e - CERN
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Teilchenbeschleuniger für Tumortherapie mit Ionen und Protonen Michael Benedikt AB Department, CERN MB Vo Teilchenbeschleuniger 1 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 2 Einleitung Radiotherapie • Ziel – Abgabe einer hohen Strahlendosis ans Zielvolumen, um Tumorzellen abzutöten. – Schonung des gesunden Gewebes und kritischer Organe. – Dosisverteilung an den Tumor angepaßt. • Kritisches Organ: Hirnstamm Kritisches Organ: (Optischer Nerv) Tumor Strahlenarten – Konventionelle Therapie: Photonen, Elektronen – Hadrontherapie: Protonen, leichte Ionen Courtesy GSI MB Vo Teilchenbeschleuniger 3 EU Studie – Tumorbehandlung (i) • • EU Report 1996: Durchschnittlich jeder dritte EU Bürger erleidet tumorartige Erkrankung. Nicht geheilt 55% Erfolgreich behandelt 45 % Operation 22% Radiotherapie 12% } 18% OP&RT kombiniert 6% Andere (Chemo therapie ) } 40% 5% – 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. MB Vo Teilchenbeschleuniger 4 EU Studie – Tumorbehandlung (ii) • • • 37% 12% 6% 60-65% Heilungsrate – Bei 100% Erfolg bei lokal regionalen Fällen. Radio therapy 22% Verbesserungen: – Bessere Ergebnisse bei lokal-regionaler Erkrankung, um Heilungsrate zu erhöhen. • Surgery 18% lokal-regional aber nicht heilbar 18% 5% SU + RT combined Other (chemo) No cure locoregional No cure non regional 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. MB Vo Teilchenbeschleuniger 5 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 (tBragg-Spitze). – Länge der Teilchenbahn von Teilchenenergie abhängig. – Sehr schneller Dosisabfall hinter “Bragg-Spitze”. MB Vo Teilchenbeschleuniger 6 Tiefendosiskurven – “Bragg-Spitze” Messungen im Wasserphantom (~gewebeäquivalent) Cobalt 60 (γ, ~1.2 MeV) Electrons 21 MeV Relative dose [%] Photons 25 MeV C-ions 330 MeV/u Messungen: Photonen und Elektronen: University Clinics Vienna C-Ionen: GSI Darmstadt Depth-range in water [cm][cm] Penetration depth in water MB Vo Teilchenbeschleuniger 7 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 8 “Bragg-Spitze” - Energieabhängigkeit 100 MeV/n 100 (Courtesy of GSI) 330 MeV/n 150 305 MeV/n 200 280 MeV/n 180 MeV/n 250 250 MeV/n mit verschiedener Ausgangsenergie 145 MeV/n Energy deposition / Ion [MeV/mm] 300 Tiefendosis für mono-energetische C-Strahlen 220 MeV/n 350 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Depth [cm] MB Vo Teilchenbeschleuniger 9 Dosisprofile bei 1-Feld Bestrahlung MB Vo Teilchenbeschleuniger 10 Beschleuniger für Radiotherapie Beschleuniger Anwendung Typische kinetische Energie Betatron & Microtron Elektronentherapie Photonentherapie 4 – 45 MeV e– 4 – 50 MeV e– Electron linac Elektronentherapie Photonentherapie 4 – 25 MeV e– 4 – 25 MeV e– Zyklotron Protonentherapie Produktion Radioisotope 70 – 250 MeV p 10 – 100 MeV p Synchrotron Protonentherapie Leichtionentherapie (C6+) 60 – 250 MeV p 120 – 500 MeV/u – (From W.H. Scharf and O.A. Chomicki, 1996) MB Vo Teilchenbeschleuniger 11 Prinzip des Zyklotrons • • • Konstantes, homogenes vertikales Magnetfeld. Geladenes Teilchen bewegt sich auf Kreisbahn Lorentzkraft =Zentripetalkraft Radial: (m0γ)v2/r = qvB0 • Zyklotronfrequenz: ω = q⋅B0/m0γ (~10 MHz) • • Konstante Frequenz solange γ≈1! Größere Weglänge kompensiert höhere Geschwindigkeit. • Strahlstruktur: quasikontinuierlich, fixe Energie • Zyklotron Magnet, homogenes Magnetfeld FL B0 Folie für Hminus -> p bzw. Elektrode für p Intensität ~ ΔΔττ = 1/fRF ~ 1/10 MHz = 100 ns MB Zeit Beschleunigungs Spannung ~ 100 kV Vo Teilchenbeschleuniger “Dee” mit angelegter Hochspannung 12 235 MeV Zyklotron (IBA Cyclone 235) MB Vo Teilchenbeschleuniger 13 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 zum Teilchenimpuls p steigen. Umlauffrequenz des Strahles ändert sich, und Hochfrequenz zur Beschleunigung muss folgen t SYNCHROTRON • • MB Relativ “kleine” Magneten, die nur die Sollbahn abdecken. Vo Teilchenbeschleuniger Dipolmagnet zur Bahndefinition homogenes vertikales Feld ~ Beschleunigungs Spannung ~ 1…10 kV Quadrupolmagnet zur Strahlfokusierung 14 Prinzip des Synchrotrons (ii) Magnetfeld Bmax B1 B2 Injektion Typischer Zyklus für medizinisches Synchrotron mit langsamer Extraktion Extraktion Energie 1 Injektion Extraktion Energie 2 Zeit Beschleunigung Intensität MB Energie 1 Intensität 1 ∼2 s Beschleunigung Energie 2 Intensität 2 ∼4 s Zeit • Strahlstruktur: gepulst, Energie variabel, Intensität variabel • Flexibler als Zyklotron aber wesentlich komplexer. Vo Teilchenbeschleuniger 15 CERN LEAR ~ 1.2 GeV Synchrotron MB Vo Teilchenbeschleuniger 16 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: – – – – • MB • 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 medizinischen Spezifikationen nicht. Vo Teilchenbeschleuniger 17 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 18 Passive Strahlaufstreuung • • • MB Vergrößerung des Strahls durch Aufstreuung auf ≥ 20 x 20 cm2. Anforderung an Feldhomogenität ± 2.5%. Technik impliziert hohe Strahlverluste (akzeptabel mit Zyklotron). Vo Teilchenbeschleuniger 19 Passive Energieabstufung • • Anpassung der Energie (Bragg-Spitze) an maximale Tumortiefe. Nicht geeignet für Ionen wegen Fragmentbildung. “Double wedge system” moveable Beam E0 Beam E1 – – – – Dicke entsprechend max. Tiefe. Konstant während Behandlung. Einstellung von Patient zu Patient. Danach Spektrometermagnet um gewünschte Energie auszuwählen. fixed MB Vo Teilchenbeschleuniger 20 Passive Energiemodulation • • Zur Aufweitung der “Bragg Spitze” entsprechend der Tumordicke. Zeitstruktur von Bedeutung bei Tumorbewegung. Stufenweise Modulation Schnelle Modulation Statische Modulation Plexiglas Schichten Rotierender Propellor „Ridge“ Filter 34 12 Beam E1 Moving slices Beam E3 MB Beam E1 Emin- E1 energy energy E1 E2 E3 E4 E5 Keine Zeit-Ort Korrelation E1 ΔE acc. to tumour thickness time Emin Beam E1 Emin to E1 energy ΔE acc. to tumour thickness time Vo Teilchenbeschleuniger E1 Emin time 21 Passive Strahlaufbereitung Scattering system Patient Energy adjustment and variation Tumour Collimator • Keine Zeit-Ort Korrelation bei Verwendung von schneller oder statischer Energiemodulation. • Kritisches Organ in 100% Dosis. • Kollimator – patientenspezifische Anfertigung. MB Dose Vo Teilchenbeschleuniger Emin Thickness SOBP Emax depth, energy 22 Passive Strahlaufbereitung - Kompensator • Gewebeäquivalenter Kompensator um Dosis an Tumorrückseite anzupassen. – Erzeugt Energieverlust als Funktion der transversalen Position. Collimator Compensator • • • • • Beste Dosisverteilung mit schneller/statischer Modulation. Keine Zeit-Ort Korrelation. Keine Dosis zu krit. Organ. Hohe Hautdosis. Kollimator and Kompensator – patientenspezifisch. MB Vo Teilchenbeschleuniger Patient Tumour target target 23 Passiv – “Multi-Leaf” Kollimator • “Multi-leaf” Kollimator: Erlaubt Änderung der Feldgröße während der Behandlung. 34 12 Beam E1 energy Moveable slices Beam E3 E1 E2 E3 E4 E5 time Multi-leaf collimator Patient • • • • • Beste Dosisverteilung mit passivem System. Keine Dosis bei kritischem Organ Niedrige Hautdosis. Nur Kompensator ist patientenspezifisch. Zeit-Ort Korrelation 1 2 Feld 3 4 E3 5 target target Compensator MB Vo Teilchenbeschleuniger 24 Aktives Abtasten (Scanning) • Transversales “scanning” mit kleinem Strahl. – Strahlgröße einstellbar im Bereich 4 bis 10 mm. • Schnelle magnetische Ablenkung (≤ 10m/s). fast slow 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 25 Aktive Energieänderung • • Nur möglich mit Synchrotron als Beschleuniger. Änderung der Extraktionsenergie von Zyklus zu Zyklus um so “aktiv” verschiedene Bragg Spitzen zu überlagern. magnetic field Bmax B1 B2 injection extraction energy 1 injection extraction energy 2 time acceleration • • MB ∼1.5s acceleration ∼3.0s Keine Strahlverluste. Keine patientenspezifischen Anfertigungen. Vo Teilchenbeschleuniger 26 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. patient scanning system active energy variation in synchrotron field 22 E22 field 4 E4 tumour • • Beste erzielbare Dosisverteilung. Starke Zeit-Ort Korrelation (problematisch bei Tumorbewegung). MB Vo Teilchenbeschleuniger 27 Aktive Strahlaufbereitung Principle of GSI raster scanning system. Courtesy of GSI MB Vo Teilchenbeschleuniger 28 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 29 “Mechanische” Extraktion vom Synchrotron • Strahl macht in 1s ~106 Umläufe im Synchrotron. – Bei Strahldurchmesser ~ 30 mm J 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. vertikal Zirkulierender Strahl wird mit Magneten kontinuierlich gegen Septum bewegt Elektrostatisches Septum ~50kV/cm radial Elektrode d=0.1 mm • Verwendung der langsamen Resonanzextraktion. MB Vo Teilchenbeschleuniger 30 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: Protonen C-Ionen 60 - 250 MeV 120 - 400 MeV/u Strahlintensität: Protonen C-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 31 MedAustron Layout MB Vo Teilchenbeschleuniger 32 MedAustron Synchrotron Horizontal plan view Drawn on a 2.50 m square grid • Resonance Sextupole RF-Cavity – Protonen: 250 (1200) MeV – C-Ionen: 400 MeV/u Chromaticity Sextupole horizontal Chromaticity Sextupole vertical Circumference C = 77.64 m Horizontal Tune Qx = 1.666 Vertical Tune Qz = 1.720 Gamma Transition γtr = 1.98 Betatron Core Chromaticity Sextupole horizontal Magnetic Septum MB Injection Kicker – Multi-turn Injektion (≤10) – Langsame Extraktion (5/3) Chromaticity Sextupole vertical Electrostatic Septum Ringdesign basierend auf PIMMS Studie bei CERN. – Extraktionszeit ~1s to 10 s – Extraktionssteuerung durch induktive Beschleunigung – “Orthogonale” Kontrolle Resonanz - Chromatizität Vo Teilchenbeschleuniger 33 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 sein tKomplexe Inbetriebnahme solcher Anlagen. MB Vo Teilchenbeschleuniger 34 Zusammenfassung MB • 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 Bereichen Beschleunigerphysik und Beschleunigerbetrieb • MedAustron könnte das Hadrontherapiezentrum für den zentraleuropäischen Raum sein. Vo Teilchenbeschleuniger 35 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 36 Fokussierung mit Quadrupolemagneten • Quadrupol erzeugt konstanten Feldgradienten G=dBz/dx=dBx/dz. Bx(x,z)=G⋅z and Bz(x,z) =G⋅x – Lorentz Kraft q(v x B): Fx = ev⋅Bz und Fz = -ev⋅Bx Fx = - Gx⋅ev and Fz = Gz⋅ev – Rücktreibende Kraft wächst linear mit Auslenkung (harmonische Oszillation) – WICHTIG: horizontale und vertikale Bewegung sind entkoppelt. – Quadrupol fokussiert in einer Ebene und defokussiert in anderer (vgl. Optik) MB Vo Teilchenbeschleuniger 37 Fokussierung, Betatronschwingung, Tune • Abwechslung von fokussierenden und defokussierenden Magneten ergibt 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 38 Strahlbeschreibung -transversaler Phasenraum Kreisbeschleuniger Vertikale Ebene z s Horizontale Ebene z x dz/ds x • Beschreibung eines Teilchens – Rechtwinkeliges Koordinatensystem am idealen Orbit. – Projektion der Bewegung auf horizontale und vertikale Ebenen. – Ergibt Phasenraumkoordinaten (x,x’) und (z,z’). MB dx/ds s s Vertikaler Phasenraum Horizontaler Phasenraum dz/ds = z’ dx/ds = x’ Vo Teilchenbeschleuniger z x 39 Strahlbeschreibung an fixer Position Kreisbeschleuniger 2 Vertikaler Phasenraum dz/ds = z’ z 1 5 4 3 5 s x 4 5 1 2 2 z 3 • Horizontaler Phasenraum dx/ds = x’ 3 x 4 1 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. MB Vo Teilchenbeschleuniger 40 Strahlbewegung entlang des Orbits Drift (keine Magnete) Fokusierender Quadrupol Winkel unverändert Positionsänderung y Realraum y Drift (keine Magnete) Winkeländerung. Position unverändert Realraum y Winkel unverändert Positionsänderung Realraum y Realraum dy/ds dy/ds s s dy/ds s s dy/ds Phasenraum Phasenraum Phasenraum Phasenraum dy/ds = y’ dy/ds = y’ dy/ds = y’ dy/ds = y’ y MB y Vo Teilchenbeschleuniger y y 41 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): Drei Umläufe, fixer Ort 0 Y’ y 1 45 Grad weiter im Beschleuniger Y’ 0 2π*0.25 0 45 ° 1 0 2πQ Y Y 2 1 2 MB Vo Teilchenbeschleuniger 42 Verbotene Tunewerte – Resonanz 1. Ordnung Horizontale Ebene • Geradzahliger Tune Q=n mit Dipolfehler: Horizontal beam trajectory [m] versus distance [m] 0.020000 Kick – Ablenkung immer in gleiche Richtung unabhängig von transversaler Position. 0.000 • • • Resonanzeffekt Störung addiert sich auf Teilchenverlust 36.800 Q=2 -0.020000 Horizontal beam trajectory [m] versus distance [m] 0.005500 • Halbzahliger Tune Q=n+1/2 mit Dipolfehler: • • Kein Resonanzeffekt Störung kompensiert sich nach jedem Umlauf Kick 0.000 36.800 Q = 1.5 -0.005500 MB Vo Teilchenbeschleuniger 43 Verbotene Tunewerte – Resonanz 1. Ordnung 1. Uml. Y’ Q = 2.00 Y’ Q = 1.50 2. Uml. y y 3. Uml. • Mit Q=2: Schwingung angeregt durch Dipolfehler wächst mit jedem Umlauf J Teilchenverlust (Resonanz 1. Ordnung, Q=n). • Mit Q=1.5: Schwingung angeregt durch Dipolfehler kompensiert sich mit jedem Umlauf J stabile Bewegung, kein Resonanzeffekt. MB Vo Teilchenbeschleuniger 44 Verbotene Tunewerte - Resonanz 2. Ordnung • Halbzahliger Tune Q=n+1/2 mit Quadrupolfehler: Horizontal beam trajectory [m] versus distance [m] 0.025000 – Ablenkung proportional zur transversalen Position (Änderung des Vorzeichens) Kick+ 0.000 • 36.800 Resonanzeffekt – Störung addiert sich auf – Teilchenverlust Kick- Q = 1.5 -0.025000 Y’ • • Mit Q=1.5: Resonanz 2.Ordnung • Mit Q=1.33: – Quadrupolfehler kompensiert sich – stabile Bewegung, kein Resonanzeffekt. MB Y’ Q=1.50 1. Uml. Q=1.33 2. Uml. y y 3. Uml. 4. Uml. Vo Teilchenbeschleuniger 45 Betatron Resonanzen Tune Diagram • • Ähnliche Probleme mit tune der Form 1/3 bzw. allgemein 1/N Allgemeine Resonanzbedingung 2.0000 n⋅Qx + m⋅Qz = p – kleine n, m – (n+m) Ordnung der Resonanz • Vertical tune Resonanzen niedriger Ordnung sind generell zu vermeiden. – Der “Arbeitspunkt” (Qx, Qz) des Synchrotrons muss entsprechend gewählt werden. – “Tune” Diagramm 1.0000 1.0000 • 2.0 Horizontal tune Für medizinische Synchrotrons benutzt man eine (horizontale) Resonanz dritter Ordnung zur Extraktion, 3Qx = p. MB Vo Teilchenbeschleuniger 46 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 47 Resonanz dritter Ordnung - Sextupol • • • • Horizontaler Tune der Form n/3. Sextupolmagnet ergibt Anregung, prop. zum Amplitudenquadrat S⋅x2 Y’ Q = 1.33 6 1. Uml. • MB 3. Uml. 0 Instabile Teilchen “springen” nach außen. Bei jedem 3. Umlauf auf der selben Linie. y 1 2 5 • 2. Uml. 3 Bei der Position des Sextupoles “sieht” man nur die Teilchen. 4 4. Uml. 5. Uml. 6. Uml. Phasenraumbild rotiert im Uhrzeigers entlang des Orbits (mit der Phase). Vo Teilchenbeschleuniger 48 Elektrostatisches Extraktionsseptum • • Etwa 30-60° nach Sextupol Elektrostatisches Septum Hohes elektrisches Feld nach außen 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. MB X’ 0 2 3 ~45° X 1 Umlaufender Strahl Vo Teilchenbeschleuniger Elektrostatisches Septum ~100 kV/cm 49 Magnetisches Extraktionsseptum • 90° nach ES transformiert sich Winkelablenkung in Positionsdifferenz erlaubt starkes magnetisches Septum zu platzieren ohne Strahlverlust X’ X’ 3 2 ~90° Phasenzuwachs ΔX’ J ΔX 0 ~45° 2 X X 0 1 1 ES Umlaufender Strahl • 3 Magnetisches Septum ~1T Magnetisches Septum gibt große Ablenkung zur Transferlinie. MB Vo Teilchenbeschleuniger 50 CERN Proton Synchroton – Extraktionssepta g E0 E=0 Hochspannungs Dünner Draht/ Elektrode Folie (~0.1mm) E=V/g V ~ 200kV E ~ 100kV/cm MB Elektrode Erdpotential Septumspule Typisch Ι 5-25kA Vo Teilchenbeschleuniger 51 Comparative Treatment Plannings Glandula parotid cancer (Ohrspeicheldrüsenkarzinom) Photons 2 fields Photons 5 fields Protons 3 fields Universitätsklinik für Strahlentherapie und Strahlenbiologie, AKH, Wien MB Vo Teilchenbeschleuniger 52 Comparative Treatment Plannings Bronchial cancer Photons 3 fields Photons 7 fields Protons 3 fields Universitätsklinik für Strahlentherapie-Radioonkologie, Innsbruck MB Vo Teilchenbeschleuniger 53 Comparative Treatment Plannings Cervical carcinoma Conformal RT 4 fields IMRT 7 fields Protons 2 fields Universitätsklinik für Strahlentherapie-Radioonkologie, Innsbruck MB Vo Teilchenbeschleuniger 54
