DE2317748A1 - DEFLECTION DEVICE FOR THE FORMING OF A NARROW BEAM OF ENERGY-RICH ELECTRONS INTO A WIDE BEAM OF A DESIRED CROSS-SECTION AREA - Google Patents
DEFLECTION DEVICE FOR THE FORMING OF A NARROW BEAM OF ENERGY-RICH ELECTRONS INTO A WIDE BEAM OF A DESIRED CROSS-SECTION AREAInfo
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Description
Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, 30.März 1973Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, March 30, 1973
Henkestrasse 127Henkestrasse 127
VPA 73/8503 Ru/HeVPA 73/8503 Ru / He
Ablenkvorrichtung zur Umformung eines schmalen Strahlenbündels energiereicher Elektronen in ein. breites Strahlenbündel gewünschter QuerschnittsfläehiDeflection device for converting a narrow beam of high-energy electrons into a. broad bundle of rays of desired cross-sectional area
Bei der Tiefentherapie mittels Elektronen ist man bestrebt, die Zone, in welcher noch 80 % der maximalen Dosisleistung vorhanden sind (80 %-Isodose), in die grösstmögliche Tiefe des bestrahlten Gewebes zu verlagern und dabei einen möglichst grossen Abfallgradienten der Dosisleistung im Gebiet zwischen der 80 5&-Isodose und der praktischen Reichweite des Elektronenstrahls zu erreichen. Gleichzeitig muss die Konstruktion des Strahlers gewährleisten, dass die Querverteilung der Dosisleistung innerhalb der in der Strahlentherapie benötigten Feldgrössen ausreichend homogen ist.In deep therapy using electrons, the aim is to shift the zone in which 80 % of the maximum dose rate is still present (80% isodose) into the greatest possible depth of the irradiated tissue and to achieve the greatest possible drop in the dose rate in the area between the 80 5 & -isodose and the practical range of the electron beam. At the same time, the design of the radiator must ensure that the transverse distribution of the dose rate within the field sizes required in radiation therapy is sufficiently homogeneous.
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Aus den bekannten Elektronenbeschleuriigern, die zur Erzeugung schneller Elektronen verwendet werden, tritt in der Regel ein nur wenig divergierendes Elektronenstrahlenbündel kleinen Querschnitts aus. Um damit grössere Flächen bestrahlen zu können, hat man in den Strahlengang Streukörpor oder Streufolien eingebracht, so dass der Bündelquerschnitt als Folge der erzeugten Strahlendivergenz vergrössert und die Querverteilung der Dosisleistung zugleich homogenisiert wurde. Mittels einer Blende oder einer magnetischen Linse wurde der aufgestreute Elektronenstrahl auf das Bestrahlungsfeld begrenzt.From the well-known electron accelerators that are used to generate When electrons are used faster, an only slightly diverging electron beam with a small cross section occurs as a rule the end. In order to be able to irradiate larger areas, has scattering bodies or scattering foils are introduced into the beam path, so that the bundle cross-section as a result of the generated beam divergence enlarged and the lateral distribution of the dose rate was homogenized at the same time. By means of an aperture or a magnetic lens, the scattered electron beam was limited to the irradiation field.
Die Verwendung von Streukörpern oder Streufolien hat jedoch folgende Nachteile: ·However, the use of scattering bodies or scattering foils has the following Disadvantage: ·
a) Zur Erzielung vorgegebener Streuwinkel sind Streufoliendicken erforderlich, die annähernd proportional zum Quadrat der Elektronenenergie zunehmen. Damit erhöht sich auch der Energieverlust der Elektronen, der durch Kollisionen in den Folien proportional zum Quadrat der Energie und durch Bremsstrahlungserzeugung sogar proportional zur vierten Potenz der Elektronenenergie steigt. Durch die grundsätzlich vorhandenen Schwankungen dieser Energieverluste tritt mit wachsender Elektronenenergie eine zunehmende Verbreiterung des Elektronenspektrums hinter den Folien ein, die zu einer unerwünschten Abflachung des Tiefendosisverlaufes im Gewebe führt.a) To achieve the given scattering angle, scattering film thicknesses are required that are approximately proportional to the square the electron energy increase. This also increases the energy loss of the electrons due to collisions in the foils proportional to the square of the energy and, due to the generation of bremsstrahlung, even proportional to fourth power of the electron energy increases. Because of the fluctuations in these energy losses that exist in principle With increasing electron energy, an increasing broadening of the electron spectrum occurs behind the foils one that leads to an undesirable flattening of the depth dose curve leads in the tissue.
b) Mit Streufolien kann, sofern keine Linse verwendet wird9 grundsätzlich nur ein divergentes Strahlenbündel erzeugt werden. Da die Dosisleistung, abgesehen von anderenb) With scatter foils, if no lens is used 9 , only a divergent bundle of rays can in principle be generated. As the dose rate, apart from others
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Einflüssen, im divergenten Bündel nach dem Gesetz der Zentralprojektion abnimmt, führt dies zu weiterer Abflachung des Tiefendosisverlaufs.Influences, in the divergent bundle according to the law of central projection decreases, this leads to a further flattening of the depth dose curve.
Um diese Nachteile zu beseitigen, ist bereits vorgeschlagen worden, das aus einem Elektronenbeschleuniger austretende Strahlenbündel energiereicher Elektronen durch einen Streukörper oder ein defokussierendes magnetisches Feld kegelförmig auszuweiten und es nach Erreichen eines ausreichenden Querschnitts mit Hilfe eines magnetischen Feldes wieder zu fokussieren. Auf diese Weise wurde erreicht, dass auch Flächen, die grosser sind als der Querschnitt des aus dem Elektronenbeschleuniger austretenden Strahlenbündels, mit einem parallelen oder konvergierenden Elektronenstrahl bestrahlt werden können, für den das Gesetz der Zentralprojektion nicht gilt. Bei dieser Einrichtung steigt jedoch der zu treibende Aufwand sehr stark mit der Grosse des maximal zu bestrahlenden Feldes an, weil das divergierende Strahlenbündel zuerst auf einen Querschnitt gebracht werden muss, der etwas grosser ist als die maximal zu bestrahlende Fläche, was zur Folge hat, dass auch die Magnetspulen der magnetischen Sammellinse diesem Querschnitt entsprechend ausgelegt sein müssen.In order to eliminate these disadvantages, it has already been proposed the beam of high-energy electrons emerging from an electron accelerator through a scattering body or to expand a defocusing magnetic field conically and after reaching a sufficient cross-section to focus it again with the help of a magnetic field. In this way it was achieved that areas that are larger than the cross-section of the beam emerging from the electron accelerator, with a parallel or converging electron beam can be irradiated to which the law of central projection does not apply. With this facility, however, the The effort to be driven very strongly with the size of the maximum field to be irradiated, because the diverging beam must first be brought to a cross-section that is somewhat larger is than the maximum area to be irradiated, which means that the magnetic coils of the magnetic converging lens also do this Cross-section must be designed accordingly.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kosten einer solchen Einrichtung, die trotz der Erzielung grosser Bündelquerschnitte die Lage der 80 %-Isodose weiter in die Tiefe des je-, weiligen Bestrahlungsobjektes verschiebt, zu begrenzen.The invention is based on the object of the cost of such Facility that, despite the achievement of large bundle cross-sections, moves the 80% isodose further into the depth of the temporary irradiation object moves to limit.
Bei einer Ablenkvorrichtung der eingangs genannten Art zur Erzeugung eines divergierenden, parallelen oder konvergierenden Strahlenbündels sind erfindungsgemäss in Strahlrichtung nacheinander angeordnete Mittel zur zweimaligen Ablenkung und elektronenoptischen Verformung des Strahlenbündels vorhanden, denen eine elektrisch steuerbare Vorrichtung zur Begrenzung undIn the case of a deflection device of the type mentioned at the outset for generation of a diverging, parallel or converging beam are, according to the invention, one after the other in the beam direction arranged means for double deflection and electron-optical Deformation of the beam present, which an electrically controllable device for limiting and
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zeitlich periodischen Steuerung der Ablenkwinkel und der elektronenoptischen Verformung des Elektrorienstrahlenbündels zugeordnet ist. Durch die ablenkende Wirkung des dem Austrittsfenster der Quelle der Elektronen unmittelbar nachgeschalteten ersten Mittels durchläuft der Elektronenstrahl periodisch einen kegelförmigen Richtungsbereich, so dass er in der Eintrittsebene des in einem vorgegebenen Abstand zum ersten Mittel angeordneten zweiten Mittels periodisch über einen grösseren Querschnitt geführt wird. Durch die Strahlablenkung in dem zweiten Mittel wird der Strahl so beeinflusst, dass der periodisch durchlaufene Richtungsbereich geändert wird, und zwar so, dass er entweder einem divergenten, einem parallelen oder einem konvergenten Strahlenbündel entspricht.Periodic control of the deflection angle and the electron-optical control Deformation of the electric beam bundle is assigned. Due to the distracting effect of the exit window of the Source of electrons immediately downstream of the first means, the electron beam periodically traverses a cone-shaped Directional range so that it is in the plane of entry of the in one predetermined distance to the first means arranged second means is periodically guided over a larger cross section. The beam deflection in the second means influences the beam in such a way that the periodically traversed directional range is changed in such a way that it corresponds to either a divergent, a parallel or a convergent beam.
Ein konvergentes Strahlenbündel gehorcht aber nicht mehr dem Gesetz der Zentralprojektion, vielmehr nimmt seine Dosisleistung bei Wechselwirkung mit Materie mit zunehmender Entfernung von der Strahlenquelle zu. Auf diese Weise wird die 80 %-Isodose bei gegebener Eindringenergie und gegebenem Bestrahlungsobjekt weiter in die Tiefe des Bestrahlungsobjektes und näher an die praktische Reichweite des Elektronenstrahls im Bestrahlungsobjekt verschoben. Infolge der gleichzeitigen Verwendung von'zwei Mitteln zur gesteuerten, periodischen Ablenkung des Elektronenstrahls kann dies gleichzeitig mit der Wahl der Grosse des Bestrahlungsfeldes und der homogenen Ausleuchtung dieses Feldes geschehen. A convergent bundle of rays no longer obeys the law the central projection, rather its dose rate increases with interaction with matter with increasing distance from the radiation source. In this way, the 80% isodose dose at given penetration energy and given irradiated object further into the depth of the irradiated object and closer to the practical Range of the electron beam shifted in the irradiated object. As a result of the simultaneous use of two means for the controlled, periodic deflection of the electron beam this can be done simultaneously with the choice of the size of the irradiation field and the homogeneous illumination of this field.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass man mit der Vorrichtung nach der Erfindung, die dem gesamten Elektronenstrahl einen einheitlichen Ablenkwinkel erteilt, der jedoch zeitlich gesteuert wird, im zeitlichen Mittel die gleiche Wirkung erzielen kann wie mit einer bekannten Vorrichtung, die dem Elektronenstrahl mit elektronenoptischen Mitteln zu jedem Zeitpunkt die gewünschte Form gibt. Der besondere Vorteil der erfindungsgemässen gegenüber der bekannten Vorrichtung besteht vor allem in einer Energieersparnis und zugleich geringeren Störanfälligkeit. Dies ergibt sich aus dem Vergleich zwischen dem Ablenkwinkel einerThe invention is based on the knowledge that with the Device according to the invention, which gives the entire electron beam a uniform deflection angle, which is, however, time-controlled is, on average over time, can achieve the same effect as with a known device that uses the electron beam with electron-optical means gives the desired shape at any time. The particular advantage of the invention compared to the known device, there is above all an energy saving and at the same time less susceptibility to failure. this results from the comparison between the deflection angle of a
'■ - 5 - ' 40.9842/0646 '■ - 5 -' 40.9842 / 0646
Elektronenbahn in einem homogenen Magnetfeld, der der magnetischen Feldstärke proportional ist, und dem Ablenkwinkel in einem magnetischen Vierpolfeld, der dem Produkt aus dem Achsenabstand der Elektronenbahn und dem Feldstärkegradienten proportional ist.Electron orbit in a homogeneous magnetic field, that of the magnetic Field strength is proportional, and the deflection angle in a four-pole magnetic field, which is the product of the axis distance the electron trajectory and the field strength gradient is proportional.
In einer Weiterbildung der Erfindung'wird vorgeschlagen, als Mittel zum Ablenken und elektronenoptischen Verformen des Strahlenbündels je zwei magnetische Spulen zu benutzen. Dies hat etwa gegenüber elektrostatischen Ablenkelektroden den Vorteil, dass für die Ablenkung keine Hochspannung verwendet werden muss.In a further development of the invention, it is proposed as a means to use two magnetic coils each for deflecting and electron-optically deforming the beam. This has about opposite Electrostatic deflection electrodes have the advantage that for the deflection does not have to use high voltage.
Eine besonders einfache und raumsparende Ausführungsform ergibt sich dann, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung je zwei magnetische Spulen am gleichen Ort durch Überlagerung ihrer Magnetfelder auf den Elektronenstrahl wirken. Die Stromverteilung kann dabei so gestaltet sein, dass neben der Strahlablenkung auch eine elektronenoptische Wirkung erzielt wird, welche die Homogenisierung der Dosisleistung im Bestrahlungsfeld unterstützt. ■A particularly simple and space-saving embodiment results when, according to a further feature of the invention, two magnetic coils each at the same location by superimposing their magnetic fields act on the electron beam. The current distribution can be designed so that in addition to the beam deflection an electron-optical effect is also achieved, which supports the homogenization of the dose rate in the irradiation field. ■
An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.The invention is described below using an exemplary embodiment explained in more detail.
Durch das Austrittsfenster 1 eines nicht näher dargestellten Beschleunigers 2 tritt das schmale, leicht divergierende Elektronenstrahlenbündel 3 aus. Auf der dem Austrittsfenster 1 des Beschleunigers 2 zugewandten Seite ist die Ablenkvorrichtung 4 angeordnet. Sie besteht aus einem magnetischen Ablenker mit den beiden um den Zentralstrahl 3 gegeneinander um 90° gedrehten Spulen 6, 7 und einem in einem vorgegebenen Abstand davon in Richtung des gegenüber dem Zentralstrahl 3 hier bereits abgelenkten Elektronenstrahlenbündels 5 angeordneten zweiten magnetischen Ablenker, der in ähnlicher Weise wie der erste Ablenker aus den beiden um den Zentralstrahl 3 gegeneinander um 90° gedrehtenThrough the exit window 1 of an accelerator, not shown in detail 2 the narrow, slightly diverging electron beam 3 emerges. On the exit window 1 of the accelerator 2, the deflection device 4 is arranged. It consists of a magnetic deflector with the two coils 6, 7 rotated by 90 ° relative to one another around the central beam 3 and one at a predetermined distance therefrom in the direction of the second magnetic electron beam 5 already deflected here with respect to the central beam 3 Deflector, which in a similar way to the first deflector of the two rotated about the central beam 3 against each other by 90 °
- 6 -40 98 42/064 5- 6 -40 98 42/064 5
Spulen 8, 9 besteht. Diese beiden magnetischen Ablenker sind an eine Stromversorgungsanlage 10 angeschlossen.Coils 8, 9 consists. These two magnetic deflectors are on a power supply system 10 is connected.
Das aus dem Strählenaustrittsfenster 1 des Beschleunigers 2 austretende, leicht divergierende Strahlenbündel 3"geringen Querschnitts wird beim Durchtritt durch das Magnetfeld der beiden Spulen 6, 7 periodisch so abgelenkt, dass es in jeder Periode einen kegelförmigen Richtungsbereich durchläuft, der durch die Linien -11, -12 begrenzt ist. Dieses Strahlenbündel durchläuft in der Eintrittsebene der beiden Spulen 8, 9 den gewünschten grösseren Querschnitt. Durch die Magnetfelder der beiden Spulen 8,9 wird ein veränderter, periodisch durchlaufener Richtungsbereich festgelegt, der durch die Linien 13, 14 begrenzt ist und der je nach Wahl einem divergenten, parallelen oder konvergenten Strahlenbündel entspricht. Anders als bei bekannten 'Bestrahlungseinrichtungen mit divergierendem Elektronenstrahl nimmt im Falle der Konvergenz die Dosisleistung mit zunehmender Entfernung von der Strahlenquelle, d.h. mit kleiner werdendem-Bündelquerschnitt, zu. Bei der Bestrahlung eines Objektes 15 liegt daher die 80 % Isodose tiefer als bei Einrichtungen der herkömmlichen Art. Bei einer solchen Anordnung der Spulen wird der grösstmögliche Querschnitt eines parallelen Strahlenbündels in einer Bestrahlungsebene etwa durch die gestrichelten Linien 16, 17 begrenzt, während sich der jeweils, eingestellte Querschnitt aus den Randstrahlen 13, 14 ergibt. .The slightly diverging beam 3 ″ of small cross-section emerging from the beam exit window 1 of the accelerator 2 is periodically deflected when passing through the magnetic field of the two coils 6, 7 so that it passes through a conical directional area in each period, which is defined by the lines -11, -12. This bundle of rays passes through the desired larger cross-section in the plane of entry of the two coils 8, 9. The magnetic fields of the two coils 8, 9 define a changed, periodically traversed directional range that is limited by the lines 13, 14 and which, depending on the choice, corresponds to a divergent, parallel or convergent beam. In contrast to known 'irradiation devices with a diverging electron beam, in the case of convergence the dose rate increases with increasing distance from the radiation source, ie with decreasing beam cross-section. When irradiating an object 15 is therefore the 80 % isodose is lower than with conventional devices. With such an arrangement of the coils, the largest possible cross-section of a parallel beam in an irradiation plane is limited by the dashed lines 16, 17, while the respective set cross-section is made up of the marginal rays 13, 14 results. .
Durch periodische Beeinflussung des durch die Spulen 6, 7, 8, 9 fliessenden elektrischen Stromes wird erreicht, dass der Elektronenstrahl in jeder Periode über das gewünschte Bestrahlungsfeld 18 geführt wird. Dies geschieht mit Hilfe der Steuervorrichtung 19 in der x- und y-Richtung. Um die Homogenität der Dosisleistung innerhalb des Bestrahlungsfeldes zu'erhalten, müssen By periodically influencing the flow caused by the coils 6, 7, 8, 9 A flowing electric current ensures that the electron beam over the desired irradiation field in every period 18 is performed. This is done with the aid of the control device 19 in the x and y directions. In order to maintain the homogeneity of the dose rate within the irradiation field,
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die durch die zueinander parallelen Spulen 6 und 8 bzw. 7 und 9 fliessenden Ströme proportional zueinander geändert werden. Die maximale Amplitude der Auslenkung für jede Koordinate ist mittels der Stellglieder 20, 21 der Ablenkvorrichtung 19 voreinstellbar.through the coils 6 and 8 or 7 and 9, which are parallel to one another flowing currents can be changed proportionally to each other. The maximum amplitude of the deflection for each coordinate is means of the actuators 20, 21 of the deflection device 19 can be preset.
Zur Einsparung von Raum ist es möglich, die Spulen 6 und 7 nicht in ζ-Richtung hintereinander anzuordnen, sondern am gleichen Ort ζ auf den Strahl wirken zu lassen (Überlagerung der beiden Magnetfelder). Gleiches gilt für die Spulen 8 und 9. Um den Querschnitt des aus der Ablenkvorrichtung 4 austretenden Bündels so zu for-" men, dass eine optimale Homogenisierung der Dosisleistung in der Eintrittsebene des Objektes 15 erreicht wird, ist eine solche Stromverteilung der Ablenker' 6, 7 und 8, 9 vorgesehen, dass die zur Homogenisierung erforderlichen elektronenoptischen Eigenschaften der Ablenkspulen erzielt werden.To save space, it is possible not to arrange the coils 6 and 7 one behind the other in the ζ direction, but at the same place ζ to act on the beam (superposition of the two magnetic fields). The same applies to the coils 8 and 9. To the cross-section of the bundle emerging from the deflection device 4 in such a way that an optimal homogenization of the dose rate in the Entrance plane of the object 15 is reached, such a current distribution of the deflectors' 6, 7 and 8, 9 is provided that the Electron-optical properties of the deflection coils required for homogenization can be achieved.
Anstelle der magnetischen Felder können grundsätzlich auch entsprechende elektrische Felder verwendet werden. Es ist auch möglich, die periodische Ablenkung des Elektronenstrahls mittels zusätzlicher, dem Elektronenstrahl zugeordneter elektrostatischer Ablenkfelder zu bewirken und zu diesem Zweck die Steuervorrichtung" 18 zur Beeinflussung der Potentiale von Ablenkplatten zu benützen. Darüber hinaus kann die Ablenkung in der x- und y-Richtung auch nach bestimmten, an der Steuervorrichtung einstellbaren Funktionen verlaufen, so dass anstelle rechteckiger Felder runde oder beliebig anders geformte Felder entstehen.Instead of the magnetic fields, corresponding electric fields are used. It is also possible to periodically deflect the electron beam by means of additional, to cause electrostatic deflection fields assigned to the electron beam and for this purpose the control device " 18 to influence the potentials of deflection plates. In addition, the deflection can be in the x and y directions also run according to certain functions that can be set on the control device, so that instead of rectangular fields Round or any other shaped fields are created.
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