Teilchenbeschleuniger für Tumortherapie mit Ionen … · MB Vo Teilchenbeschleuniger 2 Inhalt •...

MB Vo Teilchenbeschleuniger 1

Teilchenbeschleuniger für Tumortherapie mit Ionen und Protonen

Michael Benedikt AB Department, CERN


Inhalt

• Einleitung– Generelle Aspekte der Radiotherapie

• Radiotherapie mit Protonen und Ionen– “Bragg-Spitze” von Protonen und Ionen– Teilchenbeschleuniger für Protonen und Ionentherapie

• Strahlaufbereitung– Passive Systeme– Aktive Systeme

• Das MedAustron Projekt– Hauptparameter und Anlagenüberblick

• Zusammenfassung

• Langsame Resonanzextraktion von Synchrotrons – Teilchenbewegung und transversaler Phasenraum– Betatronschwingungen und Resonanzen– Langsame Resonanzextraktion


Einleitung Radiotherapie

• Ziel– Abgabe einer hohen

Strahlendosis ansZielvolumen, um Tumorzellen abzutöten.

– Schonung des gesundenGewebes und kritischerOrgane.

– Dosisverteilung an den Tumor angepaßt.

• Strahlenarten– Konventionelle Therapie:

Photonen, Elektronen– Hadrontherapie: Protonen,

leichte Ionen

Kritisches Organ:Hirnstamm

Tumor

Kritisches Organ:(Optischer Nerv)

Courtesy GSI


EU Studie – Tumorbehandlung (i)

• EU Report 1996:• Durchschnittlich jeder dritte EU Bürger erleidet tumorartige

Erkrankung.

– RT involviert in 18/45 erfolgreichen Behandlungen d.h. 40%.– OP/RT involviert in 40/45 erfolgreichen Behandlungen d.h. 90%– OP/RT zielt auf lokal-regionale Erkrankungen, keine Fernmetastasen.

Nicht geheilt 55%

Erfolgreich behandelt 45 %

Operation 22%

Radiotherapie 12% 40%

OP&RT kombiniert 6%

Andere (Chemo therapie ) 5%

}18%}


• 18% lokal-regional aber nicht heilbar

• Verbesserungen:– Bessere Ergebnisse bei

lokal-regionalerErkrankung, um Heilungsrate zu erhöhen.

• 60-65% Heilungsrate– Bei 100% Erfolg bei

lokal regionalen Fällen.

• Hauptprobleme:– Operation: anatomische Verhältnisse (nicht operabel).– Strahlentherapie: Strahlenresistenz, Nähe zu kritischen Organen.

• Therapie mit Protonen und Ionen als möglicher Lösungsansatz– Ermöglicht präzisere und besser lokalisierte Dosisverteilungen.

EU Studie – Tumorbehandlung (ii)

Surgery

Radio therapy

SU + RTcombinedOther (chemo)

No cure loco-regionalNo cure nonregional

22%

12%

6%5%

37%

18%


Hadrontherapie – Protonen und leichte Ionen

• Hauptziel: Verbesserte Dosisanpassung an Zielvolumen.– Reduktion der Dosis an gesundes Gewebe.– Reduktion der integrierten Dosis an Patient → weniger Nebenwirkungen.– Minimierung der Dosis an kritische Organe (Nerven, Wirbelsäule, etc).– Ermöglicht höhere Dosis an den Tumor im Vergleich zu konventioneller

Therapie (für strahlenresistente Tumoren).

• Basiert auf “Bragg-Spitze” von Protonen / leichten Ionen– Höchste Energieabgabe (dE/dx) am Ende der Teilchenbahn

( Bragg-Spitze).– Länge der Teilchenbahn von Teilchenenergie abhängig.– Sehr schneller Dosisabfall hinter “Bragg-Spitze”.


Tiefendosiskurven – “Bragg-Spitze”

Penetration depth in water [cm]

Messungen im Wasserphantom (~gewebeäquivalent)

Cobalt 60 (γ, ~1.2 MeV)Electrons 21 MeVPhotons 25 MeVC-ions 330 MeV/u

Messungen:Photonen und Elektronen:University Clinics ViennaC-Ionen:GSI Darmstadt

Rel

ativ

e do

se [%

]

Depth-range in water [cm]


Aufgeweitete “Bragg-Spitze”

• “Bragg-Spitze” muss “aufgeweitet” werden auf gesamte Tumordicke.– Überlappung von Strahlen mit verschiedener Energie.– Aktive Energievariation (Synchrotron) oder passive (Zyklotron).

• Strahl muss auch gesamten Tumorquerschnitt abdecken– Transversales Abtasten mit kleinem Strahl oder Aufstreuung auf großes Feld.


0

50

100

150

200

250

300

350

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Depth [cm]

Ener

gy d

epos

ition

/ Io

n [M

eV/m

m]

100

MeV

/n

145

MeV

/n

180

MeV

/n

220

MeV

/n

250

MeV

/n

280

MeV

/n

305

MeV

/n

330

MeV

/n

“Bragg-Spitze” - Energieabhängigkeit

Tiefendosis für mono-energetische C-Strahlenmit verschiedener Ausgangsenergie (Courtesy of GSI)


Dosisprofile bei 1-Feld Bestrahlung


Beschleuniger für Radiotherapie

– (From W.H. Scharf and O.A. Chomicki, 1996)

Beschleuniger Anwendung Typischekinetische Energie

Betatron &Microtron

ElektronentherapiePhotonentherapie

4 – 45 MeV e–

4 – 50 MeV e–

Electron linac ElektronentherapiePhotonentherapie

4 – 25 MeV e–

4 – 25 MeV e–

Zyklotron ProtonentherapieProduktion Radioisotope

70 – 250 MeV p10 – 100 MeV p

Synchrotron ProtonentherapieLeichtionentherapie (C6+)

60 – 250 MeV p120 – 500 MeV/u


Prinzip des Zyklotrons

FL

B0

ZyklotronMagnet,homogenesMagnetfeld

• Konstantes, homogenesvertikales Magnetfeld.

• Geladenes Teilchen bewegtsich auf Kreisbahn

• Lorentzkraft =Zentripetalkraft• Radial: (m0γ)v2/r = qvB0

Δτ

Intensität

ZeitΔτ = 1/fRF ~ 1/10 MHz = 100 ns

• Zyklotronfrequenz: ω = q⋅B0/m0γ (~10 MHz)

• Konstante Frequenz solange γ≈1!• Größere Weglänge kompensiert höhere

Geschwindigkeit.

• Strahlstruktur: quasikontinuierlich, fixe Energie

BeschleunigungsSpannung ~ 100 kV

~

Folie für Hminus -> pbzw. Elektrode für p

“Dee”mit angelegterHochspannung


235 MeV Zyklotron (IBA Cyclone 235)


Prinzip des Synchrotrons (i)

• Konstante Teilchenbahn.• Dipole (homogenes vertikales

Magnetfeld) definieren Sollbahn.• horizontale Ebene m0γv2/r0 = qvB

• Bedingung: m0γv = m0cβγ = p = q⋅Br0

• Magnetfeld B muss proportional zumTeilchenimpuls p steigen.

• Umlauffrequenz des Strahles ändertsich, und Hochfrequenz zurBeschleunigung muss folgenSYNCHROTRON

• Relativ “kleine” Magneten, die nur die Sollbahn abdecken.

BeschleunigungsSpannung ~ 1…10 kV

~

Dipolmagnet zur Bahndefinitionhomogenes vertikales Feld

Quadrupolmagnet zurStrahlfokusierung


Prinzip des Synchrotrons (ii)

Zeit

Magnetfeld

Bmax

B1B2 InjektionExtraktion

Energie 1ExtraktionEnergie 2

Beschleunigung

Injektion

Beschleunigung∼2 s ∼4 s

Typischer Zyklus für medizinischesSynchrotron mit langsamer Extraktion

Intensität

Zeit

Energie 1Intensität 1 Energie 2

Intensität 2

• Strahlstruktur: gepulst, Energie variabel, Intensität variabel

• Flexibler als Zyklotron aber wesentlich komplexer.


CERN LEAR ~ 1.2 GeV Synchrotron


Medizinische Spezifikationen Hadrontherapie

• Strahlenergie:– Protonen: 60 MeV bis 250 MeV (für etwa ~30 cm Eindringtiefe)– C-Ionen: 120 MeV/n bis 400 MeV/n.

• Transversale Feldgröße ≥ 20 x 20 cm2.

• Aufgeweitete Bragg-Spitze über Tumordicke (→ Energievariation).

• Zyklotron:– Nur Protonen.– Strahlradius ~cm.– Fixe Extraktionsenergie.– Dp/p ~10-3 (scharfe B-S)

• Synchrotron:– Protonen und C-Ionen.– Strahlradius ~cm.– Energie variabel Zyklus zu Zyklus.– Dp/p ~10-3 (scharfe B-S)

• Strahlen direkt vom Beschleuniger erfüllen die medizinischenSpezifikationen nicht.


Strahlaufbereitung

• Reduktion der Strahlenergie passend zur maximalen Tumortiefe.• Modulation Strahlenergie zur Aufweitung des Bragg-Spitze.• Anpassung der Strahlgröße an den Tumorquerschnitt.

• Passive Systeme (Materie im Strahlweg):– Streukörper zur Aufstreuung auf transversale Feldgröße.– Energieabsorber zur Aufweitung der Bragg-Spitze– Anwendbar für Zyklotron and Synchrotron.

• Aktive Systeme (keine Materie im Strahlweg):– Transversales “Scannen” über Tumorquerschnitt mit kleinem Strahl.– Energieänderung mit dem Beschleuniger.– Methode der Wahl mit Synchrotron.


Passive Strahlaufstreuung

• Vergrößerung des Strahls durch Aufstreuung auf ≥ 20 x 20 cm2.• Anforderung an Feldhomogenität ± 2.5%.• Technik impliziert hohe Strahlverluste (akzeptabel mit Zyklotron).


Passive Energieabstufung

• Anpassung der Energie (Bragg-Spitze) an maximale Tumortiefe. • Nicht geeignet für Ionen wegen Fragmentbildung.

Beam E0 Beam E1

moveable

fixed

“Double wedge system” – Dicke entsprechend max. Tiefe. – Konstant während Behandlung.– Einstellung von Patient zu Patient.– Danach Spektrometermagnet um

gewünschte Energie auszuwählen.


Passive Energiemodulation

• Zur Aufweitung der “Bragg Spitze” entsprechend der Tumordicke.• Zeitstruktur von Bedeutung bei Tumorbewegung.

Moving slices

ΔE acc. to tumour

thickness

Beam E3

1 2

3 4

Beam E1

time

energy

E4

E2

E1

E3

E5 time

energyE1

Emin

ΔE acc. to tumour

thickness

Beam E1 Emin- E1 Beam E1 Emin to E1

time

energyE1

Emin

Statische Modulation

„Ridge“ Filter

Stufenweise Modulation

Plexiglas Schichten

Schnelle Modulation

Rotierender Propellor

Keine Zeit-Ort Korrelation


Passive Strahlaufbereitung

PatientScattering system

CollimatorTumour

Energy adjustment and variation

depth, energy

Dose

EmaxEmin

ThicknessSOBP

• Keine Zeit-Ort Korrelation beiVerwendung von schneller oderstatischer Energiemodulation.

• Kritisches Organ in 100% Dosis.

• Kollimator – patientenspezifischeAnfertigung.


Passive Strahlaufbereitung - Kompensator

• Beste Dosisverteilungmit schneller/statischerModulation.

• Keine Zeit-Ort Korrelation.• Keine Dosis zu krit. Organ.• Hohe Hautdosis.• Kollimator and

Kompensator –patientenspezifisch.

Collimator

Patient

targettargettarget

Compensator

Tumour

• Gewebeäquivalenter Kompensator um Dosis an Tumorrückseiteanzupassen. – Erzeugt Energieverlust als Funktion der transversalen Position.


Passiv – “Multi-Leaf” Kollimator

• “Multi-leaf”Kollimator: ErlaubtÄnderung der Feldgröße währendder Behandlung.

• Beste Dosisverteilungmit passivem System.

• Keine Dosis beikritischem Organ

• Niedrige Hautdosis.• Nur Kompensator ist

patientenspezifisch.• Zeit-Ort Korrelation

Multi-leaf collimator

Patient

targettargettarget

Feld 3E3

4 521

Compensator

Beam E3

Moveable slices1 2

3 4

Beam E1time

energy

E4

E2

E1

E3

E5


Aktives Abtasten (Scanning)

• Transversales “scanning” mit kleinem Strahl.– Strahlgröße einstellbar im Bereich 4 bis 10 mm.

• Schnelle magnetische Ablenkung (≤ 10m/s).

fastslow

horizontal deflection

vertical deflection

• Keine Strahlverluste.• Keine patientenspezifischen Anfertigungen (Kostenfaktor).• Benötigt Zeit (~1s pro Schicht) für online-Dosimetrie.

– Erfordert langsame Extraktion bei Verwendung eines Synchrotrons.


Aktive Energieänderung

• Nur möglich mit Synchrotron als Beschleuniger.• Änderung der Extraktionsenergie von Zyklus zu Zyklus um

so “aktiv” verschiedene Bragg Spitzen zu überlagern.

time

magnetic field

Bmax

B1

B2 injectionextractionenergy 1

extractionenergy 2

acceleration

injection

acceleration∼1.5s ∼3.0s

• Keine Strahlverluste.• Keine patientenspezifischen Anfertigungen.


Aktive Strahlaufbereitung

• Unterteilung des Tumors in Schichten unterschiedlicher Tiefe.• Transversales scanning, Schicht für Schicht mit

entsprechender Energie.• Intensität und Strahlgröße einstellbar von Schicht zu Schicht.

• Beste erzielbare Dosisverteilung.• Starke Zeit-Ort Korrelation (problematisch bei Tumorbewegung).

active energy variation in synchrotron

patient

scanning system

tumour

field 22E22

field 4E4


Aktive StrahlaufbereitungPrinciple of GSI raster scanning system.

Courtesy of GSI


Strahlparameter für aktives Scanning

• Für eine Feldgröße von 10 x 10 cm2:– Typische transversale Strahlgröße (bzw. Linienabstand) ~ 5 mm . – Ergibt insgesamt 2 m Scanningspur.– Durchschnittlicher Scanninggeschwindigkeit von ~5 ms-1.– Erfordert kontinuierlichen Strahl während 0.4 s.

• Anforderung: kontinuierlicher Strahl während ~1 s.

• Zyklotron gibt quasi-kontinuierlichen Strahl (keine Energieänderung)

• Synchrotron liefert gepulsten Strahl (Energieänderung Puls zu Puls)– Typische Pulslänge im Bereich von μs (kleiner als Umlaufzeit)!– Spezielles Verfahren nötig zur Verlängerung der Extraktionsdauer.


“Mechanische” Extraktion vom Synchrotron• Strahl macht in 1s ~106 Umläufe im Synchrotron.

– Bei Strahldurchmesser ~ 30 mm pro Umlauf ~ 30 nm “abschälen”• Typische Dicke eines elektrostatischen Extraktionsseptums ~0.1mm.

– “Mechanische Extraktionsart” für medizinische Anwendung ausgeschlossen.– Alle Teilchen gehen direkt am Extraktionsseptum verloren.

Elektroded=0.1 mm

~50kV/cm

ElektrostatischesSeptum

Zirkulierender Strahlwird mit Magnetenkontinuierlich gegenSeptum bewegt

vertikal

radial

• Verwendung der langsamen Resonanzextraktion.


MedAustron Parameter

• Synchrotronzentrum für Therapie mit Protonen und C-Ionen.

– 4 medizinische Behandlungsräume mit aktivem Scanning.– Behandlungskapazität etwa 1200 Patienten pro Jahr.– 2 horizontale Strahllinien für Forschungsbetrieb.

Strahlenergie: ProtonenC-Ionen

60 - 250 MeV120 - 400 MeV/u

Strahlintensität: ProtonenC-Ionen

≤ 1 × 1010 pro Zyklus≤ 4 × 108 pro Zyklus

Strahlgröße für aktives Scanning 4 × 4 bis 10 × 10 mm2

• Patientenbehandlung:– Strahl immer nur zu jeweils 1 Behandlungsraum– Bestrahlungsdauer etwa 5 min pro Patient/Feld.– Vorbereitungszeit (Positionierung, etc.) etwa 20 min pro Patient.


MedAustron Layout


MedAustron Synchrotron

• Ringdesign basierend auf PIMMS Studie bei CERN.

RF-Cavity Resonance Sextupole

Betatron Core

Injection Kicker

Electrostatic Septum

Magnetic Septum

Chromaticity Sextupole horizontal

Chromaticity Sextupole

vertical

ChromaticitySextupole

vertical

ChromaticitySextupole horizontal

Circumference C = 77.64 m Horizontal Tune Qx = 1.666 Vertical Tune Qz = 1.720 Gamma Transition γtr = 1.98

Drawn on a 2.50 m square gridHorizontal plan view

– Protonen: 250 (1200) MeV– C-Ionen: 400 MeV/u

– Multi-turn Injektion (≤10)

– Langsame Extraktion (5/3)

– Extraktionszeit ~1s to 10 s

– Extraktionssteuerung durchinduktive Beschleunigung

– “Orthogonale” KontrolleResonanz - Chromatizität


MedAustron Betrieb

• Generelle Anforderungen– Betrieb in Krankenhausumfeld (kein Hochenergiephysikzentrum)– Hohe Präzision (Medizinbehandlung, kein Experimentiercharakter)– Hohe Verfügbarkeit der Anlage (>95%).

• Komplexität wegen großem Parameterraum:– Strahlgröße: ~10 Abstufungen (2-12 mm)– Energie: ~ 200 Stufen ( Δ ~ 1 MeV)– Intensität: Faktor 1000 (Schichtgröße, hinterste-vorderste Schicht).– Ionenarten: 2

Insgesamt: 4 × 106 unterschiedliche Konfigurationen möglich.

– Alle Parametersets sollten vorab konfiguriert und gespeichert seinKomplexe Inbetriebnahme solcher Anlagen.


Zusammenfassung

• Hadrontherapie ist ein Spezialverfahren in der Tumorbehandlung.

• Keine Konkurrenz zur konventionellen Strahlentherapie, jedoch Methode der Wahl bei bestimmten Tumoren(Schädel, Wirbelsäule).

• Interessante technische Aspekte in BereichenBeschleunigerphysik und Beschleunigerbetrieb

• MedAustron könnte das Hadrontherapiezentrum für den zentraleuropäischen Raum sein.


Teilchenbewegung im Synchrotron

• Dipolmagnete definieren die Sollbahn (nur horizontale Ablenkung)und ein „ideales“ Teilchen würde ewig umlaufen... aber– Der Strahl besteht aus vielen Teilchen– Alle Teilchen weichen leicht von Sollbahn ab (Injektionsfehler,

Energieabweichung, etc.)– Dipole haben Feldfehler (~10-4) und Positionierungsfehler.

• Fokussiermechanismus notwendig um Strahl zu stabilisieren und über viele Umläufe im Beschleuniger zu halten.

• Quadrupolmagnete werden zur Fokussierung verwendet– 4 Pole– Pol hat Hyperbelform, x⋅z = konstant.


Fokussierung mit Quadrupolemagneten

• Quadrupol erzeugt konstantenFeldgradienten G=dBz/dx=dBx/dz.

– Lorentz Kraft q(v x B):

– Rücktreibende Kraft wächst linear mitAuslenkung (harmonische Oszillation)

– WICHTIG: horizontale und vertikaleBewegung sind entkoppelt.

– Quadrupol fokussiert in einer Ebene und defokussiert in anderer (vgl. Optik)

Fx = - Gx⋅ev and Fz = Gz⋅ev

Bx(x,z)=G⋅z and Bz(x,z) =G⋅x

Fx = ev⋅Bz und Fz = -ev⋅Bx


Fokussierung, Betatronschwingung, Tune

• Abwechslung von fokussierenden und defokussierenden Magnetenergibt insgesamt fokussierenden Effekt.– Intuitiv: Strahl ist kleiner im defok. Element und größer im fok. Element. Feld

wächst linear mit der Ausdehnung, daher größere Kraft im fok. Element.

• Teilchen schwingen um idealen Orbit “Betatron Schwingungen”. – Anzahl der Schwingungen pro Umlauf im Synchrotron wird bezeichnet als

Betatron TUNE Q (Qx horizontal and Qz vertical). – Betatron TUNE wird mit Quadrupolmagneten kontrolliert.

• Optimierung und Kontrolle des TUNES sind essentiell für Betrieb.


Strahlbeschreibung -transversaler Phasenraum

• Beschreibung eines Teilchens– Rechtwinkeliges Koordinaten-

system am idealen Orbit.– Projektion der Bewegung auf

horizontale und vertikale Ebenen.– Ergibt Phasenraumkoordinaten

(x,x’) und (z,z’).

z

Vertikaler Phasenraumdz/ds = z’

z

s

Vertikale Ebene

dz/ds

x

s

Horizontale Ebene

dx/ds

x

Phasenraumdx/ds = x’

Horizontaler

Kreisbeschleuniger z

x

s


Strahlbeschreibung an fixer Position

z

Vertikaler Phasenraumdz/ds = z’

x

Horizontaler Phasenraumdx/ds = x’

• Beobachtung an fixer Position über viele Umläufe.– Teilchenbewegung ergibt eine Ellipse im Phasenraum.– Folgt mathematisch aufgrund Randbedingungen (geschlossene Maschine).– Form der Ellipse ist unterschiedlich an verschiedenen Positionen aber die

Fläche ist konstant (Liouville, Erhaltung der Phasenraumdichte).– Bewegung des Teilchens auf der Ellipse hängt vom “Tune” ab und daher

von der Fokusierstruktur.– Horizontale und vertikale Bewegung / Ellipse voneinander unabhängig.

Kreisbeschleunigerz

x

s1

2

34

12

3

4

12

3

4

5 5

5


Strahlbewegung entlang des Orbits

y

Phasenraumdy/ds = y’

y

s

Realraum

dy/ds

y




y y

y

s

Realraum

dy/ds

y

s

Realraum

dy/ds

y

s

Realraum

dy/ds

Drift (keine Magnete)Winkel unverändertPositionsänderung

Fokusierender QuadrupolWinkeländerung.Position unverändert

Drift (keine Magnete)Winkel unverändertPositionsänderung


Normalisierter Phasenraum

• Durch geeignete Transformation lässt sich Teilchenbewegung als harmonische Schwingung (harmonischer Oszillator) darstellen.– Phasenraumellipse wird zum Kreis transformiert.– Beobachtung am fixen Ort: Teilchen bewegt sich mit dem Tune am Kreis.– Phasenraum entlang der Maschine: Gesamter Kreis rotiert mit der Phase.– Bsp: 1 Umlauf in Maschine mit Tune Q=2.25 (2 1/4 Schwingungen):

0 2πQ

y

0

1Y’

Y

0

12

Y’

Y

0

1

2

2π*0.25

Drei Umläufe, fixer Ort

45 Grad weiterim Beschleuniger

45 °


Verbotene Tunewerte – Resonanz 1. Ordnung

• Geradzahliger Tune Q=n mitDipolfehler:

– Ablenkung immer in gleicheRichtung unabhängig von transversaler Position.

• Resonanzeffekt• Störung addiert sich auf• Teilchenverlust

• Halbzahliger Tune Q=n+1/2 mit Dipolfehler:

• Kein Resonanzeffekt• Störung kompensiert sich

nach jedem Umlauf

Horizontal beam trajectory [m] versus distance [m]

0.000 36.800

0.020000

-0.020000

Kick

Q = 2


0.000 36.800

0.005500

-0.005500

Kick

Q = 1.5

Horizontale Ebene


Verbotene Tunewerte – Resonanz 1. Ordnung

• Mit Q=2: Schwingung angeregt durch Dipolfehler wächst mit jedemUmlauf Teilchenverlust (Resonanz 1. Ordnung, Q=n).

• Mit Q=1.5: Schwingung angeregt durch Dipolfehler kompensiertsich mit jedem Umlauf stabile Bewegung, kein Resonanzeffekt.

y

Q = 2.00Y’ 1. Uml.

2. Uml.

3. Uml.

Q = 1.50

y

Y’


Verbotene Tunewerte - Resonanz 2. Ordnung


0.000 36.800

0.025000

-0.025000

Q = 1.5

Kick+

Kick-

• Halbzahliger Tune Q=n+1/2 mit Quadrupolfehler:

– Ablenkung proportional zurtransversalen Position (Änderung des Vorzeichens)

• Resonanzeffekt– Störung addiert sich auf– Teilchenverlust

• Mit Q=1.5:• Resonanz 2.Ordnung

• Mit Q=1.33: – Quadrupolfehler

kompensiert sich– stabile Bewegung,

kein Resonanzeffekt.

Q=1.50 1. Uml.

2. Uml.

3. Uml.

4. Uml.

y

Y’Q=1.33

y

Y’


Betatron Resonanzen

• Ähnliche Probleme mit tune der Form 1/3 bzw. allgemein 1/N

• Allgemeine Resonanzbedingung

n⋅Qx + m⋅Qz = p

– kleine n, m– (n+m) Ordnung der Resonanz

• Resonanzen niedriger Ordnungsind generell zu vermeiden.

– Der “Arbeitspunkt” (Qx, Qz) des Synchrotrons muss entsprechendgewählt werden.

– “Tune” Diagramm

Tune Diagram

1.0000 2.0 1.0000

2.0000

Horizontal tune

Verticaltune

• Für medizinische Synchrotrons benutzt man eine (horizontale) Resonanzdritter Ordnung zur Extraktion, 3Qx = p.


Langsame Resonanzextraktion

• Grundidee: Teile des Strahls werden von stabilen in instabile Phasenraumbereiche gebracht, Amplitudenvergrößerung -> Extraktion.

• Verwendung einer “kontrollierbaren, sanften” Resonanz.

• Gut geignet Resonanz 3. Ordnung “third-integer resonant extraction” 3⋅Q = integer, wird mit Sextupolmagneten angeregt.

• Auch für (Hochenergie-) Physikanwendungen.


Q = 1.33

y

Y’

1. Uml.

2. Uml.

3. Uml.

4. Uml.

5. Uml.

6. Uml.

Resonanz dritter Ordnung - Sextupol

• Horizontaler Tune der Form n/3.

• Sextupolmagnet ergibtAnregung, prop. zumAmplitudenquadrat S⋅x2

0

3

6

142

5

• Instabile Teilchen“springen” nach außen.

• Bei jedem 3. Umlauf auf der selben Linie.

• Bei der Position des Sextupoles “sieht” man nur die Teilchen.

• Phasenraumbild rotiert im Uhrzeigers entlang des Orbits (mit der Phase).


Elektrostatisches Extraktionsseptum

• Etwa 30-60° nach SextupolElektrostatisches Septum

• Hohes elektrisches Feld nachaußen gerichtet.– Weit außen, um zirkulierenden

Strahl nicht zu stören.– Nur Teilchen mit großer

Amplitude “springen” ins Septum– Elektrisches Feld gibt Teilchen

im Septum Winkel nach außen.– Typisch ~5 mrad Ablenkung.– Folienseptum (0.1 mm) um

Teilchenverluste zu minimieren.

X

X’

Elektrostatisches Septum

~100 kV/cm

2

1

0

Umlaufender Strahl

~45°

3


Magnetisches Extraktionsseptum

X

X’

ES

2

1

0

Umlaufender Strahl

~45°

• 90° nach ES transformiert sich Winkelablenkung in Positionsdifferenzerlaubt starkes magnetisches Septum zu platzieren ohne Strahlverlust

3

X

X’

Magnetisches Septum ~1T

~90° PhasenzuwachsΔX’ ΔX

2

10

3

• Magnetisches Septum gibt große Ablenkung zur Transferlinie.


CERN Proton Synchroton – Extraktionssepta

E0 E=0

Dünner Draht/Folie (~0.1mm)

HochspannungsElektrode

ElektrodeErdpotential

E = V / gV ~ 200kVE ~ 100kV/cm

g

SeptumspuleTypisch Ι 5-25kA


Comparative Treatment Plannings

Photons 2 fields Photons 5 fields Protons 3 fields

Universitätsklinik für Strahlentherapie und Strahlenbiologie, AKH, Wien

Glandula parotid cancer(Ohrspeicheldrüsenkarzinom)


Comparative Treatment PlanningsBronchial cancer

Photons 3 fields Photons 7 fields

Protons 3 fields

Universitätsklinik für Strahlentherapie-Radioonkologie, Innsbruck


Comparative Treatment Plannings

IMRT 7 fields Protons 2 fields

Conformal RT 4 fields

Universitätsklinik für Strahlentherapie-Radioonkologie, Innsbruck

Cervical carcinoma

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