DE102009023305A1

DE102009023305A1 - Kaskadenbeschleuniger

Info

Publication number: DE102009023305A1
Application number: DE102009023305A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-05-30
Also published as: DE102009023305B4; CN102440080B; US8653761B2; JP5507672B2; RU2531635C2; US20120068632A1; EP2436240B1; CN102440080A; EP2436240A1; JP2012528427A; CA2763577C; CA2763577A1; RU2011154159A; WO2010136235A1

Abstract

Ein Kaskadenbeschleuniger (1) mit zwei Sätzen (2, 4) von jeweils in Reihe geschalteten, über Dioden (24, 30) in der Art einer Greinacherkaskade (20) verschalteten Kondensatoren (26, 28) soll bei kompakter Bauweise eine besonders hohe erreichbare Teilchenenergie aufweisen. Dazu umfasst der Kaskadenbeschleuniger einen durch Öffnungen in den Elektroden der Kondensatoren eines Satzes (2) gebildeten, auf eine im Bereich der Elektrode mit der höchsten Spannung (12) angeordneten Teilchenquelle (6) gerichteten Beschleunigungskanal (8), wobei der Bereich zwischen Teilchenquelle (6) und Elektrode mit der höchsten Spannung (12) bis auf den Beschleunigungskanal (8) mit einem festen oder flüssigen Isoliermaterial (14) ausgefüllt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kaskadenbeschleuniger mit zwei Sätzen von jeweils in Reihe geschalteten, über Dioden in der Art einer Greinacherkaskade verschalteten Kondensatoren. Sie betrifft weiterhin ein Strahlentherapiegerät mit einem derartigen Kaskadenbeschleuniger.
In der medizinischen Strahlentherapie wird ionisierende Strahlung verwendet, um Krankheiten zu heilen oder deren Fortschreiten zu verzögern. Als ionisierende, hochenergetische Strahlen werden vorwiegend Gammastrahlung, Röntgenstrahlung und Elektronen verwendet.
Zur Erzeugung eines Elektronenstrahls entweder zum direkten Therapieeinsatz oder zur Erzeugung von Röntgenstrahlung werden üblicherweise Teilchenbeschleuniger verwendet. In Teilchenbeschleunigern werden geladene Teilchen durch elektrische Felder auf große Geschwindigkeiten und damit kinetische Energien gebracht, wobei die elektrischen Felder bei einigen Beschleunigertypen durch elektromagnetische Induktion in veränderlichen Magnetfeldern entstehen. Dabei erlangen die Teilchen eine Bewegungsenergie, die einem Vielfachen ihrer eigenen Ruheenergie entspricht.
Bei den Teilchenbeschleunigern wird zwischen Teilchenbeschleunigern mit zyklischer Beschleunigung wie beispielsweise dem Betatron oder dem Zyklotron und solchen mit geradliniger Beschleunigung unterschieden. Letztere ermöglichen eine kompaktere Bauweise und umfassen auch so genannte Kaskadenbeschleuniger (auch Cockcroft-Walton-Beschleuniger), bei denen mittels einer Greinacherschaltung, welche mehrfach hintereinander geschaltet (kaskadiert) wird, durch Vervielfachung und Gleichrichtung eine Wechselspannung eine hohe Gleichspannung und damit ein starkes elektrisches Feld erzeugt werden kann.
Die Funktionsweise der Greinacherschaltung basiert dabei auf einer Anordnung von Dioden und Kondensatoren. Die negative Halbwelle einer Wechselspannungsquelle lädt über eine erste Diode einen ersten Kondensator auf die Spannung der Wechselspannungsquelle auf. Bei der darauf folgenden positiven Halbwelle addiert sich dann die Spannung des ersten Kondensators mit der Spannung der Wechselspannungsquelle, so dass ein zweiter Kondensator über eine zweite Diode nun auf die doppelte Ausgangsspannung der Wechselspannungsquelle aufgeladen wird. Durch mehrfache Kaskadierung in der Art einer Greinacherkaskade erhält man so einen Spannungsvervielfacher. Die jeweils ersten Kondensatoren bilden dabei einen ersten Satz von unmittelbar in Serie geschalteten Kondensatoren der Kaskade, die jeweils zweiten Kondensatoren einen entsprechenden zweiten Satz. Die Dioden bilden die Querverbindung zwischen den Sätzen.
In einem derartigen Kaskadenbeschleuniger ist es möglich, vergleichsweise hohe Teilchenenergien im Megaelektronenvoltbereich zu erreichen. Dabei besteht jedoch insbesondere bei unter normalem Luftdruck aufgestellten Kaskadenbeschleunigern die Gefahr elektrischer Überschläge (Durchschlagsspannung Luft: 3 kV/mm), wodurch die maximale Teilchenenergie in unerwünschter Weise limitiert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kaskadenbeschleuniger anzugeben, der bei kompakter Bauweise eine besonders hohe erreichbare Teilchenenergie aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kaskadenbeschleuniger mit einem durch Öffnungen in den Elektroden der Kondensatoren eines Satzes gebildeten, auf eine im Bereich der Elektrode mit der höchsten Spannung angeordneten Teilchenquelle gerichteten Beschleunigungskanal, wobei der Bereich zwischen Teilchenquelle und Elektrode mit der höchsten Spannung bis auf den Beschleunigungskanal mit einem festen oder flüssigen Isoliermaterial ausgefüllt ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Erhöhung der Energie des erzeugten Teilchenstrahls des Kaskadenbeschleunigers durch eine Erhöhung der Beschleunigungsspannung möglich wäre. Um die dabei entstehende Gefahr des elektrischen Überschlages zu minimieren, könnte der Abstand der einzelnen Kondensatorplatten des Kaskadenbeschleunigers vergrößert werden. Allerdings würde dies einer kompakten Bauweise widersprechen, die gerade für die Einsatzfähigkeit im medizinischen Bereich erwünscht ist. Um eine Erhöhung der Beschleunigungsspannung bei gleichzeitig kompakter Bauweise zu ermöglichen, sollten die Kondensatoren daher anderweitig gegen elektrische Überschläge geschützt werden. Dazu sollten entsprechende flüssige oder feste Isolatoren verwendet werden, die eine zuverlässige Isolierung der Kondensatorplatten ermöglichen. Dies ist erreichbar, indem der Bereich zwischen Teilchenquelle und Elektrode mit der höchsten Spannung bis auf den Beschleunigungskanal mit einem festen oder flüssigen Isoliermaterial ausgefüllt ist.
Die in einem Kaskadenbeschleuniger entstehenden hohen Spannungen sollten neben einer entsprechenden Isolierungsdicke auch durch eine entsprechende Ausgestaltung der Geometrie gegen ein elektrisches Durchschlagen gesichert sein. Daher sollten Spannungserzeugung und Teilchenbeschleuniger integriert sein und die Bauteile mit besonders hoher Spannung innerhalb des kleinstmöglichen Volumens untergebracht sein. Da die maximale elektrische Feldstärke proportional zur Krümmung der Elektroden ist, ist eine Kugel- oder Ellipsoidgeometrie von besonderem Vorteil. Insbesondere eine Kugelgeometrie bedeutet hinsichtlich der maximal möglichen elektrischen Feldstärke innerhalb des Isolators ein besonders kleines Volumen und demzufolge zudem eine besonders kleine Masse. Allerdings kann in bestimmten Bauformen eine Verformung hin zu einem Ellipsoid erwünscht sein. Daher ist vorteilhafterweise eine Mehrzahl von Elektroden als konzentrische, um die Teilchenquelle voneinander beabstandet angeordnete Hohlellipsoidsegmente ausgebildet.
Eine besonders einfache Bauweise, die die Vorteile einer Ellipsoidgeometrie mit der einfachen Spannungserzeugung innerhalb einer Greinacherkaskade verbindet, ist möglich, indem die als Hohlellipsoidsegmente ausgebildeten Elektroden jeweils Halbhohlellipsoide sind, d. h., eine Trennung am Äquator des jeweiligen Hohlellipsoids erfolgt, so dass die so entstehenden mehrfachen Schichten von Halbhohlellipsoiden die beiden Sätze von Kondensatoren bilden, die für die Greinacherkaskade benötigt werden. Der Beschleunigungskanal führt dann vorteilhafterweise durch den Scheitelpunkt des jeweiligen Halbhohlellipsoids, wodurch eine besonders einfache Geometrie erreicht wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die jeweiligen Dioden im Bereich eines Großkreises des jeweiligen Halbhohlellipsoids angeordnet. Wenn nämlich die Halbhohlellipsoide jeweils die beiden Sätze von jeweils in Reihe geschalteten Kondensatoren bilden, verbinden die Dioden jeweils Halbhohlellipsoide auf alternierenden Halbkugeln. Die Dioden können dann für eine besonders einfache Konstruktion innerhalb eines äquatorialen Schnitts angeordnet werden.
Um eine besondere hohe Stabilität des Kaskadenbeschleunigers gegen Durchschlagen zu erzielen, sollte ein gleichmäßiger Spannungsgradient entlang der Beschleunigungsstrecke, d. h. zwischen den einzelnen Elektroden der Greinacherkaskade vorgesehen werden. Dies ist erreichbar, indem eine Mehrzahl von Elektroden äquidistant voneinander beabstandet sind. Da die Elektroden jedes Satzes einen linearen Spannungsanstieg aufweisen, ergibt sich dadurch entlang des Beschleunigungskanals ein praktisch linearer Anstieg der Spannung.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Teilchenquelle eine Kaltkathode. Elektroden einer Kaltkathode sind ungeheizt und bleiben auch im Betrieb so kalt, dass keine Glühemission an ihnen stattfindet. Dadurch wird eine besonders einfache Konstruktion des Kaskadenbeschleunigers ermöglicht.
Der Beschleunigungskanal erlaubt es, den Teilchenstrom aus dem Kaskadenbeschleuniger zu extrahieren. Damit auch der Beschleunigungskanal den tangentialen elektrischen Feldern ohne Durchschlag widersteht, sollte der Beschleunigungskanal eine zylinderförmige Wand umfassen, welche mit diamantartigem Kohlenstoff und/oder oxidiertem Diamant beschichtet ist. Diese Werkstoffe sind in der Lage, diesen vergleichsweise hohen Spannungen zu widerstehen.
Vorteilhafterweise kommt ein derartiger Kaskadenbeschleuniger in einem Strahlentherapiegerät zum Einsatz.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass bei einem Kaskadenbeschleuniger auf Basis einer Greinacherkaskade durch die Einbettung von Teilchenquelle und Elektrode in ein festes oder flüssiges Isoliermaterial eine besonders hohe Beschleunigungsspannung zur Beschleunigung von geladenen Teilchen erzeugt werden kann. Bei Ausbildung der Elektroden in einer sphärischen oder ellipsoiden Geometrie ist außerdem eine besonders kompakte Bauweise möglich und die zwei Kondensatorsätze der Greinacherschaltung werden als konzentrische Potentialäquilibrierungselektroden für die elektrische Feldverteilung um die Teilchenquelle und Hochspannungselektrode zusätzlich genutzt. Ein derartiger Kaskadenbeschleuniger ermöglicht eine besonders hohe Spannung bei besonders kompaktem Design, wie es insbesondere in medizinischen Anwendungen erwünscht ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen Kaskadenbeschleuniger, und
2 eine schematische Darstellung einer Greinacherschaltung.
Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Der Kaskadengenerator 1 nach der 1 weist einen ersten Satz 2 sowie einen zweiten Satz 4 von halbhohlkugelförmigen Elektroden auf. Diese sind konzentrisch um eine Teilchenquelle 6 angeordnet.
Durch den zweiten Satz von Elektroden 4 führt ein Beschleunigungskanal 8, welcher auf die Teilchenquelle 6 gerichtet ist und eine Extraktion des Teilchenstroms 10 ermöglicht, der von der Teilchenquelle 6 ausgeht und von der hohlkugelförmigen Hochspannungselektrode 12 eine hohe Beschleunigungsspannung erfährt.
Um im Inneren ein Durchschlagen der Hochspannung von der Hochspannungselektrode 12 auf die Teilchenquelle 6 zu verhindern, ist die Teilchenquelle 6 vollständig in ein festes oder flüssiges Isoliermaterial 14 eingebettet, so dass der Raum zwischen Hochspannungselektrode 12 und Teilchenquelle 6 bis auf den Beschleunigungskanal 8 mit den Isoliermaterial 14 ausgefüllt ist. Dadurch können besonders hohe Spannungen auf der Hochspannungselektrode 12 angelegt werden, was eine besonders hohe Teilchenenergie zur Folge hat.
Die Spannungserzeugung der hohen Spannung auf der Hochspannungselektrode 12 geschieht mittels einer Greinacherkaskade 20, welche als Schaltbild in der 2 dargestellt ist. Am Eingang 22 wird eine Wechselspannung U angelegt. Die erste Halbwelle lädt über die Diode 24 den Kondensator 26 auf die Spannung U auf. Bei der darauf folgenden Halbwelle der Wechselspannung addiert sich die Spannung U vom Kondensator 26 mit der Spannung U am Eingang 22, so dass der Kondensator 28 über die Diode 30 nun auf die Spannung 2U aufgeladen wird. Dieser Prozess wiederholt sich in den darauf folgenden Dioden und Kondensatoren, so dass in der in 2 abgebildeten Schaltung insgesamt am Ausgang 32 die Spannung 6U erzielt wird. Die 2 zeigt auch deutlich, wie durch die darge stellte Schaltung jeweils der erste Satz 2 von Kondensatoren und der zweite Satz 4 von Kondensatoren gebildet wird.
Die jeweils in der 2 miteinander verbundenen Elektroden zweier Kondensatoren sind nun in dem Kaskadenbeschleuniger 1 nach der 1 jeweils als eine Halbhohlkugelschale konzentrisch ausgebildet. Dabei wird auf die äußersten Schalen 40, 42 jeweils die Spannung U der Spannungsquelle 22 aufgebracht. Die Dioden zur Bildung der Schaltung sind im Bereich des Großkreises der jeweiligen Halbhohlkugel angeordnet, d. h. im äquatorialen Schnitt der jeweiligen Hohlkugeln.
Ein Kugelkondensator mit innerem Radius r₀ und äußerem Radius r₁ hat die Kapazität
Die Feldstärke bei Radius r ist dann
Diese Feldstärke ist quadratisch abhängig vom Radius und nimmt zur inneren Elektrode hin somit stark zu.
Dadurch, dass im Kaskadenbeschleuniger 1 die Elektroden der Kondensatoren der Greinacherkaskade 20 als Zwischenelektroden auf klar definiertem Potential eingefügt sind, wird die Feldstärkeverteilung über den Radius linear angeglichen, da für dünnwandige Hohlkugeln die elektrische Feldstärke ungefähr gleich dem flachen Fall
mit minimaler maximaler Feldstärke ist.
Durch die Zusatznutzung der zwei Kondensatorsätze 2, 4 einer Greinacherkaskade 20 als konzentrische Potentialäquilibrierungselektroden für die elektrische Feldverteilung in einer vollständig in einem festen oder flüssigen Isoliermaterial 14 und der Hochspannungselektrode 12 gekapselten Teilchenquelle 6 wird, eine besonders hohen Beschleunigungsspannung in einem Kaskadenbeschleuniger 1 erreicht. Gleichzeitig ist das Design sehr kompakt, was eine flexible Anwendung insbesondere in der Strahlentherapie ermöglicht.

1: Kaskadengenerator
2: erster Satz
4: zweiter Satz
6: Teilchenquelle
8: Beschleunigungskanal
10: Teilchenstrom
12: Hochspannungselektrode
14: Isoliermaterial
20: Greinacherkaskade
22: Spannungsquelle
24: Diode
26, 28: Kondensator
30: Diode
32: Ausgang
40, 42: äußerste Schalen
r₀: innerer Radius eines Kugelkondensators
r₁: äußerer Radius eines Kugelkondensators
U: Spannung

Claims

Kaskadenbeschleuniger (1) mit zwei Sätzen (2, 4) von jeweils in Reihe geschalteten, über Dioden (24, 30) in der Art einer Greinacherkaskade (20) verschalteten Kondensatoren (26, 28) und einem durch Öffnungen in den Elektroden der Kondensatoren eines Satzes (2) gebildeten, auf eine im Bereich der Elektrode mit der höchsten Spannung (12) angeordneten Teilchenquelle (6) gerichteten Beschleunigungskanal (8), wobei der Bereich zwischen Teilchenquelle (6) und Elektrode mit der höchsten Spannung (12) bis auf den Beschleunigungskanal (8) mit einem festen oder flüssigen Isoliermaterial (14) ausgefüllt ist.
Kaskadenbeschleuniger (1) nach Anspruch 1, bei dem eine Mehrzahl von Elektroden als konzentrisch um die Teilchenquelle (6), voneinander beabstandet angeordnete Hohlellipsoidsegmente ausgebildet ist.
Kaskadenbeschleuniger (1) nach Anspruch 2, bei dem das jeweilige Hohlellipsoidsegment ein Halbhohlellipsoid ist und der Beschleunigungskanal (8) durch den Scheitelpunkt des Halbhohlellipsoids führt.
Kaskadenbeschleuniger (1) nach Anspruch 3, bei dem die jeweilige Diode (24, 30) im Bereich eines Großkreises des jeweiligen Halbhohlellipsoids angeordnet ist.
Kaskadenbeschleuniger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Mehrzahl von Elektroden äquidistant voneinander beabstandet sind.
Kaskadenbeschleuniger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Teilchenquelle (6) eine Kaltkathode ist.
Kaskadenbeschleuniger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Beschleunigungskanal (8) eine zylinderförmige Wand umfasst, welche mit diamantartigem Kohlenstoff und/oder oxidiertem Diamant beschichtet ist.
Strahlentherapiegerät mit einem Kaskadenbeschleuniger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.