DE2112215A1 - Neutronengenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Neutronengenerator mit abgeschlossenem HochspannungsNiederdruckentladung s sy stem, bei dem in einem Teilvolumejn (Entladungsraum.) mit gekreuzten magnetischen und elektrischen Feldern Ionen erzeugt werden, die bei gleichem Druck in einem anderen, unmittelbar anschliesenden Teilvolumen (Beschleunigungsraum) auf eine Prallelektrode mit hohem negativem Potential beschleunigt werden und in einem auf die Prallelektrode aufgebrachten Targetinaterial mit Hilfe von Kernreaktionen Neutronen erzeugen.

In Neutronengeneratoren mit abgeschlossener Röhre werden Penning-Ionenquellen, Hochfrequenz-Ionenquellen oder unselbständige Niederdruckentladungssysteme mit Glühkathoden verwendet. Dabei kann die Ionisationswahrscheinlichkeit erhöht werden durch Vergrößern der Weglänge der Elektronen mit Hilfe von Magnet-

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feldern. Solche abgeschlossenen Neutronengeneratoren erreichen Neutronenquellstärken von maximal 10 n/s bei Beschleunigungsspannung von etwa 150 kV mit Ionenströmen gemischt aus gleichen Anteilen von Deuterium- und Tritiumionen in der Größenordnung von maximal 10 mA.

Das Prinzip der abgeschlossenen Neutronengeneratoren, die also nicht an einer Pumpe betrieben werden, sondern mit einer konstanten Füllung von Deuteriumgas D und Tritiumgas T arbeiten, ermöglicht im Gegensatz zu den konventionellen d-t-Neutronengeneratoren eine konstante Neutronenausbeute über sehr lange Zeit, da das Target nicht durch die auftreffenden Deuteronen in seinem Tritiumgehalt verdünnt, sondern ständig durch eingeschossene Tritium-Ionen erneuert wird, also in Bezug auf die Konzentration der Targetkerne stationär bleibt.

Die Lebensdauer des Targets wird lediglich durch die sehr geringe Zerstäubungsrate der Titan-Hydrid-Schicht des Targets beim Aufprall der schweren Wasserstoffisotope bestimmt und beträgt bei voller Belastung und Target stromdichten

von ca. 1 mA/cm etwa 1000 Stunden.

Es ist bekannt, für die Erzeugung der Ionenströme in abgeschlossenen Neutronengeneratoren Penning-Ionenqidlen zu benutzen, in denen gekreuzte, vorzugsweise radiale elektrische und vorzugsweise axiale magnetische Felder in zylindersymmetrischaiSystemen bei axialer Ionenabsaugung verwendet werden.

Dabei befindet sich eine hohlzylindrische Anode in einem koaxialen Magnetfeld. Der Innenraum der Anode ist in axialer Richtung durch zwei Kathodenelektroden abgeschlossen. In einer der Kathodenelektroden befindet sich eine Emissionsöffnung zum Austritt eines Teiles der in dem von der Anode umschlossenen Raum (Entladungsraum) erzeugten Ionen. Vor der Exmssionsöffnung angeordnete Beschleunigungselektroden erzeugen ein elektrisches Hochspannungsfeld sum Beschleunigen der Ionen in Richtung auf das senkrecht zur Anoßeaaehse angeordnete Target. Der aus der Ionenquelle als Ionenstrahl austretende Gasstrom

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muß im stationären Betrieb durch eine gleichgroße durch die Emissionsöffnung zurückströmende Neutralgasmenge ersetzt werden. Dadurch wird der bei einem vorbestimmten Gasdruck mögliche maximale Emissionsstrom begrenzt. Eine Vergrößerung des Emissionsstromes durch Erhöhung des Gasdruckes ist wegen der geforderten Hochspannungsfestigkeit des Beschleunigungssystems und wegen der mit dem Gasdruck stark ansteigenden Strahlstrom-bzw. Energieverluste der Teilchen längs des Strahlweges im allgemeinen nicht möglich.

Es ist auch bekannt zwisehen zwei auf hohem negativen Potential betriebenen Prallelektroden, deren eine ein Target trägt, eine hohlzylindrische Anode anzuordnen und im Innern der Anode mit Permanent-Magnetringen ein vorzugsweise axiales Magnetfeld zu erzeugen. In den beiden Raumgebieten zwischen den Prallelektroden und dem Anodenzylinder besteht je ein elektrisches Feld neben dem durch die Permanentmagnete erzeugten äußeren Magnetfeld. Innerhalb des Anodenzylinders existiert neben dem axialen inneren Magnetfeld ein von der Entladung induziertes radiales elektrisches Raumladungsfeld. Es sind also drei Gebiete mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern vorhanden, in denen Elektronenwolken zum Erzeugen positiver Ionen eingefangen sein können, die auf die Prallelektrode beschleunigt werden.

Zum Betrieb dieser Anordnung ist ein relativ hoher Gasdruck erforderlich (·?"■ 9 · 10 Torr), weil sonst keine Entladung zustande kommt. Infolge des hohen Gasdruckes entsteht der größte Teil der Ionen in dem Gebiet zwischen dem Anodenzylinder und den Prallelektroden, so daß die Ionen auf sehr verschiedenen Potentialen entstehen und somit ein sehr großer Teil des Ionenstromes wegen seiner geringen Energie nicht zur Neutronenerzeugung am Target beiträgt und nur geringe Neutronenausbeuten möglich sind. Die aus dem Innenraum des Anodenzylinders kommenden Ionen, die annähernd das gesamte Potential durchfallen, sind nur ein kleiner Teil des das Target erreichenden lonenstromes und sind durch Umladungsstoße an der relativ hohen

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Neutralgasdichte sehr stark geschwächt. An der anderen , nicht mit einer Targetschicht versehene Prallelektrode auftreffende Ionen bilden dort während des Betriebes ein Deuterium-Selbsttarget und erzeugen dort eine parasitäre Neutronenstrahlung, welche die Anwendung der Einrichtung erschwert.

Es ist ferner bekannt, ein rohrförmiges Target durch eine an der Peripherie eines ringförmigen Be schleunigungs räume s angeordnete Vielzahl konventioneller Ionenquellen oder auch einer oder mehrerer bekannter Ringionenquellen unter Verwendung konzentrischer Be schleunigungs elektroden mit Ionen zu ™ beschießen.

Aus der Plasma- und Fusionsforschung sind auch Ringionenquellen mit zum Teil beträchtlichen Abmessungen (bis zu 2, 5 m Durchmesser) bekannt. Diese sind z. B. als Magnetron-Ionenquellen oder auch als ringförmige Penning-Ionenquellen ausgebildet und für hohe Strahlströme bis etwa 1 Ampere konzipiert. Solche Anlagen können jedoch nur mit Vakuumpumpen hoher Pumpleistung betrieben werden und benötigen ein erhebliches Druckgefälle zwischen der Ionenquelle und dem Nachbeschleunigungsraum mit hohem Gasstrom durch eine enge als Ringschlitz ausgebildete Emissionsöffnung. Wegen des relativ hohen Betriebsdruckes und der starken Drosselung des Neutralgas- w- rückstromes vom Target zum Entladungsraum sind auch diese Ringionenquellen ebenso wie die bekannten Penningionenquellen für eine Anwendung in abgeschlossenen Neutronengeneratoren für hohe Strahlströme nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen abgeschlossenen Neutronengenerator zu schaffen, der es ermöglicht in einem vorbestimmten Volumen einen hohen Neutronenfluß großer Homogenität zu erzeugen und mit großer Betriebssicherheit eine lange Gebrauchs dauer zu erreichen und der in spezifischenAnwendungsbereichen wie z. B. der Aktivierungsanalyse, der Spaltstoffflußkontrolle, der Erzeugung kurzlebiger Radionuklide und der Strahlentherapie mit schnellen Neutronen eingesetzt werden kann.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Erzeugung der Ionen im Innern eines auf Anodenpotential betriebenen, zur Prallelektrode vollständig geöffneten metallischen Hohlkörpers (Anodenelektrode) erfolgt und auf der von der Prallelektrode entfernten Rückseite im Innern des Hohlkörpers mit kleinem Abstand eine diese Seite nahezu vollständig überdeckende Kathodenelektrode gegenübersteht und die dem Beschleunigungsraum und der Prallelektrode zugewandte Öffnung (Emissionsöffnung) des Hohlkörpers an ihrem Rand als ringförmige Magnetpolfläche ,einer Polarität und die von der Kathode überdeckte Seite des Hohlkörpers als Magnetpolfläche anderer Polarität ausgebildet ist, und der Hohlkörper von Mitteln zum Erregen eines von der kathodenseitigen Magnetpolfläche ausgehenden magnetischen Flusses umgeben ist welcher die Kathode, den Entladungsraum und den Bereich der Emissions öffnung durchflutet und von der ringförmigen magnetischen Polfläche am Rand der Emissionsöffnung aufgenommen wird.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß zum Einschließen von Elektronen in einen Entladungsraum nicht notwendigerweise/der einen Kathode gegenüberstehende materielle zweite Kathode mit Emissionsloch erforderlich ist, sondern daß die Funktion der zweiten Kathode auch von einer das Potential der ersten Kathode führenden immateriellen Äquipotentialfläche übernommen werden kann. Diese Äquipotentialfläche läßt andererseits im Entladeraum gebildete Ionen ungehindert in den Nachbeschleunigungsraum austreten, so daß auch die bei Vorhandensein dieser Elektrode dort auftretenden Verlustleistungen entfallen.

Dort ist zwischen Emissions öffnung und Prallelektrode eine in der Nähe des Potentials der Prallelektrode betriebene blendenförmige Beschleunigungselektrode angeordnet, deren Blendenöffnung der Größe der Emissionsöffnung entspricht.

*Als Mittel zur Erregung des Magnetflusses ist ein den Entladungsraum außerhalb der Vakuumhülle einschließender Elektromagnet angeordnet, dessen Magnetjoch die kathodenseitige Magnetpolfläche und die Magnetpolfläche an dem der Prall-•elektrode zugewandten Rand der Emissionsöffnung der Anodenelektrode miteinander verbindet und die Erregerspulen umfaßt.

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Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den metallischen Hohlkörper und/oder die kathodenseitige Magnetpolfläche, die Magnetpolflächen am Rand der Emissions öffnung und Teile des dem Beschleunigungsraum zugewandten Magnetjoches als Teil der Vakuumhülle des Entladungsräumes und des Beschleunigungsräumes auszubilden.

Bei einer speziellen Form des erfindungsgemäßen Neutronengenerators ist der Entladungsraum, in dem die Ionen erzeugt werden, ringförmig ausgebildet (Ringentladung s raum) und an der zur Achse des Ringentladungs räume s orientierten Innenseite desselben eine ebenfalls ringförmige öffnung (Emissionsöffnung) angeordnet, durch die Ionen aus dem Ringentladungs raum in einen ebenfalls ringförmigen Beschleunigungsraum austreten und durch ein von dort angeordneten Elektroden erzeugtes radiales, konvergierendes elektrisches Feld auf eine im wesentlichen rohrförmig ausgebildete Prallelektrode beschleunigt werden, die koaxial zu dem Ringentladungs raum angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Prallelektrode im Zentrum eines ringförmigen Entladungsräumes führt zu einer im Vergleich zur Ionenstromdichte in der Emissionsöffnung erhöhten Ionenstromdichte an der Targetschicht bei sehr günstiger Stromdichteverteilung. Das radialsymmetrische Beschleunigungsfeld bewirkt eine geometrische Fokussierung der Ionenströmung in radialer Richtung, während die beim Austritt aus der Emissionsöffnung in axialer Richtung bestehende Divergenz der Ionenströmung nur wenig beeinflußt wird, so daß der von der Ionenströmung ausgeleuchtete Abschnitt der Prallelektrode in axialer Ausdehnung größer als die Breite der Emissionsöffnung gewählt werden kann.

Hohe Neutronenflüsse großer Homogenität bei großer N?utronen-Emissioasstromdichte werden insbesondere dadurch erz'slt, daß das Target als Flad:nquelle schneller Neutronen (14 MeV) die Bestrahlungsprobe ir. Form eines Zylinders allseitig umschließt. Diese Eigenschaften sind Voraussetzung für

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den "Einsatz des Neutrönengenerators in bestimmten Anwendungsfällen, wie z.B. bei der Aktivierungsananlyse, der Spaltstoffflußkontrolle und der Erzeugung kurzlebiger Radionuklide, bei denen möglichst hohe homogene Neurtronenflüsse in einem vorbestimmten Volumen benötigt werden.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich für den Neutronengenerator nach der Erfindung dadurch, daß an der äußeren Peripherie eines Ringentladungsraumes eine ringförmige Kathode (Kathodenring) angeordnet ist und der Entladungsraum in Richtung der Achse des Kathodenringes durch zwei parallel zur Ebene des Kathodenringes in einem der axialen Länge des Kathoden ring es entsprechenden Abstand auf beiden Seiten desselben angeordnete ringscheibenförmige Anoden (Ringanoden) begrenzt ist.

Dabei wird im Innern des Ringentladungsraumes ein im wesentlichen radiales Magnetfeld durch zwei außerhalb der Vakuumhülle zur Achse des Kathodenringes konzentrisch im Bereich der Ringanode angeordnete Ringspulen erzeugt und beide Ringspulen zum Führen des Magnetflusses von einem Magnetjoch umschlossen, und auf der zur Achse des Kathodenringes zugewandten Innenseite des Magnethoches ein als Emissionsöffnung für die Ionen dienender Ringspalt angeordnet, dessen Breite dem Abstand der Ringanoden entspricht.

Zwischen dem der Emission der Ionen dienenden Ringspalt des Magnetjoches und der rohrförmigen Prallelektrode sind zwei in der Nähe des Potentials der Prallelektrode betriebene tellerförmige Beschleunigungselektroden auf beiden Seiten des Ringspaltes so angeordnet, daß sich deren axialer Abstand ausgehend von der Breite des Ringspaltes mit abnehmendem Radius auf die axiale Breite der auf das Target treffenden Ionenströmung vergrößert. Die Elektroden und/oder das Vakuumgehäuse werden zweckmäßigerweise mit Kühlkanälen zum Durchleiten eines Kühlmittels versehen.

In Achsrichtung ist an einer Seite der Ringionenquelle ein Hochspannungsisolator vakuumdicht angeschlossen und die rohrförmige Prallelektrode durch das Zentrum der Ringionenquelle und den Isolator geführt und an dessen

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äußerer Stirnseite vakuumdicht so befestigt, daß der Innenraum des rohrförmigen Targets von außen zum Beschicken mit zu bestrahlenden Proben zugänglich ist.

Die Spulen zum Erzeugen des Magnetfeldes sind in einem wasserdichten Mantel aus korrosionsbeständigem Material eingeschlossen und von einem Magnetjoch und der Anode, die mit dem Magnetjoch eine Einheit bildet, so umschlossen, daß ein Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühlmittels gebildet wird, welches die Spulen und das Vakuumgehäuse kühlt.

Der Kathodenring ist aus metallischen Rohren aufgebaut, deren Windungen ■ miteinander verschweißt oder verlötet sind. Durch die Rohre wird ein Kühlmittel geleitet.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Prallelektrode im wesentlichen aus einem metallischen Rohr zum Tragen der Konstruktion (Tragrohr) und einem im Bereich der Ionen strömung auf das Tragrohr bifilar aufgewickelten metallischen Rohr zum Transportieren eines Kühlmittels aufzubauen und die Windungen der Kühlmittelleitung miteinander zu verschweißen und auf die so entstandene Oberfläche die Targetschicht aufzubringen.

Dabei kann es in bestimmten Anwendungsfallen vorteilhaft sein, das Tragrohr fc an der Targetseite zu verschließen und zum Führen einer Bestrahlungsprobe

ein mit einer Rohrpostanlage verbundenes Führungsrohr in dem Tragrohr koaxial so anzuordnen, daß es am Verschluß des Tragrohres zentriert und an diesem Ende mit Durchbrüchen versehen ist. Zum Zurückholen einer Probe nach dem Bestrahlen wird Gas in den Ringspalt zwischen Tragrohr und Führungsrohr geleitet, das über die Durchbrüche in das Führungsrohr gelangt. Es ist auch möglich, die Probe durch Erzeugen eines Unterdruckes zurückzusaugen.

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An der Stirnseite der Ringionenquelle ist in Achsrichtung ein Hochspannungsisolator vakuumdicht angeschlossen und das Tragrohr durch das Zentrum der Ring ionenquelle und den Isolator geführt und an dessen äußerer Stirnseite ebenfalls vakuumdicht angeschlossen. Das Tragrohr ist über den An Schluß punkt hinausgeführt und mit einer Anschlußeinrichtung zum Einleiten von Gas in den Ringkanal zwischen Tragrohr und Führungsrohr versehen.

In besonderen Anwendungsfallen, wie z. B. beim Herstellen von Radionukliden oder bei der Spaltstoffflußkontrolle, kann es vorteilhaft sein, das Führungsrohr zum Aufnehmen zu bestrahlender Stoffe nicht am Ende der Prallelektrode abzuschließen, sondern durch das Hochvakuumsystem des Neutronengenerators hindurch zu führen und an zwei in axialer Richtung auf beiden Seiten der Prallelektrode angeordnete Isolatoren anzuschließen, so daß ein durchgehender Bestrahlungskanal entsteht. Dabei kann anstelle des bifilar auf das Tragrohr aufgebrachten Kühlmittelrohres ein einfach gewickeltes Kühlrohr verwendet werden. Es ist auch möglich, das Tragrohr in einem vorbestimmten Bereich als Prallelektrode auszubilden und das Kühlmittel durch den zwischen Tragrohr und Führungsrohr gebildeten Ringkanal zu leiten.

Ferner sind vorgesehen eine Kapsel zum Aufnehmen einer mit Neutronen zu bestrahlenden Probe, Mittel.zum Einbringen der Kapsel in das Führungsrohr und Mittel zum Fixieren der Kapsel in dem von der Prallelektrode umschlossenen Teil des Führungsrohres während einer vorbestimmten Zeit zum Bestrahlen mit Neutronen.

Bei der Anwendung schneller Neutronen in der Strahlentherapie werden insbesondere hohe wirksame Neutronenemissionsstromdichten bei extrem hohen Gesamtquellstärken gefordert, damit in einem Abstand von ca. 1 m von der Quelle eine Intensität der Neutronenstrahlung vorliegt, die im Bestrahlungsfeld in 10 Minuten eine Neutronendosisleistung der Größenordnung von 1000 rem erzeugt. Dabei wird der Abstand des Patienten von der Neutronenquelle ■ zur Kollimation der Neutronenstrahlung und zur Abschirmung der nicht zu bestrahlenden Körperteile benötigt.

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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Neutronengenerators in der Strahlentherapie mit schnellen Neutronen ist in einfacher Weise durch eine modifizierte Ausbildung möglich. Dabei wird die rohrförmige Prallelektrode im Bereich der Targetschicht an ihrem abgeschlossenen Ende als schwach konischer Kegelstumpf ausgebildet. Dieser Kegelstumpf ist Teil eines Kegels, dessen Spitze außerhalb des Vakuumgehäuses liegt.

An das Vakuumgehäuse sind auf der von dem Hochspannungsisolator abgewandten Seite Mittel zum Kollimieren des von der Targetschicht ausgehenden Neutronenflusses angeschlossen, die im wesentlichen aus einem Ergänzungs- ^ kegel (Kollimationskegel) zu dem vom Target gebildeten Kegelstumpf und aus

einem Block mit durchgehender, konischer oder zylindrischer Bohrung (Kollimationskanal) bestehen, wobei der Kollimationskegel in den Eingangsteil des Kollimationskanals hineinragt, dessen Querschnitt dadurch in diesem Bereich ringförmig ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung der Ionenquelle und des Beschleunigungssystems,

Fig. 2 Potentialverlauf in Richtung der Ionenstrahlachse und senkrecht dazu, Fig. 3 Ionen stromdichte an der Prallelektrode,

Fig. 4 Neutronengenerator mit Ringionenquelle und rohrförmigem Target, Fig. 5 Schnitt AA durch den in Fig. 4 dargestellten Neutronengenerator, Fig. 6 Schematische Darstellung der Spannungs- und Stromversorgung, Fig. 7 Schematische Darstellung der Elektrodenkühlung, Fig. 8 Vereinfachter Schnitt durch eine konische Pral!elektrode, Fig. 9 Neutronengenerator mit schwach konischem Target in einem Strahle therapiegerät.

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Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausbildung des erfindungsgemäßen Entladungs- und Bes chi eunigungssy stems. Ein Entladungsraum ist teilweise eingeschlossen von einer rohrförmigen, unmagnetischen Anodenelektrode 1 und einer die Anodenelektrode einseitig abschließenden Polfläche 8 aus magnetischem Material. Im Entladungsxaum, parallel zur Polfläche 8 in geringem Abstand von derselben ist eine Kathodenelektrode angeordnet, der eine Prallelektrode 3 (Target) so gegenübersteht, daß die Symmetrieachse 4 der Anodenelektrode, die gleichzeitig lonenstrahlachse ist, Kathode und Target miteinander verbindet auf beiden Elektroden im wesentlichen senkrecht steht. Am Target 3 ist ebenfalls symmetrisch zur lonenstrahlachse 4 eine kegelmantelförmige Beschleunigungselektrode 5 angeordnet, die den Beschleunigungsraum, begrenzt. Die Anodenelektrode 1 ist von der Erregerspile 6 umschlossen, die wiederum von einem Magnetjoch mit den Polflächen 8 und 9 eingehüllt ist.

Im Bezug auf die Anodenelektrode 1 wird die Kathodenelektrode 2 auf einem negativen Hochspannungspotential der Größe -V betrieben. Das Target 3 und die Beschleunigungselektrode 5 befinden sich auf einem wesentlich höheren negativen Potential -V . Diese Potentiälverteilung ergibt den mit strichlierten Linien dargestellten Verlauf des elektrischen Feldes, "wobei im Bereich der von der Polfläche 9 eingeschlossenen Emissionsöffnung eine Äquipotentialfläche 10 existiert, die sich auf dem Potential der Kathode 2 befindet und den Entladungsraum in Richtung auf das Target vom Beschleunigungsraum trennt.

Zwischen den Polflächen 8 und 9 besteht ein im wesentlichen in Richtung der Symmetrieachse 4 verlaufendes magnetisches Feld, dessen Feldlinien (strichpunktierte Linien) mit zunehmendem Abstand von der Syrometriach.se von deren Richtung abweichen und im Bereich der Polfläche 9 zu dieser hin abbiegen. Diejenige Feldlinienschar 11, welche im Bereich der Emissionsöffnung von der Äquipotentialfläche 10 gerade tangiert wird, bildet eine magnetische Feldfläche, welche den Entladungsraum in ein von der Feldfläche umhülltes inneres Gebiet 12 (Ionisationsraum) und ein zwischen dieser Feldfläche und der Anode liegendes äußeres Gebiet unterteilt.

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Im Ionisationsraum 12 verlaufen alle von der Kathode 2 kommenden magnetischen Feldlinien so, daß sie die Äquipotentialfläche 10 schneiden. Die außerhalb des Ionisationsraumes IE und der magnetischen Feldfläche 11 verlaufenden magnetischen Feldlinien erreichen die Äquipotentialfläche 10 nicht, sondern schneiden die Anodenelektrode 1 oder münden direkt in die Polfläche

In Figur 2 ist der Potentialverlauf entlang der von der Kathode 2 zum Target 3 verlaufenden Symmetrieachse 4 als Kurve 13 und in einer dazu senkrechten Schnittebene AA' als Kurve 14 dargestellt. .Beide Potentiale verlaufen im Ionisationsraum 12 im wesentlichen parabolisch. Am Schnittpunkt K' der Symmetrieachse 4 mit der Äquipotentialfläche 10 ist das Potential gleich dem Kathodenpotential K und fällt in dem von den Beschleunigungselektroden 5 begrenzten Beschleunigungsraum 15 sehr stark auf das Targetpotential V ab.

Ein aus der Kathode z.B. durch Ionenaujprall ausgelöstes Elektron wird in Richtung der Symmetrieachse 4 beschleunigt und jenseits der Mittelebene AA' entsprechend verzögert und an der Äquipotentialfläche 10 in der Nähe des Punktes K' zur Kathode reflektiert. Verliert das Elektron auf diesem Wegz. B. durch einen Ionisationsstoß Energie, so erreicht es die Kathode nicht wieder. Vielmehr wird ein solches Elektron auf seiner magnetischen Feldfläche festgehalten, so daß es im Ionisationsraum 12 eingefangen ist. Durch eine Vielzahl eingefangener Elektronen wird im Ionisationsraum 12 eine Elektronenwolke nahezu homogener Raumladung aufgebaut. Die Elektronen dieser Wolke driften unter der kombinierten Wirkung der elektrischen und magnetischen Felder senkrecht zu diesen Feldern im Ionisationsraum 12 in der Weise, daß sie in der Nähe ihrer Feldflächen enge Zykloidenbahnen beschreiben. Nur durch Stöße,bei denen Energie abgegeben wird, kann ein solches Elektron von einer magnetischen Feldfläche zu einer näher an der Anode gelegenen Feldfläche überwechseln. Dabei durch Ionisationsprozesse erzeugte positive Ionen pendeln im Potential entsprechend Kurve 14 und verlassen den Ionisationsraum gleichzeitig in Richtung der Symmetrieachse zur Kathode 2 und zur Äquipotentialfläche 10. Ionen, welche die Äquipotentialfläche 10 durchsetzen, werden im

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Beschleunigungsraum 15 in dem zwischen der Polfläche 9 und der Beschleunigungselektrode 5 bestehenden elektrischen Feld auf das Target beschleunigt. Alle Ionen, welche in dem Teil des Ionisationsräumes gebildet werden, der auf der Targetseite der Ebene AA* liegt, erreichen auf diese "Weise das Target 3. Die auf der Kathodenseite der Ebene AA* erzeugten Ionen fallen mit wesentlich geringer Energie auf die Kathode 2.

Die resultierende Stromdichteverteilung der Ionen auf der Targetoberfläche entspricht etwa dem in Fig. 3 dargestellten Verlauf, dessen Maximalwert in der Symmetrieachse 4 etwa gleich dem doppelten Mittelwert der Verteilung ist.

Die auf das Target auftreffenden Ionen lösen bei einer Energie von ca. 150 keV aus der zu gleichen Teilen mit Deuterium und Tritium gesättigten Titanschicht pro auftretendes Ion ca. vier Sekundär elektronen aus, die als anfänglich langsame Elektronen das Beschleunigungsfeld in umgekehrter Richtung durchfallen. Sie durchfliegen den Ionisationsraum 12 als schnelle Elektronen, werden durch das Magnetfeld von der Anode 1 ferngehalten und treffen auf die Kathode 2, wo sie ihre Energie abgeben. Diese schnellen Elektronen sind wegen ihrer hohen Energie an der Ionisation nur unwesentlich beteiligt. Der vom Target zurückströmende Sekundärelektronenanteil läßt sich mit Hilfe einer relativ kleinen, dem Target gegenüber der Beschleunigungselektrode aufgeprägten positiven Gegenspannung wesentlich verringern.

Es ist selbstverständlich auch möglich, anstelle der rohrförmigen Anode 1 und der kegelmantelförmigen Beschleunigungselektrode 5 ebene Elektroden zu verwenden.

Läßt man das Schnittbild der in Fig. 1 dargestellten Anordnung um eine in der Zeichenebene liegende Achse 16 rotieren, so ergibt sich ein rotationssymmetrisches System mit ringförmiger Anordnung des Ionenquellen-Entladungsraumes und einem koaxialen rohrförmigen Target, an dessen Oberfläche aufgrund der nun vorliegenden Geometrie eine erhöhte Ionen stromdichte erzielt

wird. ·

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In den Figuren 4 und 5 ist ein derartiger Neutronengenerator mit Ringionenquelle und rohrförmigem Target dargestellt.

Zwei ring scheibenförmige Anoden 17 aus nichtrostendem Stahl oder einem anderen unmagnetischen Werkstoff sind mit einem ferromagnetischen Polschuhring 18 so verschweißt, daß eine ringförmige, an ihrer zum Zentrum weisenden Seite offene Kammer entsteht.

Der Kathodenring 19 besteht aus vier miteinander verschweißten Ringen aus Kupferrohr. Ein Verbindungsstück 20 schaltet die vier Rohre parallel und nimmt die Kühlmittelzuleitung 21 und die Kühlmittelableitung 22 auf, die durch je eine Bohrung im Polschuhring 18 geführt und über je einen keramischen Durchführungsisolator 23 vakuumdicht an den Polschuhring angeschlossen sind. Das Verbindungsstück 20 besitzt Kühlkanäle.24.

In zwei weitere am Umfang verteilte Bohrungen 25 im Polschuhring 18 ist je eine Gewindebuchse 26 eingeschweißt, in deren Zentrum durch je ein Führungselement 27 ein keramischer Tragstift 28 geführt ist. Jeder der zwei Tragstifte 28 greift in eine mit dem Kathodenring 19 verschweißte Buchse 29 und ist in dieser Stellung durch eine Feder 30 und eine Schraube 31 federnd gehalten.

Jede der Magnet spulen 32 und 33 ist allseitig von einem Gehäuse 34 aus nichtrostendem Stahl umschlossen und über die ferromagnetischen Zylinder 35 bzw. 36 gesteckt, die an ihren als Polschuhe wirkenden Stirnseiten 37 mit je einem der Anodenringe 17 verschweißt sind. Der Ring 38 und der Zylinder sind rechtwinklig miteinander verschweißt und über am Umfang verteilte Schraub enver bindung en 40 mit Dichtungen 41 und 42 flüssigkeitsdicht an den Zylinder 35 angeschlossen. In entsprechender Weise sind der Ring 43 und der Zylinder 44 miteinander und mit dem Zylinder 36 verbunden. Am Umfang verteilte Spannvorrichtungen 45 halten die Zylinder 39 und 44 zusammen und sorgen für guten magnetischen Kontakt zu dem Polschuhring 18. Auf

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diese Weise wird die Spule 32 von einem aus den Bauelementen 35, 38 und bestehenden Magnetjoch mit den Polschuhen 18 und 37 und die Spule 33 von einem entsprechenden aus den Bauelementen 36, 43 und 44 bestehenden Magnetjoch mit den Polschuhen 18 und 37 umschlossen.

Die Gehäuse 34 der Magnetspulen 32 und 33 werden in ihren von den Magnetjochen und den Anodenringen 17 gebildeten Ringkammern durch nicht dargestellte Abstandshalter so gehalten, daß ein durch den Zuführungsstutzen 46 zugeführtes Kühlmittel in einem Ringkanal 47 die Spule allseitig umströmt und Spule, Anodenring und Magnetjoch kühlt. Der Ringkanal 47 wird durch eine Dichtung 48 gegen die Trennfuge der Magnet jochteile 39 und 44 abgedichtet und durch je eine andere Dichtung 49 zwischen dem Gehäuse 34 und den Magnetjochteilen 39 bzw. 44 wird eine Verbesserung der Kühlung erreicht, wenn der Zuführungs stutzen 46 und der zu diesem diametral liegende Ableitungsstützen 50 auf verschiedenen Seiten des Dichtringes 49 angeordnet sind.

Der gleichzeitig als Vakuumgehäuse dienende Zylinder 35 des Magnetjoches ist an seiner vom Polschuh 37 abgewandten Seite durch einen eingeschweißten Deckel 51 vakuumdicht verschlossen.

Im Zentrum des von den Anoden 17 und dem Kathodenring 19 teilweise umist
Γ schlossenen Ringentladungsraumes/ ein Tragrohr 52 angeordnet, das an seinem unteren Ende durch einen eingeschweißten Deckel 53 vakuumdicht verschlossen ist. Auf das Tragrohr 52 ist ein Kupferrohr 54 bifilar aufgewickelt, die Rohrwindungen miteinander verschweißt und auf die so gebildete Oberfläche der Prallelektrode eine Targetschicht aufgebracht. Am oberen und unteren Ende der Prallelektrode sind tellerförmige Beschleunigungselektroden 55 z. Bv aus Kupfer aufgeschweißt, an deren den Polschuhringen 37 benachbarten Rändern zum Herabsetzen der elektrischen Feldstärke Rohre 56 angeschweißt sind, und deren axialer Abstand sich mit abnehmendem Radius auf die Länge der Targetschicht vergrößert.

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Das Tragrohr 52, die Zuleitung 57 und die Ableitung 58 des Kühlmittels der Prallelektrode sind in Bohrungen eines Deckels 59 eingeschweißt, der über Schraubverbindungen 60 und eine Metalldichtung 61 vakuumdicht mit einem Ring 62 verbunden ist. Der Ring 62 ist mit dem metallischen Endring 63 eines Isolierrohres 64 verschweißt, dessen anderer Endring 63 mit einem konischen Ring 65 verschweißt ist, der wiederum über eine Schweißverbindung vakuumdicht an den Zylinder 36 des Magnetjochs angeschlossen ist.

Das Tragrohr 52 sowie die Zuleitung 57 und Ableitung 58 sind weiter oben durch Bohrungen in einem weiteren Deckel 66 geführt und dort mit Gummidichtungen 67 und 68 und einer durch Schrauben 69 gehaltenen Andruckplatte 70 abgedichtet. Der Deckel 66 ist mit einer Dichtung 71 über Schraubverbindungen 72, einen geteilten Ring 73 und einen Druckausgleichsring 74 öldicht an den Kopf eines Hochspannungsisolators 75 angeschlossen. Der Fuß des Hochspannungsisolators 75 ist über einem geteilten Klemmring 76, eine Gummidichtung 77, einen Druckausgleichsring 78 und Schraubverbindungen 79 mit dem Ring 43 des Magnetjoches öldicht verbunden.

Der Raum 80 zwischen dem Hochspannungsisolator 75, dem konischen Ring 65, dem Isolator 64, dem Deckel 62, dem Tragrohr 52 und dem Deckel 66 ist mit einem Isolieröl oder einem Isoliergas gefüllt.

In dem Tragrohr 52 ist ein Führungsrohr 81 aus Aluminium oder nichtrostendem Stahl koaxial angeordnet und mit einer Gewindebuchse 82 verschweißt. Tragrohr und Führungsrohr sind über einen am Kopf des Tragrohres angeordneten Federring 83 und eine Überwurfmutter 84 miteinander verbunden und mit Dichtungen 85 und 86 abgedichtet. Über den Anschlußstutzen 87 kann in den Ringspalt zwischen Tragrohr 52 und Führungsrohr 81 Druckluft geführt werden, die durch Bohrungen 88 am unteren Ende des Führungsrohres in das Führungsrohr eintritt und eine Bestrahlungskapsel 89 aus dem Neutronengenerator herausdrückt. Am oberen Ende des Führungsrohr es ist ein Schlauch 90 aus isolierendem Material angeschlossen, der z.B. die Verbindung mit einer Rohrpostanlage herstellt.

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Zur Potentialsteuerung ist an den geteilten Ring 73 eine im wesentlichen aus zwei Teilen bestehende Aluminiumkugel 91 angeschlossen, welche die Anschlußstutzen für Kühlmittel 57, 58 Druckluft 87 und das Ende des Führungsrohres 81 umschließt. Die Rohrpostleitung 90 wird durch eine öffnung 92, die Druckluftleitung 93 und die Kühlmittelleitungen 94 und 95 durch eine öffnung in der Aluminiumkugel 91 geführt.

An jeder der zwei Gewindebuchsen 26 ist mit einer Überwurfmutter 97 ein Rohrstück 98 mit einer Kegeldichtung 99 vakuumdicht angeschlossen. An einem der Rohrstücke 94 ist über einen Zwischenring eine Evakuierungsleitung 100 aus Kupfer angeschweißt, die nach dem Evakuieren zum Abtrennen des Neutronengenerators von der Vakuumpumpe durch Abquetschen kaltverschweißt wird.

In diesem Rohrstück 98 ist zum Messen des Druckes während des Einfüllens des Entladungsgases (z.B. Deuterium-Tritium) in das abgeschlossene System ein kleiner NTC-Widerstand 101 angeordnet, der über einen keramischen Durchführungsisolator 102 elektrisch angeschlossen ist.

An dem anderen Rohrstück 98 ist ein Gehäuse 103 angeschlossen, in dem ein Gasdruckregler 104 nach dem Deutschen Patent 1 275 691 und ein einseitig geschlossenes, als Wendel ausgebildetes, durch direkten Stromdurchgang heizbares Nickelröhrchen 105 (Nickelventil) angeordnet ist. Das Entladungsgas wird zum Einfüllen in das abgeschlossene System in das Nickelröhrchen 105 geleitet und diffundiert nur dann durch dessen Wand in den Vakuumraum, wenn die Heizung eingeschaltet ist.

Während des Füllvorganges und Absorptionsvorganges wird der Druck im Vakuumraum mit dem als Wärmeleitungsmanometer betriebenen NTC-Widerstand 101 gemessen. Nach dem Einfüllen einer vorbestimmten Gasmenge wird die Heizung des Nickelröhrchens abgeschaltet und der Füllvorgang beendet. Der größte Teil der auf diese Weise in das System eingebrachten abgemessenen Menge des Entladungsgases wird in der auf die Prallelektrode 54 aufgebrachten Targetschicht (z. B. Titan) bis nahe zur Sättigung spontan absorbiert.

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Der Rest des eingefällten Entladungsgases wird anschließend vom Gasdruckregler 104 aufgenommen und dient der Einstellung und Aufrechterhaltung eines .vorbestimmten Gasdruckes während des Betriebes.

Der Gasdruckregler 104 besteht im wesentlichen aus einem kleinen Penning -Entladungssystem im Magnetfeld des Magneten 106. Zwei in der Nähe der Achse der Entladungszelle angeordnete Titanelektroden 107 nehmen Entladungsgas auf und geben es.bei elektrischer Heizung des Draht-Anodenringes 108 kontroliert durch einen äußeren Regelkreis wieder ab. Der Gasdruckregler ermöglicht gleichzeitig die Messung des Gasdruckes während des Betriebes und absorbiert dabei unerwünscht entstehende Gase, die im Gegensatz zu dem .Entladungsgas Wasserstoff nicht reversibel gebunden sind.

In den Blockschaltbildern der Figuren 6 und 7 sind die wesentlichen zum' Betrieb des Neutronengenerators erforderlichen Hilfsgeräte schematisch dargestellt.

Die negative Hochspannung (ca. 150 bis 200 kV) für die Prallelektrode 54 und die Beschleunigungselektrode 56 wird von einem Hochspannungsnetzgerät 109 erzeugt und über die Aluminiumkugel 91 zugeführt. Das Gehäuse des Neutronengenerators und insbesondere die Anoden 17 werden auf Nullpotential betrieben.

Der Kathodenring 19 wird von einem Hochspannungsnetzgerät 110 mit einer einstellbaren negativen Spannung von 10 bis 15 kV beaufschlagt. Der vom Kathodenring 19 abfließende Anteil des Entladungsstromes wird von einem Spannungsstabilisator 111 unter Umsetzung der anfallenden Leistung gegen Nullpotential abgeleitet. Als Spannungsstabilisator können beispielsweise Überspannungsableiter in Form von spannungsabhängigen Widerständen, Schaltungen aus Zenerdioden oder ein Magnetron mit zum Regeln der Spannung einstellbarem äußeren Magnetfeld verwendet werden.

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Die Magnetspulen 32 und 33 sind in Serie geschaltet und werden aus einem stromgeregelten Niederspannungs-Netzgerät 112 gespeist.

Das Gasdruckregelsystem 104 wird aus dem Regelferät 113 mit einer Hochspannung im Bereich von 1 bis 3 kV versorgt. Der im Gasdruckregelsystem

104 auftretende Entladungs strom ist vom Gasdruck abhängig und wirkt auf die Heizung des Draht-Anodenringes 108 im Sinne einer Verkleinerung der Regelabweichtung des Gasdruckes ein.

Vor der ersten Inbetriebnahme des Neutronengenerators wird das Nickelventil

105 mit einem geregelten Strom-Netzgerät 114 zum Einfüllen des Entladungsgases geheizt. Zur Kontrollmessung des Gasdruckes während des Absorptionsvorganges wird ein elektronisches Wärmeleitungs-Manometer 115 mit-dem NTC-Widerstand 101 verbunden.

Die während des Betriebes auftretende Elektrodenverlustleistung wird durch einen Kühlkreislauf mit einem Kühlmedium möglichst kleiner elektrischer Leitfähigkeit, z.B. destilliertem Wasser, abgeführt, das über einen Wärmetauscher 116 z.B. mit Leitungswasser rückgekühlt wird. Das von den Elektroden (Anoden 17, Kathode 19, Prallelektrode 54) und den Magnetspulen 32 und 33 aufgeheizte Wasser wird an den Leitungen 22, 50 und 58 abgeführt und durchströmt einen Entgasungsbehälter 117, dessen Oberfläche mit einem Inertgas abgedeckt ist. Das von der Pumpe 118 angesaugte Kühlmittel wird nach Kühlung im Wärmetauscher 116 über die Leitungen 21, 46 und 57 unter Druck den Elektroden wieder zugeführt. Ein Teilstrom des Kühlmittels wird zum Aufrechterhalten der geforderten geringen elektrischen Leitfähigkeit über einen Ionenaustauscher 119 geleitet. Das Kühlsystem ist mit den auf Hochspannungspotential betriebenen Kühlmittelanschlüssen der Elektroden über isolierende Leitungen verbunden.

Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Neutronengenerators für die Anwendung in der Strahlentherapie mit schnellen Neutronen ist in den Figuren 8 und 9 vereinfacht dargestellt.

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Bei diesem Neutronengenerator ist die rohrförmige Prallelektrode 120 im Bereich der Targetschicht konisch ausgebildet. Durch ein koaxial in die Prallelektrode eingesetztes, im Targetbereich ebenfalls konisches Rohr 121 wird ein Kühlkanal 122 gebildet. Das Kühlmittel wird über eine isolierende, flexible Zuleitung 123 in das Rohr 121 gedrückt und mit hoher Geschwindigkeit durch den Ringkanal 122 am Targetrohr 120 entlang geführt.

Es sind zwei tellerförmige Beschleunigungselektroden 124 und 125 vorgesehen. Die Elektrode 125 ist am unteren Ende der Prallelektrode 120 befestigt. Im Bereich der axialen Projektion des Kegelmantels der Targetschicht auf den W zentralen Teil der Elektrode 125 ist diese mit am Umfang verteilten Durchbrüchen 126 versehen oder in ihrer Wandstärke reduziert. Dadurch wird eine mögliche Abschwächung der in dieser Richtung austretenden Neutronenstrahlung vernachlässigbar klein gehalten.

Die gleiche Aufgabe hat eine ebenfalls in diesem ringförmigen Bereich vorgenommene Herabsetzung der Wandstärke des unteren Abschlußdeckels 127 des Neutronengeneratorgehäuses.

Zum Kollimieren der in Richtung der Achse der Prallelektrode 120 austretenden Neutronenstrahlung dient ein innerer Kollimationskegel 128 und ein Kolli- ψ ' mationsrohr 129 mit zylindrischer oder schwach konischer Bohrung. Stimmt die Konizitätdes Kegels 128 mit derjenigen der Prallelektrode 120 angenähert überein, so ergeben sich günstige Verhältnisse für die Kollimation. Der Durchmesser der Bohrung des Kollimationsrohres 129 ist aus den gleichen Gründen annähernd gleich dem größten Durchmesser der auf die Prallelektrode 120 aufgebrachten Targetschicht.

Der im wesentlichen aus den Bauelementen 128 und 129 bestehende Kollimator und der Neutronengenerator sind in eine der Abschirmung schneller Neutronen dienende Kugel 130 (Abschirmkugel) so eingesetzt, daß das Target als Neutronenquelle im Zentrum der Kugel liegt.

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— c* 1 —

Die Abschirmkugel kann z.B. homogen aus Stahl oder einer geeigneten Kombination aus Stahl und Preßholz oder ähnlichen Abschirmwerkstoffen für schnelle Neutronen, z.B. auch Titanhydrid, Zirkonhydrid, Lithiumhydrid oder stark wasserhaltigem Beton bestehen.

Die Zusammensetzung der Abschirmkugel 130 und deren Abmessungen sind so gewählt, daß alle nicht strahlentherapeutisch zu behandelnden Teile des Patientenkörpers während der Dauer der Strahleneinwirkung nur relativ kleinen biologisch noch vertretbaren Strahlendosen ausgesetzt werden.

durch

Die direkte Neutronenstrahlung wird/den Kollimator ausgeblendet. Der Kollimator kann durch austauschbare Kollimationsrohre 129 mit unterschiedlicher Geometrie der Bohrung an spezifische Aufgaben angepaßt werden.

Die Abschirmkugel 130 ist mit einem Tragring 131 halbkardanisch aufgehängt und um die Achsen 132'und 133 schwenkbar. Am Tragring 131 ist parallel zur Achse des Kollimators ein Teleskopgestänge 134 angeschlossen, an dessen Endpunkten 135 ein Schwenkgestell 136 angelenkt und auf dessen Schienen 137 eine Patientenliege 138 verschiebbar angeordnet ist. Eine nicht dargestellte Steuereinrichtung sorgt dafür, daß bei einer Pendelbestrahlung der kollimierte Neutronenstrahl in einem vorbestimmten Volumen des Patientenkörpers maximal wirksam •wird.

Es ist selbstverständlich auch möglich, den Neutronengenerator nach der Erfindung im Pulsbetrieb zu betreiben und dabei in Bezug auf den stationären Betrieb höhere Stromstärken unter der Voraussetzung zu erreichen, daß bei einem vorbestimmten Tastverhältnis der Impulsfolge die mittlere Belastbarkeit der Elektroden nicht überschritten wird.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Neutronengenerators bestehen insbesondere darin, daß seine Abmessungen im Verhältnis zu konventionellen Neutronengeneratoren überraschend klein sind und wesentlich höhere Leistungen über erheblich längere Targetstandzeiten erreicht werden. Bekannte Neutronen-

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generatoren mit abgeschlossenem Entladungssystem erzeugen bei vergleichbaren Abmessungen Neutronenquell stärken, die um mehrere Größenordnungen .kleiner sind.

Die Erfindung ermöglicht ferner den Bau großvolumiger Ringionenquellen mit günstiger radialer Fokussierung der Ionen auf ein zentrales Target- Dabei kann gleichzeitig die axiale Verteilung der Ionenströmung auf der Oberfläche der Prallelektrode, durch Wahl der Geometrie der Beschleunigungselektroden in vorbestimmter Weise eingestellt werden und z. B. größer oder kleiner als die axiale Dimension des Ionen erzeugenden Systems sein. Die maximale Ionenstromdichte überschreitet dabei an keiner Stelle das Doppelte ihres Mittelwertes, so daß insgesamt eine hohe mittlere Belastung erreicht wird und sich im Innenraum der rohrförmigen Prallelektrode ein hoher über ein relativ großes Volumen gleichmäßig verteilter, ungerichteter Neutronenfluß ergibt.

Die Strahlenerzeugung ist in Bezug auf den Leistungsumsatz in der Ringionenquelle sehr effektiv und erlaubt den Betrieb des Systems bei relativ geringem Druck, so daß auch die Beschleunigung der Ionenströmung mit sehr geringen Verlusten möglich ist.

Die einfache Konstruktion des Systems ermöglicht ferner einen hohen Leistungsumsatz am Target. Der damit verbundene hohe Sekundärelektronen-Anteil führt zwar zu einem erhöhten Energieumsatz an der Kathode, die dabei entstehende Wärmeenergie kann jedoch von dem großflächigen Kathodenring problemlos abgeführt werden.

Ein anderer Vorteil des Neutronengenerators nach der Erfindung ergibt sich insbesondere bei dessen Anwendung in der Strahlentherapie. Dabei wird die großflächige, aus einer konischen Prallelektrode bestehende Neutronenquelle durch Projektion des Kegelmantels in Achsrichtung auf eine sehr kleine effektive Neutronenquellfläche ringförmiger Gestalt mit entsprechend erhöhter

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wirksamer Emissionsdichte der Neutronenstrahlung zusammengezogen. Erst dadurch wird eine günstige KoUimation des Neutronenstrahles unter weitgehender Vermeidung von Halbschattengebieten im Bestrahlungsfeld ermöglicht.

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Claims (19)

1. Patentansprüche:

   / 1.J Neutronengenerator mit abgeschlossenem Hochspannung-Niederdruck-Entladungssystem, bei dem in einem Teilvolumen (Entladungsraum) mit gekreuzten magnetischen und elektrischen Feldern Ionen erzeugt werden, die bei gleichem Druck in einem anderen, unmittelbar anschließenden Teilvolumen (Beschleunigungsraum) auf eine Pralüelektrode mithchem negativen Potential beschleunigt werden und in einem auf die Prallelektrode aufgebrachten Targetmaterial mit Hilfe von Kernreaktionen Neutronen erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Ionen im Innern eines auf Anodenpotential betriebenen, zur Prallelektrode vollständig geöffneten metallischen Hohlkörpers (Anodenelektrode) erfolgt und auf der von der Prallelektrode entfernten Rückseite im Innern des Hohlkörpers , mit kleinem Abstand eine diese Seite nahezu vollständig überdeckende Kathodenelektrode gegenübersteht und die demBeschleunigungsraum und der Prallelektrode zugewandte Öffnung (Emissionsöffnung) des Hohlkörpers an ihrem Rand als ringförmige Magnetpolfäche einer Polarität und die von der Kathode überdeckte Seite des Hohlkörpers als Magnetpolfläche anderer Polarität ausgebildet ist, und der Hohlkörper von Mitteln zum Erregen eines von der kathodenseitigen Magnetpolfläche ausgehenden magnetischen Flusses umgeben ist, welcher die Kathode, den Entladungsraum und den Bereich der Emissionsöffnung durchflutet und von der ringförmigen magnetischen Polfäche am Rand der Emissions öffnung aufge-nommen wird. ι
2. 2. Neutronengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Emissionsöffnung und Prallelektrode eine in der Nähe des Potentials der Prallelektrode betriebene blendenförmige Beschleunigungselektrode angeordnet ist, deren Blendenöffnung der Größe der Emissions öffnung entspricht.

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3. 3. Neutronengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Erregung des Magnetflusses ein den·Entladungsraum außerhalb der Vakuumhülle einschließender Elektromagnet angeordnet ist, dessen Magnetjoch die kathodenseitige Magnetpolfläche und die Magnetpolfläche an dem der Prallelektrode zugewandten Rand der Emissionsöffnung der Anodenelektrode miteinander verbindet und die Erregerspule umfaßt.
4. 4. Neutronengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Hohlkörper und/oder die kathodenseitige Magnetpolfläche, die Magnetpolfächen am Rand der Emissionsöffnung und Teile des dem Beschleunigungsraum zugewandten Magnetjoches als Teil der Vakuumhülle des Entladungsräumes und des Beschleunigungsraumes ausgebildet sind.
5. 5. Neutronengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,' daß der Entladungsraum, in dem die Ionen erzeugt werden, ringförmig ausgebilder ist (Ringentladungsraum) und an der zur Achse des Ring entladung sraumes orientierten Innenseite desselben eine ebenfalls ringförmige Öffnung (Emissionsöffnung) besitzt, durch die Ionen aus dem Ringentladung sraum in einen ebenfalls ringförmigen Beschleunigungsraum austreten und durch ein von dort angeordneten Elektroden erzeugtes radiales, konvergierendes elektrisches Feld auf eine im wesentlichen rohrförmig ausgebildete Prallelektrode beschleunigt werden, die koaxial zu dem Ringentladungsraum angeordnet ist.
6. 6. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der äußeren Peripherie eines Ringentladungsraumes eine ringförmige Kathode (19) ■ (Kathodenring) angeordnet ist und der Entladungsraum in Richtung der Achse des Kathodenringes durch zwei parallel zur Ebene des Kathodenringes in einem der axialen Länge des Kathodenringes entsprechenden Abstand auf beiden Seiten desselben angeordnete ringscheibenförmige Anoden (17)(Ringanoden) begrenzt ist.

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   - CO -
7. 7. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Ringentladungsraumes ein im wesentlichen radiales Magnetfeld durch zwei außerhalb der Vakuumhülle zur Achse des Kathodenringes konzentrisch im Bereich der Ringanoden angeordnete Ringspulen (32, 33) erzeugt ist und beide Ringspulen zum Führen des Magnetflusses von einem Magnetjoch umschlossen sind, wobei auf der zur Achse des Kathodenringes gewandten Innenseite des Magnetjoches ein als Emissionsöffnung für die Ionen dienender Ringspalt angeordnet ist, dessen Breite dem Abstand der Ringanoden entspricht.
8. 8. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem der Emission der Ionen dienenden Ringspalt des Magnetjoches und der rohrförmigen Prallelektrode (54) zwei in der Nähe des Potentials der Prallelektrode betriebene tellerförmige Beschleunigungselektroden (56) auf beiden Seiten des Ringspaltes so angeordnet sind, daß sich deren axialer Abstand ausgehend von der Breite des Ringspaltes mit abnehmendem Radius auf die axiale Breite der auf das Target treffenden Ionen strömung vergrößert.
9. 9. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und/oder das Vakuumgehäuse zum Durchleiten eines Kühlmittels mit Kühlkanälen versehen sind.
10. 10. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (32, 33) zum Erzeugen des Magnetfeldes in einem wasserdichten Mantel (34) aus korrosionsbeständigem Material eingeschlossen sind, und daß die Spulen von dem Magnetjoch und der Anode (17), die mit dem Magnetjoch eine Einheit bildet, so umschlossen ist, daß ein Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühlmittels gebildet wird, welches die Spulen und das Vakuumgehäuse kühlt.

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11. 11. Neutronengenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenring (19) aus metallischen Rohren aufgebaut ist, deren "Windungen miteinander verschweißt oder verlötet sind.
12. 12. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallelektrode aus einem metallischen Rohr (52) zum Tragen der Konstruktion und einem im Bereich der Ionenströmung auf das Tragrohr bifilar aufgewickelten metallischen Rohr (54) zum Transportieren eines Kühlmittels gebildet ist, und die Windungen der Kühlmittelleitung miteinander verschweißt sind.
13. 13. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem an der Targetseite verschlossenen Tragrohr (52) zum Führen einer Bestrahlungsprobe ein mit einer Rohrpostanlage verbundenes Führungsrohr (.81) koaxial angeordnet ist, das am Verschluß (53) des Tragrohres (52) zentriert und an diesem Ende mit Durchbrüchen (88) versehen ist.
14. 14. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Stirnseite der Ring ionenquelle in Achsrichtung ein Hochspannungsisolator (75) vakuumdicht angeschlossen ist und das Tragrohr durch das Zentrum de,r Ringionenquelle und den Isolator geführt und an dessen äußerer Stirnseite vakuumdicht angeschlossen und das Tragrohr über den Anschlußpunkt hinausgeführt und mit einer Anschlußrichtung zum Einleiten von Gas in den Ringkanal zwischen Tragrohr (52) und Führungsrohr (81) versehen ist.
15. 15. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsrohr (81) durch das Hochvakuum system des Neutronengenerators geführt und an zwei in axialer Richtung auf beiden Seiten der Prallelektrode angeordneten Isolatoren vakuumdicht

    . angeschlossen ist.

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    — Δο —
16. 16. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 15, gekennzeichnet durch eine Kapsel (89) zum Aufnehmen einer mit Neutronen zu bestrahlenden Probe, Mittel zum Einbringen der Kapsel in das Führungsrohr (81 ), Mittel zum Fixieren der Kapsel in dem von der PralleLektrode umschlossenen Teil des Führungsrohr es während einer vorbestimmten Zeit zum Bestrahlen mit Neutronen.
17. 17. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Prallelektrode im Bereich der Targetschicht an ihrem abgeschlossenen Ende als schwach konischer

    ^ Kegelstumpf (120) ausgebildet ist und dieser Kegelstumpf Teil eines Kegels

    ist, dessen Spitze außerhalb des Vakuumgehäuses liegt.
18. 18. Neutronengencrator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß an das Vakuumgehäuse auf der von dem Hochspannungsisolator (75) ahgewandten Seite Mittel zum Kollimieren des von der Targetschicht ausgehenden Neutronenflusses angeschlossen sind.
19. 19. Neutronengenerator nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Kollimieren im wesentlichen aus einem Ergänzungskcgel (128) (Kollimationskegel)-zu dem vom Target gebildeten Kegelstumpf und

    k einem Block mit durchgehender, konischer oder zylindrischer Bohrung

    (Kollimationskanafybestehen, und der Kollimationskegel in den Eingangsteil des Kollimationskanals hineinragt, dessen Querschnitt dadurch in diesem Bereich ringförmig ist.

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