磁體，以越過現(xiàn)有技術(shù)中隨后使用的較大尺寸的偶極磁體。
電磁引出切割器62可以布置為，其將引出的離子束150耦合到水平偏轉(zhuǎn)的偶極磁體63中，該磁體將離子束傳輸至布置在引出支路60下游并且屬于高能離子束引導(dǎo)系統(tǒng)的兩個(gè)四極磁體64和65。除了引出切隔磁體62之外，該引出系統(tǒng)還包括布置在引出段4上游的直線離子束段3中的靜電引出切割器。此外，為了激發(fā)用于引出的非線性共振，六極磁體37至42布置在直線離子束段1至6的每段中。
圖9示意性顯示通過圖1所示六個(gè)六極磁體37至42激發(fā)非線性共振而引出的離子束的各個(gè)能量射線71的示意圖，其方向D可以在相空間中進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，圖9顯示相空間170的示意圖，角度坐標(biāo)x’顯示在圖中的縱坐標(biāo)上，位置坐標(biāo)x顯示在圖中的橫坐標(biāo)上。
在共振引出中，離子在圖中所示相空間170中變得不穩(wěn)定，在水平平面內(nèi)移動(dòng)，離子一步一個(gè)循環(huán)從三個(gè)臂71、72和73之一移動(dòng)到下一個(gè)。參見位置坐標(biāo)x，離子圍繞中心期望軌跡74振蕩，直到在最后的步驟中在直線下臂71上它們進(jìn)入圖11所示的靜電引出切割器61(electrostatic extraction septum)中。通過精確調(diào)節(jié)分界線，可以通過六個(gè)單獨(dú)可調(diào)的六極磁體相應(yīng)調(diào)節(jié)引出離子束的射出方向D，并且可以設(shè)置共振引出的最佳效率。這樣，可以避免圖11所示靜電引出切割器61的復(fù)雜而耗費(fèi)精力的機(jī)械幾何調(diào)節(jié)。
圖10示意性顯示相空間170中的引出離子束的多個(gè)不同射出方向D至M的示意圖，射出方向通過六個(gè)單獨(dú)可調(diào)的六極磁體進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖11示意性顯示在引出裝置45的區(qū)域中同步加速器環(huán)內(nèi)離子束偏轉(zhuǎn)的示意圖。在圖12至圖15中，與前面附圖中的部件功能相同的部件采用相同的參考標(biāo)記表示，并且不再單獨(dú)進(jìn)行說明。軌跡長(zhǎng)度b同樣以毫米為單位繪制在橫坐標(biāo)上，但是只將x方向的偏轉(zhuǎn)以毫米為單位繪制在縱坐標(biāo)上。為了引出，通過六個(gè)六極磁體產(chǎn)生非線性引出共振，在該圖中可以看到同步加速器環(huán)的六極磁體39和40。靜電引出切割器61在直線離子束段3中布置在靜電引出切割器62的上游。上面已經(jīng)描述引出共振的激發(fā)，六極磁體37至42可以以電方式調(diào)節(jié)并且因此可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，其使得可以準(zhǔn)確確定離子束150的射出方向D。
圖12示意性顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的粒子加速器200的總圖，該粒子加速器具有離子源80、射入直線加速器90、六重同步加速器環(huán)100、射入支路75以及引出支路60。
圖13示意性顯示離子源80的基本構(gòu)造。所使用的離子源是激光離子源，其包括作為其部件激發(fā)CO2激光的HeNe激光器81。然后經(jīng)由物鏡83引導(dǎo)至碳靶或靶86的表面88，從而將碳靶的表面88原子化為帶電荷的等離子87。該等離子87在預(yù)加速器85中進(jìn)行加速。
該激光離子源80特別適用于產(chǎn)生高離子束強(qiáng)度的脈沖寬度小于或等于30μm的非常短的碳離子束脈沖79。為了產(chǎn)生離子束，優(yōu)選為充電態(tài)q＝4(C4+離子)的碳離子，激光離子源80具有優(yōu)于其它離子源的重要優(yōu)點(diǎn)(a)短離子束脈沖79中超過1×1010C4+離子的高離子束強(qiáng)度；(b)長(zhǎng)工作壽命，可以工作多個(gè)星期而無需維修；(c)高可靠性，可以工作數(shù)年；以及(d)有利的投資和運(yùn)行成本。
圖14示意性顯示射入直線加速器90的基本構(gòu)造。直線加速器90的所謂IH段91至93具有模塊化結(jié)構(gòu)。另外，三個(gè)四極透鏡94至96構(gòu)成的四極組部分布置在IH段91、92和93之間。包括IH段91至93的高頻系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)采用最高達(dá)180kW HF輸出的高頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)。四極透鏡95和96布置在IH段91、92和93形式的三個(gè)加速器段之間的真空系統(tǒng)外部，使得可以簡(jiǎn)單而易于維修地組裝直線加速器。
于是，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的直線加速器90具有如下優(yōu)點(diǎn)(a)直線加速器90的用于每個(gè)所謂IH段91、92和93的三個(gè)1.5m至2m長(zhǎng)的短加速段具有模塊化結(jié)構(gòu)；(b)與迄今為止通常為1MW至2MW常見性能的系統(tǒng)相比，該高頻系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)具有最高達(dá)180kW HF輸出的HF發(fā)生器，相應(yīng)地簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；(c)技術(shù)上更簡(jiǎn)單，更利于維修，至少對(duì)于四極組95和96在真空系統(tǒng)外部于加速段之間安裝四極透鏡如此。
圖15示意性顯示用于具有放射部位67至70的多個(gè)放射室的豎直偏轉(zhuǎn)離子束引導(dǎo)系統(tǒng)66的側(cè)視圖。離子束引導(dǎo)系統(tǒng)66可以直接在同步加速器環(huán)之后通過水平偏轉(zhuǎn)工作于同步加速器環(huán)與放射部位67至70之間，或者具有單獨(dú)的豎直偏轉(zhuǎn)，用于將離子束150分配到放射部位67至70。因此，為了進(jìn)行治療，同步加速器環(huán)與放射部位67至70之間的離子束引導(dǎo)系統(tǒng)66在同步加速器環(huán)緊鄰后面配備有水平分散補(bǔ)償，或者具有分離的、獨(dú)立的豎直分散補(bǔ)償，用于分配至不同放射部位67至70。如此有利地實(shí)現(xiàn)放射部位67至70處離子束位置的高度穩(wěn)定性。在圖15中，利用用于四個(gè)放射部位67至70的離子束引導(dǎo)系統(tǒng)66作為例子顯示該布置，其中離子束引導(dǎo)系統(tǒng)66設(shè)計(jì)為對(duì)三個(gè)放射部位67至69采用0°入射角α，而對(duì)放射部位70采用從上方入射的45°入射角α。
概括地說，本發(fā)明涉及一種利用離子束進(jìn)行放射治療的粒子加速器，其中通過結(jié)合對(duì)加速器的所有重要部件例如離子源、射入直線加速器、同步加速器環(huán)以及離子束引導(dǎo)系統(tǒng)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)降低投資成本和運(yùn)行成本并且改進(jìn)工作穩(wěn)定性。為此，所提到的改進(jìn)中的一些或全部可以進(jìn)行組合。以這種方式改進(jìn)的粒子加速器具有如下優(yōu)點(diǎn)(a)具有大離子束接受角的小磁體孔徑；(b)磁體重量較小；(c)同步加速器環(huán)中磁體工作的脈沖功率較小，能耗較低；以及(d)優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù)和離子束的射入及引出系統(tǒng)的工作。
附圖標(biāo)記列表1-6直線離子束段7-12曲形離子束段13-24偶極磁體13/14偶極磁體對(duì)15/16偶極磁體對(duì)17/18偶極磁體對(duì)19/20偶極磁體對(duì)21/22偶極磁體對(duì)23/24偶極磁體對(duì)
25-30水平聚焦的四極磁體31-36水平散焦的四極磁體37-42六極磁體43射入裝置44加速裝置45引出裝置46偏轉(zhuǎn)磁體47聚焦磁體48散焦磁體49磁體線圈結(jié)構(gòu)50側(cè)向顛倒的半部51緩沖磁體52緩沖磁體53緩沖磁體54橢圓形輪廓55極靴結(jié)構(gòu)56四分之一部60引出支路61靜電引出切割器62電磁引出切割器63偶極磁體64四極磁體
65四極磁體66離子束引導(dǎo)系統(tǒng)67放射部位68放射部位69放射部位70放射部位71相空間中的臂72相空間中的臂73相空間中的臂74中心離子束軌跡75射入路徑79離子束脈沖80離子源81HeNe激光器82CO2激光83物鏡84離子光學(xué)透鏡85預(yù)加速器86靶87等離子88靶表面90直線加速器
91IH段92IH段93IH段94四極組95四極組96四極組100六重同步加速器環(huán)150離子束151同步加速器環(huán)中的離子束方向152靜電引出切割器中的入射離子束153從射入切割器射出的離子束154離子束入口155離子束出口156內(nèi)電極157射入切割器158點(diǎn)劃線159偏轉(zhuǎn)器160相空間161橢圓170相空間200粒子加速器α放射角
ax水平方向的磁體孔徑ay豎直方向的磁體孔徑A、A1、A2、A3 x方向中的水平偏轉(zhuǎn)軌跡路線B y方向中的豎直偏轉(zhuǎn)軌跡路線b同步加速器中的軌跡長(zhǎng)度C斜線D-M射出方向N1-N35離子束的循環(huán)r射入離子束的軌跡半徑R靜電偏轉(zhuǎn)器的半徑x’角度坐標(biāo)x位置坐標(biāo)
權(quán)利要求
1.一種利用離子束進(jìn)行放射治療的粒子加速器，其中粒子加速器包括同步加速器環(huán)(100)，其具有直線離子束段(1至6)、曲形離子束段(7至12)、射入裝置(43)、引出裝置(45)以及至少一個(gè)加速裝置(44)，其中，-至少一個(gè)曲形離子束段(7至12)包括一對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)；-水平散焦的四極磁體(31至36)布置在成對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)之間；-水平聚焦的四極磁體(25至30)布置在成對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)的上游。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束進(jìn)行放射治療的粒子加速器，其中粒子加速器包括同步加速器環(huán)(100)，其具有六個(gè)直線離子束段(1至6)和六個(gè)曲形離子束段(7至12)，在所述六個(gè)直線離子束段(1至6)中-用于將直線加速離子束引入同步加速器環(huán)(100)的射入裝置(43)布置在直線離子束段(1)中；-沿著另一個(gè)直線離子束段(5)的路線，存在至少一個(gè)用于離子束的加速裝置(44)；-用于將幾個(gè)循環(huán)之后高速加速的離子束引出的引出裝置(45)設(shè)置在又一個(gè)直線離子束段(4)中；-所述曲形離子束段分別包括至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)磁體(46)；-每個(gè)曲形離子束段(7至12)包括一對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)；-水平散焦的四極磁體(31至36)布置在每對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)之間；以及-水平聚焦的四極磁體(25至30)在直線離子束段(1至6)中布置在每對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)的上游。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的粒子加速器，其特征在于，每對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)具有包括窗框磁體類型和H磁體類型相組合的線圈結(jié)構(gòu)(49)。
4.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，緩沖磁體(51、52、53)以這樣的方式布置在用于射入裝置的直線離子束段(1)的外部、在所述六個(gè)直線離子束段中的其它段中，即一個(gè)緩沖磁體(51)布置在射入裝置(43)下游并且至少一個(gè)緩沖磁體(53)布置在射入裝置(43)上游。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的粒子加速器，其特征在于，為了在有限數(shù)量的循環(huán)(N1至N35)中射入離子束(150)，緩沖磁體(51、52、53)具有主體連接器和控制單元，其為了控制減小激發(fā)電流，提供在末尾變?yōu)槠骄徛肪€的非線性斜線(C)。
6.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，射入裝置(43)包括靜電射入切割器(157)，其曲形靜電偏轉(zhuǎn)器(159)具有比預(yù)加速的射入偏轉(zhuǎn)的離子束(150)的軌跡半徑(r)更大的曲率半徑(R)。
7.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，六極磁體(37至42)設(shè)于具有偶極磁體對(duì)(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)和四極磁體(25至36)的每個(gè)曲形離子束段(7至12)的上游。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的粒子加速器，其特征在于，用于共振引出的各個(gè)六極磁體(37至42)的激發(fā)電流是可調(diào)節(jié)的，六極磁體(37至42)與作為引出離子束(150)的引出裝置(45)之一的固定靜電引出切割器(61)操作性連接。
9.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，引出裝置(45)包括作為電磁引出裝置(45)的單個(gè)引出切隔磁體(62)。
10.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，粒子加速器(200)在六重同步加速器環(huán)(100)的上游包括至少一個(gè)離子源(80)以及射入直線加速器(90)，作為粒子加速器的部件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的粒子加速器，其特征在于，粒子加速器(200)包括作為離子源的至少一個(gè)用于產(chǎn)生碳離子束脈沖(79)的激光離子源(80)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的粒子加速器，其特征在于，粒子加速器(200)包括具有作為射入直線加速器(90)的IH段模塊(91、92、93)的直線加速器(90)以及IH段模塊(91、92、93)之間的真空系統(tǒng)外部的四極透鏡模塊(95、96)。
13.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的粒子加速器，其特征在于，在放射部位(67至70)與六重同步加速器環(huán)(100)之間設(shè)置有離子束引導(dǎo)系統(tǒng)(66)，該系統(tǒng)在同步加速器環(huán)(100)緊鄰后面提供水平分散補(bǔ)償，或者為了通過豎直偏轉(zhuǎn)進(jìn)行分配，為不同的放射部位(67至70)提供單獨(dú)的豎直補(bǔ)償。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的粒子加速器，其特征在于，用于多個(gè)放射部位(67至70)的離子束引導(dǎo)系統(tǒng)(66)可以以0°≤α ≤ 90°的不同入射角α提供，0°為水平入射角α，90°為從上方垂直入射的入射角α。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用離子束(150)進(jìn)行放射治療的粒子加速器。該粒子加速器包括六重同步加速器環(huán)(100)，其具有六個(gè)直線離子束段(1至6)和六個(gè)曲形離子束段(7至12)。用于將直線加速離子束引入同步加速器環(huán)(100)的射入裝置(43)布置在六個(gè)直線離子束段(1至6)的直線離子束段(1)中。沿著第二直線離子束段(5)的路線，存在至少一個(gè)用于離子束的加速裝置(44)。用于將幾個(gè)循環(huán)之后高速加速的離子束引出的引出裝置(45)設(shè)置在第三直線離子束段(4)中。每個(gè)曲形離子束段(7至12)包括一對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)。水平散焦的四極磁體(31至36)布置在每對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)之間；以及水平聚焦的四極磁體(25至30)在直線離子束段(1至6)中布置在每對(duì)偶極磁體(13/14、15/16、17/18、19/20、21/22和23/24)的上游。
文檔編號(hào)H05H15/00GK101023715SQ200580019535
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2005年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月16日
發(fā)明者克勞斯·布拉舍, 伯恩哈德·弗蘭扎克 申請(qǐng)人:重離子研究有限公司