MB Vo Teilchenbeschleuniger 1
Teilchenbeschleuniger für Tumortherapie mit Ionen und Protonen
Michael Benedikt AB Department, CERN
MB Vo Teilchenbeschleuniger 2
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 3
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 4
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%}
MB Vo Teilchenbeschleuniger 5
• 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%
MB Vo Teilchenbeschleuniger 6
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”.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 7
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]
MB Vo Teilchenbeschleuniger 8
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 9
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)
MB Vo Teilchenbeschleuniger 11
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 12
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 14
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 15
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 17
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 18
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 19
Passive Strahlaufstreuung
• Vergrößerung des Strahls durch Aufstreuung auf ≥ 20 x 20 cm2.• Anforderung an Feldhomogenität ± 2.5%.• Technik impliziert hohe Strahlverluste (akzeptabel mit Zyklotron).
MB Vo Teilchenbeschleuniger 20
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 21
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 22
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 23
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 24
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 25
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 26
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 27
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 28
Aktive StrahlaufbereitungPrinciple of GSI raster scanning system.
Courtesy of GSI
MB Vo Teilchenbeschleuniger 29
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 30
“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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 31
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 33
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 34
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 35
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 36
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 37
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 38
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 39
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 40
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 41
Strahlbewegung entlang des Orbits
y
Phasenraumdy/ds = y’
y
s
Realraum
dy/ds
y
Phasenraumdy/ds = y’
Phasenraumdy/ds = y’
Phasenraumdy/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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 42
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 °
MB Vo Teilchenbeschleuniger 43
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
Horizontal beam trajectory [m] versus distance [m]
0.000 36.800
0.005500
-0.005500
Kick
Q = 1.5
Horizontale Ebene
MB Vo Teilchenbeschleuniger 44
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’
MB Vo Teilchenbeschleuniger 45
Verbotene Tunewerte - Resonanz 2. Ordnung
Horizontal beam trajectory [m] versus distance [m]
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’
MB Vo Teilchenbeschleuniger 46
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 47
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 48
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).
MB Vo Teilchenbeschleuniger 49
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 50
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.
MB Vo Teilchenbeschleuniger 51
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
MB Vo Teilchenbeschleuniger 52
Comparative Treatment Plannings
Photons 2 fields Photons 5 fields Protons 3 fields
Universitätsklinik für Strahlentherapie und Strahlenbiologie, AKH, Wien
Glandula parotid cancer(Ohrspeicheldrüsenkarzinom)
MB Vo Teilchenbeschleuniger 53
Comparative Treatment PlanningsBronchial cancer
Photons 3 fields Photons 7 fields
Protons 3 fields
Universitätsklinik für Strahlentherapie-Radioonkologie, Innsbruck