DE102009007218A1

DE102009007218A1 - Elektronenbeschleuniger zur Erzeugung einer Photonenstrahlung mit einer Energie von mehr als 0,5 MeV

Info

Publication number: DE102009007218A1
Application number: DE102009007218A
Authority: DE
Inventors: Tobias Heinke; Sven Dr. Müller; Stefan Dr. Setzer; Markus Dr. Wenderoth
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-09-16
Also published as: CN101795529A; US20100201240A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektronenbeschleuniger zur Erzeugung einer Photonenstrahlung mit einer Energie von mehr als 0,5 MeV, mit einer Eingangs- und Ausgangsöffnung (4, 5) versehenen Vakuumkammer (2), einer eingangsseitigen Elektronenquelle (6) und einem außerhalb der Vakuumkammer (2) im Bereich der Ausgangsöffnung (5) angeordneten, von einem über die Ausgangsöffnung aus der Vakuumkammer (2) austretenden Elektronenstrahl (7) beaufschlagbaren Target (13), wobei das Target (13) von wenigstens einem Kühlkanal (15) durchsetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronenbeschleuniger zur Erzeugung einer Photonenstrahlung mit einer Energie von mehr als 0,5 MeV, insbesondere für die Strahlentherapie und für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung. Bei einem Elektronenbeschleuniger der hier in Rede stehenden Art werden von einer Elektronenquelle emittierte Elektronen in einer Vakuumkammer beschleunigt, wobei sie beim Verlassen der Vakuumkammer auf ein Target gelenkt werden. Durch die Abbremsung der Elektronen in dem wenigstens ein Element hoher Ordnungszahl enthaltenden, beispielsweise aus Wolfram bestehenden Target entsteht Photonenstrahlung (Bremsstrahlung). Mittlere Strahlleistungen bis in den Kilowattbereich hinein, Strahldurchmesser im Millimeterbereich sowie ein geringer Wirkungsgrad bei der Umsetzung des Elektronenstrahls in den Photonenstrahl bedeuten eine extrem hohe lokale thermische Belastung des Targets, die zu dessen Schmelzen und damit zum Ausfall des gesamten Geräts führen kann. Um ein Schmelzen des Targets aufgrund hoher, auf einen Brennfleck konzentrierter thermischer Leistung zu verhindern, wird üblicherweise ein rotierendes Target verwendet, dessen Drehachse hinsichtlich der Strahlachse des auftreffenden Elektronenstrahls einen seitlichen Achsversatz aufweist. Auf diese Weise wird die thermische Energie statt auf einen Brennfleck, auf einen vergleichsweise großflächigen Brennring verteilt. Nachteilig bei dieser Konstruktionsart ist, dass die Sicherstellung einer langfristig funktionsfähigen Lagerung je nach Art des das Target umgebenden kühlenden und/oder schmierenden Mediums mit einem relativ hohen konstruktiven Aufwand verbunden ist.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung einen Elektronenbeschleuniger der eingangs genannten Art so zu ertüchtigen, dass auf ein rotierendes Target verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 durch einen Elektronenbeschleuniger gelöst, der eine mit einer Eingangs- und einer Ausgangsöffnung ausmündende Vakuumkammer, eine eingangsseitigen Elektronenquelle und ein außerhalb der Vakuumkammer im Bereich der Austrittsöffnung angeordnetes, von einem über die Ausgangsöffnung aus der Vakuumkammer austretenden Elektronenstrahl beaufschlagbares Target umfasst, wobei letzteres von wenigstens einem Kühlkanal durchsetzt ist. Diese Gestaltung ermöglicht ein starres, also nicht rotierendes Target. Der oder die Kühlkanäle, die natürlich im Betrieb von einem Kühlmedium durchströmt sind, lassen sich auf vielfältige Art und Weise so gestalten, dass eine ausreichende, ein Überhitzen oder gar ein Schmelzen des Targets verhindernde Wärmeabfuhr gewährleistet ist.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zumindest ein von der Strahlachse des Elektronenstrahls durchsetzter Volumenbereich des Targets aus mehreren in Strahlrichtung voneinander beabstandeten Materialschichten gebildet, wobei jeweils zwei benachbarte Materialschichten wenigstens einen Kühlkanal zwischen sich begrenzen. Das für die Umwandlung des Elektronenstrahls in Photonenstrahlung erforderliche Materialvolumen wird somit in mehrere Teilschichten geringerer Dicke unterteilt, wodurch die zur Kühlung bzw. zum Kontakt mit einem Kühlmedium zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert wird. Die prinzipielle Funktion des Targets, die kinetische Energie schnell bewegter Elektronen in Photonen zu konvertieren, bleibt davon unberührt. Aufgrund der geringeren Schichtdicke der einzelnen Materialschichten ist deren Wärmewiderstand verringert. Die bei der Abbremsung des Elektronenstrahls anfallende Wärme verteilt sich nahezu gleichmäßig auf die Materialschichten. Der Wärmeabtransport lässt sich noch durch die – in Bezug auf die Strahlachse – radiale Erstreckung der Materialschichten und der sich dazwischen befindlichen Kühlkanäle variieren. Neben der Dicke der Materialschichten und deren Oberflächendimensionierung kann zur Einhaltung einer definierten Temperatur im Target bzw. den Materialschichten auch die Durchflussrate des Kühlmittels als Variable dienen. Die Summe der Dicken der Materialschichten des Targets ist durch die kinetische Energie des Elektronenstrahls, das verwendete Targetmaterial und das angestrebte Bremsspektrum bestimmt.
Bei einer ersten Ausführungsvariante ist die Ausgangsöffnung der Vakuumkammer durch ein vakuumdichtes Fenster verschlossen. Die das Target umgebende Atmosphäre kann somit unabhängig von dem Vakuum der Vakuumkammer bestimmt werden. Das erwähnte Fenster besteht aus einem für den Elektronenstrahl durchlässigen Material. Es kann entfallen, wenn, wie bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, das Target selbst zum vakuumdichten Verschluss der Ausgangsöffnung der Vakuumkammer verwendet wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Target in einem Raum angeordnet, der einen Kühlmitteleingang, einen Kühlmittelausgang und ein Strahlungsaustrittsfenster aufweist. Diese Ausgestaltung gewährleistet eine technisch einfach zu realisierende Külmittelzu- und -abfuhr. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der wenigstens eine Kühlkanal an zwei verschiedenen Seiten des Targets ausmündet, wobei die Seiten dem Kühlmitteleingang bzw. dem Kühlmittelausgang zugewandt sind, wenn sich also der Kühlkanal in Strömungsrichtung eines den Raum durchströmenden Kühlmittels erstreckt.
Bei einer zweiten Ausführungsvariante ist das Target in einem Raum angeordnet, der mit der Vakuumkammer über deren Ausgangsöffnung verbunden ist, und der ein Strahlungsaustrittsfenster aufweist. In diesem Fall ist somit das Target von Vakuum umgeben. Eine derartige Ausgestaltung ist zweckmäßig, wenn eine Streuung der aus dem Target austretenden Photonenstrahlung durch Moleküle der Luft verhindert oder zumindest verringert werden soll. Die Kühlung des Targets erfolgt bei der in Rede stehenden Ausführungsvariante dadurch, dass der das Target aufnehmende Raum von einem Teilabschnitt eines Kühlmittelkreises vakuumdicht durchsetzt ist, wobei die Kühlkanäle des Targets an den Kühlmittelkreis angeschlossen sind.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsvariante eines Elektronenbeschleunigers in Längsschnittdarstellung,
2 den Ausschnitt II von 1 in Seitenansicht,
3 eine abgewandelte Form des Elektronenbeschleunigers von 1,
4 eine zweite Ausführungsvariante eines Elektronenbeschleunigers in Längsschnittdarstellung,
5 den Ausschnitt V in 3 in einer um 90° gedrehten Schnittdarstellung,
6 eine perspektivische Ansicht eines Targets.
Die in den Abbildungen gezeigten Elektronenbeschleuniger 1a, 1b, 1c weisen allesamt eine Vakuumkammer 2 auf. Diese umfasst ein beispielsweise zylindrisches Gehäuse 3, das stirnseitig von Öffnungen, nämlich einer Eingangsöffnung 4 und einer Ausgangsöffnung 5 durchbrochen ist. Im Bereich der Eingangsöffnung 4, die auf nicht näher dargestellte Weise gasdicht verschlossen ist, und außerhalb der Vakuumkammer 2 befindet sich eine Elektronenquelle 6. Die von ihr emittierten Elektronen werden in der Vakuumkammer 2 beschleunigt und treten über die Ausgangsöffnung 5 bzw. aus dem diese vakuumdicht verschließenden Fenster 9 aus der Vakuumkammer 2 aus. Der Innenraum der Vakuumkammer ist in Form von in Strahlrichtung 11 des vom Beschleuniger 1a, 1b, 1c erzeugten Elektronenstrahls 7 hintereinander angeordnete, Kavitäten 8 ausgestaltet. Diese dienen zur Aufrechterhaltung einer zur Beschleunigung der Elektronen dienenden stehenden elektromagnetischen Welle. Denkbar ist auch eine Elektronenbeschleunigung durch eine elektromagnetische Wanderwelle oder auf sonstige Weise.
Bei der in 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsvariante eines Elektronenbeschleunigers 1a ist die Ausgangsöffnung 5 vakuumdicht verschlossen. Im Falle von 1 geschieht dies durch ein für den Elektronenstrahl 7 durchlässiges, bei spielsweise aus Titan bestehendes Fenster 9. Ein zur Konvertierung des Elektronenstrahls 7 in eine Bremsstrahlung bzw. in einen Photonenstrahl 10 dienendes Target 13 ist außerhalb der Vakuumkammer positioniert und steht aufgrund des Fensters 9 nicht mit dem in der Vakuumkammer vorhandenen Vakuum in fluidischer Verbindung. Das Target 13, das beispielsweise aus Wolfram, gegebenenfalls mit Legierungszusätzen, besteht, umfasst mehrere lammellenartig ausgebildete Materialschichten 14. Die Materialschichten 14 sind in Strahlrichtung 11 gesehen beabstandet, wobei zwischen zwei benachbarten Materialschichten 14 ein etwa schlitzförmiger Kühlkanal 15 gebildet ist. Das Target 13 weist die Form eines Würfels oder Quaders auf, dessen Ober- und Unterseite 16, 17 von einer Materialschicht 14a gebildet ist. Zwei sich gegenüberliegende Seitenflächen 18 sind geschlossen. In die verbleibenden Seitenflächen 19 münden die Kühlkanäle 15 aus.
Zur Abführung der bei der Konvertierung des Elektronenstrahls 7 in einen Photonenstrahl 10 anfallenden Wärme werden im Betrieb die Kühlkanäle 15 von einem Kühlmedium, insbesondere von deionisiertem Wasser durchströmt. Um dies zu gewährleisten ist es denkbar, dass die Seitenflächen 19 an einen Kühlmittelkreis (siehe Bezugszeichen 33 in 5), angeschlossen sind. Bei den in 1 bis 3 gezeigten Beispielen ist das Target 13 in einem separaten, von einem Gehäuse 23 umschlossenen Raum 24 positioniert. Auf einer der Ausgangsöffnung 5 in Strahlrichtung 11 gegenüberliegenden Wand des Gehäuses 23 ist ein mit einem für den Photonenstrahl 10 durchlässigen Fenster 25 z. B. aus Aluminium, Stahl, Titan etc. verschlossener Durchbruch 26 vorhanden. Zur Zu- und Abführung von Kühlmittel ist an zwei diametral gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 23 ein jeweils von einer Öffnung 27 gebildeter Kühlmitteleingang bzw. Kühlmittelausgang vorhanden. Das Target 13 ist zweckmäßigerweise so innerhalb des Raumes 24 positioniert, dass seine Seitenflächen 19 zu den eine Öffnung 27 aufweisenden Seitenflächen des Gehäuses 23 weisen. Auf diese Weise kann das durch eine Öffnung 27 einströmende Kühlmittel direkt in die Kühlkanäle 15 gelangen, sie durchströmen und nach dem Austritt aus diesem den Raum 24 über die andere Öffnung 27 verlassen. Durch die beschriebene Ausgestaltung des Targets bzw. ganz allgemein dadurch, dass es von wenigstens einem Kühlkanal durchsetzt ist, kann die bei der Umwandlung des Elektronenstrahls 7 in einen Photonenstrahl 10 anfallende Wärme effektiv abgeführt werden, so dass auf eine drehbare Lagerung des Targets verzichtet werden kann. Die kinetische Energie der Photonenstrahlung ist größer als 0,5 MeV und ist nach oben prinzipiell unbegrenzt.
Die Anzahl der Materialschichten 14, deren Dicke und die Abmessungen der Kühlkanäle 15 hängen im Wesentlichen von der Energie der erzeugten Photonenstrahlung ab. Zur Erzeugung einer Photonenstrahlung mit einer Energie von etwa 6 MeV ist ein Target 13 etwa der in 6 gezeigten Ausgestaltung geeignet. Zwischen den Materialschichten sind Kühlkanäle 15 mit einer lichten Weite 28 (in Strahlrichtung 11 gesehen) vorhanden. Das Verhältnis der Gesamtschichtdicke zur aufsummierten lichten Weite der Kühlkanäle ist 1:1. Unabhängig von diesem Verhältnis kann es zweckmäßig sein, dass die Materialschichten 14 und/oder die Kühlkanäle 15 unterschiedliche Dicken bzw. lichte Weiten 28 aufweisen.
Der Elektronenbeschleuniger 16 nach 3 unterscheidet sich von dem oben beschriebenen nur dadurch, dass die Ausgangsöffnung 5 nicht durch ein Fenster 9, sondern durch das Target 13 selbst vakuumdicht verschlossen ist.
Bei der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsvariante eines Elektronenbeschleunigers 1c ist das Target 13 in einem vom Gehäuse 3 der Vakuumkammer 2 umschlossenen Raum 29 angeordnet. Der Raum 29 ist über die Ausgangsöffnung 5 mit der Vakuumkammer 2 verbunden. Im Raum 29 liegt somit das gleiche Vakuum vor wie in der Vakuumkammer 2. Der Raum 29 muss nicht zwangsläufig durch das Gehäuse 3 der Vakuumkammer 2 umschlossen sein. Es kann sich hier auch um ein separates Gehäuse handeln. Jedenfalls ist ein Wanddurchbruch 30 vorhanden, der mit einem für den Photonenstrahl 10 durchlässigen Austritts fenster 25 vakuumdicht verschlossen ist. Der Raum 29 ist von einem Teilabschnitt eines Kühlmittelkreises 33 vakuumdicht durchsetzt. Dazu ist die den Raum 29 umschließende Gehäusewand 34 mit Durchbrüchen 35 versehen, durch welche eine Rohrleitung 36 hindurchgeführt ist. Das Target 13 ist mit seinen Stirnseiten 19 in welche die Kühlkanäle 15 ausmünden, jeweils an eine Rohrleitung 26 angeschlossen.

Claims

Elektronenbeschleuniger zur Erzeugung einer Photonenstrahlung mit einer Energie von mehr als 0,5 MeV, mit einer Eingangs- und einer Ausgangsöffnung (4, 5) versehenen Vakuumkammer (2), einer eingangsseitigen Elektronenquelle (6) und einem außerhalb der Vakuumkammer (2) im Bereich der Ausgangsöffnung (5) angeordneten, von einem über die Ausgangsöffnung aus der Vakuumkammer (2) austretenden Elektronenstrahl (7) beaufschlagbaren Target (13), wobei das Target (13) von wenigstens einem Kühlkanal (15) durchsetzt ist.
Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein von dem Elektronenstrahl (7) beaufschlagbarer Volumenbereich des Targets (13) aus mehreren in Strahlrichtung (11) voneinander beabstandeten Materialschichten (14) besteht, wobei jeweils zwei benachbarte Materialschichten (14) wenigstens einen Kühlkanal (15) zwischen sich einschließen.
Elektronenbeschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ausgangsöffnung (5) der Vakuumkammer (2) durch ein vakuumdichtes Fenster (9) verschlossen ist.
Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 3, bei der die Ausgangsöffnung (5) der Vakuumkammer (2) durch das Target (13) vakuumdicht verschlossen ist.
Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das Target (13) in einem Raum (24) angeordnet ist, der einen Kühlmitteleingang, einen Kühlmittelausgang und ein für Photonenstrahlung durchlässiges Austrittsfenster (25) aufweist.
Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 5, bei dem die Kühlkanäle (15) an zwei verschiedenen Seiten des Targets (13) ausmünden, wobei diese Seiten dem Kühlmitteleingang bzw. dem Kühlmittelausgang zugewandt sind.
Elektronenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Target (13) in einem Raum (29) angeordnet ist, der mit der Vakuumkammer (2) über deren Ausgangsöffnung (5) verbunden ist, und der ein für Photonenstrahlung durchlässiges Austrittsfenster (25) aufweist.
Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 7, bei der dem Raum (29) von einem Teilabschnitt eines Kühlmittelkreises (33) vakuumdicht durchsetzt ist, wobei die Kühlkanäle (15) des Targets (13) an den Kühlmittelkreis (33) angeschlossen sind.