WO2012062302A1 - Arrangement for producing high-energy proton beams and use of said arrangement - Google Patents

Arrangement for producing high-energy proton beams and use of said arrangement Download PDF

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WO2012062302A1
WO2012062302A1 PCT/DE2011/075220 DE2011075220W WO2012062302A1 WO 2012062302 A1 WO2012062302 A1 WO 2012062302A1 DE 2011075220 W DE2011075220 W DE 2011075220W WO 2012062302 A1 WO2012062302 A1 WO 2012062302A1
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proton
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Thomas HERRMANNSDÖRFER
Thomas E. Cowan
Roland Sauerbrey
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Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf E. V.
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    • A61N5/00Radiation therapy
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    • A61N5/1042X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy with spatial modulation of the radiation beam within the treatment head
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    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21KTECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
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    • G21K1/08Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
    • G21K1/093Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means by magnetic means
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
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    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
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    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61N2005/1085X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy characterised by the type of particles applied to the patient
    • A61N2005/1087Ions; Protons
    • A61N2005/1088Ions; Protons generated by laser radiation

Definitions

  • the application describes an arrangement for generating high-energy proton beams.
  • Laser-driven proton beam therapy uses these polyenergetic proton beams.
  • the aim of proton laser radiation therapy is the targeted, metered and effective irradiation of tumor tissue.
  • Chang-Ming Ma proposes in US 7,268,835 B2 and US 7,317,192 A,
  • Proton accelerators lead to a combination of sensitive medical treatment methods in operation large
  • the object of the invention is to specify an arrangement for generating
  • Proton beam therapy can be applied, which eliminates the shortcomings of the prior art.
  • inventive arrangement allows an effective compact and precise proton beam and simultaneously generates a spatially differentiated high-energy proton beam.
  • Irradiation by high-energy photons means that the tumor can be more effectively eliminated due to the energy input of the protons and the healthy tissue surrounding the tumor can be protected more efficiently.
  • the energy required to generate a magnetic pulse is only 10 to 100 kJ. With an electricity price of ⁇ 0, 1 EUR / kWh, costs per pulse amount to between 0.0003 and 0.003 EUR.
  • Fig. 1 shows the basic structure.
  • Fig. 2 shows the control of the energy of the proton beam by varying the magnetic flux density of the coils.
  • Figs. 3 and 4 show possible embodiments of the coils and
  • Fig. 5 shows a possible embodiment of an arrangement for generating high-energy proton beams and their use.
  • Protons can be compared to high-energy photons by means of
  • Magnetic fields are deflected and selected.
  • the principle is based on the
  • Magnetic fields to reduce beam radii and dimensions of the magnets to reasonable size are chosen so that the amplitude of the magnetic field is chosen so that the
  • Three-phase power connections (25 to 250 A, 10 to 100 kW) are handled.
  • Fig. 1 shows a basic arrangement according to the invention for generating high-energy proton beams, consisting of a coil 1 for
  • Fig. 1 Collimation of the protons, coils (shown in Fig. 1 as Helmholtz coil pairs) for energy selection 2 and proton beam 3.
  • the replacement image of the pulse circuit 4 is shown, the charger from charger V, charging relay R, pulse discharge capacitor C, triggerbarem
  • High current switch T is composed, the coils 1, 2 and 3 separately or together, as shown in the picture, are pulsed. These coils can be operated with pulse generators, including several
  • Chargers can be connected in parallel to achieve very short charging times.
  • the energy selection of the partial proton beam of highest energy E x takes place with a pulsed Helmholtz coil pair.
  • the proton beam of highest energy is selected and then the beam will be guided by known concepts on the area to be irradiated. It makes sense, the coil for proton beam 3 is performed pulsed. In this case, the radiation intensity incident on the area to be irradiated can be determined by the choice of the pulse time of the proton beam during the pulse of the magnetic field. It is useful to split off not only a fixed energy level of the
  • the total energy of the remaining proton beam area is very small compared to the energy of the original proton beam.
  • a possible advantageous arrangement for operating the magnetic coils is the use of a 30 to 100 kJ / 10 to 20 kV / 50 kA / 0.2 to 0.4 GW pulse current generator using one or more parallel-connected voltage-controlled capacitor medium voltage charging devices and operate a laser-triggered high-current thyristor, the used transient medium-voltage pulse discharge capacitors (10 to 20 kV, 50 ⁇ each) and a laser-triggered high-current thyristor operate (60 kA).
  • the charging power achieved at 400 V and 32 A is about 16 kW.
  • a triggerable high-current switch can Thyrostorschalter, Ignitrons,
  • Thyratrons IGBTs and other variants can be used.
  • Pulse train in series An amount of energy of about 30 kJ is already sufficient for the operation of the solenoid coils shown, larger energies can also be used.
  • Pulse discharge capacitors (16 kV, 50 ⁇ each) and Ignitron high current switch can also be used.
  • Coils with iron cores can not be used for this arrangement, because very strong magnetic fields are built up and the iron cores reach the saturation region.
  • Known superconducting inductors can also not be used or are not well suited, because these for are designed for continuous operation and can not be used in pulse mode at pulse times in the micro and millisecond range.
  • a further advantageous embodiment of the coil form in one or more coils is the curved shape (similar to a banana), as shown in Fig. 4, because thus the beam guidance in the direction of the area to be irradiated can be made more efficient. At the same time, this shape allows easy separation of proton beams with simultaneous guidance of the
  • a further advantageous embodiment of the coils is the arrangement of individual coils as quadrupoles or multipoles, such. Example of the quadrupole shown in Fig. 3, with the targeted influence on individual protons of different energies can be taken.
  • Proton beams can be used in laser-driven proton beam therapy.
  • the amplitude of the magnetic inductance B is selected in the range of greater than 2 T, preferably up to 60 T, more preferably in the range of 20 to 30 T. This achieves focusing distances for collimation and deflection of the proton beam in the cm range. Coils with this size of the magnetic field are in principle suitable for continuous operation, because in the pulse generation, the resulting mechanical stresses are still in the elastic range of material coefficients.
  • the pulsed generation of the magnetic field with pulse times in the range of 0.1 to 1.0 ms does not represent a disadvantage to the use of static magnets, since the laser-driven proton beam therapy also takes place in a pulsed manner and substantially shorter time scales are used ,
  • the beam guide also perform pulsed compared to the
  • Proton pulse (Pi or P 2 ) at the rise of the magnetic pulse at a certain time t on the coil.
  • the time t correlates with the required one
  • Flux density B and the associated energy E are Flux density B and the associated energy E.
  • the other variant uses magnetic pulses of different levels of magnetic inductance and the proton pulse P hits exactly the maximum of the magnetic pulse on the coil.
  • Fig. 5 shows a possible arrangement for generating high energy
  • Proton beams and their use in proton beam therapy comprising magnetic coils, sector magnets,
  • inventive arrangement is reduced by a factor of 3 in length or width over the prior art, because dimensions of about 3 meters are possible.
  • Coil elements in the range from -200 T / m to 400 T / m can be reached at the end of the assembly proton energies in the treatment range from 160 to about 250 MeV.

Abstract

The invention relates to an arrangement for producing high-energy proton beams using pulsed high-field magnetic coils. Said arrangement can be used, among other things, in laser-driven proton beam therapy. An important advantage of irradiation with protons compared to irradiation with high-energy photons is that the tumor is effectively switched off due to the energy input of the protons and the healthy tissue surrounding the tumor can be protected more efficiently. A further advantage of the described arrangement due to the use of high pulsed magnetic fields is that proton beam apparatuses for medical applications, among other things, can be produced as "tabletop devices" having a compact size, in other words, with considerably reduced investment funds. First examinations show that dimensional savings in the length and the width by a factor of at least 3 can be achieved. The energy consumption needed to produce a magnetic pulse is only 10 to 100 kJ. At an electricity price of ~0.1 EUR/kWh, costs of 0.0003 to 0.003 EUR per pulse are incurred. A further advantage of the arrangement according to the invention is the simplified dosing of the radiation intensity and the more accurate focusing of the region to be irradiated. Thus, said devices can be operated more easily.

Description

Anordnung zur Erzeugung hochenergetischer Protonenstrahlen  Arrangement for generating high-energy proton beams
und deren Verwendung  and their use
Technisches Gebiet  Technical area
[0001 ] Die Anmeldung beschreibt eine Anordnung zur Erzeugung hochenergetischer Protonenstrahlen. Die lasergetriebene Protonenstrahltherapie verwendet diese polyenergetischen Protonenstrahlen. Ziel der Protonenlaserstrahltherapie ist die gezielte, dosierte und effektive Bestrahlung des Tumorgewebes.  The application describes an arrangement for generating high-energy proton beams. Laser-driven proton beam therapy uses these polyenergetic proton beams. The aim of proton laser radiation therapy is the targeted, metered and effective irradiation of tumor tissue.
Stand der Technik  State of the art
[0002] Chang-Ming Ma schlägt in US 7,268,835 B2 bzw. US 7,317,192 A vor,  Chang-Ming Ma proposes in US 7,268,835 B2 and US 7,317,192 A,
supraleitende Magnete zur Strahlführung zu verwenden. Gleichzeitig werden Energien der Protonenstrahlen und die Strahlführung untersucht.  to use superconducting magnets for beam guidance. At the same time, the energies of the proton beams and the beam guidance are investigated.
[0003] Die Protonenstrahltherapie unter Verwendung klassischer  [0003] Proton beam therapy using classical
Protonenbeschleunigungsanlagen führt zu einer Kombination sensibler medizinischer Behandlungsmethoden im Betrieb großer  Proton accelerators lead to a combination of sensitive medical treatment methods in operation large
Forschungseinrichtungen. Die Einrichtung der nach dem Stand der Technik benötigten Beschleunigungsanlagen in medizinischen Zentren erfordert große Strukturmaßnahmen und beträchtliche Investitionen.  Research institutions. The establishment of the prior art accelerator systems in medical centers requires major structural measures and significant investment.
Kurzbeschreibung der Erfindung  Brief description of the invention
[0004] Eine kompakte und präzise Protonen-Strahlführung ist vor allem bei kleinen  A compact and precise proton beam guidance is especially for small
Tumorstrukturen notwendig. Bei der Behandlung großer Tumorstrukturen scheint die Verwendung eines polyenergetischen Protonenstrahls erforderlich, um eine zeitgleiche Ausschaltung des gesamten Tumorvolumens zu erreichen. Für diesen Fall muss der Protonenstrahl räumlich differenziert sein, damit die Protonen mit optimaler Energie an die jeweilige Absorptionsposition gelenkt werden. Diese Anforderungen an die Strahlführung und die Steuerung der Energie ist mit den Anordnungen und Verfahren des bisherigen Standes der Technik nicht mit der erforderlichen Genauigkeit möglich.  Tumor structures necessary. In the treatment of large tumor structures, the use of a polyenergetic proton beam seems to be required to achieve simultaneous elimination of the total tumor volume. In this case, the proton beam must be spatially differentiated, so that the protons are directed to the respective absorption position with optimal energy. These beam guidance and power control requirements are not possible with the required accuracy with the prior art arrangements and methods.
Technische Aufgabe  Technical task
[0005] Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Anordnung zur Erzeugung  The object of the invention is to specify an arrangement for generating
hochenergetischer Protonenstrahlen, die speziell in der lasergetriebenen  high-energy proton beams, especially in the laser-driven
Protonenstrahltherapie angewendet werden kann, die die Mängel des Standes der Technik beseitigt.  Proton beam therapy can be applied, which eliminates the shortcomings of the prior art.
Technische Lösung  Technical solution
[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung, die gepulste Hochfeld-Magnet- Spulen verwendet und im Anspruch 1 beschreiben wird. Vorteilhafte  The object is achieved by an arrangement which uses pulsed high-field magnetic coils and is described in claim 1. advantageous
Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben. [0007] Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt eine wirkungsvolle kompakte und präzise Protonenstrahlführung und erzeugt gleichzeitig einen räumlich differenzierten hochenergetischen Protonenstrahl. Embodiments are given in the subclaims. The inventive arrangement allows an effective compact and precise proton beam and simultaneously generates a spatially differentiated high-energy proton beam.
Vorteilhafte Wirkungen  Advantageous effects
[0008] Wesentlicher Vorteil bei der Bestrahlung mit Protonen gegenüber der  Significant advantage of the irradiation with protons over the
Bestrahlung mittels hochenergetischer Photonen ist, dass der Tumor aufgrund des Energieeintrages der Protonen effektiver ausgeschaltet und das den Tumor umgebende gesunde Gewebe effizienter geschützt werden kann.  Irradiation by high-energy photons means that the tumor can be more effectively eliminated due to the energy input of the protons and the healthy tissue surrounding the tumor can be protected more efficiently.
[0009] Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung durch den Einsatz hoher gepulster Magnetfelder ist, dass sich Protonenstrahlvorrichtungen unter anderem für medizinische Anwendungen räumlich sehr kompakt als  Another advantage of the arrangement described by the use of high pulsed magnetic fields is that proton beam devices, among other things for medical applications spatially very compact
„Tischgeräte"(„tabletop-device"), d. h. unter erheblich reduzierten  "Tabletop-device", d. H. under considerably reduced
Investitionsmitteln, produziert werden können.  Investment funds, can be produced.
[0010] Der benötigte Energieverbrauch zur Erzeugung eines Magnetpulses beträgt lediglich 10 bis 100 kJ. Bei einem Strompreis von ~ 0, 1 EUR/kWh fallen dabei pro Puls Kosten in Höhe von 0,0003 bis 0,003 EUR an.  The energy required to generate a magnetic pulse is only 10 to 100 kJ. With an electricity price of ~ 0, 1 EUR / kWh, costs per pulse amount to between 0.0003 and 0.003 EUR.
[001 1 ] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die vereinfachte  [001 1] Another advantage of the arrangement according to the invention is the simplified
Dosierung der Strahlungsintensität und die genauere Fokussierung des zu bestrahlenden Gebiets. Dadurch werden diese Geräte einfacher bedienbar. Dose of the radiation intensity and the more precise focusing of the area to be irradiated. This makes these devices easier to use.
Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren Short description of the drawing figures
[0012] Die Erfindung wird mit Hilfe von Abbildungen beschrieben. Abb. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau. Abb. 2 zeigt die Regelung der Energie des Protonenstrahls durch Variation der magnetischen Flussdichte der Spulen. Abb. 3 und 4 zeigen mögliche Ausführungsformen der Spulen und Abb. 5 zeigt eine mögliche Ausführung einer Anordnung zu Erzeugung hochenergetischer Protonenstrahlen und deren Verwendung.  The invention will be described with the aid of figures. Fig. 1 shows the basic structure. Fig. 2 shows the control of the energy of the proton beam by varying the magnetic flux density of the coils. Figs. 3 and 4 show possible embodiments of the coils and Fig. 5 shows a possible embodiment of an arrangement for generating high-energy proton beams and their use.
Beschreibung der Ausführungsarten  Description of the embodiments
[0013] Protonen können im Vergleich zu hochenergetischen Photonen mittels  Protons can be compared to high-energy photons by means of
Magnetfelder umgelenkt und selektiert werden. Das Prinzip basiert auf der Magnetic fields are deflected and selected. The principle is based on the
Lorentzkraft und entspricht der Wirkungsweise eines Massenspektrometers. ZurLorentz force and corresponds to the mode of action of a mass spectrometer. to
Protonenstrahltherapie werden allerdings hochenergetische Protonen im However, proton beam therapy will produce high energy protons
Energiebereich von 10 bis 200 MeV benötigt, die sich unter nichtrelativistischer Energy range of 10 to 200 MeV is required, which is under non-relativistic
Vereinfachung folgender Beziehungen Simplifying the following relationships
r = rripVp / e B = (2 U mp/ e) y7 B mit vp = (2 e U / mp r = rripVp / e B = (2 U m p / e) y 7 B with v p = (2 e U / m p
entsprechend in kleineren Feldern nur geringfügig ablenken lassen. Protonen einer Energie von 10 MeV würden beispielsweise bei magnetischen Flussdichten only slightly deflected in smaller fields. For example, protons of 10 MeV energy would be at magnetic flux densities
B = 1 T (übliche Größenordnung für die Führung von Elektronen) einen Umlenkradius von r = 46 cm erfahren. Damit würden Strahlführungsmagnete beträchtlicher bzw. unrealistischer Größe benötigt. B = 1 T (usual order of magnitude for the conduction of electrons) one Deflection radius of r = 46 cm experienced. This would require beam guiding magnets of considerable or unrealistic size.
[0014] Die hohen Geschwindigkeiten der Protonen (siehe Tab. 1 ) erfordern starke The high speeds of the protons (see Tab. 1) require strong
Magnetfelder um Strahlradien und Maße der Magnete auf vernünftige Größe zu reduzieren. Die Amplitude des Magnetfeldes ist so gewählt, dass die  Magnetic fields to reduce beam radii and dimensions of the magnets to reasonable size. The amplitude of the magnetic field is chosen so that the
Fokussierstrecken zur Kollimation und Umlenkung des Protonenstrahls auf cm- Wegstrecken erfolgt.  Focusing distances for collimation and deflection of the proton beam on cm-distances made.
[0015] Der Einsatz von gepulsten Pulsfeldspulen mit magnetischen Flussdichten in Höhe der vier- bis fünffachen Größe der magnetischen Flussdichte  The use of pulsed pulse field coils with magnetic flux densities in the amount of four to five times the size of the magnetic flux density
supraleitender Spulen führt zu einer vier- bis fünffachen stärkeren  superconducting coils leads to a four to five times stronger
Bahnkrümmung und einer damit zu einer effizienteren Energieselektion.  Web curvature and thus a more efficient energy selection.
[0016] Trotz der Höhe der magnetischen Flussdichten ist der Betrieb der gepulsten Despite the magnitude of the magnetic flux densities, the operation of the pulsed
Magnetfeldspulen energetisch von Vorteil, weil die kurzen Pulszeiten moderatere Anschlussleistungen und Pulsenergien im Bereich von 10 bis 100 kJ erfordern. Pulswiederholraten von 1 s"1 können beispielsweise mit konventionellen Magnetic coils energetically advantageous because the short pulse times require more moderate connection power and pulse energies in the range of 10 to 100 kJ. For example, pulse repetition rates of 1 s "1 can be achieved with conventional
Drehstromanschlüssen (25 bis 250 A, 10 bis 100 kW) bewältigt werden.  Three-phase power connections (25 to 250 A, 10 to 100 kW) are handled.
[0017] Abb. 1 zeigt eine prinzipielle erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von hochenergetischen Protonenstrahlen, bestehend aus einer Spule 1 zur  Fig. 1 shows a basic arrangement according to the invention for generating high-energy proton beams, consisting of a coil 1 for
Kollimation der Protonen, Spulen (in Abb. 1 als Helmholtz-Spulenpaare dargestellt) zur Energieselektion 2 und Protonenstrahlführung 3. Im oberen Bereich der Abb. 1 ist das Ersatzbild des Pulsstromkreises 4 dargestellt, der aus Ladegerät V, Laderelais R, Pulsentladungskondensator C, triggerbarem  Collimation of the protons, coils (shown in Fig. 1 as Helmholtz coil pairs) for energy selection 2 and proton beam 3. In the upper part of Fig. 1, the replacement image of the pulse circuit 4 is shown, the charger from charger V, charging relay R, pulse discharge capacitor C, triggerbarem
Hochstromsschalter T zusammensetzt ist, wobei die Spulen 1 , 2 und 3 separat oder gemeinsam, wie im Bild dargestellt, gepulst werden. Diese Spulen lassen sich mit Pulsstromgeneratoren betreiben, wobei unter anderem mehrere  High current switch T is composed, the coils 1, 2 and 3 separately or together, as shown in the picture, are pulsed. These coils can be operated with pulse generators, including several
Ladegeräte parallel geschaltet werden können, um sehr kurze Ladezeiten zu erreichen.  Chargers can be connected in parallel to achieve very short charging times.
[0018] Vor der Spule zur Kollimation befinden sich noch die Protonenquelle und Linsen zur Fokussierung.  Before the coil for collimation are still the proton source and lenses for focusing.
[0019] Die Energieselektion des Teilprotonenstrahls höchster Energie Ex (mit Ei > E2 > E3 > ...) erfolgt mit einem gepulsten Helmholtz-Spulenpaar. The energy selection of the partial proton beam of highest energy E x (with Ei> E 2 > E 3 > ...) takes place with a pulsed Helmholtz coil pair.
[0020] Der Protonenstrahl höchster Energie wird ausgewählt und anschließend wird der Strahl mittels bekannter Konzepte auf das zu bestrahlende Gebiet geführt werden. Sinnvollerweise wird auch die Spule zur Protonenstrahlführung 3 gepulst ausgeführt. Dabei kann die auf das zu bestrahlende Gebiet auftreffende Strahlungsintensität durch die Wahl des Pulszeitpunktes des Protonenstrahls während des Pulses des Magnetfeldes bestimmt werden. [0021 ] Sinnvoll ist die Abspaltung nicht nur eines festen Energieniveaus des The proton beam of highest energy is selected and then the beam will be guided by known concepts on the area to be irradiated. It makes sense, the coil for proton beam 3 is performed pulsed. In this case, the radiation intensity incident on the area to be irradiated can be determined by the choice of the pulse time of the proton beam during the pulse of the magnetic field. It is useful to split off not only a fixed energy level of the
Protonenstrahls höchster Energie, sondern eines Teilprotonenstrahlbereichs höchster Energie mit E-ι bis Ex mit x + 1 , bevorzugt x = 2 oder 3. Die gesamte Energie des verbleibenden Protonenstrahlbereichs wird sehr klein gegenüber der Energie des ursprünglichen Protonenstrahls. Proton beam highest energy, but a Teilprotonenstrahlbereichs highest energy with E-ι to E x with x + 1, preferably x = 2 or 3. The total energy of the remaining proton beam area is very small compared to the energy of the original proton beam.
[0022] Erste Untersuchungen zeigen, dass ein Aufbau zur Protonenstrahlführung mit einer kompakten Anordnung als Gantry (Ausdehnung in jede Richtung etwa 3 m), welche Magnetspulen, Sektormagnete, Quadrupols und/oder Blenden umfasst, möglich ist, bei der durch eine optimale Auslegung Energien von 160 bis 250 MeV erreicht werden können. Der Vorteil durch die Ausnutzung dieser erfindungsgemäßen Anordnungen sind die enormen Platzeinsparungen gegenüber bisher bekannten Anordnungen.  Initial studies show that a structure for proton beam guidance with a compact arrangement as a gantry (expansion in each direction about 3 m), which includes solenoids, sector magnets, quadrupoles and / or diaphragms is possible, in which by an optimal design energies from 160 to 250 MeV can be achieved. The advantage of the use of these arrangements according to the invention are the enormous space savings compared to previously known arrangements.
Pulsstromgenerator  Pulse Generator
[0023] Eine mögliche vorteilhafte Anordnung zum Betreiben der Magnetspulen ist die Verwendung von einem 30 bis 100 kJ / 10 bis 20 kV / 50 kA / 0,2 bis 0,4 GW- Pulsstromgenerator unter Verwendung eines oder mehrerer parallel geschalteter spannungsgeregelter Kondensator-Mittelspannungsladegeräte und einem lasergetriggerten Hochstrom-Thyristor betreiben, wobei die verwendeten durchschwingfähigen Mittelspannungs-Pulsentladungskondensatoren (10 bis 20 kV, je 50 μΡ) und einem lasergetriggerten Hochstrom-Thyristor betreiben (60 kA). Die dabei erreichte Ladeleistung beträgt bei 400 V und 32 A etwa 16 kW. Als triggerbare Hochstromschalter können Thyrostorschalter, Ignitrons,  A possible advantageous arrangement for operating the magnetic coils is the use of a 30 to 100 kJ / 10 to 20 kV / 50 kA / 0.2 to 0.4 GW pulse current generator using one or more parallel-connected voltage-controlled capacitor medium voltage charging devices and operate a laser-triggered high-current thyristor, the used transient medium-voltage pulse discharge capacitors (10 to 20 kV, 50 μΡ each) and a laser-triggered high-current thyristor operate (60 kA). The charging power achieved at 400 V and 32 A is about 16 kW. As a triggerable high-current switch can Thyrostorschalter, Ignitrons,
Thyratrons, IGBTs und andere Varianten verwendet werden.  Thyratrons, IGBTs and other variants can be used.
[0024] Die hier gezeigten Spulen lassen sich sowohl einzeln, als auch in  The coils shown here can be both individually, as well as in
Serienschaltung pulsen. Eine Energiemenge von etwa 30 kJ ist für den Betrieb der gezeigten Magnetspulen bereits hinreichend, größere Energien können ebenfalls verwendet werden.  Pulse train in series. An amount of energy of about 30 kJ is already sufficient for the operation of the solenoid coils shown, larger energies can also be used.
[0025] Ein 32 kJ / 16 kV / 250 kA / 2 GW- Hochleistungspulsstromgenerator mit  A 32 kJ / 16 kV / 250 kA / 2 GW high-power pulse generator with
spannungsgeregeltem Kondensator-Mittelspannungsladegerät (16 kW, 400 V, 32 A), mehreren durchschwingfähigen Mittelspannungs- voltage-controlled capacitor medium-voltage charger (16 kW, 400 V, 32 A), several medium-voltage transient-capable
Pulsentladungskondensatoren (16 kV, je 50 μΡ) und Ignitron-Hochstromschalter kann ebenfalls verwendet. Pulse discharge capacitors (16 kV, 50 μΡ each) and Ignitron high current switch can also be used.
Spulen  Do the washing up
[0026] Spulen mit Eisenkernen können für diese Anordnung nicht verwendet werden, weil sehr starke magnetische Felder aufgebaut werden und die Eisenkerne den Sättigungsbereich erreichen. Bekannte supraleitende Induktivitäten können ebenfalls nicht verwendet werden bzw. sind nicht gut geeignet, weil diese für einen Dauerbetrieb ausgelegt sind und im Pulsbetrieb bei Pulszeiten im Mikro- und Millisekundenbereich nicht verwendet werden können. Coils with iron cores can not be used for this arrangement, because very strong magnetic fields are built up and the iron cores reach the saturation region. Known superconducting inductors can also not be used or are not well suited, because these for are designed for continuous operation and can not be used in pulse mode at pulse times in the micro and millisecond range.
[0027] Erste Untersuchungen zeigen, dass klassische Helmholtz-Spulenpaare (2 ra ~ H ) oder Zylinderspulen (2 ra ~ H oder 2 ra ~ 3 * 2"2 H) für diese Anordnung verwendet werden können. Initial studies show that classic Helmholtz coil pairs (2 r a ~ H) or cylindrical coils (2 r a ~ H or 2 r a ~ 3 * 2 "2 H) can be used for this arrangement.
[0028] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Spulenform bei einer oder mehreren Spulen ist die gekrümmte Form (ähnlich einer Banane), wie in Abb. 4 dargestellt, weil damit die Strahlführung in Richtung des zu bestrahlendes Gebietes effizienter gestaltet werden kann. Gleichzeitig ermöglicht diese Form die einfache Separierung von Protonenstrahlen mit gleichzeitiger Führung des  A further advantageous embodiment of the coil form in one or more coils is the curved shape (similar to a banana), as shown in Fig. 4, because thus the beam guidance in the direction of the area to be irradiated can be made more efficient. At the same time, this shape allows easy separation of proton beams with simultaneous guidance of the
Protonenstrahls als Kombination der in Abb. 1 dargestellten Spulen 2 und 3. Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Spulen ist die Anordnung einzelner Spulen als Quadrupole oder Multipole, wie z. B. des in Abb. 3 dargestellten Quadrupols, mit dem gezielt Einfluss auf einzelne Protonen verschiedener Energien genommen werden kann.  Proton beam as a combination of the coils 2 and 3 shown in Fig. 1. A further advantageous embodiment of the coils is the arrangement of individual coils as quadrupoles or multipoles, such. Example of the quadrupole shown in Fig. 3, with the targeted influence on individual protons of different energies can be taken.
Verwendung  use
[0029] Die beschriebene Anordnung zur Erzeugung hochenergetischer, gepulster  The described arrangement for generating high-energy, pulsed
Protonenstrahlen kann bei der lasergetriebenen Protonenstrahltherapie angewendet werden.  Proton beams can be used in laser-driven proton beam therapy.
[0030] Die Amplitude der magnetischen Induktivität B wird im Bereich von größer als 2 T, vorzugsweise bis 60 T, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 30 T gewählt. Damit erreicht man Fokussierstrecken zur Kollimation und Umlenkung des Protonenstrahls im cm-Bereich. Spulen mit dieser Größe des magnetischen Feldes sind prinzipiell für Dauerbetrieb geeignet, weil bei der Pulserzeugung die entstehenden mechanischen Belastungen noch im elastischen Bereich der Materialkoeffizienten liegen.  The amplitude of the magnetic inductance B is selected in the range of greater than 2 T, preferably up to 60 T, more preferably in the range of 20 to 30 T. This achieves focusing distances for collimation and deflection of the proton beam in the cm range. Coils with this size of the magnetic field are in principle suitable for continuous operation, because in the pulse generation, the resulting mechanical stresses are still in the elastic range of material coefficients.
[0031 ] Es lässt sich feststellen, dass die gepulste Erzeugung des Magnetfeldes mit Pulszeiten im Bereich von 0,1 bis 1 ,0 ms keine Nachteile zu dem Gebrauch statischer Magnete darstellt, da die lasergetriebene Protonenstrahltherapie ebenfalls gepulst stattfindet und dabei wesentlich kürzere Zeitskalen verwendet werden.  It can be stated that the pulsed generation of the magnetic field with pulse times in the range of 0.1 to 1.0 ms does not represent a disadvantage to the use of static magnets, since the laser-driven proton beam therapy also takes place in a pulsed manner and substantially shorter time scales are used ,
[0032] Die Strahlführung ebenfalls gepulst auszuführen hat gegenüber den  The beam guide also perform pulsed compared to the
konventionellen resistiven Dauerstrom- oder supraleitenden Magneten den Vorteil, dass auf die Kühlung mit Helium verzichtet werden kann. Es zeigt sich, dass Luft- oder Stickstoffkühlung bzw. Kühlung mit stickstoffhaltigen Gasen ausreichend ist. [0033] Die Auswahl der Energie E des Protonenpulses erfolgt über die Höhe der magnetischen Flussdichte B des magnetischen Feldes (Abb. 2). Eine Variante verwendet magnetische Pulse der Spulen mit einer Flussdichte die größer als die benötigte Flussdichte ist (durchgezogene Linie). In diesem Fall trifft der Conventional continuous-current or superconductive magnetoresistive magnets have the advantage that helium cooling can be dispensed with. It turns out that air or nitrogen cooling or cooling with nitrogen-containing gases is sufficient. The selection of the energy E of the proton pulse takes place via the height of the magnetic flux density B of the magnetic field (FIG. 2). One variant uses magnetic pulses of the coils with a flux density which is greater than the required flux density (solid line). In this case, the meets
Protonenpuls (Pi oder P2) am Anstieg des Magnetpulses zu einem bestimmten Zeitpunkt t auf das die Spule. Der Zeitpunkt t korreliert mit der benötigten Proton pulse (Pi or P 2 ) at the rise of the magnetic pulse at a certain time t on the coil. The time t correlates with the required one
Flussdichte B und der damit verbunden Energie E.  Flux density B and the associated energy E.
[0034] Die andere Variante benutzt magnetische Pulse unterschiedlicher Höhe der magnetischen Induktivität und der Protonenpuls P trifft genau im Maximum des magnetischen Pulses auf die Spule.  The other variant uses magnetic pulses of different levels of magnetic inductance and the proton pulse P hits exactly the maximum of the magnetic pulse on the coil.
[0035]  [0035]
Tabelle 1 : Table 1 :
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0001
[0036] Abb. 5 zeigt eine mögliche Anordnung zur Erzeugung hochenergetischer Fig. 5 shows a possible arrangement for generating high energy
Protonenstrahlen und deren Verwendung in der Protonenstrahltherapie. Die in Abb. 5 dargestellte Anordnung umfasst Magnetspulen, Sektormagnete,  Proton beams and their use in proton beam therapy. The arrangement shown in Fig. 5 comprises magnetic coils, sector magnets,
Quadrupol und Blenden. Die damit erreichte Ausdehnung der  Quadrupole and diaphragms. The extent of the achieved
erfindungsgemäßen Anordnung reduziert sich um den Faktor 3 in der Länge oder Breite gegenüber dem bisherigen Stand der Technik, weil Abmessungen von etwa 3 Metern möglich sind. .  inventive arrangement is reduced by a factor of 3 in length or width over the prior art, because dimensions of about 3 meters are possible. ,
[0037] Für die als erstes Beispiel in Abb. 5 gezeigte Anordnung mit Auslegung der  For the first example shown in Fig. 5 arrangement with interpretation of
Spulenelemente im Bereich von -200 T/m bis 400 T/m erreicht man am Ende der Anordnung Protonenenergien im Behandlungsbereich von 160 bis etwa 250 MeV.  Coil elements in the range from -200 T / m to 400 T / m can be reached at the end of the assembly proton energies in the treatment range from 160 to about 250 MeV.

Claims

Ansprüche claims
1 . Anordnung zur Erzeugung hochenergetischer Protonenstrahlen bestehend aus  1 . Arrangement for generating high-energy proton beams consisting of
Protonenquelle, Linsen oder Objekte zur Fokussierung des Protonenstrahls zur Kollimation, zur Energieselektion und zur Strahlführung, dadurch gekennzeichnet, dass gepulste Hochmagnetspulen zur Energieselektion und Strahlführung und optional zur Kollimation verwendet werden.  Proton source, lenses or objects for focusing the proton beam for collimation, energy selection and beam guidance, characterized in that pulsed high magnetic coils are used for energy selection and beam guidance and optionally for collimation.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Spule zur Kollimation eine Zylinderspule ist.  2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the pulsed coil for collimation is a cylindrical coil.
3. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine  3. Arrangement according to claim 1, characterized in that at least one
gepulste Spule zur Energieselektion ein Helmholtz-Spulenpaar ist, bevorzugt ausgeführt als zwei Zylinderspulen.  Pulsed coil for energy selection is a Helmholtz coil pair, preferably designed as two cylindrical coils.
4. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine  4. Arrangement according to claim 1, characterized in that at least one
gepulste Spule zur Energieselektion als Sektormagnet in Kurvenform ausgeführt ist, um eine optionale gleichzeitige Strahlführung zu gewährleisten, wobei die Kurvenform bevorzugt in Bananenform ausgeführt ist.  Pulsed coil for energy selection is designed as a sector magnet in waveform to ensure an optional simultaneous beam guidance, the waveform is preferably carried out in banana shape.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Kurvenform  5. Arrangement according to claim 4, characterized in that in the form of a curve
ausgeführte Spule zur Energieselektion paarweise ausgeführt ist, ähnlich einem Helmholtz-Spulenpaar.  executed coil for energy selection is performed in pairs, similar to a Helmholtz coil pair.
6. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine  6. Arrangement according to claim 1, characterized in that at least one
gepulste Spule zur Energieselektion als Quadrupole oder Multipole ausgeführt ist. Pulsed coil for energy selection is designed as quadrupoles or multipoles.
7. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gepulsten Spulen zur Strahlführung als Helmholtz-Spulenpaare oder/und in Kurvenform bzw. als 7. Arrangement according to claim 1, characterized in that the pulsed coils for beam guidance as Helmholtz coil pairs and / or in curve form or as
Sektormagnet ausgeführt sind, als Kurvenform bevorzugt in Form einer Banane, oder/und als Quadrupol oder/und Multipol ausgebildet sind.  Sector magnet are designed as a waveform preferably in the form of a banana, and / or formed as a quadrupole and / or multipole.
8. Verwendung der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten gepulsten Spulen einzeln oder separat gepulst werden.  8. Use of the arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the pulsed coils used are pulsed individually or separately.
9. Verwendung nach Anspruch 8 in der lasergetriebenen Protonenstrahltherapie.  9. Use according to claim 8 in the laser-driven proton beam therapy.
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