DE102005015601A1 - Teilchenstrahlbeschleuniger, Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem, welches den Teilchenstrahlbeschleuniger verwendet, sowie Verfahren zum Betreiben des Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystems - Google Patents

Teilchenstrahlbeschleuniger, Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem, welches den Teilchenstrahlbeschleuniger verwendet, sowie Verfahren zum Betreiben des Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystems Download PDF

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Abstract

Ein Teilchenstrahlbeschleuniger weist eine HF-KO-Einheit (8) zum Erhöhen der Amplitude der Betatron-Schwingung eines Teilchenstrahls innerhalb eines stabilen Resonanzbereichs sowie eine Extraktions-Quadrupol-Elektromagneteinheit (9) zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs auf. Die HF-KO-Einheit (8) wird innerhalb eines Frequenzbereichs betrieben, in welchem der sich auf einer Umlaufbahn bewegende Strahl nicht über eine Grenze des stabilen Resonanzbereichs hinausgeht, und die Extraktions-Quadrupol-Elektromagneteinheit (9) wird mit einer geeigneten zeitlichen Koordinierung gemäß der Extraktion bzw. Entnahme des Strahls betrieben, so daß der Teilchenstrahl bei einer gewünschten Zeitvorgabe entnommen wird.

Description

  • 1. FACHGEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Teilchenstrahlbeschleuniger, der einen durch Beschleunigung eines von einer Ionenquelle eingeführten Strahls niedriger Energie entlang einer Umlaufkreisbahn erzeugten hochenergetischen Teilchenstrahl ausgibt, sowie ein Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem, welches solch einen Teilchenstrahlbeschleuniger verwendet, und ein Verfahren zum Betreiben des Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystems.
  • 2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
  • Üblicherweise werden für physikalische Experimente und medizinische Anwendungen Strahlen aus geladenen Teilchen bzw. Teilchenstrahlen verwendet, die mit ringförmigen Beschleunigern, wie etwa mit einem Synchrotron erzeugt werden. Der ringförmige Beschleuniger erzeugt einen Teilchenstrahl, indem entlang einer Kreisumlaufbahn geladene Teilchen beschleunigt werden. Der Teilchenstrahl wird aus der Kreisumlaufbahn entnommen und über eine Strahl-Transportleitung zu einer Stelle geführt, an der der Strahl für ein physikalisches Experiment oder für eine medizinische Behandlung verwendet wird.
  • Bei einer in dem ringförmigen Beschleuniger verwendeten Strahl-Extraktionstechnik bzw. Strahl-Entnahmetechnik wird ein elektrisches Hochfrequenzfeld an einen sich auf der Kreisbahn bewegenden Strahl angelegt, um die Amplitude der Betatronschwingung bis zu einem Punkt zu erhöhen, bei dem die Betatronschwingung eine Stabilitätsgrenze überschreitet, und der Teilchenstrahl wird nach außen entnommen, wobei die Strahlentnahme durch Ein- und Ausschalten des elektrischen Hochfrequenzfeldes beginnt und angehalten wird.
  • Ein Beispiel für eine solche Vorgehensweise ist in der geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2 596 292 beschrieben. Obwohl in dieser Patentveröffentlichung ein Strahl-Entnahmeverfahren zum Entnehmen eines Teilchenstrahls von einem Beschleuniger vorgeschlagen wird, bei dem ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld an den sich auf der Kreisbahn bewegenden Strahl angelegt wird, um die Amplitude der Betatronschwingung zu erhöhen, wird in der Veröffentlichung kein geeignetes Verfahren der Frequenzsteuerung für eine Funkfrequenz-Ausblendung (RF-KO) offenbart.
  • Ein anderes Beispiel einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise wird in der geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2 833 602 gefunden, in welcher ein Teilchenbestrahlungssystem offenbart ist, welches eine Strahlablenkeinrichtung aufweist, bei dem durch Verwendung des Verfahrens gemäß der geprüften japanischen Patenveröffentlichung Nr. 2 596 292 ein Teilchenstrahl entnommen wird.
  • Die Strahlablenkeinrichtung führt den Strahl, um einen gewünschten Punkt mit Teilchen zu bestrahlen, die mit dem zuvor erwähnten Strahl-Entnahmeverfahren entnommen worden sind. Die Emission der geladenen Teilchen wird mit der Strahlablenkeinrichtung einmal angehalten und unter Verwendung des gleichen Entnahmeverfahrens mit dem auf einen nächsten Bestrahlungspunkt gerichteten Strahl wieder aufgenommen. Dieser Prozeß wird so oft wie nötig wiederholt.
  • Die Druckschrift „PROGRESS OF RF-KNOCKOUT EXTRACTION FOR ION THERAPY", Proceedings of the European Particle Accelerator Conference (EPAC 2002), Seiten 2739 bis 2741, beschreibt basierend auf dem Strahl-Entnahmeverfahren der geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2 596 292 eine Technik zum Umsetzen einer Hochgeschwindigkeits-Strahlentnahmeoperation sowie einer Unterbrechungsoperation, wobei der entnommene Strahl hinsichtlich der Zeit eine gleichförmige Intensität aufweist.
  • Eine weitere Druckschrift mit dem Titel „Fast beam cut-off method in RF-knockout extraction for spot-scanning", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, Volume 489 (2002), Seiten 59 bis 67, liefert eine detailliertere Beschreibung der in der zuvor erwähnten Druckschrift „PROGRESS OF RF-KNOCKOUT EXTRACTION FOR ION THERAPY" eingeführten Technik.
  • Eine weitere Druckschrift mit dem Titel „Advanced FR-KO slow-extraction method for the reduction of spill ripple", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, Volume 492 (2002), Seiten 253 bis 263, stellt eine detaillierte Beschreibung eines System-Steuerverfahrens zur Verfügung.
  • Gemäß den zuvor erwähnten Druckschriften, die keine Patentveröffentlichungen sind und die ein geeignetes Verfahren zum realisieren des zuvor erwähnten Teilchenbestrahlungssystems der geprüften japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 2 833 602 und Nr. 2 596 292 beschreiben, werden drei Funktionsgeneratoren zum Erzeugen elektrischer Hochfrequenzfelder benötigt, und es ist notwendig, diese drei Funktionsgeneratoren sowie einen Hochfrequenz-Beschleuniger, in welchem querlaufende und längslaufende HF-Felder ein- und ausgeschaltet werden, zu steuern, um die Strahlentnahmeoperation und Unterbrechungsoperation durchzuführen.
  • Dieses erfordert ein aufwendiges Steuersystem, das zu einem teuren Teilchenbestrahlungssystem führt, und außerdem führt dies zu einem Problem hinsichtlich der für medizinische Systeme äußerst wichtigen Geräte-Funktionssicherheit.
  • Ein in dem Teilchenbestrahlungssystem verwendetes Synchrotron muß einen Teilchenstrahl bei sich ändernden Energiepegeln und Strahlintensitäten ausstrahlen. Um den Teilchenstrahl bei einem gewünschten Energiepegel und einer Strahlenintensität aus zustrahlen, ist es notwendig, gemäß allen möglichen Konditionen verschiedene Strahlparameter optimal zu steuern. Daher ist beim Aufbau und Einrichten des Teilchenbestrahlungssystems die Optimierung der Parameter so zeitaufwendig, so daß das System außerordentlich kostenaufwendig wird.
  • Die zuvor erwähnten Druckschriften, die keine Patentveröffentlichungen sind, schlagen Anordnungen vor, die eine Stromversorgung für Elektromagnete mit einer äußerst hohen Stabilität verwenden, so daß diese Anordnungen keine Probleme hinsichtlich der Stabilität bewirken. Wenn zum Zwecke der Kostenreduzierung die Stabilität der Stromversorgung herabgesetzt wird, werden jedoch die resultierenden Schwankungen in der Spannung der Stromversorgung Grenzen eines Stabilitätsbereichs für Schwankungen bewirken. Selbst wenn daher das Teilchenbestrahlungssystem vollständig ausgeschaltet ist, wird infolge der Spannungsschwankung in der Stromversorgung ein Strahl nachträglich emittiert, und dieses wirft ein ernsthaftes Problem auf.
    •
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Lösung für die zuvor erwähnten Probleme in dem Stand der Technik anzugeben. Demgemäß liegt eine spezielle Aufgabe der Erfindung darin, einen Teilchenstrahl-Beschleuniger anzugeben, der es ermöglicht, die Strahl-Entnahmesteuerung zu vereinfachen, eine gesteigerte Funktionssicherheit zu realisieren, die Anzahl der Hardware-Komponenten zu reduzieren, daß Auftreten eines hohen, in dem von Stromversorgungen für Elektromagnete zugeführten Strömen enthaltenen Welligkeitsanteils zu gestatten, und letztendlich eine Kostenreduzierung zu erzielen. Eine andere spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem anzugeben, welches solch einen Teilchenbeschleuniger verwendet, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem anzugeben.
  • Gemäß der Erfindung weist ein Teilchenstrahlbeschleuniger folgendes auf: eine Einrichtung zum Beschleunigen eines Strahls aus geladenen Teilchen bzw. eines Teilchenstahls und zum Umlaufenlassen des Teilchenstrahls entland einer Kreisbahn, eine Einrichtung zum Erzeugen einer Betatron-Schwingung der geladenen Teilchen in einem Resonanzzustand außerhalb eines stabilen Resonanzbereichs, eine Einrichtung zum Erhöhen der Amplitude der Betatron-Schwingung des Teilchenstrahls innerhalb des stabilen Resonanzbereichs, sowie eine Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs.
  • Bei diesem Teilchenstrahlbeschleuniger wird die zuvor erwähnte Einrichtung zum Erhöhen der Amplitude der Betatron-Schwingung innerhalb eines Frequenzbereichs steuerbar betrieben, in welchem der sich auf einer Kreisbahn bewegende Strahl nicht über eine Grenze des stabilen Resonanzbereichs hinausgeht, und die zuvor erwähnte Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs wird steuerbar mit einer geeigneten zeitlichen Koordinierung gemäß einer Strahl-Extraktion bzw. Strahl-Entnahme betrieben, so daß mit gewünschten Zeitvorgaben der Teilchenstrahl entnommen wird.
  • Der Teilchenstrahlbeschleuniger der Erfindung weist eine begrenzte Anzahl von Bauteilen auf, die gesteuert werden müssen, wenn der Teilchenstrahl entnommen wird. Der Teilchenstrahlbeschleuniger ermöglicht es, den Teilchenstrahl kontinuierlich zu entnehmen, und zwar mit der Eigenschaft, die Strahlentnahme mit einer einfachen Steueroparation zu beginnen und zu beenden. Selbst wenn eine Ausgabe von jeder Leistungsversorgung für die Elektromagnete einen hohen Welligkeitsanteil enthält, ist es möglich, bei unerwünschten Zeitpunkten das Auftreten einer Strahlentnahme zu verhindern. Insgesamt ermöglicht der Teilchenstrahlbeschleuniger der Erfindung eine Herabsetzung der Systemgröße, eine Verbesserung der Betriebssicherheit sowie eine Gesamtkostenreduzierung.
  • Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich.
    •
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Darstellung, die schematisch ein Teilchenbestrahlungssystem zeigt, welches einen Teilchenbeschleuniger (Synchrotron) sowie ein Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem gemäß der ersten bis siebten und neunten bis fünfzehnten Ausführungsform der Erfindung kombiniert;
  • 2 ist eine Darstellung, die die Akzeptanz eines Teilchenstrahls während der Beschleunigung zeigt, wenn sich der Strahl in einem Zustand jenseits eines Resonanzzustandes befindet;
  • 3 ist eine Darstellung, die die Akzeptanz eines Teilchenstrahls während der Beschleunigung zeigt, wenn sich der Strahl in einem Zustand nahe eines Resonanzzustandes dritter Ordnung befindet;
  • 4A, 4B, 4C und 4D sind Darstellungen, die zeigen, wie gemäß der ersten bis fünfzehnten Ausführungsform ein Strahl entnommen wird;
  • 5 ist eine Darstellung, die einen Teil einer Strahl-Zuführungseinheit zeigt, welche einen Strahl mit einem Parallel-Abtastverfahren ausstrahlt;
  • 6A, 6B, 6C, 6D, 6E und 6F sind Darstellungen, die ein Betriebsmuster des Teilchenbestrahlungssystems gemäß der ersten und dritten bis fünfzehnten Ausführungsform zeigen, das sich insbesondere auf den Betrieb des Bestrahlungs-Behandlungssystems konzentriert;
  • 7A, 7B, 7C und 7D sind Darstellungen, die ein Betriebsmuster des Teilchenbestrahlungssystems gemäß der ersten bis fünfzehnten Ausführungsform zeigen, das sich insbesondere auf den Betrieb des Synchrotrons konzentriert;
  • 8A, 8B, 8C, 8D, 8E und 8F sind Darstellungen, die ein Betriebsmuster eines Teilchenbestrahlungssystems in einer Abänderung der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
  • 9A, 9B, 9C, 9D, 9E, 9F und 9G sind Darstellungen, die ein Betriebsmuster eines Teilchenbestrahlungssystems bei einer anderen Abänderung der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
  • 10A, 10B, 10C, 10D, 10E und 10F sind Darstellungen, die ein Betriebsmuster eines Teilchenbestrahlungssystems bei noch einer anderen Abänderung der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
  • 11A, 11B, 11C, 11D, 11E, 11F und 11G sind Darstellungen, die ein Betriebsmuster eines Teilchenbestrahlungssystems gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
  • 12A, 12B, 12C, 12D, 12E und 12F sind Darstellungen, die Betriebsmuster des Teilchenbestrahlungssystems gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigen, die insbesondere Operationsbeispiele einer Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit darstellen;
  • 13A, 13B, 13C, 13D, 13E und 13F sind Darstellungen, die Betriebsmuster des Teilchenbestrahlungssystems gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigen, welche insbesondere Beispiele der mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit erzeugten Wellenformen des elektrischen Beschleunigungsfeldes darstellen;
  • 14 zeigt Steinbach-Diagramme, die darstellen, wie ein Strahl gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung entnommen wird;
  • 15 zeigt Steinbach-Diagramme, die darstellen, wie ein Strahl gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung entnommen wird;
  • 16 ist ein Blockdiagramm eines Hochfrequenz-Beschleunigungssystems gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung;
  • 17 ist eine Darstellung, die schematisch ein Teilchenstrahlungs-System gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung zeigt, in welchem die Strahl-Entnahme in einer Strahl-Transportleitung unterbrochen wird;
  • 18A, 18B, 18C, 18D, 18E, 18F, 18G und 18H sind Darstellungen, die Betriebsmuster des Teilchenbestrahlungssystems gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung zeigen, in welchem die Strahl-Ausstrahlung mit einer in der Strahl-Transportleitung vorgesehenen Elektromagneteinheit zum Steuern der Ausstrahlung des Strahles unterbrochen wird;
  • 19 ist eine Darstellung, die zeigt, wie sich die Größe der Separatrix ändert, wenn gemäß der neunten Ausführungsform der Erfindung Welligkeitsanteile in der Stromversorgung berücksichtigt werden; und
  • 20 ist eine Darstellung, die gemäß der dreizehnten Ausführungsform der Erfindung eine für eine Punkt-Abtastbestrahlung verwendete Strahl-Zuführungseinheit sowie die Arbeitsweise hiervon zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGS-FORMEN DER ERFINDUNG
  • Erste Ausführunsgform
  • Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Bezeichnungen beschrieben.
  • 1 ist eine Darstellung, die schematisch ein Teilchenbestrahlungssystem zeigt, in welchem ein Teilchenstrahlbeschleuniger 200 sowie ein Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem kombiniert sind. Es wird auf diese Figur Bezug genommen, in der der Teilchenstrahlbeschleuniger 200 folgendes aufweist: ein Injektions-Septum 3; vier Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4; vier Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5; eine Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6; eine Sextupol-Elektromagneteinheit 7; eine HF-KO-Einheit 8, die einen Hochfrequenzgenerator bildet; eine Extraktions-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 bzw. Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 sowie ein Entnahme-Septum 10.
  • Das Teilchenbestrahlungssystem weist eine Strahl-Injektionseinrichtung 100 auf, die zum Injizieren eines Strahles niedriger Energie in den Teilchenstrahlbeschleuniger in einer stromaufwärtsliegenden bzw. vorgelagerten Stufe des Teilchenstrahlbeschleunigers 200 vorgesehen ist. Die Strahl-Injektionseinrichtung 100 weist eine Ionenquelle 1 sowie einen linearen Beschleuniger 2 auf.
  • Ein von dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 durch das Entnahme-Septum 10 des Teilchenstrahlbeschleunigers 200 entnommener Teilchenstrahl wird durch eine Strahl-Transportleitung 300 zu einer in einem Behandlungsraum vorgesehenen Bestrahlungseinrichtung 400 geführt. Der Teilchenstrahl wird von einer Strahl-Zuführungseinheit 17 der Bestrahlungseinrichtung 400 in Richtung eines Bestrahlungsziels, wie etwa in Richtung eines erkrankten Teils des Unterleibs eines Patienten 30, ausgegeben.
  • Die Strahl-Transportleitung 300 weist eine Ablenk-Elektromagneteinheit 20, einen Strahlmonitor 15, eine Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18, einen Strahldämpfer 19 sowie eine Strahlweg-Ablenk-Elektromagneteinheit 16 auf. Während in dieser Ausführungsform die Strahlweg-Ablenk-Elektromagneteinheit 16 einen Teil der Strahl-Transportleitung 300 bildet, kann die Strahlweg-Ablenk-Elektromagneteinheit 16 in der Bestrahlungseinrichtung 400 enthalten sein.
  • Die Bestrahlungseinrichtung 400 weist zusätzlich zu der Strahl-Zuführungseinheit 17 einen Ziel-Verlagerungssensor 31 zum Erfassen einer Verlagerung des Bestrahlungsziels infolge der Atmung des Patienten 30 auf.
  • Es wird nun der Betrieb des Teilchenstrahlbeschleunigers 200 der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • Der mit dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 beschleunigter Teilchenstrahl ist ein von der Ionenquelle 1 emittierter Ionenstrahl. Der lineare Beschleuniger 2 beschleunigt den von der Ionenquelle 1 emittierten Ionenstrahl bis zu einem Injektions-Energiepegel, der für den Betrieb eines Synchrotrons (d.h. für den Betrieb des Teilchenstrahlbeschleunigers 200) notwendig ist. Der durch das Injektions-Septum 3 injizierte Ionenstrahl wird mit den Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 geführt, um sich entlang einer Kreisbahn des Teilchenstrahlbeschleunigers 200 zu bewegen.
  • Wenn jede der Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 eine Strahlfokussierkraft auf den Ionenstrahl anwendet, fährt der Ionenstrahl ohne eine Zunahme der Strahlgröße (des Strahldurchmessers) fort, entlang der Kreisbahn zu laufen. In dieser Ausführungsform sind die Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 und die Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 in vier Kombinationen angeordnet (jede Kombination weist jeweils eine Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheit 4 sowie eine Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheit 5 auf).
  • Obwohl normalerweise für die horizontale und vertikale Fokussierung des Strahles zwei Arten von Quadrupol-Elektromagneteinheiten mit verschiedenen Polaritäten in dem Synchrotron verwendet werden, sind die Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 dieser Ausführungsform Ablenk-Elektromagneteinheiten, die dazu dienen, eine Strahlfokussierkraft anzuwenden, welche in einer vertikalen Richtung angreift, sowie indem magnetische Felder erzeugt werden, deren Intensitäten sich in radialen Richtungen ändern, oder indem sie Rand- bzw. Kantenwinkel aufweisen.
  • Daher sind die in dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 verwendeten Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 von einem einzigen Typ. Theoretisch übt jede der Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 gleichzeitig eine Ablenkkraft sowie eine horizontale Fokussierkraft auf den Strahl aus.
  • Während der injizierte Strahl mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 beschleunigt wird, werden die Intensitäten der mit den Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 und mit den Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 erzeugten Magnetfelder mit einer Zunahme der Strahlenergie (Bewegungsenergie) erhöht, so daß eine in dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 gebildete Kreisumlaufbahn nicht schwanken wird.
  • Bei Beendigung der Beschleunigung werden die Intensitäten der mit dem Haupt-Ablenk-Elektroeinheiten 4 und mit den Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 erzeugten Magnetfeldern konstant gehalten, und die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 wird deaktiviert, oder die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 wird, wenn sie aktiviert bleibt, bei einer Phase betrieben, bei welcher der Strahl nicht weiter beschleunigt oder abgebremst wird. Demzufolge fährt der Strahl fort, sich mit einer konstanten Energie auf der Kreisbahn zu bewegen.
  • Bevor die Diskussion der Strahl-Entnahme beginnt, wird nun auf einfache Weise das Verhalten von jedem einzelnen Teilchen (Ion) erläutert. Das Teilchen läuft entlang der Strahl-Kreisumlaufbahn, während es mit Hilfe der mit den Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 und mit den Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 ausgeübten Fokussierungskräften um eine zentrale Kreisachse oszilliert. Diese Oszillation des Teilchens wird als Betatron-Schwingung bzw. Betatron-Oszillation bezeichnet.
  • Wenn der Wert eines Bruchteils der Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung entlang der Kreisumlaufbahn 0, 1/2 oder 1/3 (oder 1 – 1/3) beträgt, wird das sich auf der Kreisbahn bewegende Teilchen infolge eines Magnetfeldfehlers in einen Resonanzzustand gebracht. In diesem Zustand nimmt die Amplitude der Betatron-Schwingung zu, und das Teilchen in dem Resonanzzustand kollidiert beispielsweise mit einer Innenwand einer Vakuumkammer und geht letztendlich verloren.
  • Die Resonanzen, die auftreten, wenn der Wert des Bruchteils der Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung 0, 1/2 und 1/3 beträgt, werden jeweils als Resonanz erster Ordnung, als 1/2-Resonanz (Resonanz zweiter Ordnung) und als 1/3-Resonanz (Resonanz dritter Ordnung) bezeichnet. Obwohl infolge der Magnetfeldfehler Resonanzen auftreten, auch wenn der Bruchteil der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung 1/4, 1/5 usw. beträgt, muß insbesondere auf die 1/3-Resonanz (Resonanz dritter Ordnung) und Resonanzen niedriger Ordnung geachtet werden.
  • Wenn der Bruchteil der Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung von diesen Werten stark abweicht, bewegt sich jedes Teilchen innerhalb einer in der 2 gezeigten Ellipse, wenn das Teilchen in einem Phasenraum beobachtet wird, in welchem horizontale und vertikale Achsen die X-Koordinaten und Y-Koordinaten zeigen, wobei x' und y' Neigungen der Bewegungsrichtung des Teilchens hinsichtlich jeweils der horizontalen und der vertikalen Achse darstellen.
  • Wenn die Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung n,25 beträgt (wobei n eine ganze Zahl ist), bewegt sich beispielsweise ein Teilchen, welches eine maximale Amplitude der Betatron-Schwingung aufweist, entlang der äußersten Peripherie der in der 2 gezeigten Ellipse, und es kehrt zu einer Anfangsposition zurück, nachdem es vier Umkreisungen entlang der Kreisumlaufbahn des Teilchenstrahlbeschleunigers 200 durchgeführt hat.
  • Bei der gleichen Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung (n,25) bewegt sich ein Teilchen, welches eine kleine Amplitude der Betatron-Schwingung aufweist, entlang der Peripherie einer kleineren Ellipse, die eine ähnliche Formgebung aufweist, und das Teilchen kehr zu einer Anfangsposition zurück, nachdem es vier Umkreisungen durchgeführt hat. Wenn die Kreisumläufe von vielen mit unterschiedlichen Anfangsphasen injizierten Teilchen verfolgt werden, wird das Innere der in der 2 gezeigten Ellipse vollständig mit Kreisumlaufspuren gefüllt sein, während die Größe der Ellipse konstant bleibt.
  • Es wird nun ein Prozeß der Strahl-Entnahme bzw. Strahl-Extraktion diskutiert. Um die 1/3-Resonanz anzunähern, wird die Betatron-Schwingung in einer horizontalen Richtung gesteuert, indem die mit den Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 erzeugten Magnetfeldern variiert werden, und in typischer Weise wird die Sextupol-Elektro magneteinheit 7 angeregt, um es einfacher zu machen, einen Resonanzzustand zu erzeugen. Ein Bereich, in welchem ein Strahl in einer stabilen Art und Weise ohne eine weitere Verbesserung der Betatron-Schwingung zirkulieren kann, wird als „Akzeptanz" bezeichnet. Infolge der Nichtlinearität der Sextupol-Magnetfelder nimmt, wie es in der 3 gezeigt ist, die Akzeptanz eine dreieckige Formgebung an.
  • Diese dreieckige Formgebung wird als „Separatrix" bezeichnet, deren äußerste Peripherie eine Stabilitätsgrenze der Resonanz oder einen Grenzbereich eines stabilen Resonanzbereichs definiert. Teilchen, die aus der Separatrix herauslaufen, bewegen sich außerhalb entlang dreier Zweige, wobei jedes Teilchen bei jeder Umkreisung entlang der Strahlumlaufbahn von einem Zweig zu dem nächsten Zweig verschoben wird. Die Teilchen, die durch das Entnahme-Septum 10 hindurchgelaufen sind, werden mit dem Entnahme-Septum 10 nach außen abgelenkt und in den Außenbereich des Teilchenstrahlbeschleunigers 200 extrahiert.
  • Die Anordnungen beim Stand der Technik der zuvor erwähnten Patentveröffentlichungen und der Druckschriften, die keine Patentveröffentlichung darstellen, verwenden zum Verschieben von Teilchen zu der Außenseite einer Separatrix ein Verfahren, bei dem die Amplitude der Betatron-Schwingung mit Hilfe eines elektrischen Hochfrequenzfeldes erhöht wird, während die Größe der Separatrix konstant gehalten wird. Eine in diesen aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen verwendete Vorrichtung zum Erzeugen des elektrischen Hochfrequenzfeldes entspricht der HF-KO-Einheit 8 der in der 1 gezeigten ersten Ausführungsform.
  • Der zuvor beschriebene Strahl-Entnahmeprozeß ist von herkömmlicher Art. Im nachfolgenden wird ein Strahl-Entnahmeprozeß dieser Ausführungsform beschrieben. Die in der 1 gezeigte Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 ist eine Elektromagneteinheit, die mit hoher Geschwindigkeit ein Magnetfeld ändern kann. Die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 kann auf verschiedene Weisen konfiguriert sein. Im einzelnen kann die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 von einem Typ sein, der Spulen und Eisenkerne oder geschichtete Kerne, die beispielsweise durch Schichtung von Blechen aus Siliziumstahl aufgebaut sind, aufweist.
  • Wenn ein Bautyp für höchste Geschwindigkeiten bevorzugt ist, sollte die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 als Quadrupol-Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung konfiguriert sein, die nur unter Verwendung von Spulen aufgebaut ist. Wenn die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 in Erregung versetzt ist, nähern sich die sich auf der Kreisbahn bewegenden Teilchen dem Resonanzzustand an, und die Separatrix wird kleiner.
  • Dieses wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die 4A bis 4D beschrieben. Wenn die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 in Erregung versetzt ist (eingeschaltet), wird die Separatrix kleiner, und Teilchen, die aus der Separatrix herauslaufen, werden aus dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 herausgenommen, wie es in der 4A gezeigt ist.
  • Wenn als nächstes die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 ausgeschaltet wird, gehen die sich auf der Kreisbahn bewegenden Teilchen in einen in der 4B gezeigten Zustand über, in welchem kein Teilchenstrahl existiert, der sich in der Nähe des Grenzbereichs der Separatrix auf einer Kreisbahn bewegt. In diesem Zustand kann, selbst wenn die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 eingeschaltet ist, der Teilchenstrahl nicht aus dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 herausgenommen werden.
  • Daher wird die HF-KO-Einheit (Funkfrequenz-Erzeugungseinheit) 8 eingeschaltet, um ein elektrisches Hochfrequenzfeld an den sich auf der Kreisbahn bewegenden Strahl anzulegen, um, wie es in der 4C gezeigt ist, den Strahl aufzuspreizen und dadurch leere Bereiche an dem Grenzbereich der Separatrix mit den sich auf der Kreisbahn bewegenden Teilchen aufzufüllen. Es ist möglich, den Teilchenstrahl zu entnehmen, indem, wie es in der 4B zu sehen ist, die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erneut auf die gleiche Weise, wie es zuvor beschrieben worden ist (4A), eingeschaltet wird.
  • Wenn das elektrische Hochfrequenzfeld lediglich für das Aufspreizen des Strahles verwendet wird, ist nur eine HF-KO-Einheit (Funkfrequenz-Erzeugungseinheit) 8 für die Strahlentnahme erforderlich. Da sich die Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung von Teilchen zu Teilchen und von Amplitude zu Amplitude unterscheidet, gibt es viele sich auf der Kreisbahn bewegende Teilchen, die nicht mit einem elektrischen Feld einer einzelnen Frequenz herausgenommen werden können.
  • Daher ist es vorteilhaft, ein in herkömmlicher Weise verwendetes Frequenz-moduliertes elektrisches Hochfrequenzfeld anzulegen, wobei der Modulationsfaktor auf einen Wert festgelegt sein sollte, bei welchem der Strahl nicht direkt entnommen wird, sondern bei welchem die Teilchen, die sich in der Nähe der Mitte der Separatrix auf einer Kreisbahn bewegen, nach außen gespreizt werden. Das Anlegen eines in herkömmlicher Weise verwendeten frequenz-modulierten elektrischen Hochfrequenzfeldes ist ebenso effektiv. Die HF-KO-Einheit 8 der Ausführungsform erzeugt hinsichtlich des magnetischen Hochfrequenzfeldes ebenso ähnlich vorteilhafte Wirkungen.
  • Der entnommene Teilchenstrahl wird durch die Strahl-Transportleitung 300 zu dem Behandlungsraum geführt und durch die Strahl-Zuführungseinheit 17 auf den Patienten 30 projiziert. Die Strahl-Zuführungseinheit 17 weist Parallel-Abtast-Elektromagnete 21 zur Zielausrichtung des Strahls auf gewünschte Stellen, einen Dosis-Monitor, einen Strahlpositions-Monitor sowie einen Bereichsschieber 22 zum Variieren der Strahlenergie auf.
  • Hier wird unter Bezugnahme auf die 5 ein Beispiel einer Behandlung mit einer punktförmigen Abtastbestrahlung beschrieben, wobei die 5 einen Teil der anlageninternen Bauteile der Strahl-Zuführungseinheit 17 darstellt. Indem vorgeschaltete und nachgeschaltete Parallel-Abtast-Elektromagnete 21 zum linearen Bewegen der Strahlposition verwendet werden, kann die Strahl-Zuführungseinheit 17 mit einem Parallel-Abtast-Verfahren den Strahl auf gewünschte Bestrahlungspunkte entlang einer radialen Richtung eines Zielbereichs richten. Die Strahl-Zuführungseinheit 17 kann den Strahl auf gewünschte Bestrahlungspunkte in einer zweidimensionalen Ebene ausrichten, indem die vorgelagerten und nachgelagerten Parallel-Abtast-Elektromagnete 21 um den gleichen Winkel gedreht werden.
  • Die Anzahl der Bestrahlungspunkte in einer radialen Abtastrichtung beträgt bei praktischen Anwendungen im Mittel etwa 3, und die Abtast-Elektromagnete 21 können mit etwa 50 Schritten gedreht werden, um den Zielbereich mit einer gleichförmigen Dosisverteilung zu bestrahlen. Der Strahl wird gesteuert, um auf verschiedenen Zieltiefen hinzuzielen, indem die Dicke des Bereichsschiebers 22 verändert wird.
  • Von diesen drei Arten der Einstellungen, d.h. der Strahl-Orientierung entlang der linearen (radialen) Abtastrichtung, der Drehung der Abtast-Elektromagneten 21 und der Bestrahlungstiefensteuerung ist die Drehung der Abtast-Elektromagnete 21 jene Art der Einstellung, die am zeitaufwendigsten ist, und die bis etwa 500 ms dauert. Einige 10 ms werden benötigt, um die mit den Abtast-Elektromagneten 21 erzeugten Magnetfelder zu variieren, und der Bereichsschieber 22 benötigt eine Schaltzeit von etwa 30 ms, um seine Dicke zu ändern. Demgemäß wird die Punktabtast-Bestrahlung wie folgt ausgeführt. Im einzelnen richten die Abtast-Elektromagnete 21 die Strahlachse auf einen ersten Bestrahlungspunkt, indem die Strahlachse entlang der radialen Abtastrichtung so weit wie nötig bewegt wird.
  • Als nächstes stellt der Bereichsschieber 22 den Strahl ein, um auf eine bestimmte Bestrahlungstiefe (Zieltiefe) abzuzielen. Dann richten die Abtast-Elektromagnete 21 die Strahlachse auf einen nächsten Bestrahlungspunkt, indem die Strahlachse entlang der radialen Abtastrichtung bewegt wird, und der Bereichsschieber 22 schaltet seine Dicke auf eine nächste Bestrahlungstiefe. Diese Abfolge wird so oft wie nötig wiederholt ausgeführt. Wenn alle Bestrahlungspunkte, die entlang einer radialen Abtast-Richtung aufgenommen werden, bei allen Zieltiefen mit dem Teilchenstrahl bestrahlt worden sind, werden die Abtast-Elektromagnete 21 gedreht, um den Strahl auf Bestrahlungspunkte zu emittieren, die entlang einer nächsten radialen Abtastrichtung genommen werden. Die Bestrahlungszeit pro Lichtpunkt reicht von wenigen Millisekunden bis einigen 10 ms.
  • Der Teilchenstrahl wird von dem Synchrotron 200 entnommen und durch die Strahl-Zuführungseinheit 17 ausgegeben, wenn alle vorausgehenden Operationen zum Ausstrahlen des Strahls auf jeden Bestrahlungspunkt abgeschlossen worden sind. Da die Gesamtzahl der Bestrahlungspunkte einige Tausend oder mehr erreichen kann, ist es notwendig, den Strahl aus dem Synchrotron 200 zu entnehmen, sobald die vorausgehenden Operationen zum Bestrahlen abgeschlossen worden sind.
  • Die 6A bis 6F sind Darstellungen, die ein Beispiel einer Operationsprozedur des Synchrotrons 200 zeigen. Wenn die vorausgehenden Operationen für das Bestrahlen von einem Ziel-Bestrahlungspunkt abgeschlossen worden sind (6A), gibt eine Gesamtsteuerung ein Entnahme-Startsignal aus (6B). Beim Empfang des Entnahme-Startsignals erzeugt die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 ein Magnetfeld (6D). Dann wird der Teilchenstrahl von dem Synchrotron 200 entnommen und durch die Strahl-Zuführungseinheit 17 ausgegeben (6E), und der Dosis-Monitor der Stahl-Zuführungseinheit 17 beginnt damit, den Wert der Dosis zu messen.
  • Der Dosis-Monitor gibt ein Dosis-Vollständigkeitssignal zu einem Zeitpunkt aus, in welchem die Bestrahlung eine zuvor festgeschriebene Dosis erreicht hat (6C). Beim Empfang des Dosis-Vollständigkeitssignals hält die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 das Erzeugen des Magnetfeldes an. Nachfolgend erzeugt die HF-KO-Einheit 8 ein elektrisches Hochfrequenzfeld (6F), um den sich auf einer Kreisbahn bewegenden Strahl nach außen bis zu der Nähe des Grenzbereichs der Separatrix zu spreizen. Gleichzeitig führt die Strahl-Zuführungseinheit 17 die vorausgehenden Operationen für das Bestrahlen eines nächsten Ziel-Bestrahlungspunktes aus. Wenn die vorausgehenden Operationen abgeschlossen worden sind, wird der Teilchenstrahl von dem Synchrotron 200 entnommen und durch die Strahl-Zuführungseinheit 17 erneut mit der gleichen, wie zuvor beschriebenen Operationsprozedur ausgegeben.
  • Wenn ein Organ bestrahlt wird, das sich infolge der Atmung des Patienten 30 außerordentlich bewegt, wie etwa eine Lunge oder eine Leber, wird der Strahl ausgegeben, wenn das Organ während einer Ausatmungsperiode relativ stabilisiert ist. Dieser Ansatz hilft dabei, eine ungewollte Dosis auf normales (gesundes) Gewebe zu reduzieren. Ein Verfahren zum Erzielen einer effektiven Bestrahlung liegt darin, die Verlagerung des Zielbereichs von dem Unterleib des Patienten 30 infolge der Atmung zu erfassen, und zwar indem der Ziel-Verlagerungssensor 31 verwendet wird, der wiederholt die Verlagerung eines Unterleibteiles erfassen kann, wo ein Bestrahlungsziel existiert, und den Strahl auszugeben, wenn der Pegel einer Signalausgabe von dem Ziel-Verlagerungssensor 31 innerhalb eines zuvor festgelegten Bereiches fällt.
  • Ein in der 6A gezeigtes Bestrahlungs-Freigabesignal ist ein Signal, welches ausgegeben wird, wenn der Ausgangs-Signalpegel des Ziel-Verlagerungssensors 31 innerhalb des zuvor festgelegten Bereiches fällt. Obwohl das Bestrahlungs-Freigabesignal tatsächlich ein langes Pulssignal ist, welches in typischer Weise etwa 1 bis 2 Sekunden andauert, wird das Signal in der 6A als kurzes Pulssignal dargestellt, um ein besseres Verständnis einer Beziehung zu den anderen Signalen zuzulassen. Die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erzeugt das Magnetfeld nur dann, wenn sich das Bestrahlungs-Freigabesignal in einem EIN-Zustand befindet, und wenn das Entnahme-Startsignal erzeugt wird.
  • Es versteht sich von selbst, daß eine Beziehung zwischen den Bewegungen des Unterleibes des Patienten 30 infolge der Atmung und der Lage des Organs, welches behandelt werden muß, vorab durch Messungen mit einer Kernspinresonanz-Tomographie (MRI) oder einer Computertomographie (CT) bestimmt werden muß.
  • Ein Beispiel eines Operationsmusters des Synchrotrons 200 wird nun unter Bezugnahme auf die 7A bis 7D beschrieben. Wenn ein krankes Körperteil, welches mit dem Teilchenstrahl behandelt werden muß, festgelegt ist, oder wenn Bewegungen des Körperteils, welches Behandelt werden muß, im wesentlichen vernachlässigbar sind, wird jeder Zielpunkt auf dem betroffenen Körperteil mit beschleunigten Teilchen des Strahls ohne eine bestimmte Messung zur Berücksichtigung der Bewegungen des Körperteils bestrahlt.
  • Zu einem Zeitpunkt, wenn die beschleunigten Teilchen von einem Strahl aufgebraucht worden ist, werden die mit dem Elektromagneteinheiten 4, 5 erzeugten Magnetfelder sowie ein mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugtes elektrisches Beschleunigungsfeld auf die Pegel herabgesetzt, die zum Zeitpunkt einer Ionenstrahl injektion von der Strahlinjektionseinrichtung 100 verwendet werden (Strahl-Abbremsung). Dann wird ein Ionenstrahl erneut injiziert und bis auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die hoch genug ist, um eine nachfolgende Bestrahlung durchzuführen.
  • In den 7A bis 7D ist eine Operationsprozedur gezeigt, die zum Emittieren des Teilchenstrahls verwendet wird, wobei die Bewegungen des betroffenen Körperteils berücksichtigt werden. In diesem Fall liegt, wie es in der 7B gezeigt ist, eine lange flache Oberseiten-Periode von dem Beginn von jedem Beschleunigungszyklus bis zur Abbremsung vor. Das betroffene Körperteil, welches behandelt werden muß, bewegt sich im allgemeinen in Synchronisation mit jedem aufeinanderfolgenden Atmungszyklus, der in typischer Weise etwa 12 Sekunden anhält.
  • Eine Zeitperiode, während welcher das zu behandelnde Körperteil in jedem Atmungszyklus stabilisiert ist, beträgt in etwa 1 bis 2 Sekunden (diese stabilisierte Zeitperiode ist in der 7A bis 7D länger als ihre tatsächliche Länge dargestellt). Die Anzahl der Teilchen, die das Synchrotron 200 beschleunigen kann, wenn die Punktabtast-Bestrahlung durchgeführt wird, kann größer als die Anzahl der Teilchen gewählt werden, die zur Bestrahlung des betroffenen Körperteils in einem Atmungszyklus verwendet werden können.
  • Im günstigsten Fall kann das Synchrotron 200 so viele Teilchen beschleunigen, wie sie zur Bestrahlung während zwei oder drei Atmungszyklen oder darüber hinaus verwendet werden können. Daher beginnt die Bestrahlungseinrichtung 400 die Punkt-Bestrahlung bei einem Zeitpunkt, wenn es möglich ist, einen speziellen Zielpunkt zu bestrahlen, und zwar nach dem Beginn der Beschleunigung, wobei das betroffene Körperteil bei einem Atmungszyklus stabilisiert ist, und die Bestrahlungseinrichtung 400 hält die Punkt-Bestrahlung an, wenn die Bewegung des betroffenen Körperteils zunimmt.
  • Die Bestrahlungseinrichtung 400 nimmt die Punkt-Bestrahlung wieder auf, wenn das betroffene Körperteil erneut bei einem nachfolgenden Atmungszyklus stabilisiert ist.
  • Zu dem Zeitpunkt, wenn der sich auf einer Kreisbahn bewegende Strahl einen Pegel erreicht hat, der gleich dem oder niedriger als ein zuvor festgelegter Intensitätspegel ist, bremst das Synchrotron 200 den sich auf der Kreisbahn bewegenden Strahl ab. Nachfolgend wird ein Ionenstrahl erneut injiziert und beschleunigt, und die Bestrahlungseinrichtung 400 nimmt die Punkt-Bestrahlung unter den gleichen wie zuvor erwähnten Konditionen wieder auf.
  • Das zuvor erwähnte Entnahme- und Bestrahlungsverfahren kann in vorteilhafter Weise nicht nur für medizinische Anwendungen, sondern auch für physikalische Experimente verwendet werden. Wenn das Entnahme- und Bestrahlungsverfahren bei einem physikalischem Experiment verwendet wird, erzeugt das Synchrotron 200 beschleunigte Teilchen, die gezwungen werden, auf ein Target zu stoßen. Eine Kollision der Teilchen an dem Target erzeugt sekundäre und tertiäre Teilchen, die mit einem Sensor erfaßt werden. Wenn zu viele Teilchen auf einmal gegen das Target treffen, wird der Sensor mit der Emission von sekundären und tertiären Teilchen gesättigt.
  • Das Entnahme- und Bestrahlungsverfahren der Ausführungsform kann zur aufeinanderfolgenden Entnahme und Emission von Teilchenstrahlen in gesteuerten Mengen verwendet werden, so daß beispielsweise solch ein Sättigungsproblem verhindert wird. Gemäß diesem Verfahren der Ausführungsform ist es möglich, Messungen in einer effizienten Art und Weise auszuführen, wenn geeignete Zeitvorgaben für ein Entnehmen und Emittieren der Teilchenstrahlen bestimmt worden sind.
  • Die zuvor erwähnte Anordnung der ersten Ausführungsform ist dahingehend vorteilhaft, daß der Teilchenstrahlbeschleuniger 200 auf einfache Weise mit einer geringen Anzahl von Einrichtungen gesteuert werden kann, die zum Steuern der Strahl-Entnahme benötigt werden.
  • Zweite Ausführungsform
  • Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Während die HF-KO-Einheit (Funkfrequenz-Erzeugungseinheit) 8 ausgeschaltet ist, wenn, wie es anhand der 6D und 6F erkannt werden kann, die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 in der vorherigen ersten Ausführungsform aktiviert ist, können die gleichen vorteilhaften Wirkungen, wie sie zuvor unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben worden sind, selbst dann erzielt werden, wenn die Funkfrequenz-Erzeugungseinheit 8 von einer Bauart ist, die ein Frequenz-moduliertes (FM)-Signal erzeugt, dessen Frequenz über einen Bereich von f1 bis f2 variiert wird, und die kontinuierlich betrieben wird, wie es in der 8F dargestellt ist.
  • Wenn zwei solcher Funkfrequenz-Erzeugungseinheiten 8 wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Beispielen verwendet werden, um FM-Signale zu erzeugen, dessen Phasen, wie es in den 9F und 9G gezeigt ist, voneinander versetzt sind, wird es ebenso möglich, Teilchen auf eine effizientere Art und Weise zu entnehmen.
  • Die gleichen vorteilhaften Wirkungen können ebenso erzielt werden, selbst wenn die Funkfrequenz-Erzeugungseinheit 8 von einer Bauart ist, die kontinuierlich ein Signal erzeugt, welches Frequenzkomponenten enthält, die sich, wie es in der 10F dargestellt ist, von f1 bis f2 erstrecken. Dieser Frequenzbereich f1 bis f2 ist ein Bereich von Frequenzen, bei welchen die Amplitude der Betatron-Schwingung der sich auf einer Kreisbahn bewegenden geladenen Teilchen von 0 auf größere Werte erhöht wird, jedoch überschreitet die Amplitude nicht den stabilen Grenz-Resonanzbereich.
  • Während 6F die Aktivierungszeit der Frequenz-Erzeugungsvorrichtung 8 der ersten Ausführungsform zeigt, zeigen 8F, 9F, 9G und 10F den Frequenzbereich oder die Frequenzkomponenten des mit der Frequenzerzeugungsvorrichtung 8 ausgegebenen Signals.
  • Es ist vorteilhaft, die Amplitude des Ausgangssignals der Frequenz-Erzeugungsvorrichtung 8 mit der Zeit allmählich bzw. fortschreitend zu erhöhen. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die Dichte der Teilchenstrahlen in der Umgebung der Stabilitätsgrenze der Resonanz nahezu konstant gemacht werden kann, indem dies so getan wird. Obwohl diese Amplitudenvariation des Ausgangssignals (Amplitudenmodulation) in typischer Weise sowohl einen ersten Modus der Amplitudenmodulation enthält, die in Synchronisation mit periodisch wiederkehrenden Zyklen der Frequenzmodulation sich wiederholend durchgeführt wird, als auch einen zweiten Modus der Amplitudenmodulation enthält, die über eine Zeitperiode durchgeführt wird, während welcher sämtliche beschleunigte Teilchen entnommen sind, kann das Ausgangssignal der Frequenzerzeugungsvorrichtung 8 hinsichtlich der Amplitude mit nur dem zweiten Modus der Amplitudenmodulation moduliert werden.
  • Während sich die mit der in 8D, 9D und 10D gezeigten Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erzeugten Wellenformen des Magnetfeldes von einer Wellenform eines von der in 6D gezeigten Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 der ersten Ausführungsform erzeugten Magnetfeldes unterscheiden, ist die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 der zweiten Ausführungsform mit einer Stromversorgung versehen, die den von dem Synchrotron 200 entnommenen Teilchenstrahl bei einer konstanten Intensität halten kann, indem eine Rückkopplungssteuerung durchgeführt wird. Die Intensität des entnommenen Strahles wird beispielsweise mit einem zwischen dem Synchrotron 200 und der Bestrahlungseinrichtung 400 oder innerhalb der Bestrahlungseinrichtung 400 vorgesehenen Strahl-Monitor gemessen.
  • Obwohl eine Möglichkeit besteht, daß sich in der zweiten Ausführungsform die entnommene Strahlintensität infolge einer Beziehung zwischen der Phase des mit der Frequenz-Erzeugungsvorrichtung 8 erzeugten FM-Signals und dem Aktivierungszeitpunkt der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 variiert, ist die zuvor erwähnte Anordnung der zweiten Ausführungsform dahingehend vorteilhaft, daß die Anzahl der Vorrichtungen, deren Operationszeiten gesteuert werden muß, abnimmt, so daß es einfacher gemacht wird, die Systemoperation zu steuern.
  • Während die Frequenz-Erzeugungsvorrichtung 8 unabhängig von dem wie in den 8F, 9F, 9G und 10F gezeigten Bestrahlungs-Freigabesignal betrieben wird, können die gleichen vorteilhaften Wirkungen, wie sie zuvor beschrieben worden sind, auch dann erzielt werden, wenn die Frequenz-Erzeugungsvorrichtung 8 während Zeitperioden betrieben wird, wenn sich das Bestrahlungs-Freigabesignal in einem EIN-Zustand befindet.
  • Dritte Ausführungsform
  • Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Es ist vorteilhaft, die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 zum Erzeugen eines Magnetfeldes nur während einer Zeitperiode zwischen dem Entnahme-Startsignal (6B) und dem Dosis-Vollständigkeitssignal (6C) in der wie in der 1 gezeigten Strahl-Transportleitung 300 einzusetzen, so daß kein Teilchenstrahl zu der Strahl-Zuführungseinheit 17 transportiert wird, selbst wenn der Strahl beispielsweise infolge des durch eine der Stromversorgungen der Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4, der Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 oder der HF-KO-Einheit 8 erzeugten Rauschens zu einem Zeitpunkt entnommen wird, der nicht zwischen dem Entnahme-Startsignal (6B) und dem Dosis-Vollständigkeitssignal (6C) liegt.
  • 11G zeigt ein Operationsmuster der Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18. In dieser Ausführungsform ist die in der Strahl-Transportleitung 300 vorgesehene Ablenk-Elektromagneteinheit 20 dazu ausgelegt, den Strahl um einen kleineren Winkel abzulenken, so daß der Strahl von einer zentralen Achse eines normalen Strahlenganges abweicht und mit dem Strahldämpfer 19 kollidiert, wenn die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 ausgeschaltet ist, während der Strahl entlang der zentralen Achse des normalen Strahlenganges bis zu der Strahl-Zuführungseinheit 17 geführt wird, wenn die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 eingeschaltet ist.
  • Ein anderes Verfahren, das anstelle der Reduzierung des Strahl-Ablenkwinkels der Ablenk-Elektromagneteinheit 20 zum selektiven Durchlassen oder Abblocken des entnommenen Teilchenstrahls verwendbar ist, liegt darin, eine Lenkungs- bzw. Führungs-Elektromagneteinheit, die eine Art einer Ablenk-Elektromagneteinheit ist, und die unmittelbar angrenzend zu der Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 angeordnet ist, zu verwenden.
  • In diesem Verfahren wird die Lenkungs-Elektromagneteinheit konstant in einem EIN-Zustand gehalten, so daß der Strahl mit dem Strahldämpfer 19 kollidiert, wenn sich die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 in einem AUS-Zustand befindet, während der Strahl zu der Strahl-Zuführungseinheit 17 geführt wird, wenn sich die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 in einem EIN-Zustand befindet. Eines der zuvor erwähnten Verfahren zum selektiven Durchlassen oder Abblocken des entnommenen Teilchenstrahls kann derart modifiziert werden, daß der Strahl mit dem Strahl-Dämpfer 19 kollidiert, wenn die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 eingeschaltet ist.
  • In diesem modifiziertem Verfahren der Ausführungsform ist es notwendig, die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 während Zeitperioden, die nicht zwischen dem Entnahme-Startsignal (6B) und dem Dosis-Vollständigkeitssignal (6C) liegen, in einem EIN-Zustand zu halten. Es versteht sich von selbst, daß die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 nicht absolut notwendig ist. Das charakteristische der dritten Ausführungsform ist darin zu sehen, daß der Teilchenstrahl nicht während Zeitperioden emittiert wird, wenn eine Bestrahlung nicht durchgeführt wird.
  • Vierte Ausführungsform
  • Eine vierte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Während das mit der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erzeugte Magnetfeld in der ersten Ausführungsform eine dreiecksförmige Wellenform aufweist, wie in der 6D gezeigt, ist das Magnetfeld nicht auf diese Wellenform beschränkt. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, die Intensität des entnommenen Strahles mit dem in der Strahl-Transportleitung 300 vorgesehenen Strahlmonitor 15 zu messen, und eine Ausgabe der Stromversorgung der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 einzustellen, indem eine Rückkopplungssteuerung durchgeführt wird, so daß der mit dem Strahlmonitor 15 gemessene Wert der Intensität des entnommenen Strahles gleich einem zuvor festgelegten Wert wird.
  • Dieses Rückkopplungs-Steuerverfahren wäre vorteilhafter, wenn für die Ausgabe der Stromversorgung der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 eine obere Grenze gesetzt ist. Dies liegt daran, daß der Teilchenstrahl nicht korrekt auf jeden Bestrahlungspunkt gezielt werden kann, wenn sich als ein Ergebnis einer außerordentlichen Änderung in der Größe der Separatrix die Richtung des Teilchenstrahls bei einem Einlaß des Entnahme-Septums 10 in großem Maße ändert. Das Charakteristische der vierten Ausführungsform ist darin zu sehen, daß der Teilchenstrahl über die Zeit mit einer gleichförmigen Intensität entnommen werden kann.
  • Fünfte Ausführungsform
  • Es wird nun eine fünfte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Obwohl die vorangehende Beschreibung der ersten bis vierten Ausführungsform nicht Details der Operation und Steuerung der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 während der Bestrahlungsbehandlung erwähnt, kann die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 in Synchronisation mit der HF-KO-Einheit (Funkfrequenz-Erzeugungseinheit) 8 betrieben werden.
  • Ein Vorteil der Synchronisation der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 mit der Funkfrequenz-Erzeugungseinheit 8 liegt darin, daß diese Operationsverfahren es ermöglichen, den Teilchenstrahl bei einer gleichförmigen Intensität über die Zeit mit einem minimalen Umfang von Spitzenrauschen zu entnehmen. Die 12A bis
  • 12F sind Darstellungen, die Beispiele der Operationsmuster des Teilchenbestrahlungssystems gemäß der fünften Ausführungsform zeigen.
  • Wie bereits zuvor erwähnt, unterscheidet sich die Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umlauf von einem sich auf einer Kreisbahn bewegenden Teilchen zu einem anderen sich auf einer Kreisbahn bewegenden Teilchen innerhalb eines spezifischen Bereiches. Wenn die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 ein elektrisches Hochfrequenzfeld erzeugt, das in einer Strahl-Ausbreitungsrichtung orientiert ist, wird jedes der sich auf einer Kreisbahn bewegenden Teilchen beschleunigt oder abgebremst und beginnt damit, eine Energie-Schwingung (Synchrotron-Schwingung) zu erzeugen.
  • Da eine zentrale Phase auf 0 gesetzt ist, ist eine mittlere Energie konstant. Das Synchrotron weist normalerweise eine endliche Chromatizität ξ (chromatische Abberation) auf, und die Teilchen mit verschiedenen Energien (Bewegungsenergie p) weisen verschiedene Frequenzen der Betatron-Schwingung v auf. Es gibt eine durch Δv/v = ξΔp/p ausgedrückte Beziehung zwischen einem variablen Bereich Δp der Bewegungsenergie p und einem variablen Bereich Δv der Frequenz v der Betatron-Schwingung.
  • Da jedes Teilchen auf verschiedene Weisen die Betatron-Schwingung bei sich verändernden Bewegungsenergien p und Betatron-Schwingungsfrequenzen v erzeugen kann, weisen die sich auf einer Kreisbahn bewegenden Teilchen eine erhöhte Wahrscheinlichkeit auf, in einen Resonanzzustand überzugehen. Kombiniert mit dem mit der HF-KO-Einheit 8 erzeugten Frequenz-modulierten elektrischen Hochfrequenzfeld ermöglicht es dies, den Strahl in einer effizienteren Weise aufzuspreizen.
  • Da ein maximaler Wert des variablen Bereiches Δp der Bewegungsenergie p in der Betatron-Schwingung durch die Stärke des mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugten elektrischen Feldes bestimmt wird, wird die Stärke von diesem elektrischen Feld auf einen Wert gesetzt, bei welchem die sich auf einer Kreisbahn bewegenden Teilchen nicht zur Außenseite der Separatrix gehen werden.
  • Es wird nun ein spezifisches Beispiel eines Hochfrequenz-Beschleunigungssystems beschrieben. Im allgemeinen ist es bei einem Teilchenstrahl-Synchrotron notwendig, daß im Operationsmuster die Stromversorgungen der Elektromagnete sowie eine Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit präzise während der Beschleunigung synchronisiert sind, und daß das Operationsmuster der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit in einer komplexen Art und Weise variiert wird.
  • Zu diesem Zweck weißt das Teilchenstrahl-Synchrotron einen Speicher zum Speichern einer Vielzahl von Operationsmustern auf, die nachfolgend ausgegeben und mit einem Hochfrequenz-Verstärker verstärkt werden. Diese Operationsmuster werden beispielsweise mit Überprüfungen der Strahl-Emission optimiert. Eine Alternative für dieses speichergestützte Verfahren würde darin bestehen, zu einem Hochfrequenz-Signal generator sich ändernde Operationsmuster, wie sie in den 12A bis 12F gezeigt sind, hinzuzufügen.
  • Eine andere Alternative würde darin bestehen, ein ausgewähltes Hochfrequenz-Beschleunigungssystem zum separaten Ausführen einer Funktion der Steuerung des Operationsmusters während der Beschleunigung, wie es in der 16 gezeigt ist, zu verwenden, bei welchem ein Hochfrequenz-Verstärker 40 sowie ein Mustererzeuger bzw. Mustergenerator 41 jeweils dem zuvor erwähnten Hochfrequenz-Verstärker und Hochfrequenz-Signalgenerator entsprechen, und ein Funktionsgenerator 42 wird bei der Strahlentnahme verwendet. Nach der Beschleunigung des Strahls unterbricht der Mustergenerator 41 seine Ausgabe.
  • Da der Speicher das Operationsmuster ausgibt, wenn er mit einem von der Gesamtsteuerung zugeführten Takt getriggert wird, wird in bevorzugter Weise eine Anordnung zum Unterbrechen des Taktes nach der Beschleunigung des Strahles durchgeführt. Im Hinblick auf den Zustand des Standes der Technik zum heutigen Zeitpunkt gibt es im technischen Hinblick kein wesentliches Problem, den Funktionsgenerator 42 mit einer Zeitvorgabe eines im Beispiel 1 der 12E gezeigten Operationsmusters zu betreiben.
  • Verschiedene Abänderungen des Operationsverfahrens sind möglich, die die Verwendung einer Ausgabe eines elektrischen Feldes mit einer einzelnen Frequenz sowie die Verwendung einer Auswahl der Frequenzmodulation oder Amplitudenmodulation des mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugten elektrischen Feldes einschließen.
  • Die 13E und 13F sind Darstellungen, die Beispiele dahingehend zeigen, wie die Intensität des mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugten elektrischen Beschleunigungsfeldes variiert wird. Es ist vorteilhaft, die Intensität des elektrischen Beschleunigungsfeldes allmählich bzw. fortlaufend zu erhöhen, wie es in den 13E und 13F gezeigt ist.
  • Dies liegt daran, weil eine plötzliche Zunahme in der Intensität des elektrischen Beschleunigungsfeldes, die wiederholt auftritt, möglicherweise eine außerordentliche Zunahme in dem variablen Bereich Δp der Bewegungsenergie p bewirken wird, was in einer Abänderung der Qualität des entnommenen Strahles resultieren kann. Während die Zeitdauern der Operationszeit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 länger als die Zeitdauern der Operationszeit der HF-KO-Einheit 8 in den Beispielen der 12D bis 12F und der 13D bis 13F gewählt sind, ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
  • Das Charakteristische der fünften Ausführungsform ist darin zu sehen, daß die Teilchen in dem Strahl gleichförmig verteilt sind, da die Teilchen mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 innerhalb des stabilen Grenzbereichs aufgespreizt werden, und daß der Teilchenstrahl bei einer gleichförmigen Intensität über der Zeit entnommen werden kann.
  • Sechste Ausführungsform
  • Es wird nun eine sechste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In der 12F ist ein Beispiel 2 eines Operationsmusters gezeigt, bei welchem die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 betrieben wird, wenn der Teilchenstrahl in der vorangehenden fünften Ausführungsform entnommen wird. In der 14 sind Steinbach-Diagramme gezeigt, die ebenso in der zuvor erwähnten Druckschrift „Fast beam cutoff method in RF-knockout extraction for spot-scanning" verwendet werden. Die Steinbach-Diagramme werden als Repräsentanten für die graphischen Darstellungen der 4A bis 4D verwendet, welche zeigen, wie der Teilchenstrahl entnommen wird, was zuvor unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben worden ist.
  • Anhand der 14 kann erkannt werden, daß der Wert von Δp/p von jedem Teilchen variiert wird, wenn die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 eingeschaltet ist, und zwar selbst wenn sowohl die HF-KO-Einheit 8 als auch die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 in einem Ruhezustand ausgeschaltet sind, so daß sich die Teilchen innerhalb eines linken und rechten Grenzbereichs der Steinbach-Diagramme verschieben, und jene Teilchen, die in der Nähe des stabilen Bereiches vorliegen, können in einen unstabilen Bereich verschoben werden, der außerhalb des stabilen Bereiches verläuft.
  • Daher kann im Beispiel 1 beim in der 12E gezeigten zeitlichen Verlauf der Aktivierung der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 der Teilchenstrahl, der entnommen wird, wenn der Strahl aufgespreizt wird, über den stabilen Grenzbereich hinausgehen, und zwar in Abhängigkeit von den Werten der Operationsparameter. Während solch ein Problem nicht auftreten würde, wenn die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 vorgesehen ist, so ist es besonders bevorzugt, wenn diese Art von Umstand bzw. Schwierigkeit vermieden werden kann. Solch ein Problem tritt nicht bei dem in der 12F gezeigten Operationsmuster des Beispiels 2 auf, da die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 eingeschaltet ist, wenn der Teilchenstrahl während des in der 12F gezeigten zeitlichen Verlaufes der Aktivierung der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 entnommen wird.
  • Die Teilchen werden dann veranlaßt, sich in einem Koordinatensystem der in der 14 in der sechsten Ausführungsform gezeigten Steinbach-Diagramme nach links oder rechts zu verschieben, so daß die Teilchen aufgespreizt werden, um eine gleichförmige Verteilung einer Teilchendichte zu erzeugen. Demgemäß ist das Charakteristische der sechsten Ausführungsform darin zu sehen, daß der Teilchenstrahl über die Zeit mit einer gleichförmigeren Intensität entnommen werden kann, und daß der Teilchenstrahl nicht während solcher Zeitperioden emittiert wird, wenn eine Bestrahlung nicht durchgeführt wird.
  • Siebente Ausführungsform
  • Eine siebte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. In dieser Ausführungsform kann der Teilchenstrahlbeschleuniger 200 bei einer Chromatizität betrieben werden, die auf einen Wert nahe 0 festgelegt ist, und zwar indem die Sextupol-Elektromagneteinheit 7 eingestellt wird. In diesem Fall ist unabhängig von dem Wert von Δp/p von jedem Teilchen in den in der 15 gezeigten Steinbach-Diagrammen die Stabilitätsgrenze der Resonanz nahezu unverändert. Daher ist die siebte Ausführungsform dahingehend von Vorteil, daß das in der vorangehenden Beschreibung der sechsten Ausführungsform erwähnte Problem nicht auftreten wird.
  • Die siebte Ausführungsform ist ebenso dahingehend von Vorteil, daß die Funkfrequenz-Erzeugungseinheit 8 jene Teilchen aufspreizen kann, die sich in der Nähe des stabilen Grenzbereichs auf einer Kreisbahn bewegen, und zwar unabhängig ob oder ob nicht die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 ein- oder ausgeschaltet ist, so daß der Teilchenstrahl in einer effizienteren Art und Weise entnommen werden kann.
  • Achte Ausführungsform
  • Es wird nun ein Steuerverfahren zum Unterbrechen der Emission des Teilchenstrahls in der Strahl-Transportleitung 300 gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Wenn es für die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erforderlich ist, ein starkes Magnetfeld zu erzeugen, wird die Induktivität der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 so groß, daß es schwierig wird, die Strahl-Ausstrahlung zu steuern, und als eine Folge hiervon kann ein Fall auftreten, bei welchem keine für die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 hinreichende Zeitperiode zur Verfügung steht, wie es von Charakteristika der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erfordert wird, um die Strahl-Ausstrahlung anzuhalten, nachdem das Dosis-Vollständigkeitssignal empfangen worden ist.
  • In solch einem Fall wird es schwierig, schnell die Strahl-Ausstrahlung zu stoppen, wenn in der Strahl-Transportleitung 300 eine pulsgesteuerte Hochgeschwindigkeits-Elektromagneteinheit (Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit) 25 angeordnet ist, wie es in der Darstellung des Gesamtsystems der 17 gezeigt ist. Die 18F und 18G zeigen ein Beispiel eines Operationsmusters für ein schnelles Unterbrechen der Emission des Teilchenstrahls.
  • Während die Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 in erster Linie die gleiche Funktion wie jene der unter Bezugnahme auf die dritte Ausführungsform diskutierten Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 ausführt, kann die Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 die gleichen Vorteile wie die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 hervorrufen. Die Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 muß ein Magnetfeld erzeugen, dessen Wellenform derart kurze ansteigende und abfallende Kanten aufweist, daß diese in der Größenordnung von Mikrosekunden bis einige zehn Mikrosekunden liegen.
  • Daher ist die Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 aus einem Elektromagneten hergestellt, der eine Hochfrequenz-Antwortcharakteristik aufweist, und zwar indem beispielsweise ein Eisenkern verwendet wird. Der Teilchenstrahl, der entnommen worden ist, nachdem das Dosis-Vollständigkeitssignal (18C) erzeugt worden ist, wird derart gesteuert, daß der Strahl den Strahldämpfer 19 treffen wird.
  • Obwohl der entnommene Teilchenstrahl bei der Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 mit einer leichten zeitlichen Verzögerung zu dem Entnahme-Start-Signal eintrifft, kann der Teilchenstrahl mit einer geeigneten zeitlichen Koordinierung emittiert werden, wenn die zeitliche Koordinierung des EIN-Zustandes der Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 von dem Entnahme-Startsignal verzögert wird.
  • In dieser Ausführungsform werden die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 und die HF-KO-Einheit 8 auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform betrieben. Die achte Ausführungsform ermöglicht es, schnell die Ausstrahlung zu unterbrechen, und verhindert, daß der Teilchenstrahl zu der Strahl-Zuführungseinheit 17 während Zeitperioden transportiert wird, wenn eine Bestrahlung nicht durchgeführt wird.
  • Neunte Ausführungsform
  • Nachfolgend wird eine neunte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die eine Anordnung zum Betreiben des Synchrotrons 200 bereitstellt, wobei Welligkeitsanteile berücksichtigt werden, die beispielsweise in Strömen enthalten sind, welche von den Stromversorgungen der Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 und der Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 zugeführt werden. Welligkeitsanteile oder Fluktuationen in den Ausgabeströmen der Stromversorgungen der Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 und der Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 des Synchrotrons 200 können Fluktuationen der Größe der Separatrix bewirken.
  • Beispielsweise verändert sich die Größe der Separatrix bei gleichmäßigen Intervallen, die in typischer Weise von einigen wenigen Millisekunden bis zu zehn Millisekunden dauern, wie es mit den schattierten Bereichen (a) und (b) in der 19 gezeigt ist. Falls der Strahl bis zu dem Grenzbereich der Separatrix vollständig aufgespreizt ist, wenn die Größe der Separatrix auf ein Minimum reduziert ist, wird kein Problem auftreten.
  • Falls der Strahl vollständig bis zu dem Grenzbereich der Separatrix aufgespreizt ist, wenn sich die Größe der Separatrix nicht bei einem Minimum befindet, wird jedoch der Strahl entnommen, wenn die Separatrix ihre minimale Größe annimmt, so daß der Teilchenstrahl während einer Zeitperiode emittiert wird, wenn eine Bestrahlung nicht durchgeführt wird.
  • Um diese Schwierigkeit zu verhindern, werden der FM-Modulationsfaktor des mit der HF-KO-Einheit 8 erzeugten elektrischen Hochfrequenzfeldes und die Stärke des mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugten elektrischen Feldes unter Berücksichtigung der durch die Welligkeitsanteile in der Stromversorgung hervorgerufenen Fluktuationen der Größe der Separatrix bestimmt. Dieser Ansatz ermöglicht es, den Teilchenstrahl innerhalb von Grenzen aufzuspreizen, in welchen die Separatrix bei der minimalen Größe bei dem Vorhandensein der Welligkeitsanteile befindet.
  • Es sei angenommen, daß das zuvor erwähnte Problem hinsichtlich der Welligkeitsanteile in der Stromversorgung normalerweise nicht in herkömmlichen Synchrotrons auftritt, da hier äußerst stabile Stromversorgungen verwendet werden. Die zuvor erwähnte Anordnung der neunten Ausführungsform ist dahingehend von Vorteil, daß das Synchrotron 200 solche Stromversorgungen verwenden kann, die eine relativ geringe Stabilität aufweisen, was zu einer Reduzierung der Gesamtkosten führt.
  • Zehnte Ausführungsform
  • Ein zehnte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Während die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 zum Reduzieren der Größe der Separatrix in den zuvor erwähnten ersten bis neunten Ausführungsformen verwendet wird, kann die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 die gleichen Wirkungen wie die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erzeugen. In den in der 14 gezeigten Steinbach-Diagrammen stellt die horizontale Achse die kinetische Energie bzw. Bewegungsenergie (im einzelnen Δp/p) dar.
  • Wenn Teilchenstrahlen beschleunigt werden, verschieben sich in einem schattierten Bereich in jedem Steinbach-Diagramm die Strahlen insgesamt nach rechts, so daß diese Strahlen, die außerhalb des stabilen Grenzwertbereichs vorliegen, entnommen werden. Wenn die Beschleunigung der Teilchenstrahlen gestoppt wird, und wenn die Strahlen abgebremst werden, kehren die Strahlen in ihre ursprünglichen Positionen zurück, und die Strahlentnahme endet.
  • Die Amplitude der Betatron-Schwingung wird auf die gleiche Weise wie in den zuvor erwähnten Ausführungsformen erhöht. Die Strahlen werden beschleunigt, indem die Frequenz des angelegten elektrischen Feldes verändert wird (normalerweise erhöht). Solche Konditionen können ebenso in Abhängigkeit von den Werten der Operationsparameter des Synchrotrons 200 durch Abbremsung erzeugt werden.
  • In dieser Ausführungsform ist es möglich, die gleichen Wirkungen, wie jene, die mit der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erzeugt werden, zu erzeugen, und zwar indem geeignet die Frequenz des mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugten elektrischen Feldes gesteuert wird. Demgemäß ist die zuvor erwähnte Anordnung der zehnten Ausführungsform dahingehend von Vorteil, daß die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 nicht mehr notwendig ist, was letztendlich in einer Kostenreduzierung resultiert.
  • Elfte Ausführungsform
  • Ein Verfahren des Betriebes des Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystems gemäß der elften Ausführungsform gemäß der Erfindung wird nun beschrieben. In der zuvor erwähnten Ausführungsform wird das Synchrotron 200 in dem Operationsmuster betrieben, in welchem die sich auf einer Kreisbahn bewegende Strahl bei einem Zeitpunkt abgebremst wird, wenn der Strahl einen Pegel erreicht hat, der gleich dem oder kleiner als der zuvor festgelegte Intensitätspegel ist.
  • Wenn das Bestrahlungsziel ein menschlicher Körper ist, und wenn die Intensität des sich auf einer Kreisbahn bewegenden Strahles in dem Synchrotron 200 nach der Fertigstellung der Bestrahlung während eines Atmungszyklus nicht hoch genug ist, um beispielsweise das Ziel nacheinander über eine zulässige Bestrahlungszeit in einem nachfolgenden Atmungszyklus zu bestrahlen, sollte das Synchrotron 200 in bevorzugter Weise in einem Operationsmuster betrieben werden, welches eine Abbremsung, erneute Injektion und Beschleunigung enthält. Dieses Operationsmuster ist dahingehend von Vorteil, daß der Zeitverlust reduziert wird. Es können verschiedene Fälle auftreten, in welchen das Synchrotron 200 in dem Operationsmuster betrieben werden muß, welches eine Abbremsung, erneute Injektion und Beschleunigung enthält.
  • Beispielsweise kann dieses Operationsmuster in einem Fall verwendet werden, in welchem die Intensität des sich auf einer Kreisbahn bewegenden Strahles gerade hoch genug ist, um einen beabsichtigten Zielpunkt für nur die Hälfte oder weniger eines Mittelwertes von zuvor gemessenen zulässigen Bestrahlungszeiten zu bestrahlen. Das Operationsmuster des Synchrotrons der elften Ausführungsform ermöglicht es, den Zeitverlust zu reduzieren und eine Gesamt-Bestrahlungszeit zu verkürzen.
  • Zwölfte Ausführungsform
  • Es wird nun eine zwölfte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die vorangehende Beschreibung der ersten Ausführungsform hat, basierend auf dem parallelen Abtastverfahren, welches die parallelen Abtast-Elektromagnete 21 verwendet, die Punktabtast-Bestrahlung unter Bezugnahme auf die 5 dargestellt. Die Punktabtast-Bestrahlung der ersten Ausführungsform erfordert etwa 500 Millisekunden, um die Abtast-Elektromagneten 21 von einer radialen Abtastrichtung zu der nächsten Abtastrichtung zu drehen, nachdem individuelle Zielpunkte, die entlang einer jeden radialen Abtastrichtung genommen werden, bestrahlt worden sind.
  • Wenn das Synchrotron 200 in einem Operationsmuster betrieben wird, welches eine Abbremsung, eine erneute Injektion und eine Beschleunigung aufweist, welche mit der zeitlichen Koordinierung der Drehung der parallelen Abtast-Elektromagneten 21 synchronisiert sind, ist es möglich, die individuellen Zielpunkte entlang aufeinanderfolgender radialer Abtastrichtungen mit einem reduziertem Zeitverlust zu bestrahlen. Wenn darüber hinaus die Drehung der parallelen Abtast-Elektromagneten 21 mit der Inhalierzeit des Patienten 30 synchronisiert ist, ist es möglich, die individuellen Zielpunkte mit weiter reduziertem Zeitverlust zu bestrahlen, und die gesamte Bestrahlungszeit zu verkürzen.
  • Dreizehnte Ausführungsform
  • Eine dreizehnte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Während der zuvor erwähnte Synchronisationsansatz der zwölften Ausführungsform für eine Verwendung bei der Punktabtast-Bestrahlung basierend auf dem parallelen Abtastverfahren beabsichtigt ist, kann dieser Ansatz der zwölften Ausführungsform die gleichen vorteilhaften Wirkungen erzeugen, wenn er ebenso bei einem gewöhnlichen Punktabtast-Bestrahlungsverfahren angewandt wird. Die 20 ist eine Darstellung, die das Prinzip von diesem Ansatz zeigt. Eine Anordnung der in der 20 gezeigten dreizehnten Ausführungsform weist zwei Paare von Abtast-Elektromagneten auf (X-Achse, Y-Achse).
  • Die X-Achsen- und Y-Achsen-Abtast-Elektromagnetpaare lenken den emittierten Teilchenstrahl in zwei Richtungen ab, die sich unter rechten Winkeln einander schneiden, so daß die Strahlen auf beliebige Bestrahlungspunkte in einer zweidimensionalen Ebene gerichtet werden können. Die Strahl-Eindringtiefe kann eingestellt werden, um auf verschiedene Zieltiefen abzuzielen, und zwar indem die Dicke des Bereichsschiebers auf die gleiche Art und Weise wie bei dem parallelen Abtastverfahren der ersten Ausführungsform variiert wird.
  • In der Anordnung der dreizehnten Ausführungsform werden die in einer zweidimensionalen Ebene ausgewählten Zielpunkte unter Verwendung des Bereichsschiebers, der eine geeignete Dicke aufweist, bestrahlt. Dann werden die in einer anderen zweidimensionalen Ebene ausgewählte Zielpunkte bestrahlt, indem der Bereichsschieber durch einen Bereichsschieber ersetzt wird, der eine unterschiedliche Dicke aufweist. In typischer Weise wird dieser Auswechselprozeß des Bereichsschiebers so oft wie nötig wiederholt.
  • Die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 und die HF-KO-Einheit 8 können aktiviert werden, um elektromagnetische Hochfrequenzfelder mit der gleichen zeitlichen Koordinierung zu erzeugen, und das Synchrotron 200 kann in dem gleichen Operationsmuster wie bei der Punktabtast-Bestrahlung basierend auf dem parallelen Abtastverfahren, das in der zwölften Ausführungsform verwendet wird, betrieben werden.
  • Der zuvor erwähnte Ansatz der dreizehnten Ausführungsform ist bei einem Typ der Punktabtast-Bestrahlung anwendbar, der verschieden von dem zuvor beschriebenen parallelen Abtastverfahren ist.
  • Vierzehnte Ausführungsform
  • Es wird nun die vierzehnte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Während der Teilchenstrahl kontinuierlich entnommen und während einer Bestrahlungszeit von jedem Zielpunkt in den vorhergehenden Ausführungsformen ausgestrahlt wird, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Der Wert der erforderlichen Dosis variiert von Bestrahlungspunkt zu Bestrahlungspunkt. In dieser Ausführungsform werden die HF-KO-Einheit 8 und die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 abwechselnd betrieben, um einen Prüfstrahl für eine Zeitperiode auszugeben, die gleich wie oder kürzer als eine Bestrahlungszeit ist, was eine minimale Dosis für einen Bestrahlungspunkt liefert.
  • Beispielsweise wird zumindest eine Einheit der HF-KO-Einheit 8 und der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 deaktiviert, wenn die erforderliche Dosis erfüllt worden ist, und dann werden sowohl die HF-KO-Einheit 8 als auch die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erneut aktiviert, wenn vorausgehende Operationen zum Bestrahlen eines nächsten Zielpunktes abgeschlossen worden sind.
  • Jedem Bestrahlungspunkt wird eine zuvor festgelegte Dosis gegeben, indem die zuvor erwähnte EIN- und AUS-Sequenz wiederholt wird. Jede Strahl-Entnahmeperiode wird als eine Zeitperiode verwendet, die für das Aufspreizen des Strahls mit der HF-KO-Einheit 8 erforderlich ist. Es ist ebenso vorteilhaft, die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 wie in der zuvor erwähnten fünften Ausführungsform zu verwenden.
  • Die vierzehnte Ausführungsform ist dahingehend von Vorteil, daß sie eine einfache Steuerung des Synchrotrons 200 gestattet, und daß die Entnahme des Strahles vollständig während Zeitperioden zwischen aufeinanderfolgenden Bestrahlungszyklen unterbrochen werden kann, wenn alle Systemkomponenten hinsichtlich der Strahl-Entnahme während diesen Zeitperioden deaktiviert sind.
  • Fünfzehnte Ausführungsform
  • Eine fünfzehnte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Während die vorangehenden Ausführungsformen so dargestellt worden sind, daß sie bei dem Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem angewandt werden, welches das Abtast-Bestrahlungsverfahren verwendet, ist die Erfindung ebenso bei einem System anwendbar, das ein gewöhnliches Breitstrahl-Verfahren verwendet. Das Breitstrahl-Verfahren ist eine Verfahren des Aufbreitens des Strahles unter Verwendung einer Streueinrichtung oder eines Wobbler-Elektromagneten, was die Bestrahlung von jenen Bereichen reduziert, die verschieden von dem betroffenen Körperteil des Patienten 30 sind, das behandelt werden muß.
  • Zu einem Zeitpunkt, wenn es möglich wird, den betroffenen Teil des Patienten 30 zu bestrahlen, beginnt das Synchrotron 200 damit, abwechselnd die HF-KO-Einheit 8 und die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 zu betreiben, um mit Unterbrechungen den Teilchenstrahl auszugeben. Beim Empfang eines Befehlssignals zum Unterbrechen des Strahles von einem Bestrahlungs-Steuersystem beendet das Synchrotron 200 die Entnahme des Strahles, indem zumindest die HF-KO-Einheit 8 oder die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 deaktiviert wird.
  • Wie es in der vorhergehenden vierzehnten Ausführungsform beschrieben worden ist, ist es ebenso vorteilhaft, die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 zu verwenden. Im Prinzip kann bei der fünfzehnten Ausführungsform das gleiche Operationsverfahren verwendet werden, wie es bei der vierzehnten Ausführungsform verwendet wird.
  • Bei dem Breitstrahl-Verfahren muß der Strahl mit einem Bestrahlungs-Dosisfehler emittiert werden, der etwa gleich dem Fehler bei der Punktabtast-Bestrahlung ist. Jedoch kann im Gegensatz zu dem Fall bei der Punktabtast-Bestrahlung bei dem Breitstrahlverfahren die Zeitdauer von jedem Bestrahlungszyklus in Form von Prozentzahlen hinsichtlich der gesamten Bestrahlungszeit definiert werden.
  • Daher tritt kein Problem auf, wenn das Synchrotron 200 die Strahl-Entnahme innerhalb etwa einer Millisekunde nach Empfang des Befehlssignals beenden kann. Das Synchrotron 200 kann die Strahlentnahme beenden, indem einfach die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 innerhalb dieser Zeitperiode ein- und ausgeschaltet wird, wenn die Zeit des eingeschalteten Zustandes der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 pro Entnahmezyklus in etwa eine Millisekunde beträgt.
  • Wenn die Zeit des eingeschalteten Zustandes der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 pro Entnahmezyklus länger als diese Zeit beträgt, kann anstelle der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 die Strahlengang-Ablenk-Elektromagneteinheit 16 oder die Strahlen-Abblock-Elektromagneteinheit 18 in der Strahlen-Transportleitung 300 zum Beenden der Strahlentnahme verwendet werden. Da es möglich ist, die Strahlentnahme ohne irgendwelche Probleme zu beenden, indem das Magnetfeld in etwa einer Millisekunde variiert wird, dient die fünfzehnte Ausführungsform dazu, ein Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem geringer Kosten bereitzustellen.
  • Wenn die Zeit des eingeschalteten Zustandes der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 pro Entnahmezyklus zu lang ist, nimmt der stabile Resonanzbereich zu stark ab, und die Richtung des entnommenen Strahles variiert um einen zu großen Betrag. Wenn es daher notwendig ist, die Zeit des eingeschalteten Zustandes der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 zu erhöhen, sollte die Zeit des eingeschalteten Zustandes auf einen Wert innerhalb eines zulässigen Bereiches gesetzt werden.
  • Anhand der vorangehenden Beschreibung kann erkannt werden, daß die Erfindung die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie bei dem Punktabtast-Bestrahlungsverfahren erzeugt, wenn sie gemäß der fünfzehnten Ausführungsform bei dem Breitstrahl-Verfahren angewandt wird. Im einzelnen ist die fünfzehnte Ausführungsform dahingehend von Vorteil, daß das Synchrotron 200 den Teilchenstrahl nur während gewünschter Zeitperioden ausgeben kann, und daß die fünfzehnte Ausführungsform ein Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem geringer Kosten bereitstellt.
  • Die soweit beschriebenen ersten bis fünfzehnten Ausführungsformen sind bei Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystemen zum Behandeln von Krebs und anderen bösartigen Tumoren sowie zur Sterilisation, Desinfektion, Verbesserung von Eigenschaften von metallischen Materialien und für physikalische Experimente mit der Verwendung eines Teilchenstrahls anwendbar.
    • 1
    Ionenquelle
    2
    linearer Beschleuniger
    3
    Injektions-Septum
    4
    Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheit
    5
    Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheit
    6
    Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit
    7
    Sextupol-Elektromagneteinheit
    8
    HF-KO-Einheit, Frequenz-Erzeugungsvorrichtung
    9
    Extraktions- bzw. Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit,
    Quadrupol-Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung
    10
    Entnahme-Septum
    15
    Strahlmonitor
    16
    Strahlweg-Ablenk-Elektromagneteinheit
    17
    Strahl-Zuführungseinheit
    18
    Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit
    19
    Strahldämpfer
    20
    Ablenk-Elektromagneteinheit, Strahl-Ablenkvorrichtung
    21
    Parallel-Abtast-Elektromagnet
    22
    Bereichsschieber
    25
    Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit
    30
    Patient, Bestrahlungsziel
    31
    Ziel-Verlagerungssensor
    100
    Strahl-Injektionseinrichtung
    200
    Teilchenstrahlbeschleuniger
    300
    Strahl-Transportleitung
    400
    Bestrahlungseinrichtung

Claims (15)

  1. Teilchenbeschleuniger für einen Strahl aus geladenen Teilchen, wobei der Teilchenbeschleuniger folgendes aufweist: – eine Einrichtung zum Beschleunigen eines Strahls aus geladenen Teilchen sowie zum Bewirken, daß sich der Teilchenstrahl auf einer Umlaufbahn bewegt; – eine Einrichtung zum Bewirken einer Betatron-Schwingung der geladenen Teilchen in einem Resonanzzustand außerhalb eines stabilen Bereiches der Resonanz; – eine Einrichtung zum Erhöhen der Amplitude der Betatron-Schwingung des Teilchenstrahls innerhalb des stabilen Resonanzbereichs; und – eine Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs; wobei die Einrichtung zum Erhöhen der Amplitude der Betatron-Schwingung innerhalb eines Frequenzbereichs steuerbar betrieben wird, in welchem der sich auf einer Umlaufbahn bewegende Strahl nicht über eine Grenze des stabilen Resonanzbereichs hinausläuft, und wobei die Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs mit einer geeigneten zeitlichen Koordinierung gemäß einer Strahl-Entnahme bzw. Strahl-Extraktion steuerbar betrieben wird, so daß der Teilchenstrahl bei gewünschten Zeitvorgaben entnommen wird.
  2. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenstrahl entnommen wird, indem abwechselnd die Einrichtung zum Erhöhen der Amplitude der Betatron-Schwingung des Teilchenstrahls innerhalb des stabilen Resonanzbereichs und die Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs betrieben werden, oder indem wiederholt zunächst die Einrichtung zum Erhöhen der Amplitude der Betatron-Schwingung des Teilchenstrahls innerhalb des stabilen Resonanzbereichs oder die Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs betrieben wird, und dann beide Einrichtungen abwechselnd betrieben werden.
  3. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Beschleunigen sowie zum Bewirken, daß sich der Teilchenstrahl auf einer Umlaufbahn bewegt, eine Hochfrequenz-Beschleunigungsvorrichtung (6), einen Ablenk-Elektromagneten (4) sowie einen Quadrupol-Elektromagneten (5) aufweist, daß die Einrichtung zum Bewirken, daß die Betatron-Schwingung in den Resonanzzustand außerhalb des stabilen Resonanzbereichs übergeht, einen Sextupol-Elektromagneten (7) aufweist, daß die Einrichtung zum Erhöhen der Amplitude der Betatron-Schwingung des Teilchenstrahls innerhalb des stabilen Resonanzbereichs eine Funkfrequenz-Ausblendvorrichtung (8) aufweist, und daß die Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs eine Quadrupol-Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung (9) aufweist, wobei der stabile Resonanzbereich zum Zeitpunkt der Entnahme des Teilchenstrahls erzeugt wird und wobei die Einrichtung zum Erhöhen der Amplitude der Betatron-Schwingung des Teilchenstrahls innerhalb des stabilen Resonanzbereichs sowie die Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs steuerbar betrieben werden, indem der Quadrupol-Elektromagnet und der Sextupol-Elektromagnet gesteuert werden.
  4. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenbeschleuniger mit der Extraktion bzw. Entnahme des Strahls beginnt, wenn die Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs den stabilen Resonanzbereich reduziert, daß der Teilchenbeschleuniger die Extraktion bzw. Entnahme des Strahls beendet, wenn die Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs anhält, den stabilen Resonanzbereich zu reduzieren, nachdem der stabile Resonanzbereich um einen speziellen Umfang reduziert worden ist, und daß die Einrichtung zum Erhöhen der Amplitude der Betatron-Schwingung des Teilchenstrahls innerhalb des stabilen Resonanzbereichs die Amplitude der Betatron-Schwingung bis zu der Nähe der Grenze des stabilen Resonanzbereichs erhöht.
  5. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenbeschleuniger mit der Extraktion bzw. Entnahme des Strahls beginnt, wenn der stabile Resonanzbereich reduziert wird, und daß der Teilchenbeschleuniger die Extraktion bzw. Entnahme des Strahls beendet, wenn die Reduzierung des stabilen Resonanzbereichs anhält.
  6. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beginn der Extraktion bzw. Entnahme des Strahls der stabile Resonanzbereich in einem Stand-by-Zustand des Teilchenbeschleunigers auf einen Bereich gesetzt wird, in welchem der Teilchenstrahl selbst dann nicht entnommen wird, wenn der stabile Resonanzbereich infolge eines in einer Ausgabe einer Stromversorgung für einen der Elektromagnete des Teilchenbeschleunigers enthaltenen Welligkeitsanteils reduziert ist.
  7. Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs eine Quadrupol-Luftspule oder einen Quadrupol-Elektromagneten, der einen Magnetkern mit einer Hochfrequenz-Antwortcharakteristik enthält, aufweist.
  8. Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs den Teilchenstrahl unter Verwendung einer Hochfrequenz-Beschleunigungsvorrichtung beschleunigt und abbremst.
  9. Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verändern des stabilen Resonanzbereichs den Teilchenstrahl unter Verwendung einer Hochfrequenz-Beschleunigungsvorrichtung (6) beschleunigt und abbremst, die in der Einrichtung zum Beschleunigen des Teilchenstrahls sowie zum Bewirken, daß sich der Teilchenstrahl auf einer Umlaufbahn bewegt, enthalten ist.
  10. Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem, welches folgendes aufweist: – einen Teilchenbeschleuniger (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9; und – eine Strahl-Transportleitung (300) zum Transportieren eines von dem Teilchenbeschleuniger entnommenen Teilchenstrahls zu einem Behandlungsraum.
  11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner eine in dem Behandlungsraum angeordnete Strahl-Zuführungsvorrichtung (17) aufweist, wobei der Teilchenstrahl von dem Teilchenbeschleuniger (200) in Synchronisation mit der zeitlichen Koordinierung der Bestrahlung der Strahl-Zuführungsvorrichtung (17) entnommen wird.
  12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner einen in dem Behandlungsraum angeordneten Ziel-Verlagerungssensor (31) zum Erfassen einer Verlagerung eines Bestrahlungsziels (30) aufweist, wobei die Strahl-Zuführungsvorrichtung (17) das Bestrahlungsziel mit dem Teilchenstrahl bestrahlt, wenn eine Abtastsignalausgabe von dem Ziel-Verlagerungssensor (31) auf einem Pegel innerhalb eines zuvor festgelegten Bereiches liegt.
  13. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl-Transportleitung (300) eine Strahl-Ablenkvorrichtung (20) zum Ablenken des Teilchenstrahls aufweist, wobei die Strahl-Ablenkvorrichtung (20) verhindert, daß der Teilchenstrahl mit Ausnahme während einer gewünschten Zeitperiode zu der Strahl-Zuführungsvorrichtung (17) transportiert wird.
  14. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl-Transportleitung eine Strahl-Ablenkvorrichtung (20) aufweist, um den Teilchenstrahl schnell zu unterbrechen, wenn der Umfang der Bestrahlung von der Strahl-Zuführungsvorrichtung (17) eine vorgeschriebene Dosis erreicht hat, und daß die Strahl-Ablenkvorrichtung (20) eine Luftspule oder einen Elektromagneten, der einen Magnetkern mit einer Hochfrequenz-Antwortcharakteristik enthält, aufweist.
  15. Verfahren zum Betreiben des Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystems nach Anspruch 11, wobei das Verfahren den Verfahrensschritt des Überführens des Teilchenbeschleunigers (200) in ein Betriebsmuster aufweist, welches ein Abbremsen, ein erneutes Injizieren sowie ein Beschleunigen des sich auf der Umlaufbahn bewegenden Strahls enthält, wenn nach Beendigung der Bestrahlung für eine spezielle Zeitperiode von der Strahl-Zuführungsvorrichtung (17) die Intensität des sich auf der Umlaufbahn bewegenden Strahls in dem Teilchenbeschleuniger (200) nicht hoch genug ist, um ein spezielles Ziel erfolgreich für mehr als eine beabsichtigte Bestrahlungszeit zu bestrahlen.
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