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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kühlung einer
supraleitenden Magnetspule eines mit einem drehbaren Strahlauslass
versehenen Teilchenbeschleunigers, insbesondere einer medizinischen
Teilchenbestrahlungseinrichtung.
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Zur
Tumorbehandlung wird im Rahmen einer Strahlentherapie unter anderem
auch Teilchenstrahlung, beispielsweise Kohlenstoffionen-Strahlung,
eingesetzt.
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Dabei
werden die zur Bestrahlung eingesetzten Teilchen beschleunigt und
anschließend
derart abgelenkt, dass sie auf eine zu behandelnde Körperstelle
eines Patienten auftreffen. Um eine Bestrahlung des Patienten aus
unterschiedlichen Richtungen zu ermöglichen, sind manche Bestrahlungseinrichtungen
hierzu mit einem drehbaren Strahlauslass, einer sogenannten Gantry,
versehen.
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Insbesondere
bei Bestrahlung mit Kohlenstoffionen werden zur Ablenkung häufig supraleitende Magnetspulen
eingesetzt. Um eine Supraleitung in den Magnetspulen zu erreichen,
werden die Magnetspulen auf eine Temperatur von 4 K gekühlt.
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Diese
Kühlung
erfolgt häufig
als Badkühlung durch
einen geschlossenen Helium-Kreislauf zwischen einem die Magnetspule
aufnehmenden Kryostaten und einer externen Kühleinheit. Dabei wird flüssiges Helium
von der Kühleinheit
dem Kryostaten zugeführt,
verdampft dort bei der Kühlung
der Magnetspule, wird zur Kühleinheit
zurückgeführt, und
anschließend
in der Kühleinheit
wieder rückverflüssigt.
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Oft
erfolgt auch eine trockene Kühlung
der Magnetspule durch in der Nähe
der Magnetspule angebrachte metallische Kühlkörper, welche durch sogenannte
Kaltköpfe
gekühlt
werden. Zur Kühlung
der Kaltköpfe
wird wiederum flüssiges
Helium durch diese hindurch geleitet.
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Üblicherweise
erfolgt die notwendige Heliumversorgung sowohl bei der Badkühlung als
auch bei der trockenen Kühlung über vergleichsweise
lange Transferleitungen.
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Bei
einer Bestrahlungseinrichtung mit einer Gantry werden diese Transferleitungen
normalerweise über
eine sogenannte Wickeltrommel geführt und bei einer Drehung des
Strahlauslasses auf dieser auf- bzw. abgewickelt. Dabei sind die
Transferleitungen durch die Drehung des Strahlauslasses ständig wechselnden
Biegebelastungen ausgesetzt und aus diesem Grund verschleißanfällig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Vorrichtung
zur Kühlung einer
supraleitenden Magnetspule eines Teilchenbeschleunigers, insbesondere
einer Teilchenbestrahlungseinrichtung, mit drehbarem Strahlauslass
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Hierbei ist vorgesehen, dass die Vorrichtung
eine mit Zu- bzw. Ableitungen versehene Kühleinheit umfasst, welche zur Versorgung
eines die Magnetspule aufnehmenden Kryostaten mit Kühlmittel
mit diesem in einem Kühlmittel-Kreislauf verbunden
ist. Dabei ist mindestens eine der Zu- bzw. Ableitungen mit einer Drehdurchführung versehen,
deren Achse parallel, insbesondere koaxial, zur Drehachse des (nachfolgend
als Gantry bezeichneten) Strahlauslasses angeordnet ist.
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Als
Drehdurchführung
ist hierbei ein Leitungsverbindungsstück bezeichnet, dass eine nach außen abgedichtete
Kühlmittelüberleitung
zwischen einem rotierenden Teil und einem feststehenden Teil der
Zu- oder Ableitung ermöglicht.
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Durch
den Einsatz der mindestens einen Drehdurchführung werden Biege- oder Torsionsbelastungen
der Zu- bzw. Ableitungen der Kühleinheit bei
einer Gantrydrehung weitgehend vermieden. Hierdurch ist der Leitungsverschleiß signifikant
reduziert. Darüber
hinaus ist es sogar möglich,
starre Leitungen, welche besonders gut thermisch isolierbar sind,
als Zu- bzw. Ableitungen einzusetzen.
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Gleichzeitig
ermöglicht
der Einsatz einer externen, außerhalb
eines die Spule umgebenden Isoliervakuums angeordneten Kühleinheit
eine vergleichsweise einfache Wartung der Vorrichtung. Alle Verschleißteile der
Kühleinheit
können
ausgetauscht werden, während
der Kryostat kalt bleibt. Da der Kryostat bei der Wartung nicht
erwärmt
und anschließend
wieder abgekühlt
werden muss, können
lange Ausfallzeiten der Teilchenbestrahlungseinrichtung, die bei
herkömmlichen
Anlagen mitunter im Bereich von mehreren Wochen liegen können, weitestgehend
vermieden werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Kühleinheit
auf einer mobilen Plattform angeordnet, welche gegenüber der
Gantry derart verdrehbar gelagert ist, dass sie gegenüber dem umgebenden
Raum drehfest ist.
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Durch
diese Anordnung der Kühleinheit bleibt
der Flüssigkeitsspiegel
des Kühlmittels
in der Kühleinheit
unabhängig
von der Gantrystellung bezüglich
der Kühleinheit
stets in einer festen Solllage. Er rotiert also bei einer Gantrydrehung
insbesondere nicht in Bezug auf die Kühleinheit. Hierdurch ist mit vergleichsweise
einfachen Mitteln ein einwandfreier Betrieb der Kühleinheit
sichergestellt.
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Bevorzugt
wird die Plattform durch ihre Schwerkraft drehfest gegenüber dem
umgebenden Raum gehalten. In einer alternativen Ausführung ist vorgesehen,
die Plattform durch einen Antrieb, welcher eine zur Drehung der
Gantry gegensinnige Bewegung der Plattform verursacht, drehfest
gegenüber
dem umgebenden Raum zu halten.
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Vorzugsweise
ist die Kühleinheit
in einem freien Innenraum der Gantry angeordnet, um den herum die
Gantry rotiert. Durch diese Anordnung der Kühleinheit, sozusagen im Inneren
der Gantry, ist es möglich,
die Kühleinheit
besonders nah bei dem Kryostaten anzuordnen. Dies resultiert in
besonders kurzen Zu- bzw. Ableitungen von der Kühleinheit zum Kryostaten. Hierdurch
wird vorteilhafterweise ein Wärmeeintrag über die
Zu- und Ableitungen vergleichsweise gering gehalten.
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Eine
besonders einfache Leitungsführung wird
bevorzugt dadurch erzielt, dass die Kühleinheit etwa im Bereich der
Drehachse des Strahlauslasses angeordnet ist. Vorteilhafterweise
ist insbesondere mindestens eine der Drehdurchführungen koaxial mit der Drehachse
des Strahlauslasses angeordnet.
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Zweckmäßigerweise
ist zumindest eine Ableitung der Kühleinheit als Speiseleitung
zur Versorgung des Kryostaten mit Kühlmittel ausgebildet. Die Speiseleitung
ist an einen Speisestutzen des Kryostaten angeschlossen, welcher
vorteilhafterweise derart am Kryostaten angeordnet ist, dass er
sich bei bestimmungsgemäßer Füllung des
Kryostaten mit Kühlmittel
stets – d.
h. insbesondere in jeder Gantrystellung – unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche des
Kühlmittels
befindet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind eine oder mehrere
Zuleitungen der Kühleinheit
als Rücklaufleitungen
zur Rückleitung
von verdampftem Kühlmittel
vom Kryostaten zur Kühleinheit ausgebildet.
Die oder jede Rücklaufleitung
ist an einem Rücklaufstutzen
des Kryostaten angeschlossen. Vorzugsweise sind mehrere dieser Rücklaufstutzen derart
am Kryostaten angeordnet, dass sich im bestimmungsgemäß gefüllten Zustand
des Kryostaten stets – also
wiederum in jeder Drehlage der Gantry, bzw. des Kryostaten – mindestens
ein Rücklaufstutzen
oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche befindet.
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Zweckmäßigerweise
ist jede Rücklaufleitung mit
einem steuerbaren Ventil versehen. Diese Ventile sind dabei vorteilhaft erweise
in Abhängigkeit
von der Drehstellung der Gantry derart angesteuert, dass stets mindestens
eines derjenigen Ventile geöffnet ist,
deren zugehörige
Rücklaufleitung
in den oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche liegenden
Gasraum des Kryostaten mündet.
Andererseits sind die Ventile derart angesteuert, dass stets zumindest
die Ventile geschlossen sind, deren zugehörige Rücklaufleitungen unterhalb der
Flüssigkeitsoberfläche in den
Kryostaten münden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst mindestens eine der Drehdurchführungen eine Innen- und eine
Außendurchführung, welche
konzentrisch angeordnet sind. Bevorzugt ist hierbei die oder jede
Speiseleitung mit der Innendurchführung verbunden, wohingegen
die oder jede Rücklaufleitung mit
der Außendurchführung verbunden
ist. Bei dieser Ausführung
wird der Wärmeverlust
im Bereich der Drehdurchführung
gering gehalten, zumal die flüssiges
Helium führende
Innendurchführung
durch das rückströmende Heliumgas
gegenüber
der Umgebung vorgekühlt
wird. In bevorzugter Ausführung
der Vorrichtung ist vorgesehen, dass mehrere von dem Kryostaten
abgehende Rücklaufleitungen
vor oder im Bereich der Außendurchführung baumartig
zusammenlaufen.
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Zweckmäßigerweise
ist als weitere Ableitung der Kühleinheit
eine Quenchleitung vorgesehen, die ausgehend von der Kühleinheit
in einen Umgebungsbereich außerhalb
der Gantry, insbesondere zu einem außerhalb der Gantry angeordneten
Auffangbehälter
für Kühlmittel
führt.
Die Quenchleitung dient dazu, im Falle eines sogenannten Magnetquench,
d. h. bei einem Zusammenbruch der Supraleitung in der Spule das
in diesem Fall schlagartig verdampfende Kühlmittel sicher aus dem Kühlkreislauf
abzuleiten. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist diese Quenchleitung
mit einer Drehdurchführung
versehen.
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Vorteilhafterweise
sind die Kühleinheit,
die Zu- bzw. Ableitungen und der Kryostat für verflüssigtes Helium als Kühlmittel
ausgelegt.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige
Figur in schematischer Darstellung einen Teil einer medizinischen
Teilchenbestrahlungseinrichtung 1 zur Bestrahlung eines (nicht
dargestellten) Patienten mit Kohlenstoffionen. Die Teilchenbestrahlungseinrichtung 1 umfasst
einen als Gantry 2 bezeichneten Strahlauslass.
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Die
um eine Drehachse 3 drehbare Gantry 2 umfasst
einen schematisch angedeuteten Ionenkanal 4 (auch als Beam-Line
bezeichnet), in dessen Inneren die beschleunigten Kohlenstoffionen
als Ionenstrahl 5 entlanglaufen. Im Eintrittsbereich des
Ionenstrahls 5 in die Gantry 2 (in der Darstellung
am linken Rand der Figur) verläuft
der Ionenkanal 4 zunächst konzentrisch
mit der Drehachse 3 und geht dann in einem etwa S-förmigen Bogen in einen zur Drehachse 3 parallelen
Bereich über.
Daran anschließend geht
der Ionenkanal 4 in einem im Wesentlichen rechtwinkligen
Bogen 6 in einen etwa senkrecht zur Drehachse 3 verlaufenden
Bereich über,
der in einem gewissen Abstand zur Drehachse 3 endet. In
diesem Bereich tritt der Ionenstrahl 5 senkrecht zur Drehachse 3 aus
dem Ionenkanal 4 aus. Der Schnittpunkt des Ionenstrahls 5 mit
der Drehachse 3 definiert dabei ein sogenanntes Isozentrum 7.
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Die
Gantry 2 kann in eine beliebige Drehstellung um die Drehachse 3 gedreht
werden, sodass ein etwa im Isozentrum 7 befindlicher Patient
aus einem beliebigen Gantry-Drehwinkel bestrahlt werden kann. Bei
einer 360°-Drehung
der Gantry 2 umrundet der Ionenkanal 4 ein freies
(in der Darstellung durch eine strichpunktierte Linie umgrenztes)
freies Volumen, das nachfolgend als Innenraum 8 der Gantry 2 bezeichnet
ist.
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Im
Bereich des rechtwinkligen Bogens 6 ist eine supraleitende
Magnetspule 9 zur Ablenkung des Ionenstrahls 5 angebracht.
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Zur
Kühlung
der Magnetspule 9 ist eine Vorrichtung 10 vorgesehen.
Die Vorrichtung 10 umfasst im Wesentlichen eine auf einer
mobilen Plattform 11 angeordnete Kühleinheit 12, welche in
einem Kühlkreislauf 13 mit
einem die Magnetspule 9 aufnehmenden Kryostaten 14 verbunden
ist. Als Kühlmittel wird
Helium 15 eingesetzt, welches in flüssiger Form in den Kryostaten 14 geleitet
wird, bei der Kühlung der
Magnetspule 9 im Kryostaten 14 verdampft, zur Kühleinheit 12 rückgeführt und
dort rückverflüssigt wird.
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Die
Plattform 11 und die Kühleinheit 12 sind im
Innenraum 8 der Gantry 2 angeordnet. Damit sich die
Plattform 11 bei einer Drehung der Gantry 2, bzw. des
Innenkanals 4 nicht mitdreht, ist sie mit einem Lager 16 drehbar
an einem mit dem Innenkanal 4 starr verbundenen Träger 17 angebracht.
Durch ihre Schwerkraft wird die Plattform 11 drehfest gegenüber dem
umgebenden Raum gehalten. Sie nimmt also unabhängig von der Drehstellung des
Gantry 2 stets die in der Figur dargestellte Orientierung
zu dem umgebenden Raum ein.
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Die
Kühleinheit 12 ist
als sogenannte „Cold-Box" ausgebildet. Sie
ist teilweise mit verflüssigtem
Helium 15 gefüllt.
An ihrer von der Plattform 11 abgewandten Oberseite 18 ragt
zur Rückverflüssigung
des Heliums 15 mindestens ein sogenannter Kaltkopf 19 in
die Kühleinheit 12 hinein.
Durch die drehfeste Anordnung der Plattform 11, bzw. der
Kühleinheit 12 ragt
dabei der Kaltkopf 19 stets ausschließlich in den Gasraum der Kühleinheit 12.
Der Kaltkopf 19 ist mit einem nicht dargestellten, auch
auf der Plattform 11 angeordneten Kompressor verbunden.
An einer an die Oberseite 18 angrenzenden Seitenfläche 20 der
Kühleinheit 12 ist
oberhalb des Helium-Flüssigkeitsspiegels
eine doppelte Drehdurchführung 21 mit
einer Innendurchführung 22 und
einer dazu konzentrischen Außendurchführung 23 angebracht.
Die Achse A der doppelten Drehdurchführung 21 ist dabei
koaxial mit der Drehachse 3 angeordnet.
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Zur
Realisierung des Kühlkreislaufs 13 ist
an die Innendurchführung 22 eine
mit einer Speisepumpe 24 zur Förderung des flüssigen Heliums 15 versehene
Speiseleitung 25 angebracht. Im Inneren der Kühleinheit 12 ragt
die Speiseleitung 25 in die flüssige Phase des Heliums 15.
Die Speiseleitung 25 ist andererseits an einen Speisestutzen 26 des
Kryostaten 14 angeschlossen. Dabei ist der Speisestutzen 26 derart
etwa mittig am Kryostaten 14 angeordnet, dass er sich im
bestimmungsgemäß gefüllten Zustand
des Kryostaten 14 stets unterhalb der dortigen Flüssigkeitsoberfläche 27 befindet.
D. h. die Speiseleitung 25 mündet unabhängig von der Drehlage der Gantry 2 und
damit in jeder Position des an der Gantry 2 angebrachten
Kryostaten 14 stets in die flüssige Phase des im Kryostaten 14 angesammelten
Heliums 15.
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Zur
Rückleitung
des verdampften Heliums 15 sind mehrere, im dargestellten
Beispiel vereinfacht drei, mit je einem ansteuerbaren Ventil 28 versehene
Rücklaufleitungen 29 vorgesehen,
die auf ihrem Weg zu der Außendurchführung 23 baumartig zusammenlaufen.
In den Kryostat 14 münden
die Rücklaufleitungen 29 an
korrespondierenden Rücklaufstutzen 30.
Diese Rücklaufstutzen 30 sind
derart an dem Kryostaten 14 angebracht, dass sich im bestimmungsgemäß gefüllten Zustand
des Kryostaten 14 – bei
jeder Drehlage der Gantry 2 und der Position des Kryostaten 14 – jeweils
stets mindestens ein Rücklaufstutzen 30 oberhalb
der Flüssigkeitsoberfläche 27 befindet,
und somit in Kontakt zum Gasraum 31 des Kryostaten 14 steht.
Dabei werden die Ventile 28 in Abhängigkeit von der Drehlage der
Gantry 2 derart angesteuert, dass stets das Ventil 28 mindestens
einer in den Gasraum 31 des Kryostaten 14 mündenden
Rücklaufleitung 29 geöffnet ist,
und andererseits stets alle in den Flüssigkeitsraum des Kryostaten 14 mündenden
Rücklaufleitungen 29 gesperrt
sind. Die Speiseleitung 25 und die Rücklaufleitungen 29 sind
bevorzugt als starre Leitungen ausgeführt.
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Als
Vorkehrung für
einen sogenannten Magnetquench, bei dem eine starke Wärmeentwicklung durch
einen plötzlichen Übergang
der Magnetspule 9 vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand
zu einem schlagartigen Verdampfen des Heliums 15 im Kryostaten 14 führt, ist
an die Oberseite 18 der Kühleinheit 12 eine
Quenchleitung 40 angebracht.
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Die
Quenchleitung 40 umfasst eine an die Kühleinheit 12 angrenzende,
starre Leitung 41, die in den Gasraum der Kühleinheit 12 mündet, sowie
eine flexible Leitung 42, die aus dem Innenraum 8 der Gantry 2 zu
einem außerhalb
der Gantry 2 angeordneten Auffangbehälter (nicht dargestellt) für das im Quenchfall
entweichende Helium 15 führt. Um ein „Aufzwirbeln" der Quenchleitung 40 bei
der Gantrydrehung zu verhindern, ist die starre Leitung 41 im Bereich
des Trägers 17 über eine
mit ihrer Achse A koaxial zur Drehachse 3 angeordnete Drehdurchführung 43 mit
der flexiblen Leitung 42 verbunden. Die flexible Leitung 42 ist
außenseitig
des Innenkanals 4 auf eine koaxial zur Drehachse 3 auf
dem Innenkanal 4 angebrachte Wickeltrommel 44 geführt. Um
ein Abreißen
der Leitung 42 bei der Gantrydrehung auszuschließen, umfasst
die Leitung 42 eine Reservelänge, die mindestens einer Umfangslänge der
Wickeltrommel 44 entspricht. Bei einer Drehung der Gantry 2 wird
diese Reservelänge
der flexiblen Leitung 42 auf der Wickeltrommel 44 aufgewickelt,
bzw. bei einer Rückdrehung
der Gantry 2 wieder abgewickelt.
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Die
Quenchleitung 40 ist in unmittelbarer Nähe ihres Anschlusses an die
Kühleinheit 12 mit
einer Berstscheibe 45 – oder
alternativ mit einem Ventil – versehen,
die die Quenchleitung 40 im Normalbetrieb verschließt, und
somit unter Normalbedingung einen Wärmeeintrag über die Quenchleitung 40 in
die Kühleinheit 12 weitgehend
verhindert.
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Kommt
es zu einem Magnetquench, so wird das schlagartig verdampfende Helium 15 über die
in diesem Moment in den Gasraum 31 mündende – geöffnete – Rücklaufleitung 29 zur
Kühleinheit 12 geleitet.
Durch den entstehenden Überdruck
wird die Berstscheibe 45 zerstört, sodass über die Quenchleitung 40 ein
Druckausgleich erfolgt, und das Helium 15 über die
Quenchleitung 40 dem Heliumauffangbehälter zugeführt wird.