Самозащищенный вертикальный линейный ускоритель протонов для протонной терапии

Изобретение относится к установке для линейного ускорения протонов протонной терапии. Линейный ускоритель протонов включает в себя множество компонентов ускорителя, расположенных друг за другом и содержащих источник протонов и множество ускорительных блоков. Ускоритель дополнительно включает в себя сетчатую опорную конструкцию для поддержки компонентов ускорителя. Опорная конструкция имеет форму призмы с многоугольным сечением и множеством боковых граней, соединяющих противоположные торцы призмы. Боковые грани содержат отверстия, в которых установлено множество защитных блоков из материала радиационной защиты. Опорная конструкция расположена концентрично по отношению к указанным компонентам ускорителя. Технический результат – возможность установки линейного ускорителя протонов в помещениях с ограниченным объемом. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к установке для линейного ускорения протонов для протонной терапии.

Протонная терапия является одним из видов лучевой терапии заряженными частицами, в которой пучок протонов используется для облучения пораженной ткани, наиболее часто при лечении рака. Основным преимуществом протонной терапии является возможность более точно локализовать дозу облучения по сравнению с другими видами внешней лучевой радиотерапии.

В прошлом и настоящем при создании ускорителей, формирующих пучки протонов, применялось несколько технических подходов. Преимущественно использовались кольцевые ускорители, такие как циклотроны (или синхроциклотроны) и синхротроны.

Также предлагались другие типы ускорителей, такие как линейные ускорители, разработка которых в некоторых исследовательских центрах (Европейская лаборатория физики частиц (CERN), Италия) продолжается.

Одна из основных проблем, сдерживающая распространение протонной терапии, связана со стоимостью оборудования. Несмотря на бесспорно более высокое качество протонного лечения по сравнению с рентгеновской радиотерапией, различие в стоимости установки для протонной терапии и самой лучшей рентгеновской установкой по-прежнему слишком значительно, что сдерживает широкое распространение лечения с использованием протонной терапии.

Стоимость установки для протонной терапии напрямую связана с конфигурацией оборудования. Стоимость ускорителя составляет лишь малую часть (обычно около 20-30%) от общей стоимости, основная же часть приходится на инфраструктуру, здания, защиту и электроснабжение.

Основой недостаток круговых ускорителей при их применении в оборудовании для протонной терапии связан лишь с требуемой конфигурацией установки и, в особенности с мощной защитой, необходимой при эксплуатации таких ускорителей. Эти ускорители обычно теряют быстрые частицы (нейтроны и рентгеновские лучи), создающие рассеянное излучение, проникающее в окружающую среду.

В циклотронах и синхроциклотронах частицы ускоряются по круговым траекториям до требуемой энергии, а затем выбрасываются из установки при помощи процесса извлечения, эффективность которого не превышает 70%. Поэтому часть высокоэнергетичного пучка остается внутри ускорителя. Кольцевые ускорители - это очень тяжелые установки, вес которых составляет порядка 200-500 тонн, а диаметр варьируется от 2 до 6 метров, в зависимости от того используются сверхпроводящие катушки или катушки с обычной проводимостью. Энергия пучка зафиксирована на уровне максимально допустимой энергии, поэтому для облучения пациентов с пониженной энергией приходится использовать внешний ослабитель. При этом одновременно снижается и качество пучка настолько, что необходимо использовать фильтр излучения, который пропускает лишь 70-10% от генерированного тока, в зависимости от параметров ослабления энергии.

В отличие от кольцевых ускорителей, линейные ускорители, также известные как «линак», направляют частицы не по кругу, а через ряд линейно расположенных резонаторов.

Линейный ускоритель состоит из двух основных элементов: резонатора, функция которого заключается в ускорении частиц, и системы фокусировки, которая используется для ограничения и сдерживания потока частиц.

Основное преимущество линака, при использовании для протонной терапии, заключается в размерах ускорителя, которые достаточно небольшие в поперечном измерении, но вытянуты в продольном измерении.

Кроме этого, в линаке переход частиц от минимальной к максимальной энергии фактически может происходить без потери частиц. Эти две особенности настолько удачно дополняют друг друга, что защита получаемого ускорителя не представляет сложностей, упрощая соблюдение требований по радиационной защите.

В US 4392 080 раскрывается линейный ускоритель частиц согласно преамбуле п. 1 формулы изобретения.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить линейный ускоритель протонов, который может быть установлен в помещениях с ограниченным объемом.

Соответственно изобретение предлагает линейный ускоритель протонов, включающий в себя множество компонентов ускорителя, расположенных друг за другом, указанные компоненты ускорителя содержат источник протонов и множество ускорительных блоков, указанный ускоритель дополнительно включает в себя сетчатую опорную конструкцию для поддержки указанных компонентов ускорителя, указанная опорная конструкция имеет форму призмы с многоугольным сечением и множеством боковых граней, соединяющих противоположные торцы призмы, при этом указанная опорная конструкция расположена концентрично по отношению к указанным компонентам ускорителя и множество защитных блоков из материала радиационной защиты установлено в соответствующих отверстиях, образованных на указанных боковых гранях опорной конструкции.

Опорная конструкция по настоящему изобретению позволяет размещать линак в любом направлении, даже вертикально, поскольку конструкции легкие и легко монтируются. Следовательно, допустим вертикальный линак. Такой линак может быть размещен в высотном здании с единственным лечебным помещением, которое соответствующим образом оборудовано в подвале существующей больницы. Такая компоновка, которая невозможна для других типов ускорителей, не являющихся линаком, позволяет решить проблемы монтажа в помещениях с ограниченным пространством.

Краткое описание чертежей

Далее один из предпочтительных, неограничивающих вариантов осуществления изобретения будет рассмотрен со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:

на фиг. 1 показан схематический вид вертикальной проекции линейного ускорителя протонов по изобретению; и

на фиг. 2 показан схематический вид в перспективе сегмента ускорителя по фиг. 1.

Подробное описание изобретения

Со ссылкой на фиг. 1, показан линейный ускоритель по предпочтительному варианту осуществления изобретения. Этот ускоритель традиционно содержит множество компонентов 10 ускорителя, расположенных друг за другом и жестко соединенных друг с другом таким образом, что они образуют конструкцию в виде единой цепочки. В частности, указанные компоненты ускорителя содержат источник 11 протонов, предпочтительно дуоплазматрон или микроволновый источник протонов, который подает импульсный протонный пучок до 40 кэВ, инжектор 13, предпочтительно радиочастотный квадрупольный инжектор (РКИ), работающий в РЧ диапазоне от 350 МГц до 750 МГц, который увеличивает энергию протонного пучка в диапазоне 3-5 МэВ, и множество ускорительных блоков 15, 17, предпочтительно 3 ГГц сегмент линака с боковыми связанными трубками дрейфа (SCDTL), состоящий из нескольких блоков 15 SCDTL, повышающих энергию протонного пучка до энергии в диапазоне 30-70 МэВ, за которым следует 3 ГГц сегмент линака со связанными объемными резонаторами (CCL), состоящий из нескольких блоков CCL, повышающих энергию протонного пучка до 230-250 МэВ.

В блоках 15 SCDTL фокусировка осуществляется за счет использования коротких отсеков, каждый из которых состоит из нескольких ячеек, и квадрупольной фокусировки между отсеками.

Для фокусировки пучка в CCL ячейки помещены в отсеки ограниченной длины (обычно отсек содержит от 14 до 20 ускорительных ячеек), а между отсеками расположены постоянные квадруполи (PMQ); электромагнитное поле проходит из одного отсека к другому через соединяющий соединитель.

Мощность всего линака создается несколькими РЧ блоками питания (не показаны). Каждый блок питания состоит из модулятора и клистрона. Энергия подается в ускорительные отсеки через систему РЧ сети.

Протонный линейный ускоритель по изобретению дополнительно включает в себя сетчатую опорную конструкцию 20 для поддержки компонентов 10 ускорителя. Как ясно видно из фиг. 2, опорная конструкция 20 имеет форму призмы с многоугольным, в частности квадратным сечением, и множеством боковых граней 21, соединяющих противоположные торцы призмы. С конструктивной точки зрения опорная конструкция 20 представляет собой сетку из балок, соединенных между собой таким образом, что они образуют призмообразную сеть. Такая компоновка балок определяет множество отверстий 23 на боковых гранях 21 призмы. В изображенном на чертежах варианте эти отверстия имеют вид окон квадратной формы.

Опорная конструкция 20 расположена концентрично по отношению к компонентам 10 ускорителя. По меньшей мере между некоторыми компонентами 10 ускорителя и опорной конструкцией 20 используются соединительные средства (не показаны) для соединения линейного ускорителя с опорной конструкцией 20 и таким образом, чтобы линейный ускоритель мог опираться на опорную конструкцию 20.

В частности, линейный ускоритель и опорная конструкция 20 расположены вертикально. Например, они могут быть установлены в шахте многоэтажного здания, такого как башня. Для этого опорная конструкция 20 оснащена множеством боковых кронштейнов 25, проходящих поперечно и неразъемно соединенных с опорной конструкцией 20; при помощи боковых кронштейнов 25 опорная конструкция остается на несколько этажей F многоэтажного здания.

Лечебные помещения (не показаны) оборудованы в подвале В здания; линия транспортировки пучка, состоящая из магнитных диполей и квадруполей, расположена у выходного (нижнего) торца линейного ускорителя и предназначена для доставки протонного пучка в лечебные помещения.

По предпочтительному варианту осуществления изобретения самозащищенный компактный линейный ускоритель протонов для протонной терапии оборудован локальной радиационной защитой, которая предотвращает выход паразитного излучения (нейтронов, гамма-излучения), генерируемого в конструкции, в результате крайне незначительной потери пучков.

Локальная радиационная защита (показана на фиг. 2) представляет собой блоки 30 из материала радиационной защиты, установленные в отверстиях 23, образованных на боковых гранях 21 опорной конструкции 20. Материал радиационной защиты предпочтительно выбирается из следующих материалов: гидрогенезированный материал, кадмий, свинец или любая комбинации из них. Защитные блоки 30 расположены очень близко от компонентов 10 ускорителя и установлены на каркасе 20.

1. Линейный ускоритель протонов, включающий в себя множество компонентов (10) ускорителя, расположенных друг за другом, указанные компоненты ускорителя содержат источник (11) протонов и множество ускорительных блоков (15, 17), и

дополнительно включающий в себя сетчатую опорную конструкцию (20) для поддержки указанных компонентов ускорителя, при этом указанная опорная конструкция имеет форму призмы с многоугольным сечением и множеством боковых граней (21), соединяющих противоположные торцы призмы, причем указанная опорная конструкция расположена концентрично по отношению к указанным компонентам ускорителя,

отличающийся тем, что в соответствующих отверстиях (23), образованных на указанных боковых гранях опорной конструкции, установлено множество защитных блоков (30) из материала радиационной защиты.

2. Ускоритель по п. 1, в котором указанный источник протонов является дуоплазматроном или микроволновым источником протонов.

3. Ускоритель по п. 1, в котором указанные компоненты ускорителя дополнительно содержат инжектор (13), предпочтительно радиочастотный квадрупольный инжектор, расположенный после источника протонов.

4. Ускоритель по п. 1, в котором указанные ускорительные блоки содержат множество блоков (15) линака с боковыми связанными трубками дрейфа и множество блоков (17) линака со связанными объемными резонаторами.

5. Ускоритель по п. 1, в котором указанный ускоритель и опорная конструкция расположены вертикально.

6. Ускоритель по п. 5, в котором указанная опорная конструкция предназначена для установки внутри многоэтажного здания и снабжена множеством боковых кронштейнов (25), проходящих поперечно от опорной конструкции, причем указанные боковые кронштейны используются в качестве опоры для опорной конструкции (20) на соответствующих этажах многоэтажного здания.