DE69603497T2

DE69603497T2 - Verfahren zum entfernen der geladenen teilchen aus einem isochronen zyklotron und dieses verfahren verwendende vorrichtung

Info

Publication number: DE69603497T2
Application number: DE69603497T
Authority: DE
Inventors: Yves Jongen
Original assignee: Ion Beam Applications SA
Current assignee: Ion Beam Applications SA
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: EP0853867A1; EP0853867B1; WO1997014279A1; ATE182739T1; BE1009669A3; GR3031392T3; JP4008030B2; ES2135918T3; JPH11513528A; US6057655A; DE69603497D1

Description

Geoenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode zur Extraktion von geladenen Teilchen aus einem isochronen Zyklotron, bei dem das Teilchenbündel durch Sektoren fokussiert wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf das isochrone Zyklotron, bei dem diese Methode zur Extraktion von geladenen Teilchen angewandt wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich sowohl auf die kompakten Zyklotrone, als auch auf die Zyklotrone mit Fokussierung durch Sektoren. Ebenso bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die sogenannten supraleitenden oder nicht-supraleitenden isochronen Zyklotrone.

Stand der Technik

Zyklotrone sind Teilchenbeschleuniger, die insbesondere zur Erzeugung von radioaktiven Isotopen verwendet werden. Diese Zyklotrone bestehen gewöhnlich aus zwei getrennten hauptsächlichen Komponenten, die einerseits von dem Elektromagneten, und andererseits von dem Hochfrequenzresonator gebildet werden.
Der Elektromagnet bewirkt die Führung der geladenen Teilchen auf einer Bahn, die ungefähr eine Spirale mit im Laufe der Beschleunigung zunehmendem Radius darstellt. Bei den modernen Zyklotronen vom isochronen Typ sind die Pole der Elektromagneten in Sektoren unterteilt, die abwechselnd einen kleinen Luftspalt und einen größeren Luftspalt aufweisen. Die azimutale Variation des Magnetfeldes, die sich daraus ergibt, bewirkt eine vertikale und horizontale Fokussierung des Bündels im Laufe der Beschleunigung.
Bei den isochronen Zyklotronen wird ist es sinnvoll, zu unterscheiden zwischen den Zyklotronen vom kompakten Typ, die durch mindestens eine hauptsächliche, kreisförmige Spule erregt werden, und den sogenannten Zyklotronen mit getrennten Sektoren, wo die magnetische Struktur in völlig autonome, getrennte Einheiten unterteilt ist.
Die zweite Komponente besteht aus den Beschleunigungselektroden, die aus historischen Gründen häufig "Würfel" genannt werden. Dabei wird eine Wechselspannung von mehreren zehn Kilovolt mit der Umlauffrequenz der Teilchen in dem Magneten, oder in alternativer Weise mit einer Frequenz, die ein genaues Vielfaches der Umlauffrequenz der Teilchen in dem Magneten ist, an die Elektroden angelegt. Dies hat zur Folge, daß die Teilchen des in dem Zyklotron umlaufenden Bündels beschleunigt werden.
Bei zahlreichen Anwendungen, bei denen ein Zyklotron verwendet wird, ist es notwendig, das Bündel beschleunigter Teilchen aus dem Zyklotron zu extrahieren, und bis zu einem Target zu führen, wo man es verwenden möchte. Dieser Vorgang der Extraktion des Bündels wird von dem Fachmann auf diesem Gebiet als der schwierigste Schritt bei der Erzeugung eines Bündels beschleunigter Teilchen mittels eines Zyklotrons angesehen. Dieser Vorgang besteht darin, das Bündel von dem Teil des Magnetfeldes, wo es beschleunigt wird, bis zu der Stelle zu bringen, wo es dem Magnetfeld nicht mehr gelingt, das Bündel zurückhalten. In diesem Fall kann sich das Bündel der Wirkung des Magnetfeldes ungehindert entziehen, und es wird aus dem Zyklotron extrahiert.
In dem Fall von Zyklotronen, die positiv geladene Teilchen beschleunigen, ist die Verwendung eines elektrostatischen Deflektors, der die Aufgabe hat, die Teilchen aus dem Magnetfeld herauszuziehen, als Extraktionsvorrichtung bekannt. Um eine solche Wirkung zu erhalten, ist es notwendig, auf dem Weg der Teilchen eine das Septum genannte Elektrode anzuordnen, die einen Teil dieser Teilchen abfängt. Daher ist die Extraktionsausbeute relativ begrenzt, und der Verlust an Teilchen bei dem Septum trägt insbesondere dazu bei, das Zyklotron stark radioaktiv zu machen.
Es ist ebenfalls bekannt, daß negativ geladene Teilchen extrahiert werden können, wenn eine Umwandlung der negativen Ionen in positive Ionen vorgenommen wird, wozu man die negativen Ionen durch eine Folie hindurchlaufen läßt, die die Aufgabe hat, den negativen Ionen ihre Elektronen wegzunehmen. Diese Technik ergibt Extraktionsausbeuten von nahezu 100%, und ermöglicht außerdem die Verwendung einer Vorrichtung, die wesentlich weniger komplex als die zuvor beschriebene Vorrichtung ist. Bei der Beschleunigung der negativen Teilchen ergeben sich jedoch große Schwierigkeiten. Der hauptsächliche Nachteil liegt darin, daß die negativen Ionen zerbrechlich sind, und daher in dem Zyklotron durch restliche Gasmoleküle oder durch starke Magnetfelder, die mit hoher Energie durchlaufen werden, leicht dissoziert werden. Die Transmission des Bündels in dem Beschleuniger ist also begrenzt, was auch zu der Aktivierung des Beschleunigers beiträgt.
Dagegen ermöglichen die Zyklotrone, die positive Teilchen beschleuni gen, höhere Bündel-Stromstärken zu erzeugen, und sie erhöhen die Zuverlässigkeit des Systems, wobei sie zugleich eine starke Verringerung der Größe und des Gewichts der Maschine ermöglichen.
Aufgrund des Dokuments "The review of Scientist Instruments, 27 (1956), Nr. 7" und des Dokuments "Nuclear Instruments and Methods 18, 19 (1962), S. 41-45" von J. Reginald Richardson ist außerdem eine Technik bekannt, gemäß der es gelungen sein soll, das Teilchenbündel aus dem Zyklotron ohne Verwendung einer Extraktionsvorrichtung zu extrahieren. Die Bedingungen, die erforderlich sind, um diese Selbstextraktion zu erhalten, sind besondere Resonanzbedingungen bei der Bewegung der Teilchen in dem Magnetfeld.
Diese beschriebene Methode ist jedoch besonders schwierig zu verwirklichen, und sie soll ein Bündel ergeben haben, dessen optische Eigenschaften derart schlecht waren, daß die Methode in der Praxis nie angewandt wurde.
Das Dokument US-A-0324379 bezieht sich auf eine Vorrichtung vom Zyklotrontyp, die dazu bestimmt ist, Teilchen zu beschleunigen, und die magnetische Mittel besitzt, die im wesentlichen unabhängig von dem azimutalen Winkel sind. Dies bedeutet, daß es ich um ein nicht-isochrones Zyklotron handelt. Außerdem ist anzumerken, daß das beschriebene Zyklotron Mittel zur Extraktion des Bündels besitzt, die aus "Regeneratoren" bzw. "Kompressoren" bestehen, die durch Störung des Magnetfeldes ermöglichen, eine Extraktion des Teilchenbündels zu erhalten.
In dem Dokument WO-93/10651 auf den Namen der Anmelderin wird ein kompaktes isochrones Zyklotron beschrieben, das einen Luftspalt aufweist, der zwischen zwei Hügeln von im wesentlichen elliptischer Form gelegen ist, und dazu neigt, sich an dem radialen Ende der Hügel in der Mittelebene vollständig zu schließen. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung weist ebenfalls herkömmliche Mittel zur Extraktion des Bündels auf, die in dem vorliegenden Fall ein elektrostatischer Deflektor sind.

Ziele der vorliegenden Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Methode zur Extraktion von geladenen Teilchen aus einem isochronen Zyklotron vorzuschlagen, bei der die Verwendung von Extraktionsvorrichtungen, wie sie zuvor beschrieben wurden, vermieden wird.
Ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher, ein isochrones Zyklotron vorzuschlagen, das eine einfachere und wirtschaftlichere Konzeption als die gewöhnlich verwendeten, isochronen Zyklotrone hat.
Die vorliegende Erfindung hat ebenfalls zum Ziel, die Extraktions ausbeute des Teilchenbündels, insbesondere in dem Fall der Extraktion von positiven Teilchen, zu erhöhen.

Kennzeichnende hauptsächliche Elemente der vorliegenden Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode zur Extraktion von geladenen Teilchen aus einem isochronen Zyklotron, das einen Elektromagneten umfaßt, der den magnetischen Kreis bildet, der eine gewisse Anzahl von "Hügel" genannten Sektorpaaren enthält, wo der Luftspalt klein ist, die durch Zwischenräume in Form von "Täler" genannten Sektoren getrennt sind, wo der Luftspalt eine größere Abmessung hat; wobei diese Methode dadurch gekennzeichnet ist, daß ein isochrones Zyklotron mit einem Magnet-Luftspalt zwischen den Hügeln verwirklicht wird, dessen Abmessungen so gewählt werden, daß der minimale Wert dieses Luftsgaltes zwischen den Hügeln in der Nähe des maximalen Radius kleiner als die zwanzigfache Zunahme des Radius pro Umlauf der durch das Zyklotron beschleunigten Teilchen bei diesem Radius ist.
Bei dieser besonderen Konfiguration wird beobachtet, daß die Ionen ohne die Hilfe irgendeiner Extraktionsvorrichtung dem Einfluß des Magnetfeldes entzogen werden können.
Dabei ist anzumerken, daß bei den isochronen Zyklotrone des Standes der Technik der Luftspalt des Magneten im allgemeinen zwischen 5 und 20 cm beträgt, während die Zunahme des Radius pro Umlauf ungefähr 1 mm beträgt. In diesem Fall ist das Verhältnis des Luftspaltes zu der Zunahme des Radius pro Umlauf größer als 50.
Man beobachtet, daß bei Anwendung des hauptsächlichen Merkmals der vorliegenden Erfindung das Magnetfeld in der Nähe der Grenze des Pols des Magneten sehr plötzlich abnimmt, so daß der Selbstextraktionspunkt erreicht wird, bevor die Phasenverschiebung der Teilchen bezüglich der Beschleunigungsspannung 90 Grad erreicht. Auf diese Weise verlassen die Teilchen das Magnetfeld automatisch, ohne Intervention irgendeiner Extraktionsvorrichtung.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann man ins Auge fassen, einen Luftspalt vorzusehen, der ein elliptisches Profil hat, das dazu neigt, sich an dem radialen Ende der Hügel zu schließen, wie in dem Patent WO93/10651 beschrieben ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird infolge einer Unsymmetrie, die bei der Form oder dem Magnetfeld des Sektors absichtlich vorgesehen wird, die Extraktion der Teilchen auf einen Sektor konzentriert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Winkel von dem einen der Sektoren im Bereich des Polradius verringert, um die Umlaufbahnen verschieben zu können, und so die Extraktion des ganzen Bündels auf dieser Seite zu erhalten, so daß zum Beispiel ein Target von großem Volumen bestrahlt werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine besondere Verteilung des Teilchenbündels verwirklicht, so daß mehrere Targets, die in der Bahn des Bündels nebeneinander angebracht sind, gleichzeitig bestrahlt werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise, für die Protonentherapie oder die Erzeugung von Radioisotopen, insbesondere von Radioisotopen, die für die Positronenemissionstomographie (PET) bestimmt sind, verwendet zu werden.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Fig. 1 und 2 geben die magnetischen Profile eines isochronen Zyklotrons gemäß dem Stand der Technik bzw. eines isochronen Zyklotrons, bei dem die Extraktionsmethode gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wieder.
Die Fig. 3 gibt eine explodierte Ansicht der hauptsächlichen Elemente, die ein isochrones Zyklotron bilden, auf schematische Weise wieder.
Die Fig. 4 gibt eine Schnittansicht eines isochronen Zyklotrons wieder.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

Das Profil des Magnetfeldes in einem isochronen Zyklotron hat eine solche Form, daß die Umlauffrequenz der Teilchen konstant und unabhängig von der Energie der Teilchen sein muß. Um die Erhöhung der relativistischen Masse der Teilchen zu kompensieren, muß also das Magnetfeld mit dem Radius zunehmen, damit diese Isosynchronismusbedingung erfüllt wird. Um diesen Zusammenhang zu beschreiben, wird der Feldindex durch die folgende Beziehung definiert:
n = dB/B · R/dR
in der dB/B und dR/R die relative Variation des Magnetfeldes bzw. des Radius bei dem Radius R ist.
Dabei ist anzumerken, daß es unmöglich ist, die Isochronismusbedingung in der Nähe des maximalen Radius des Pols zu erfüllen. In der Tat, in diesem Augenblick nimmt das Feld mit dem Radius ständig zu. Es hat ein Maximum erreicht und beginnt danach, immer rascher abzunehmen.
Die Fig. 1 veranschaulicht die Variation des Feldes als Funktion des Radius bei einem herkömmlichen isochronen Zyklotron. Es ergibt sich eine zunehmende Phasenverschiebung zwischen der Umlauffrequenz der Teilchen und der Resonanzfrequenz der Beschleunigungselektroden. Wenn die Phasenverschiebung 90 Grad erreicht, werden die Teilchen nicht mehr beschleunigt, und sie können diesen Radius nicht überschreiten.
Die Fig. 2 veranschaulicht die Variation des Feldes als Funktion des Radius bei einem isochronen Zyklotron, bei dem die Extraktionsmethode gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Wenn die Abmessungen des Luftspalts des Magneten zwischen den Hügeln auf präzise Weise so gewählt werden, daß der Luftspalt auf einen Wert verringert ist, der kleiner als die zwanzigfache Zunahme des Radius pro Umlauf ist, wird ein Profil des Magnetfeldes beobachtet, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist.
In diesem Fall nimmt das Magnetfeld in der Nähe der Grenze des Pols des Magneten sehr plötzlich ab, so daß der durch den Feldindex n = -1 definierte Selbstextraktionspunkt erreicht wird, bevor die Phasenverschiebung der Teilchen bezüglich der Beschleunigungsspannung 90 Grad erreicht.
Ab diesem Augenblick verlassen die Teilchen automatisch das Magnetfeld, ohne Intervention irgendeiner Extraktionsvorrichtung.
Ein isochrones Zyklotron, wie es bei der Methode zur Extraktion von geladenen Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist in den Fig. 3 und 4 schematisch wiedergegeben. Dieses Zyklotron ist ein kompaktes isochrones Zyklotron, das für die Beschleunigung von positiven Teilchen, und insbesondere von Protonen bestimmt ist.
Die magnetische Struktur 1 des Zyklotrons besteht aus einer gewissen Anzahl von Elementen 2, 3, 4 und 5, die aus einem ferromagnetischen Material verwirklicht sind, und aus Spulen 6, die vorzugsweise aus einem leitenden oder supraleitenden Material verwirklicht sind. Die ferromagnetische Struktur umfaßt in herkömmlicher Weise:
- zwei Basisplatten, die Magnetjoche 2 und 2' genannt werden,
- mindestens drei obere Sektoren 3, und die gleiche Anzahl von unteren Sektoren 3', die bezüglich einer Symmetrieebene 10, die Mittelebene genannt wird, symmetrisch zu den oberen Sektoren 3 angeordnet sind, und durch einen kleinen Luftspalt 8 getrennt sind, wobei diese Sektoren Hügel genannt werden,
- einen Zwischenraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hügeln, wo der Luftspalt größer ist, wobei dieser Zwischenraum Tal 4 genannt wird,
- mindestens eine Flußrückführung 5, die das untere Magnetjoch 2 mit dem oberen Magnetjoch 2' starr verbindet.
Die Spulen 6 sind im wesentlichen kreisförmig, und in dem kreisförmigen Zwischenraum zwischen den Sektoren 3 und 3' und den Flußrückführungen 5 gelegen.
Das zentrale Rohr ist dazu bestimmt, mindestens einen Teil der Quelle der zu beschleunigenden Teilchen 7 aufzunehmen. Diese Teilchen werden in dem Zentrum des Apparates durch an sich bekannte Mittel injiziert.
Bei einem isochronen Zyklotron, das ein Protonenbündel bis auf eine Energie von 11 MeV beschleunigt, ist der Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Luftspalt von 10 mm für ein Magnetfeld von 2 Tesla bei den magnetischen Sektoren 3 und 3' versehen. Die Beschleunigungsspannung beträgt 80 Kilovolt, so daß eine Radiuszunahme von 1,5 mm bei dem maximalen Radius erhalten wird.
Diese ungewöhnliche Wahl der Parameter ermöglicht, daß an dem radialen Ende der Hügel eine extrem rasche Abnahme der äußeren Induktion beobachtet wird, die eine Selbstextraktion des Teilchenbündels vor der Beschleunigungsgrenze ermöglicht, was insbesondere in der Fig. 2 dargestellt ist.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird der Winkel von einem der Sektoren im Bereich des Polradius so verkleinert, daß die Umlaufbahnen verschoben werden können, und die Extraktion des ganzen Bündels auf dieser Seite erhalten werden kann (siehe Fig. 4).
Das extrahierte Teilchenbündel wird dann axial fokussiert und radial defokussiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird dieses Bündelprofil für die gleichzeitige Bestrahlung von vier Targets verwendet, die zwischen den zwei Spulen 6 gelegen sind und in der Bahn des Bündels nebeneinander angebracht sind.

Claims

1. Methode zur Extraktion eines Bündels geladener Teilchen aus einem isochronen Zyklotron (1), das einen Elektromagneten umfaßt, der den magnetischen Kreis bildet, der mindestens eine gewisse Anzahl von "Hügel" genannten Sektoren (3, 3') enthält, wo der Luftspalt verringert ist, die durch Zwischenräume in Form von "Täler" genannten Sektoren (4) getrennt sind, wo der Luftspalt größer ist; wobei die Extraktionsmethode dadurch gekennzeichnet ist, daß das Teilchenbündel ohne Verwendung eines Extraktionsvorrichtung durch eine besondere Anordnung des Magnetfeldes extrahiert wird, die erhalten wird, wenn der Luftspalt des Magneten bei den Hügeln (3, 3') des isochronen Zyklotrons so ausgelegt wird, daß das Verhältnis der Abmessung des Luftspaltes des Magneten bei den Hügeln in der Nähe des maximalen Radius zu der Zunahme des Radius pro Umlauf der durch das Zyklotron beschleunigten Teilchen bei diesem Radius kleiner als 20 ist.

2. Isochrones Zyklotron, bei dem ein Teilchenbündel durch Sektoren fokussiert wird, und das einen Elektromagneten umfaßt, der den magnetischen Kreis bildet, der mindestens eine gewisse Anzahl von "Hügel" genannten Sektoren (3, 3') enthält, wo der Luftspalt kleiner ist, die durch Zwischenräume in Form von "Täler" genannten Sektoren (4) getrennt sind, wo der Luftspalt eine größere Abmessung hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt des Magneten bei den Hügeln (3, 3') so ausgelegt ist, daß das Verhältnis der Abmessung des Luftspalts des Magneten bei den Hügeln in der Nähe des maximalen Radius zu der Zunahme des Radius pro Umlauf der durch das Zyklotron beschleunigten Teilchen bei diesem Radius kleiner als 20 ist.

3. Isochrones Zyklotron gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil des Luftspaltes des Magneten bei den Hügeln ein elliptisches Profil ist, das dazu neigt, sich an dem radialen Ende der Hügel zu schließen.

4. Zyklotron gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sektor eine bezüglich der anderen Sektoren unsymmetrische Form oder ein bezüglich der anderen Sektoren unsymmetrisches Magnetfeld aufweist.

5. Zyklotron gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel von einem der Sektoren im Bereich des Polradius verringert wird.

6. Zyklotron gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine besondere Verteilung des Teilchenbündels verwirklicht wird, so daß mehrere, die in der Bahn des Bündels nebeneinander angebrachte Targets gleichzeitig bestrahlt werden.

7. Verwendung der Methode zur Extraktion der Teilchen gemäß dem Anspruch 1, oder der Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6 zur Protonentherapie oder zur Erzeugung von Radioisotopem, und insbesondere zur Erzeugung von Radioisotopen, die für die Positronenemissionstomographie bestimmt sind.