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Die
Erfindung betrifft eine Ionenquelle zum Erzeugen eines Partikelstrahls
sowie eine Elektrode für
eine solche Ionenquelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren
zum Einleiten eines zu ionisierenden Gases in eine solche Ionenquelle.
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Bei
einer Partikeltherapie, insbesondere von Krebserkrankungen, wird
ein Partikelstrahl beispielsweise aus Protonen oder Schwerionen,
wie z. B. Kohlenstoffionen, erzeugt. Der Partikelstrahl wird in einem
Beschleunigungssystem generiert und in einen Behandlungsraum geführt und
tritt dort über
ein Austrittsfenster ein. In einer besonderen Ausführung kann
der Partikelstrahl von dem Beschleunigungssystem abwechselnd in
verschiedene Behandlungsräume
gelenkt werden. In dem Bestrahlungsraum ist ein zu therapierender
Patient z. B. auf einem Patiententisch positioniert und gegebenenfalls
immobilisiert.
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Zum
Erzeugen des Partikelstrahls enthält das Beschleunigungssystem
eine Ionenquelle, beispielsweise eine Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle
(EZR-Ionenquelle). In der Ionenquelle wird eine gerichtete Bewegung
von freien Ionen mit einer bestimmten Energieverteilung erzeugt,
wobei die Austrittsenergie der Ionen sehr exakt ist. Dabei sind positiv
geladene Ionen, wie Protonen oder Kohlenstoffionen, ideal für die Bestrahlung
bestimmter Tumore. Der Grund dafür
ist, dass sie mit Hilfe des Beschleunigers auf hohe Energie gebracht
werden können
und zum anderen geben sie diese Energie im Körpergewebe sehr präzise wieder
ab. Die in der Ionenquelle erzeugten Partikel laufen in einem Ringbeschleuniger
mit mehr als 50 MeV/u auf einer Kreisbahn um. Es wird somit für die Therapie
ein gepulster oder kontinuierlicher Partikelstrahl mit exakt vorher definierter
Energie, Fokussierung und Intensität geliefert.
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Die
Ionenquelle umfasst eine Plasmakammer zum Ionisieren eines Betriebsgases,
in der Vakuum herrscht. Um die Plasmakammer sind Permanentmagnete
konzentrisch angeordnet, die das Plasma formen und halten. Das zu
ionisierende Gas wird in die Plasmakammer über ein Verbindungsteil eingespeist.
Freie Elektronen in der Plasmakammer, die das eingespeiste Gas ionisieren,
werden durch eine Mikrowellenstrahlung beschleunigt. Die Mikrowellenstrahlung
wird über
ein in im Verbindungsteil angeordneten Hohlleiter ebenfalls in die
Plasmakammer eingeleitet. Durch das Verbindungsteil verläuft außerdem in
Richtung der Plasmakammer eine Elektrode, eine so genannte Bias-Elektrode,
die gegenüber
einem Gehäuse
der Plasmakammer negativ geladen ist und die freien Elektronen von
der Plasmakammer abstößt und diese
somit innerhalb der Plasmakammer einschließt. Die Elektronen erzeugen
durch Stoßionisation
die Ionen (das Plasma) innerhalb der Plasmakammer.
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Am
Verbindungsteil quer zur Elektrode ist ein Kupplungszylinder, an
dem sich seitliche ein Rohr erstreckt. Durch das Rohr gelangt über eine
gebogene Gasleitung, deren Auslass zum Verbindungsteil hin gerichtet
ist, das zu ionisierende Gas ins Verbindungsteil und von da aus über den
Hohlleiter in die Plasmakammer. Am Kupplungszylinder ist eine Vakuum
pumpe vorgesehen, um das Gas, welches nicht in die Plasmakammer
gelangt, hinzuleiten.
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Die
beschriebene Anordnung zum Einleiten von Gas in die Plasmakammer
weist eine Reihe von Nachteilen auf. Der Durchmesser der Gasleitung
variiert in den unterschiedlichen Abschnitten sehr stark, so dass
sich Totzonen für
die Gasströmung
bilden. Da sich dadurch die Verweilzeit einiger Gasteilchen deutlich
verlängert,
kann der Wechsel von einem Betriebsgas auf ein anderes mehrere Minuten
dauern. Zudem wird das Gas aus der Gasleitung direkt über der
Vakuumpumpe in den Kupplungszylinder eingeleitet, so dass ein Großteil des
Gases angesaugt wird und die Plasmakammer nicht erreicht. Der Anteil
vom Gas, der in die Plasmakammer gelangt, hängt von der Effizienz der Vakuumpumpe
ab und kann nur geschätzt
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effiziente Gaszufuhr
sowie eine schnellere Reaktionszeit beim Wechseln des Betriebsgases
einer Ionenquelle zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Ionenquelle zum Erzeugen eines Partikelstrahls, umfassend eine
Plasmakammer und eine Elektrode, die sich zur Plasmakammer erstreckt,
wobei eine Gasleitung für
ein zu ionisierendes Gas über die
gesamte Länge
der Elektrode parallel zur Elektrode verläuft.
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Bei
der Elektrode handelt es sich hierbei um eine in Bezug auf die Ionenquellenspannung
negativ geladene Bias-Elektrode, die zum Abstoßen der Elektronen, die in
der Plasmakammer freigelassen werden, eingesetzt ist.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass eine besonders effiziente Gaszufuhr vorliegt, indem das
zu ionisierende Gas möglichst
weit in die Ionenquelle eingeleitet wird, so dass es in der unmittelbaren
Nähe der
Plasmakammer aus der Gasleitung hinausströmt und somit ein sehr großer Anteil
von Gasteilchen in die Plasmakammer gelangen. Um dies zu ermöglichen,
wird das Gas nicht „von
unten” über einen
Kupplungszylinder für
eine Vakuumpumpe eingeleitet, sondern die Gasleitung wird von einer anderen
Seite, nämlich
im Bereich der Elektrode eingeführt
und weist innerhalb der Ionenquelle einen geradlinigen Verlauf parallel
zur Elektrode auf, d. h. dass der Gasstrom innerhalb der Ionenquelle
umlenkungsfrei fließt.
Da die Gasleitung geradlinig ist, ist sie besonders einfach technisch
zu realisieren und in die Ionenquelle einzubringen. Darüber hinaus
weist die Gasleitung insbesondere einen im Wesentlichen konstanten
Querschnitt auf, so dass keine Totzonen entstehen. Außerdem verläuft die
Gasleitung entlang der gesamten Länge der Elektrode, so dass
der Gas strom mindestens so tief in die Ionenquelle eingeleitet wird,
wie sich die Elektrode erstreckt. Die Gasleitung mündet dabei
in unmittelbarer Nähe
der Plasmakammer, so dass die Gaszufuhr durch den Betrieb der Vakuumpumpe
nicht beeinträchtigt
ist und damit die Effizienz der erzeugten Ionen aus dem eingelassenen
Gas deutlich verbessert.
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Eine
konstruktiv besonders einfache Ausführung liegt vor, indem die
Gasleitung bevorzugt innerhalb eines Elektrodenrohrs verläuft. Da
die Elektrode im Wesentlichen als Hohlkörper ausgebildet ist, wird eine
gute Raumnutzung erreicht, indem die Gasleitung innerhalb des Elektrodenrohrs
geführt
ist. Es sind dabei keine zusätzlichen Öffnungen
an der Ionenquelle zum Durchführen
der Gasleitung erforderlich.
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Bevorzugt
ist die Gasleitung konzentrisch zur Elektrode angeordnet. Im Hinblick
auf eine besonders gute Effizienz beim Abstoßen der aus der Plasmakammer
kommenden Elektronen erstreckt sich die Elektrode entlang einer
Symmetrieachse der Plasmakammer. Bei einer Anordnung der Gasleitung konzentrisch
zur Elektrode verläuft
auch die Gasleitung entlang der Symmetrieachse der Plasmakammer,
so dass das Gas mittig in die Plasmakammer einströmen kann.
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Ein
umlenkungsfreier Gasstrom wird realisiert, indem vorzugsweise die
Elektrode einen Anschlussflansch mit einem Gasanschluss zum Verbinden
der Gasleitung mit einer Zuleitung aufweist, wobei der Gasanschluss
mit der Gasleitung fluchtet. Dies bedeutet, dass der Gasanschluss
auf einer Linie mit der Gasleitung liegt und erst die trennbare
Zufuhrleitung, über
welche das Gas aus einem Gasspeicher zur Gasleitung und somit in
die Ionenquelle gelangt, ggf. Biegungen aufweist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist das Elektrodenrohr von einem Kühlmittel
durchströmbar
und weist eine Rücklaufleitung
für das
Kühlmittel
auf, in der die Gasleitung angeordnet ist. Zu Kühlzwecken wird im Bereich des
Anschlussflansches ein elektrisch nicht leitendes Kühlmittel,
wie z. B. entionisiertes Wasser oder Öl, in das Elektrodenrohr eingespeist,
wobei das Kühlmittel
in Richtung einer an die Plasmakammer anliegende Elektrodenspitze
fließt.
Im Bereich der Elektrodenspitze ist eine Öffnung einer Rücklaufleitung
vorgesehen, in die das erwähnte
Kühlmittel
hineinströmt
und am anderen Ende der Rücklaufleitung
im Bereich des Anschlussflansches aus der Elektrode hinausgeführt wird.
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Vorzugsweise
ist die Gasleitung konzentrisch zur umschließenden Rücklaufleitung und die Rücklaufleitung
ist konzentrisch zum Elektrodenrohr angeordnet. Damit sich in Radialrichtung
des Elektrodenrohrs eine gleichmäßige Temperaturverteilung einstellt,
ist die Rücklaufleitung
für gewöhnlich konzentrisch
zum Elektrodenrohr angeordnet. Im Hinblick auf eine symmetrische
Anordnung der Gasleitung in Bezug auf das Elektrodenrohr ist es
daher besonders vorteilhaft, dass die Gasleitung innerhalb der Rücklaufleitung
angeordnet ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Anschlussflansch einen
ersten Anschluss zum Einleiten und einen zweiten Anschluss zum Ausführen des
Kühlmittels
auf und der Gasanschluss ist in einem der Anschlüsse angeordnet. Es sind hierbei
keine zusätzlichen
Bohrungen im Bereich des Anschlussflansches erforderlich, um den Gasanschluss
auszubilden und die Gasleitung in ein Verbindungsstück der Ionenquelle
einzuführen.
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Vorteilhafterweise
ist stirnseitig des Elektrodenrohrs eine Auslassöffnung für das zu ionisierende Gas vorgesehen.
Die Auslassöffnung
ist somit zur Plasmakammer gerichtet, so dass das Betriebsgas auch
nach dem Verlassen des Elektrodenrohrs ebenfalls direkt und umlenkungsfrei
in die Plasmakammer zuströmt.
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Nach
einer bevorzugten Variante weist das Elektrodenrohr eine auswechselbare
Elektrodenspitze auf, in der die Auslassöffnung ausgebildet ist. Da im
Betrieb der Innenkammer die Elektrodenspitze sehr oft durch die
hohen Temperaturen, denen sie ausgesetzt ist, beschädigt wird,
ist diese auswechselbar ausgebildet und durch ein Gewinde am Elektrodenrohr
befestigt. Die Elektrodenspitze weist im Regelfall eine offene Stirnseite
auf, so dass die Auslassöffnung
für die
Gasleitung insbesondere durch die offene Stirnseite der Elektrodenspitze
ausgebildet ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Variante ist zwischen dem Elektrodenrohr
und der auswechselbaren Elektrodenspitze ein Ankopplungsstück angeordnet,
in welchem eine Bohrung ausgebildet ist. Das Elektrodenrohr und
die Elektrodenspitze sind beide als Hohlkörper ausgebildet, jedoch ist
das zwischen den beiden angeordnete Ankopplungsstück für gewöhnlich ein
massiver Körper.
Um den Gasstrom durch das Ankopplungsstück führen zu können, ist daher eine Bohrung
vorgesehen, die insbesondere mittig verläuft. Der Fluss des Kühlmittels
in Längsrichtung
der Elektrode wird durch das Ankopplungsstück begrenzt. Damit das Kühlmittel
durch die Bohrung nicht aus der Elektrode ausfließen kann,
kontaktiert die Gasleitung Ankopplungsstück oder reicht in die Bohrung
hinein, wobei der Kontaktbereich zwischen der Gasleitung und dem
Ankopplungsstück abgedichtet
ist.
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Die
Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrode für eine Ionenquelle, umfassend
einen Anschlussflansch und ein Elektrodenrohr, wobei am Anschlussflansch
ein Gasanschluss für
eine Gasleitung vorgesehen ist, die sich über die gesamte Länge des
Elektrodenrohrs erstreckt.
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Die
in Bezug auf die Ionenquelle aufgeführten Vorteile und bevorzugten
Ausgestaltungen sind sinngemäß auf die
Elektrode zu übertragen.
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Vorteilhafterweise
ist die Gasleitung konzentrisch zum Elektrodenrohr angeordnet. Weiterhin
von Vorteil ist, dass das Elektrodenrohr von einem Kühlmittel
durchströmbar
ist und eine Rücklaufleitung
für das
Kühlmittel
aufweist, in der die Gasleitung angeordnet ist.
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Die
Aufgabe wird außerdem
erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zum Einleiten eines zu ionisierenden Gases in eine
Ionenquelle zum Erzeugen eines Partikelstrahls, wobei die Ionenquelle eine
Plasmakammer und eine Elektrode, die sich zur Plasmakammer erstreckt,
umfasst und wobei das Gas über
die gesamte Länge
der Elektrode parallel zur Elektrode und insbesondere innerhalb
der Elektrode in die Plasmakammer eingeleitet wird.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen
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1 in
einem Längsschnitt
einen Teil einer Ionenquelle zum Erzeugen eines Partikelstrahls,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des Ausschnitts A gemäß 1,
und
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3 schematisch
einen Querschnitt entlang der Linie B-B' gemäß 1.
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Einander
entsprechende und gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
eine Ionenquelle 2 zum Erzeugen eines Partikelstrahls gezeigt,
die Teil einer nicht näher
dargestellten Partikeltherapieanlage ist. Die Ionenquelle 2 umfasst
eine Plasmakammer 4, in der der Partikelstrahl durch Ionisieren
eines Betriebsgases erzeugt wird. Das zu ionisierende Gas wird mittels
einer Gasleitung 6 in die Plasmakammer 4 eingeleitet.
Die Gasleitung 6 erstreckt sich dabei entlang einer Elektrode 8,
die zum Abstoßen
der freien Elektronen in der Plasmakammer 4 vorgesehen
ist. Zur Ionisation des Gases wird in die Plasmakammer 4 außerdem eine
Mikrowellenstrahlung durch einen Mikrowellenanschluss 10 in
ein Verbindungsteil 12 eingeleitet und von dort aus wird
die Mikrowellenstrahlung über
einen Hohlleiter 14, in dem sich auch die Elektrode 8 mit
der Gasleitung 6 erstreckt, der Plasmakammer 4 zugeführt.
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Dem
Mikrowellenanschluss 10 entgegengesetzt ist am Verbindungsteil 12 ein
Pumpenanschluss 15 für
eine Vakuum-Pumpe vorgesehen, die Gasteilchen aus den Hohlräumen des
Verbindungsstücks ansaugt.
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Die
Elektrode 8 umfasst einen Anschlussflansch 16,
mit dem sie am Verbindungsteil 12 befestigt ist, sowie
ein hohles Elektrodenrohr 18, welches sich zur Plasmakammer 4 erstreckt.
Die Elektrode 8 weist außerdem eine auswechselbare
Elektrodenspitze 20 auf, die in einem Ankopplungsstück 22 eingeschraubt
ist und somit über
das Ankopplungsstück 22 am
Elektrodenrohr 18 befestigt ist.
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Im
Betrieb der Ionenquelle 2 wird die Elektrode 8 kontinuierlich
mit Hilfe eines Kühlmittels,
welches durch die Pfeile K angedeutet ist, beispielsweise mit Hilfe
von Kühlwasser,
gekühlt.
Zum Einleiten des Kühlwassers
ist am Anschlussflansch 16 ein erster Anschluss 24 vorgesehen.
Durch einen zweiten Anschluss 26 wird das Kühlwasser
K aus der Elektrode 8 ausgeführt. Das eingeleitete Kühlwasser
K fließt entlang
einer inneren Umlaufwand des Elektrodenrohrs 18, bis es
das Ankopplungsstück 22 erreicht hat.
Konzentrisch zum Elektrodenrohr 18 verläuft eine Rücklaufleitung 28, über welche
das erwärmte Kühlmittel
K bis zum zweiten Anschluss 26 geführt wird. Die Gasleitung 6 ist
innerhalb der Rücklaufleitung 28 angeordnet
und verläuft
geradlinig zwischen einem Gasanschluss 29, der mit einer
separaten Zufuhrleitung zur Gaszufuhr aus einem nicht gezeigten Gasspeicher
verbindbar ist, und dem Ankopplungsstück 22 am distalen
Ende der Elektrode 8.
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Das
Elektrodenrohr 18, die Rücklaufleitung 28 und
die Gasleitung 6 sind konzentrisch zueinander angeordnet,
wie dies aus 3 ersichtlich ist. Das Elektronenrohr 18 verläuft außerdem konzentrisch
zum Hohlleiter 14, so dass die Gasleitung 6 sich entlang
einer Symmetrieachse D der Plasmakammer erstreckt. Dabei wird das
Gas mittig in die Plasmakammer eingeleitet, so dass eine hohe Symmetrie bei
der Erzeugung des Plasmas vorliegt, welche für einen stabilen Partikelstrahl
wichtig ist.
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Der
genaue Aufbau und die Anordnung der Gasleitung 6 im Bereich
der Elektrodenspitze 20 sind in der vergrößerten Darstellung
in 2 gezeigt. Die Elektrodenspitze 20 ist
im Wesentlichen hohl ausgebildet und weist eine offene Stirnseite
auf, die eine Auslassöffnung 30 für das Gas
bildet. Damit der Gasstrom die hohle Elektrodenspitze 20 erreicht,
ist im Ankopplungsstück 22 eine
Bohrung 32 ausgebildet. Dabei ist der Bereich, in dem die
Gasleitung 6 in das Ankopplungsstück 22 hineingeht,
wasserdicht abgedichtet, so dass das Kühlmittel K nicht in die Bohrung 32 gelangt.
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Die
Gasleitung 6 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen geradlinigen
Verlauf und über ihre
gesamte Länge
bis zur Elektrodenspitze 20 einen im Wesentlichen konstanten
Querschnitt auf. Das zu ionisierende Gas kann somit umlenkungsfrei in
die Ionenquelle 2 eingeleitet werden. Aufgrund dieser Ausgestaltung
der Gasleitung 6 entstehen insbesondere keine Totzonen,
in welchen Gasteilchen über
längere
Zeiten verweilen können.
Ein Wechsel des Betriebsgases, wie z. B. von Kohlenstoffdioxid auf
Wasserstoff, kann daher sehr schnell erfolgen und nach kurzen Zeiten
von wenigen Sekunden stellt sich ein konstanter Gasstrom und somit
ein stabiler Partikelstrahl ein.
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Die
beschriebene Gasleitung 6 zeichnet sich durch einen weiteren
Vorteil aus, nämlich,
dass sie sich weit ins Innere der Ionenquelle 2 bis unmittelbar vor
einem Eingang 34 der Plasmakammer 4 erstreckt,
so dass die Gasteilchen ungestört
von der Vakuumpumpe in die Plasmakammer 4 gelangen.
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- 2
- Ionenquelle
- 4
- Plasmakammer
- 6
- Gasleitung
- 8
- Elektrode
- 10
- Mikrowellenanschluss
- 12
- Verbindungsteil
- 14
- Hohlleiter
- 15
- Pumpenanschluss
- 16
- Anschlussflansch
- 18
- Elektrodenrohr
- 20
- Elektrodenspitze
- 22
- Ankopplungsstück
- 24
- erster
Anschluss
- 26
- zweiter
Anschluss
- 28
- Rücklaufleitung
- 29
- Gasanschluss
- 30
- Auslassöffnung
- 32
- Bohrung
- 34
- Eingang
der Plasmakammer
- A
- Ausschnitt
- D
- Symmetrieachse
- K
- Kühlmittelstrom