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Die Erfindung betrifft einen Detektor zur Bestimmung einer Position von geladenen Partikeln eines den Detektor passierenden Partikelstrahls. Ein derartiger Detektor kann insbesondere im Rahmen der Partikeltherapie Einsatz finden.
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Die Partikeltherapie ist ein etabliertes Verfahren zur Behandlung von Gewebe, insbesondere von Tumorerkrankungen. Bestrahlungsverfahren, wie sie in der Partikeltherapie eingesetzt werden, finden jedoch auch in nicht-therapeutischen Gebieten Anwendung. Hierzu gehören beispielsweise Forschungsarbeiten, etwa zur Produktentwicklung, im Rahmen der Partikeltherapie, die an nicht-lebenden Phantomen oder Körpern durchgeführt werden, Bestrahlungen von Materialien, etc. Hierbei werden geladene Partikel wie z. B. Protonen oder Kohlenstoff- oder andere Ionen auf hohe Energien beschleunigt, zu einem Partikelstrahl geformt und über ein Hochenergiestrahltransportsystem zu einem oder mehreren Bestrahlungsräumen geführt. Das zu bestrahlende Objekt wird i. d. R. auf einer roboterbasierenden Tischlagerungsplatte zielgenau positionert. Nach dieser Positionierung kann die Bestrahlung mit dem Partikelstrahl erfolgen. Dementsprechend wird in dem Bestrahlungsraum das zu bestrahlende Objekt in einem Zielvolumen mit dem Partikelstrahl bestrahlt.
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Geladene Teilchen wie Protonen oder Schwerionen bieten den Vorteil, dass ihr Energieverlust am Ende ihrer Reichweite innerhalb des zu bestrahlenden Objektes stark ansteigt. Aus diesem Grund weist ein Partikelstrahl eine gute Tiefendosisverteilung auf, die durch die so genannte Bragg-Kurve beschrieben wird. Die Tiefe des scharfen Bragg-Maximums kann durch die Teilchenenergie genau festgelegt werden. Hierdurch ist es möglich, vor und hinter dem Zielvolumen liegendes Gewebe zu schonen; in diesem Gebiet wird fast keine Dosis deponiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektor zur Positionsbestimmung von geladenen Partikeln aufzuzeigen, welcher insbesondere im Rahmen der Partikeltherapie Einsatz finden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Detektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Detektor zur Bestimmung einer Position von geladenen Partikeln eines den Detektor passierenden Partikelstrahls weist eine äußere ein Gasvolumen abschließende Hülle auf. Hierbei ist das Gas derart, dass es von den Partikeln ionisierbar ist. Ferner umfasst der Detektor eine Anode und zwei zu unterschiedlichen Seiten der Anode angeordnete Katodenebenen. Hierbei weist jede Katodenebene eine Mehrzahl von parallelen Signalbahnen zur Detektion von Gasionen und somit des Vorhandenseins und der Position eines Partikels auf. Die Signalbahnen der beiden Katodenebenen sind um einen Winkel gegeneinander verdreht. Schließlich umfasst der Detektor einen oder mehrere Bestandteile aus Graphen.
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Bei dem Durchgang durch den Detektor ionisieren die Partikel, deren Position es festzustellen gilt, das Gas. Vorzugsweise handelt es sich bei den Partikeln um geladene Teilchen. Aufgrund einer erfolgten Ionisierung fliegen die entstandenen positiven Ionen zu den beiden Katodenebenen. Hier werden sie von Signalbahnen detektiert. Da mehrere Signalbahnen vorhanden sind, ist somit die Bestimmung der Position eines Partikels möglich. Denn die Ionisierung des Gases erfolgt an der zu bestimmenden Partikelposition, und die hierbei entstehenden positiven Ionen gelangen zu den nächstliegenden Signalbahnen. Ihr Auftreffort auf den Signalbahnen zeigt damit die Partikelposition an.
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Jede Katodenebene enthält mehrere Signalbahnen, welche parallel zueinander verlaufen. Die Signalbahnen der einen Katodenebene sind um einen Winkel, vorzugsweise um 90°, gegen diejenigen der anderen Katodenebene gedreht. Hierdurch kann die Partikelposition in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen angegeben werden.
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In dem erfindungsgemäßen Detektor befindet sich zumindest ein Bestandteil aus Graphen; hierbei handelt es sich um ein Material, welches interessante Eigenschaften aufweist. Insbesondere haben die Elektronen innerhalb des Graphens eine hohe Geschwindigkeit, so dass die Laufzeit elektrischer Signale klein ist. Verwendet man also Graphen für elektrische Messungen, so reduziert sich die erforderliche Messzeit. Ferner ist Graphen in Form einer äußerst dünnen Schicht oder Membran gasdicht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zumindest eine Bestandteil aus Graphen der Einschränkung der Strahlaufweitung des Partikelstrahls bei der Positionsbestimmung der Partikel dient. Zur Positionsbestimmung müssen einer oder mehrere geeignete Detektoren eingesetzt werden. Jedes Material bewirkt jedoch eine Streuung der Partikel und somit eine Strahlaufweitung. Diese ist unerwünscht, da sich hierdurch eine zuvor definierte Strahlform verändert. Dementsprechend bewirken auch die Detektoren eine Strahlaufweitung. Erstrebenswert ist es daher, die Detektoren so auszubilden, dass eine zuverlässige Detektion mit einer geringen Strahlaufweitung vereinbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der zumindest eine Bestandteil aus Graphen Teil der beiden Katodenebenen. Dieses Vorgehen basiert u. a. auf der Eigenschaft der großen Elektronengeschwindigkeit im Graphen. Vorzugsweise umfasst hierzu jede Katodenebene als Signalbahnen parallele Graphenbahnen und in einem Winkel verdreht hierzu parallele Metallbahnen. Es werden also sowohl von den Graphenbahnen als auch von den Metallbahnen einer jeden Katodenebene die positiv geladenen Ionen des Gases detektiert. Der Winkel zwischen den Bahnen der verschiedenen Materialien beträgt vorzugsweise 90°. Der Einsatz der beiden verschiedenen Bahnen in den Katodenebenen erfolgt z. B., indem die Katodenebenen jeweils eine Folie umfassen, auf deren einen Seite die Graphenbahnen und auf deren anderen Seite die Metallbahnen angebracht sind. Dies verhindert ein Sich-Berühren der unterschiedlichen Bahnen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Graphenbahnen jeder Katodenebene parallel zu den Metallbahnen der jeweils anderen Katodenebene sind. Dies ermöglicht eine redundante Positionsbestimmung, denn durch die Parallelität zwischen den Signalbahnen der beiden Katodenebenen geben die beiden Katodenebenen einander entsprechende Ergebnisse aus.
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Einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß umfasst der Detektor ferner eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Position von Partikeln aus von einer einzelnen Katodenebene gelieferten Signalen ihrer Signalbahnen. Da zwei Katodenebenen vorhanden sind, kann die Auswerteeinheit also zwei Einzelpositionen bestimmen. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit ausgebildet ist zur Bestimmung und/oder Überprüfung der Position von Partikeln unter Verwendung von einerseits der aus von einer einzelnen Katodenebene gelieferten Signale ihrer Signalbahnen bestimmten Position, und andererseits der aus von der jeweils anderen Katodenebene gelieferten Signale ihrer Signalbahnen bestimmten Position. Dies entspricht einer redundanten Positionsbestimmung, welche unter Einsatz zweier Einzelpositionen erfolgt. Die Zuverlässigkeit der Messung wird hierdurch erhöht.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit ausgebildet zur Bestimmung der Position von Partikeln durch Bestimmung von Signalzeitunterschieden zwischen Signalen der Graphenbahnen einer Katodenebene und der Metallbahnen der jeweils anderen Katodenebene. Es wird also jeweils eine Graphenbahn, welche ein Signal geliefert hat, und eine hierzu parallele Metallbahn der anderen Katodenebene, welche ebenfalls ein Signal geliefert hat, miteinander verglichen. Da die Elektronengeschwindigkeiten in der Metallbahn und der Graphenbahn sich voneinander unterscheiden, liegt eine unterschiedliche Laufzeit der Signale in den beiden Signalbahnen vor. Der Laufzeitunterschied kann dazu herangezogen werden, Rückschlüsse auf den Ort des Auftreffens der positiven Ionen auf die Signalbahnen und somit über die Position des Partikels zu ziehen. Somit erlaubt auch die Betrachtung der Signalzeitunterschiede eine Positionsbestimmung, wodurch eine weitere Redundanz der Positionsbestimmung gegeben ist.
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Eine Erhöhung der Redundanz der Positionsbestimmung innerhalb eines einzigen Detektors ist deshalb von Vorteil, weil hierdurch auf den Einsatz weiterer Detektoren verzichtet werden kann. Hierdurch wird die unerwünschte Strahlaufweitung effektiv begrenzt.
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Einer anderen Weiterbildung der Erfindung zufolge, welche zusätzlich oder alternativ zum Einsatz von Graphen in den Katodenebenen verwendet werden kann, bildet der mindestens eine Bestandteil als Graphenfolie zumindest einen Teil der Hülle aus. Die Hülle, welche das Gasvolumen einschließt, ist also entweder ganz oder teilweise aus Graphen. Hierbei macht man sich die Eigenschaft der Gasundurchlässigkeit selbst dünnster Graphenfolien zunutze.
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Vorteilhafterweise ist der Detektor als MWPC-Dekektor ausgebildet. Derartige Detektoren kommen insbesondere in Partikelbestrahlungsanlagen zum Einsatz, weshalb sich der erfindungsgemäß Detektor besonders für die Verwendung in einer Partikelbestrahlungsanlage eignet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
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1: einen ersten schematischen Überblick über den Aufbau einer Partikeltherapieanlage,
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2: eine schematische Darstellung einer Bestrahlung eines Zielvolumens mittels einer Rasterscaneinrichtung,
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3: einen zweiten schematischen Überblick über den Aufbau einer Partikeltherapieanlage,
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4: den Aufbau eines derzeit verwendeten MWPC-Detektors,
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5: einen ersten neuartigen MWPC-Detektor,
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6: einen zweiten neuartigen MWPC-Detektor.
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1 zeigt in schematischer Darstellung einen Aufbau einer Partikeltherapieanlage. Diese wird zur Bestrahlung eines auf einer Positioniervorrichtung 12 angeordneten Patienten 14 mit einem Strahl 16 aus Partikeln eingesetzt, der im Folgenden als Partikelstrahl 16 bezeichnet ist. Insbesondere kann hierdurch ein tumorerkranktes Gewebe des Patienten 14 mit dem Partikelstrahl 16 bestrahlt werden. Es ist ebenfalls möglich, die Partikelbestrahlungsanlage zur Bestrahlung eines nicht-lebenden Objektes 18, insbesondere eines Wasserphantoms, einzusetzen. Die Bestrahlung des Wasserphantoms 18 erfolgt beispielsweise zu Zwecken der Überprüfung und Verifizierung von Bestrahlungsparametern vor und/oder nach einer erfolgten Bestrahlung eines Patienten 14. Es kann ferner vorgesehen werden, andere Objekte, insbesondere Versuchsaufbauten wie beispielsweise Zellkulturen oder Bakterienkulturen zu Forschungszwecken mit dem Partikelstrahl 16 zu bestrahlen.
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Als Partikel werden geladene Teilchen, wie beispielsweise Protonen, Pinnen, Heliumionen, Kohlenstoffionen oder Ionen anderer Elemente eingesetzt. Üblicherweise werden derartige Partikel in einer Partikel- bzw. Ionenquelle 20 erzeugt. Anstelle der einen in 1 gezeigten Ionenquelle 20 können auch mehrere Ionenquellen 20 vorhanden sein, so dass eine Bestrahlung mit verschiedenartigen Partikeln möglich ist, z. B. mit Kohlenstoffionen und Protonen.
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Der von der Ionenquelle 20 erzeugte Ionenstrahl oder Partikelstrahl wird in dem Vorbeschleuniger 22 auf ein erstes Energieniveau beschleunigt. Der Vorbeschleuniger 22 ist beispielsweise ein Linearbeschleuniger. Anschließend werden die Partikel in einen weiteren Beschleuniger 26, beispielsweise einen Kreisbeschleuniger, insbesondere ein Synchrotron oder Zyklotron, eingespeist. In dem Beschleuniger 26 wird der Partikelstrahl auf eine zur Bestrahlung benötigte Energie beschleunigt. Nachdem der Partikelstrahl den Beschleuniger 26 verlassen hat, transportiert ein Hochenergiestrahl-Transportsystem 28 den Partikelstrahl in einen oder mehrere Bestrahlungsräumen 30, 30', 30'', wobei dort beispielsweise die Positioniervorrichtung 12 – etwa eine Patientenliege – mit dem Patienten 14 oder das Phantom 18 zur Bestrahlungsplanungsverifikation angeordnet ist.
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In dem Bestrahlungsraum 30 oder 30' erfolgt die Bestrahlung des Körpers 14, 18 von einer festen Richtung aus, wobei der Körper 14, 18 raumfest angeordnet ist. Diese Bestrahlungsräume 30, 30' werden als ”fixed beam”-Räume bezeichnet. Im Behandlungsraum 30'' ist eine um eine Achse 32 beweglich angeordnete, vorzugsweise drehbar angeordnete Gantry 34 vorgesehen. Mittels der Gantry 34 kann der zu bestrahlende Körper 14, 18 von verschiedenen Richtungen aus bestrahlt werden. Hierbei wird der Partikelstrahl 16 mittels der in der Gantry 34 angeordneten Gantrystrahlführung 36 um den zu bestrahlenden Körper 14, 18 gedreht. Es sind in 1 stellvertretend für die unterschiedlichen Positionen der Gantrystrahlführung 36 der Gantry 34 eine erste Position 38 und eine zweite Position 38' gezeigt. Selbstverständlich sind auch Zwischenpositionen für die Gantrystrahlführung 36, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind, auf zumindest einem Halbkreis oberhalb des zu bestrahlenden Körpers 14, 18 in einer gedachten Kugel um den zu bestrahlenden Körper 14, 18 möglich. Somit kann das zu bestrahlende Zielvolumen von mehreren Richtungen aus senkrecht zur Achse 32 bestrahlt werden. Dies ist aus geometrischen Gründen vorteilhaft.
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Im Bestrahlungsraum 30, 30' tritt der Partikelstrahl aus einem als Strahlauslass 40, 40' bezeichneten Ende eines Vakuumsystems der Hochenergiestrahlführung 28 aus und trifft auf das zu bestrahlende Zielvolumen im Körper 14 oder 18. Das Zielvolumen ist hierbei üblicherweise in einem Isozentrum 42, 42' des jeweiligen Bestrahlungsraums 30, 30' angeordnet.
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Der anhand der 1 dargestellte Grundaufbau einer Partikeltherapieanlage ist beispielhaft für Partikeltherapieanlagen, kann aber auch hiervon abweichen. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungen sind sowohl im Zusammenhang mit der anhand von 1 dargestellten als auch mit anderen Partikeltherapieanlagen anwendbar.
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2 zeigt schematisch eine Bestrahlung eines Zielvolumens 56 mit der Rasterscantechnik. Die Rasterscaneinrichtung weist eine erste Partikelstrahlablenkungseinrichtung 46 und eine zweite Partikelstrahlablenkungseinrichtung 48 auf, welche insbesondere Magneten umfassen können. Die beiden Partikelstrahlablenkeinrichtungen 46, 48 vermögen den Strahl 16 horizontal bzw. vertikal abzulenken. Die Pfeile deuten die Ablenkrichtung des Partikelstrahls 16 in x-Richtung (horizontal) und in y-Richtung (vertikal) an. Somit ist die Rasterscaneinrichtung in der Lage, eine zweidimensionale Matrix aus Punkten mit den Positionen (xj, yj) zu scannen oder abzufahren. Diese Punkte (xj, yj) werden in Kombination mit der jeweils verwendeten Partikelenergie als Scan Spots, Rasterpunkte oder Abtastpunkte bezeichnet. D. h. ein Abtastpunkt wird bestimmt durch die Ausrichtung des Partikelstrahls 16 in x-Richtung und y-Richtung, sowie durch die Partikelenergie. Für eine Kombination aus x- und y-Werten existieren demnach mehrere Abtastpunkte, wenn Partikel verschiedener Energien ausgesendet werden.
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Das zu bestrahlende Zielvolumen 56 in dem zu bestrahlenden Patienten oder Objekt kann man als aus isoenergetischen Scheiben oder Schichten 58a, 58b, 58c, ... 58i zusammengesetzt betrachten. Hierbei sind die Iso-Energieschichten 58a, 58b, 58c, ... 58i jeweils einer bestimmten Position auf der z-Achse zugeordnet. Die Schichten werden als isoenergetisch bezeichnet, da Partikel einer bestimmten Anfangsenergie hauptsächlich mit der Materie der jeweiligen Schicht Wechselwirken, d. h. die Energiedosis der Partikel dieser bestimmten Anfangsenergie wirkt sich gemäß dem jeweiligen Bragg-Maximum zum großen Teil nur auf die jeweilige Iso-Energieschicht aus.
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In dem Beispiel der 2 beginnt die Zählung der Schichten an der der Rasterscaneinrichtung zugewandten Seite mit 58a, während die von der Rasterscaneinrichtung am weitesten entfernte Schicht, die distale Schicht, die Bezeichnung 58i hat, wobei i die Anzahl der Schichten bezeichnet. Zur Einstellung des Partikelstrahls 16 auf eine jeweiligen Schicht 58a, 58b, 58c, ... 58i weist der Partikelstrahl 16 jeweils eine andere Anfangsenergie auf, wobei die Anfangsenergie diejenige der Partikel vor der Wechselwirkung mit dem Objekt 14 oder 18 ist. Hierbei wird der Partikelstrahl 16 mit der niedrigsten Energie in der Scheibe 58a und der Partikelstrahl 16 mit der höchsten Energie in der Scheibe 58i deponiert.
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Die Bestrahlung mit einem Rasterscan-Verfahren bedient sich folglich eines Partikelstrahls 16, welcher so dimensioniert ist, dass in dem Zielvolumen 56 lediglich an einem kleinen, umschriebenen Bezirk eine Einzeldosis deponiert werden kann. Ein solcher kleiner Bezirk entspricht einem Zielpunkt, wobei die Koordinaten der Zielpunkte für die Bestrahlungsplanung bekannt sind. Dementsprechend kann durch Ansteuern eines bestimmten Abtastpunktes ein bestimmter Zielpunkt bestrahlt werden.
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Um das gesamte Zielvolumen 56 zu bestrahlen, werden sukzessive die unterschiedlichen Abtastpunkte angesteuert. Der Partikelstrahl 16 wird dabei mithilfe der Partikelstrahlablenkeinrichtungen 46 und 48 abgelenkt und so über das Zielvolumen gelenkt. Zur Bestrahlung unterschiedlicher Iso-Energieschichten wird die Energie des Partikelstrahls 16 passend eingestellt. Gezeigt ist in 2 ein Zielvolumen 56, bei dem drei distale Iso-Energieschichten 58i, 58i-1, 58i-2 bereits bestrahlt worden sind, und bei denen aktuell der Partikelstrahl 16 über die nachfolgenden Iso-Energieschicht 58i-3 scannt.
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3 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Partikelbestrahlungsanlage, welche sich für die Raster-Scan-Technologie eignet. Es sind zwei Ionenquellen 20, der Vorbeschleuniger 22, der Kreisbeschleuniger 26 und zwei Partikelstrahlablenkungseinrichtungen 44 und 46 zu sehen. Die Ablenkung der Partikel durch die Partikelstrahlablenkungseinrichtungen 44 und 46 erfolgt wie in 2 gezeigt in x- und y-Richtung, während z die Richtung entlang des Strahls bezeichnet.
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Die die Partikel das Gewebe des zu untersuchenden Objektes beschädigen, ist es erforderlich, zu prüfen, ob der Partikelstrahl auf das korrekte Zielvolumen ausgerichtet ist. Wie oben bereits erwähnt, sind zur Ermittlung dieses von der Bestrahlung betroffenen Volumens einerseits die Ausrichtung des Strahls und andererseits die Partikelenergie relevant. Dementsprechend schließen sich an die Partikelstrahlablenkungseinrichtungen 44 und 46 Detektoren DET zur Bestimmung der Strahlausrichtung und Ionisationskammern zur Bestimmung der Partikelenergie an. Durch die Detektoren DET wird die Position und Form des Partikelstrahls gemessen; hierbei sind die Detektoren DET als MWPC-Detektoren (Multi Wire Proportional Chamber) ausgestaltet. Aus Gründen der Redundanz werden die Detektoren DET zweifach ausgelegt, wie auch in 3 zu sehen.
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4 zeigt den Aufbau derzeit verwendeter MWPC-Detektoren. Es handelt sich hierbei um Detektoren für ionisierende Strahlung oder Partikel, welche auch als Drahtkammern bezeichnet werden. Sie bestehen aus einem rechteckigen Rahmen Ra, der auf beiden Seiten mit einer gasdichten Folie F umschlossen ist. Als Folienmaterial wird hierbei üblicherweise Polyimid eingesetzt, z. B. Kapton®.
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Die MWPC-Detektoren werden von Gas (z. B. 80% Ar und 20% CO2) mit leichtem Überdruck durchströmt. Die Zusammensetzung und der Druck des Gases sind so bestimmt, dass jedes Partikel eine Ionsisation herbeiführt, ohne dass es allerdings zu einer selbständigen Gasentladung kommt. Im Inneren des Rahmens befinden sich drei Ebenen SE1, A und SE2 von Drähten, wobei in jeder Ebene die Drähte parallel zueinander sind. Die mittlere Ebene A ist mit einer Hochspannungsquelle verbunden, z. B. mit einer positiven Spannung von 1600 V, und stellt die Anode dar. Bei den beiden anderen Ebenen SE1 und SE2 handelt es sich um die Signalebenen; sie dienen der Gewinnung des Messsignals. Sie sind über elektronische Verstärker mit Masse verbunden, stellen also die Katoden dar. Die Signalebenen SE1 und SE2 haben je eine Vielzahl, z. B. 112, paralleler Drähte in kleinem Abstand, z. B. 2 mmm, zueinander, wobei die Drähte der Signalebene SE1 gegenüber denjenigen der Signalebene SE2 um 90° gedreht sind.
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Dort, wo der Partikelstrahl durch den Detektor fliegt, wird das Gas ionisiert. Die hierbei entstehenden Ionen und Elektronen des Gases werden durch die Hochspannung beschleunigt. Hierdurch wird durch die Elektronen aufgrund der großen Spannung der Anode eine Lawinenreaktion in der Nähe der Drähte der Anode A ausgelöst. Die nächstliegenden Drähte der Signalebenen SE1 und SE2 nehmen die Ionen aus der Primärionisation und der Lawinenreaktion auf und führen sie den Messverstärkern zu, so dass diese als Messsignal erfassbar sind. Ein im Detektor befindlicher Prozessor liest die Messverstärker im Zeitraster 50–250 μs aus. Durch Bestimmen derjenigen Drähte der Signalebenen SE1 und SE2, welche die Signale geliefert haben, kann die x- und y-Richtung des jeweiligen Partikels ermittelt werden.
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Jeder Festkörper im Strahl bewirkt eine Streuung der Partikel und somit eine Aufweitung des Strahls, d. h. zu einer Vergrößerung der Penumbra. Diese Aufstreuung ist nachteilig, da hierdurch eine Abweichung vom gewünschten Zielvolumen herbeigeführt wird und somit auch gesundes Gewebe bestrahlt wird. Das Verhältnis der Aufstreuung in Festkörper zu Luft beträgt etwa 1000 zu 1, d. h. die Aufstreuung einer 25 μm dicken Folie entspricht der Aufstreuung in 25 mm Luft. Es ist daher erstrebenswert, nach den Partikelstrahlablenkungseinrichtungen 44 und 46 möglichst wenig Material im Partikelstrahl zu haben. Um die Festkörperbestandteile zu reduzieren, welchen der Partikelstrahl für eine zuverlässige Bestimmung seiner Lage passieren muss, wird erfindungsgemäß der Einsatz von Graphen vorgeschlagen.
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Nur eine Atomschicht dünne Filme aus Graphit werden Graphen genannt. Es handelt sich also sozusagen um ein Kohlenstoffblatt. Die Kohlenstoffatome sind in der Schicht in einem zweidimensionalen wabenförmigen Gitter angeordnet, es liegt also ein zweidimensionaler hexagonaler Kohlenstoffkristall vor. Man kann Schichten erhalten, welche nur ein Kohlenstoffatom dick sind, z. B. indem einzelne Atomlagen von einem Graphitblock abgestreift werden; auch dickere Membranen mit mehreren Grapheneinzelschichten sind herstellbar. Die Elektronen können sich im Graphen nur in zwei Dimensionen bewegen. Aus diesem Grund bewegen sie sich in Graphen sehr viel schneller als in anderen Materialien, nämlich mit ca. dem 0.3-fachen der Lichtgeschwindigkeit. In normalen Leitern wie Kupfer oder Gold beträgt die Elektronengeschwindigkeit ca. das 0.1-fache der Lichtgeschwindigkeit, also nur ein Drittel der Elektronengeschwindigkeit in Graphen. Ferner ist Graphen trotz der Dünne der Schicht für Gase undurchlässig.
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5 zeigt einen MWPC-Detektor, in welchem Graphen eingesetzt ist. Wie der Detektor der 4 weist dieser in der Mitte die Anode A auf, und zu beiden Seiten die Signalebenen SE1 und SE2. Auf jeder der Signalebenen SE1 und SE2 sind parallele mit Gold beschichtete Kupferdrähte Cu und senkrecht hierzu Graphenbahnen bzw. -drähte Gr angeordnet. Diese Signaldrähte sind hierbei jeweils auf einer Folie aufgebracht, z. B. auf einer beschichteten Polyimidfolie. Die Signalebene SE1 weist auf der einen Seite der Folie die vergoldeten Kupferdrähte Cu in vertikaler Richtung auf, und auf der anderen Seite der Folie die Graphenbahnen Gr in horizontaler Richtung. Umgekehrt weist die Signalebene SE2 auf der einen Seite der Folie die vergoldeten Kupferdrähte Cu in horizontaler Richtung auf, und auf der anderen Seite der Folie die Graphenbahnen Gr in vertikaler Richtung. Die Kupferdrähte Cu der beiden Signalebenen SE1 und SE2 sind also um 90° gegeneinander verdreht, ebenso die Graphenbahnen Gr. Dementsprechend stehen sich im Detektor – jeweils durch die Anode A getrennt – die horizontalen Graphenbahnen Gr und die horizontalen Kupferbahnen Cu, sowie die vertikalen Graphenbahnen Gr und die vertikalen Kupferbahnen Cu gegenüber.
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Die Graphenbahnen Gr kann man unter Zuhilfenahme von Licht, z. B. mit einem Kamerablitz, herstellen. Dieses vermag Pulver aus Graphit-Oxid in leitendes Graphen umzuwandeln. Ein Lichtpuls kann genügend Wärme zur Verfügung stellen, um das Oxidpulver chemisch zu reduzieren und so zu verbinden, dass Graphen entsteht. Mischt man das Graphit-Oxid mit Kunststoffpulver, entstehen flexible leitfähige Schichten. Verwendet man eine abschirmende Muster-Maske, so lassen sich gezielt Bahnen und sogar Schaltkreise erzeugen.
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Löst nun ein geladenes Partikel ION eine Lawine an der Anode A aus, so werden die hieraus resultierenden Ionen sowohl zur rechten als auch zu linken Signalebenen SE1 und SE2 beschleunigt und lösen auf beiden Seiten Signale an den Signaldrähten Cu, Gr aus. Über Messverstärker werden diese einem Prozessor zugeführt und ausgewertet. Auf der ersten Signalebene SE1 wird eine horizontale Graphenbahn Gr – in dem Beispiel der 5 die erste Graphenbahn Gr von unten – und eine vertikale Kupferbahn Cu – in dem Beispiel der 5 die zweite Kupferbahn Cu von links -angesprochen; daraus lässt sich der Ort, also x- und y-Koordinate des geladenen Partikels bestimmen. Auf der zweiten Signalebene SE2 wird eine vertikale Graphenbahn Gr – in dem Beispiel der 5 die zweite Graphenbahn Gr von links – und eine horizontale Kupferbahn Cu – in dem Beispiel der 5 die erste Kupferbahn Cu von unten – angesprochen; auch daraus lässt sich der Ort, also x- und y-Koordinate des geladenen Partikels bestimmen. Diese beiden Koordinatenpaare müssen bei korrekter Messung übereinstimmen. Hierdurch ist eine Redundanz der Ortsbestimmung gewährleistet. Somit ist die Verwendung eines zweiten Detektors nicht nötig.
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Eine zweite Redundanz erreicht man, wenn man die Laufzeitunterschiede der sich gegenüberliegenden Graphenbahnen Gr und Kupferbahn Cu betrachtet. In 5 sind unten die von den Messverstärkern ausgegebenen Signale SIG1 bis SIG4 angedeutet, wobei der Verlauf der Zeit t nach links dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass die Signale SIG1 und SIG4 der Graphenbahnen Gr früher eintreffen als die Signale SIG2 und SIG3 der Kupferbahnen Cu. Dies basiert auf der oben erläuterten höheren Elektronengeschwindigkeit im Graphen gegenüber normalen Leitern.
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Es wird nun der Laufzeitunterschied in den sich gegenüberliegenden horizontalen Leitern und in den sich gegenüberliegenden vertikalen Leitern bestimmt. Dies bedeutet, dass der Zeitunterschied zwischen dem Signal SIG4 der vertikalen Graphenbahn Gr der zweiten Signalebene SE2 und dem Signal SIG3 des vertikalen Kupferleiters Cu der ersten Signalebene SE1 bestimmt wird. Aus der Differenz lässt sich bestimmen, an welcher vertikalen Position die Ionen die Signalebenen SE1 und SE2 erreicht haben; dies entspricht der Ermittlung des jeweiligen horizontalen Drahtes. Weiterhin wird der Zeitunterschied zwischen dem Signal SIG2 des horizontalen Kupferleiters Cu der zweiten Signalebene SE2 und dem Signal SIG1 des vertikalen Graphenbahn Gr der ersten Signalebene SE1 bestimmt. Aus der Differenz lässt sich bestimmen, an welcher horizontalen Position die Ionen die Signalebenen SE1 und SE2 erreicht haben; dies entspricht der Ermittlung des jeweiligen vertikalen Drahtes.
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Da die Signalgeschwindigkeit in Graphen 0,3 der Lichtgeschwindigkeit beträgt, sollte die Abtastung im Gigahertz Bereich erfolgen.
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Somit können auch anhand der Laufzeitunterschiede die x- und y-Koordinaten des Partikels bestimmt werden. Es ist unter Verwendung des Detektors der 5 also eine dreifache Positionsbestimmung möglich. Aufgrund dieser hohen Zuverlässigkeit kann auf den Einsatz weiterer Detektoren verzichtet werden. Dies hat den Vorteil, dass die äußeren Folien F der 4 nur einmal von dem Partikelstrahl durchquert werden müssen, während bei Verwendung mehrerer nacheinander geschalteter Detektoren mehrmals diese Materialschichten durchdrungen werden müssten. Somit trägt der Detektor gemäß 5 zur Reduzierung der Penumbra bei.
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6 zeigt einen weiteren MWPC-Detektor, in welchem Graphen eingesetzt ist. Gezeigt sind der Rahmen Ra, die beiden Signalebenen SE1 und SE2, sowie die zwischen ihnen angeordnete Anode A. Die beiden Signalebenen SE1 und SE2 sind vorzugsweise gemäß 5 ausgestaltet; sie können jedoch auch herkömmlicher Art sein. Die den Detektor auf beiden Seiten abschließenden Folien FGr bestehen aus Graphen. Dies basiert darauf, dass sich extrem dünne gasdichte Folien aus Graphen herstellen lassen. Die Graphenfolien FGr sind hierbei möglichst nur eine Atomlage dick; zur Erhöhung der mechanischen Stabilität können jedoch auch aus mehreren Graphenschichten bestehende Folien Einsatz finden.
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Durch die durch den Einsatz von Graphen erzielte Reduzierung der Membrandicke gegenüber herkömmlichen MWPC-Detektoren wird der Partikelstrahl deutlich weniger aufgeweitet. Auch dies bewirkt eine Reduzierung der Penumbra.
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Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
