DE2112215C3 - Neutronengenerator - Google Patents

Description

strahl austretende Gasstrom 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 Strahlwegcs im allgemeinen nicht möglich.

Es ist auch bekannt, zwischen zwei auf hohem negativen Potential betriebenen Prallelektroden, deren eine einTarget trägt, eine hohlzylindrische Anode anzuordnen und im Innern der Anode mit Pcrmanent-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 grV^rnM7t?p 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 ■ IO ' 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 daü die Ionen auf sehr verschiedenen Potentialen entstehen und somit ein sehr großer Teil des Ionenstromes wegen seiner geringen Energie nicht zur Neutronenerzeiigung 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 Ionenstromes und sind durch Umladungsstöße an der relativ hohen Neutralgasdichte sehr stark geschwächt. An der anderen, nicht mit einer Targetschiebt versehenen Prallelektrode auftreffende Ionen bilden dor: während des Betriebes ein Deuterium-Selbsttarget und erzeugen eine parasitäre Neutronenstrahlung, welche die Anwendung der Einrichtung erschwert.

Es ist ferner bekannt, ein rohrförmiges Target durch eine an der Peripherie eines ringförmigen Beschleunigungsraumes angeordnete Vielzahl konventioneller Ionenquellen oder auch einer oder mehrerer bekannter Ringionenquellen unter Verwendung konzentrischer Beschleunigungselektroden 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 Ringschiitz ausgebildete Emissionsöffnung. Wegen des relativ hohen Betriebsdruckes und der starken Drosselung des Neutralgasrückstromes vom Target zum Entladungsraum sind auch diese Ringionenquellen ebenso wie die bekannten Penningionenquellen für eine Anwendung in abgeschlossenen Neutronengeneratoren für hoho Strahlströme nicht geeignet.

Bei einem anderen bekannten (britische Patentschrift 941 687) Neutronengenerator werden in einem zylindrischen Entladungsraum mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern Ionen erzeugt und in einem an den Entladungsraum unmittelbar axial angrenzenden Beschleunigungsraum auf eine scheibenförmige Prallelektrode beschleunigt, wobei das elektrische Beschleunigungsfeld im wesentlichen zwisehen dem Rand des Entladungsraumes und einer der Prallelektrode aufgesetzten offenen Rohrelektrode aufrechterhalten wird. Der Ionenstrom kann jedoch nur wenige Milliampere erreichen. Er wird begrenzt durch den relativ kleinen zylindrischen Entladungsraum bei vorgegebenem möglichen Maximalstrom des Beschleunigungssystems und den wegen der Kühlung der Elektroden auf wenige Watt eingeengten Leistungsumsatz der Ionenquelle, da die von jedem Ion am Target ausgelösten 3 bis 4 Sekundärelektronen eine um den gleichen Faktor vergrößerte Leistung der rückwärtsbeschleunigten und von der Kathodenelektrode aufgefangenen Elektronen bedingt.

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 Gebrauchsdauer zu erreichen und der in spezifischen Anwendungsbereichen wie z.B. der Aktivierungsanalyse, der Spaltstoffflußkontrolle, der Erzeugung kurzlebiger Radionuklide und der Strahlentherapie mit schnellen Neutronen eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Entladungsraum, in dem die Ionen erzeugt werden, ringförmig ausgebildet ist (Ringentladungsraum) und an der zur Achse des Ringentladungsraumes orientierten Innenseite desselben eine ebenfalls ringförmige öffnung (Emissionsöffnung) besitzt, durch die Ionen aus dem Ringentladungsraum in einen ebenfalls ringförmigen Beschleunigi-ngsraum austreten und durch ein von dort angeordneten Elektroden erzeugtes radiales, konvergierendes elektrisches Feld auf eine rohrförmig ausgebildete Prallelektrode beschleunigt werden, die koaxial zu dem Ringentladungsraum angeordnet ist und an der von der Prallelektrode abgewandten Peripherie des Ringentladungsraumes im Innern des Hohlkörpers mit kleinem Abstand eine diese Seite nahezu vollständig überdeckende ringförmige Kathodenelektrode (Kathodenring) gegenübersteht und im Innern des Ringentladungsraumes ein radialer magnetischer Fluß durch einen im Bereich des Kathodenringes angeordneten magnetischen Polschuh einer Polarität und am Rande der Emissionsöffnung angeordnete Polschuhe der anderen Polarität durch den Ringentladungsraum geführt ist.

Der Neutronengenerator nach der Erfindung ermöglicht es, Ionenströme in der Größenordnung von 150 Milliampere bei BescbJeunigungsspannungen von 150 kV mit entsprechenden Sekundärelektronenströmen zu beherrschen, wobei die Erzeugung dieser hohen Ströme bei einem relativ geringen Druck von 2 · 10~⁴ Torr gelingt. Das ist eine Folge des durch

die Ringgeometrie gegenüber der Zylindergeometrie um ein Vielfaches vergrößerten Volumens des Entladungsraumes. Die die Lebensdauer des Targets bestimmende Stromdichte der aufprallenden Ionen kann bei clv jer Anordnung sehr hoch sein, da sich die Ionenstromverteilung auf dem zylinderförmigen Target sehr gleichförmig über den Umfang und eine axiale Länge von ca. dem 2fachen Durchmesser des Targetrohres erstreckt. Die Ionen-Emissionsstromdichte in der Emissionsöffnung ist wegen des durch die Geometrie bedingten großen Flächenverhältnisses der Emis-Monsöffnung zur beaufschlagten Targetfläche entsprechend klein und erlaubt daher in Verbindung mit dem großen ionenerzeugenden Volumen den Betrieb bei sehr kleinen Drücken im Bereich bis zu 2 · 10 ^J Torr für den Maximalstrom von 150 Milliampere. Die Vergrößerung der wirksamen Fläche des Kathoden ringes erlaubt es, die Flächenbelastung durch die aufprallenden Sekundärelektronen an der Kathode in der gleichen Größe wie die am Target durch die dort aufprallenden Ionen hervorgerufene Flächenbelastung zu halten.

Zum Einschließen von Elektronen in einen Entladungsraum ist nicht notwendigerweise eine ''er einen Kathode gegenüberstehende materielle zweite Kathode mit Emissionsloch erforderlich, sondern die Fu iktion der zweiten Kathode kann auch von einer das Potential der ersten Kathode führenden immateriellen Äquipotentialfläche übernommen werden. Diese Äquipotentialfläche läßt andererseits im Entladungsranm gebildete Ionen ungehindert in den Nachbeschleunigungsraum austreten, so daß auch die bei Vorhandensein dieser Elektrode dort auftretenden Verlustleistungen entfallen.

Zwischen Emissionsöffnung und Prallelektrode sind zwei in der Nähe des Potentials der Prallelektrode betriebene Beschleunigungselektroden angeordnet, deren axialer Abstand vor der Emissionsöffnung der Weite der Emissionsöffnung entspricht.

Als Mittel zum Erregen des Magnetflusses sind zwei den Entladungsraum außerhalb der Vakuumhülle einschließende Elektromagnete angeordnet, deren Magnetjoche die kathodenseitige Magiietpolfläche und die Magnetpolflächen an dem der Prallelektrode zugewandten Rand der Emissiqnsnffnung der Anodenelektrode miteinander verbindet und die Erregerspulen umfaßt.

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

Die Anordnung der Prallclektrode im Zentrum eines ringförmigen Entladungsraumes 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 Neutronen-Emissionsstromdichte werden insbesondere dadurch erzielt, daß das Target als Flächenquelle schneller Neutronen (14 MeV) die Bestrahlungsprobe in Form eines Zylinders allseitig umschließt. Diese Eigenschaften sind Voraussetzung für den Einsatz des Neutronengenerators in bestimmten Aiiwendungsfällen, wie z. B. bei der Aktivierungsanalyse, der Spaltstoffflußkontrolle und der Erzeugung kurzlebiger Radionuklide, bei denen möglichst hohe homogene Neutronenflüsse in einem vorbestimmten Volumen benötigt werden.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich für den ^v'cutriineiigenerator nach der Erfindung dadurch, daß .111 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 Kathodenringes 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 Magnetspulen erzeugt und beide Spulen zum Führen des Magnetflusses von einem Magnetjoch umschlossen, und auf der der Achse des Kathodenringes

^o zugewandten Innenseite des Magnetjoches eine als Emissionsöffnung für die Ionen dienende ringförmige öffntr ζ angeordnet, deren Weite dem Abstand der Ringanoden entspricht.

Zwischen dem Rand der der Emission der Ionen dienenden öffnung des anodenseitigen Magnetjoches und der rohrförmigen Prallelektrode sind zwei in der Nähe des Potentials der Prallelektrode betriebene tellerförmige Beschleunigungselektroden auf beiden Seiten der Emissionsöffnung gegenüberstehend so angeordnet, daß sich deren axialer Abstand avisgehend von der Weite der Emissionsöffnung mit abnehmendem Radius auf die axiale Breite der auf das Target treffenden Ionenströmung vergrößert. Die Elektroden und/oder das Vakuumgehäuse sind zweckmäßigerweise mit Kühlkanälen zum Durchleiten eines Kühlmittels versehen. Der Innenraum des rohrförmigen Targets ist zum Beschicken mit zu bestrahlenden Proben von außen zugänglich.

Die Spulen zum Erzeugen des Magnetfeldes sind in einen 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 zuir Durchleiten eines Kühlmittels gebildet wird, welches die Spulen und das Vakuumgehäuse kühlt.

Der Kathodenring ist aus metallischen Rohren aufgebaut, deren Windungen miteinander verschweiß oder verlötet sind. Durch die Rohre wird ein Kühlmit tel geleitet.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dii Pralielektrode im wesentlichen aus einem metalli sehen Rohr zum Tragen der Konstruktion (Tragrohr und einem im Bereich der Ionenströmung auf dasTrag rohr bifilar aufgewickelten metallischen Rohr zur Transportieren eines Kühlmittels aufzubauen und di< Windungen der Kühlmittelleitung miteinander η verschweißen und auf die so entstandene Oberfläch die Targetschicht aufzubringen.

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Dabei kann es in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft sein, das Tragrohr an der Targetseite zu verschließen .ind zum Führen einer Bestrahlungsprobe ein mit einer Rohrpostanlage verbundenes Führungsrohr in dem Tragrohr koaxial so anzuordnen, daß es ai.i 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 Tragröhr und Führungsrohr geleitet, das über die Durchbrüche in das Führungsrohr gelangt. Es ist auch möglich, die Probe durch Erzeugen eines Unterdruckes zurückzusaugen.

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

In besonderen Anwendungsfällen, 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 hindurchzuführen und an zwei in axialer Richtung auf beiden Seiten der Prallelektrode angeordnete Isolatoren vakuumdicht anzuschließen, so daß ein durchgehender Bestrahlungskanal entsteht. Dabei kann an Stelle 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.

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 Hochspannungsiso.'ator abgewandten Seite Mittel zum Kollimieren des von der Targetschicht ausgehenden Neutronenflusses angeschlossen, die im wesentlichen aus einem Ergänzungskegel (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.

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

Fig. 1 schematische Darstellung der Ionenquelle und des Beschleunigungssystems,

Fig. 2 Potentialverlauf in Richtung dar Ionenstrahlachse und senkrecht dazu,

Fig. 3 Ionenstromdichte an der Prallelektrode,
Fig. 4 Neutronengenerator mit Ringionenquelle und rohrförmigem Target,

Fig. 5 Schnitt A-A durch den in Fig. 4 dargestellten Neutronengenerator,

Fig. 6 Schematische Darstellung der Spannungsund Stromversorgung,

Fig. 7 Schematische Darstellung der Elektrodenkühlung,

Fig. 8 Vereinfachter Schnitt durch eine konische Prallelektrode,

Fig. 9 Neutronengenerator mit schwach konischem Target in einem Strahlentherapiegerät.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausbildung des erfindungsgemäßen Entladungs- und Beschleunigungssystems. Ein Entladungsraum ist teilweise eingeschlossen von einer rohrförmigen, unmagnetischen Anodenelektrode 1 und einer die Anodenelektrode einseitig abschließenden Polfläche 8 aus magnetischem Material. Im Entladungsraum, parallel zur Polfläche 8 in geringem Abstand von derselben, ist eine Kathodenelektrode 2 angeordnet, der eine Prallelektrode 3 (Target) so gegenübersteht, daß die Symmetrieachse 4 der Anodenelektrode, d-e gleichzeitig Ionenstrahlachse ist, Kathode und Target miteinander verbindet auf beiden Elektroden im wesentlichen senkrecht steht. Am Target 3 ist ebenfalls symmetrisch zur Ionenstrahlachse 4 eine kegelmantelförmige Beschleunigungselektrode 5 angeordnet, die den Beschleunigungsraum begrenzt. Die Anodenelektrode 1 ist von der Erregerspule 6 umschlossen, die wiederum von einem Magnetjoch 7 mit den Polflächen 8 und 9 eingehüllt ist.

Im Bezug auf die Anodenelektrode 1 wird die Kathodenelektrode 2 auf einem negativen Hochspannungspotentiai der Größe (— V_k) betrieben. Das Target 3 und die Beschleunigungselektrode 5 befinden sich auf einem wesentlich höheren negativen Potential — K_r. Diese Potentialverteilung 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 aer Ka-

So thode 2 befindet und den Entladungsraum in Richtung auf das Target vom Besdüeunigungsraum 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 Symmetrieachse von deren Richtung abweichen und im Bereich der Poifläche 9 zu dieser hin ab-

biegen. Diejenige Feldlinienschar 11, welche ',m Bereich der Emissionsöffnung von der Äquipotentialfläche «0 gerade tangiert wird, bildet eine magnetische Feldfläche, welche den Entladungsraum in ein von der Feldfläche umhülltes inneres Gebiet 12 (Ionisationsraum) und ein zwischen dieser Feldi'iäche und der Anode liegendes äußeres Gebiet unterteilt.

Im Ionisationsraum 12 verlaufen alle von der Kathode 2 kommenden magnetischen Feldlinien so, daß sie die Äquipotentialfläche 10 schneiden. Die außerhalb des Ionisationsraumes 12 und der magnetischen Feldfläche 11 verlaufenden magnetischen Feldlinien erreichen die Äquipotentialfläche 10 nicht, sondern schneiden die Anodenelektrode 1 oder münden direkt in die Polfläche 9.

In Fig. 2 ist der Potentialverlauf entlang der von der Kathode 2 zum Target 3 verlaufenden Symmetrieachse 4als Kurve I3und in einer dazu senkrechten Schnitlebene AA' als Kurve 14 dargestellt. Beide Potentiale verlaufen im lonisationsraum 12 im wesentlichen parabolisch. Am Schnittpunict K' der Symmetrieachse 4 mit der Äquipotentialfläche 10 ist das Potential gleich dem Kathodenpotential K und fällt in dem von den Beschleunigungselektroden S begrenzten Beschleunigungsnium 15 sehr stark auf das Targetpotential V_T ab.

Ein aus der Kathode z. B. durch Ionenaufprall 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 Weg z. 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 lonisationsraum 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 lonisationsraum gleichzeitig in Richtimg der Symmetrieachse zur Kathode 2 und zur Äquipotentialfläche 10. Ionen, weiche die Äquipotentialfläche 10 durchsetzen, werden im Beschleunigungsraum 15 in dem zwischen der Polfläche 9 und der Beschleuiiigungselektrode 5 bestehenden elektrischen Feld auf das Target beschleunigt. Alle Ionen, welche in dem Teil des Ionisationsraumes 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 geringerer Energie auf die Kathode 2.

Die resultierende Stromdichteverteilung der Ionen auf der Taigetoberfläche 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 auf treffendes Ion ca. vier Sekundärelektronen aus, die als anfänglich langsame Elektronen das Beschleunigungsfeld in umgekehrter Richtung durchfallen. Sie durchfliegen den lonisationsraum 12 als schnelle Elektronen, werden durch das Magnetfeld von der Anode I ferngehalten und treffen auf die Kathode 2, wo sie ihre Energie abgeben. Diese schnellen Elektronen sind wegen ihrer hohen Energie an der

ίο Ionisation nur unwesentlich beteiligt. Der vom Target zurückströmende Sekundärclektronenanteil läßt sich mit Hilfe einer relativ kleinen, dem Target gegenüber der Beschleunigungselektrode aufgeprägten positiven Gegenspannung wesentlich verringern.

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

Laßt man das Schnittbild der in Fig. 1 dargestellten

ίο 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 auf Grund der nun vorliegenden Geometrie eine erhöhte Ionenstromdichte erzielt wird.

In den Fig. 4 und 5 ist ein derartiger Neutronengenerator mit Rjngionenquelle und rohrförmigen! Target dargestellt.

Zwei ringscheibcnformige Anoden 17 aus nichtrostendem Stahl oder einem anderen unmagnetischen Werkstoff sind mit einem ferromagnetischen Pol-, schuhring 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 KupferTohr. Ein Verbindungsstück 20 -ehaltet die vier Rohre parallel und nimmt die Kühlmittelzuleitung 21 und die Kühlrnittelableitung 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 '-.führt ist. Jeder der zwei Tragstifte 28 greift in eine :<at dem Kathodenring 19 verschweißte Buchse 29 und ist in dieser Stellung durch eine Feder 30 und eine Schraube 31 federnd gehalten.

Jede der Magnetspulen 32 und 33 ist allseitig von einem Gehäuse 34 aus nichtrostendem Stahl um schlossen 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 39 sind rechtwinklig miteinander verschweißt und über am Umfang verteilte Schraubenverbindungen 40 mit Dichtungen 41 und 42 flüssigkeitsdicht an den Zylin der 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 diese Weise wird die Spule 32 von einem aus den Bauelementen

35, 38 und 39 bestehenden Magnetjoch mir 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 Zufiihrungsstutzen 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 Trennt .ge der Magnetjochteiie 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 Zuführungsstutzen 46 und der zu diesem diametral hegende Ableitui;osstutzen SO 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 vakuumdichc verschlossen.

Im Zentrum des von den Anoden 17 und dem Kathc-Jenring 19 teilweise umschlossenen Ringentladungsraumes ist 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. B. au* 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.

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 vaki. indicht 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 8Ά 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

ία 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 Führungsrohres ist ein Schlauch 90 aus isolierendem Material angeschlossen, der z. B. die Verbindung mit einer Rohrpostanlage herstellt.

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 96 in der Aluminiumkugel 91 geführt.

An jeder der .<.«vei 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 F.vakuierungsleitung 100 aus Kupfer angeschweißt, die nach dem Evakuieren rum Abtrennen des Neutronengenerators von der Vakuumpumpe durch Abquetschen kaltverschweißt wird.

In diesem Rohrstück 98 ist zum Messen des Drukkes während des Eiafüllens 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 der deutschen Patentschrift 1 275 691 und ein einseitig geschlossenes, als Wende! ausgebildetes, durch direkten Stromdurchgang heizbares Nickelröhrchen 105 (Nickelventil) angeordnet ist. Das Entladungsgas wird zum Einfüllen in das abgeschlossene S>s.tem 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 Vakuumrauin mit dem ah 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 Systerr eingebraehten abgemessenen Menge des EntLulungsgases wird in der auf die Prallelektrode 54 aufgebrachten Targetschicht (z. B. Titan) bis nahe zur Sättigung spontan absorbiert.

Der Rest des eingefüllten Entladungsgases wird anschließend vom Gasdruckregler 104 aufgenommer und dient der Einstellung und Aufrechtcrhaltung eines vorbestimmten Gasdruckes während des Bctric bes.

Der Gasdruckregler 104 besteht im wesentlicher aus einem kleinen Penning-Entladungssystem im Ma gnclfcld des Magneten 106. Zwei in der Nähe dei

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Achse der Entladungszelle angeordnete Titanelektroden 107 nehmen Entladungsgas auf und geben es bei elektrischer Heizung des Draht-Anodenringes 108 kontrolliert durch einen äußeren Regelkreis wieder ab. Der Gasdruckregler ermöglicht gleichzeitig die Messung des Gasdruckes wahrend des Betriebes und absorbiert dabei unerwünscht entstehende Gase, die im Gegensatz zu dem Entladungsgas Wasserstoff nicht reversibel gebunden sind.

In den Blockschaltbildern der Fig. 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 Forn^ von spanmungsabhängigen Widerständen, Schaltungen aus Zenerdioden oder ein Magnetron mit zum Regeln der Spannung einstellbarem äußeren Magnetfeld verwendet,, werden.

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

Das Gasdruckregelsystem 104 wird aus dem Regelgerät 113 mit einer Hochspannung im Bereich von 1 bis 3 kV versorgt. Der im Gasdruckregelsystem 104 auftretende Entladungsstrom ist vom Gasdruck abhängig und wirkt auf die Heizung des Draht-Anodenringes 108 im Sinne einer Verkleinerung der Regelabweichung 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 eäcktrischen Leitfähigkeit über einen Ionenaustauscher 119 geleitet. Das Kühlsystem ist mit den auf Hochspannungspotenthil betriebenen Kühlmittelanschlüsscn der Elektroden über isolierende Leitungen verbunden.

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

Bei diesem Neutronengenerator ist die rohrförmige ?rallelektrode 120 im Bereich der Targetschicht konisch ausgebildet. Durch ein koaxial in die Prallelektrode eingesetztes, im Targetbereich ebenfalls koni-

sches Rohr 121 wird ein Kühlkanal 122 gebildet. Das Kühlmittel wird über eine isolierende, flexible Zuleitung 123 in das Rohr 121 gedruckt und mit hoher Geschwindigkeit durch den Ringkanal 122 am Targetrohr 120 entlanggeführt.

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 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 KoIIimationsrohr 129 mit zylindrischer oder schwach konischer Bohrung. Stimmt die Konizität des Kigels 128 mit derjenigen der Prallelektrode 120 angenähert überein, so ergeben sich günstige Verhältnisse für die Kollimation. Der Durchmesser der Bohrung des KoI-limationsrohres 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.

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 unc deren Abmessungen sind so gewählt, daß alle nich' strahlentherapeutisch zu behandelnden Teile des Patientenkörpers während der Dauer der Strahlenein wirkung nur relativ kleinen biologisch noch vertretbaren Strahlendosen ausgesetzt werden.

Die direkte Neutronenstrahlung wird durch dei Kollimator ausgeblendet. Der Kollimator kann durcl austauschbare Kollimationsrohre 129 mit unter schiedlicher Geometrie der Bohrung an spezifisch« Aufgaben angepaßt werden.

Die Abschirmkugel 130 ist mit einem Tragring 131 halbkardanisch aufgehängt und um die Achsen 13!

und 133 schwenkbar. Am Tragring 131 ist paralle zur Achse des Kollimators ein Teleskopgestänge 13« angeschlossen, an dessen Endpunkten 135 eil Schwenkgestcll 136 angelenkt und auf dessen Schie

ien 137 eine Patientenliege 138 verschiebbar angeardnet 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 Beirieb 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 Neutronengeneratorsi bestehen insbesondere darin, daß seine Abmessungen im Verhältnis zu konventionellen Neutronengeneratoren überraschend klein sind und wesentlich hoher« Leistungen iiber erheblich längere Targetstandzeiten erreicht werden. Bekannte Neutronengeneratoren mit abgeschlossenem Entladungssystem er2£ugen bei vergleichbaren Abmessungen Ne^ironenquellstärken, die um mehrere Größenordnungen kleiner sind.

Die Erfindung ermöglicht fen er den Bau großvulumiger Ringionenquellen mii: günstiger radialer Fokussierung der Ionen auf ein ;'.entrales Target. Dabei kann gleichzeitig die axiale Verteilung der lonenströmung auf der Oberfläche der Prallelektrcde, durch Wahl der Geometrie der Beschleunigungselektroden in vorbestimmter Weise ;ing<:s> ,1It werden und z. B. größer oder kleiner als die Lxiale 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 Innern aum 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 ίο 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 »5 effektive Neutronenquellfläche ringförmiger Gestalt mit entsprechend erhöhter wirksamer Emissionsdichte der Neutronenstrahlung zusammengezogen. Erst dadurch wird ein? günstige Kollimation des Neutronenstrahles unter weitgehender Vermeidung von Halbschattengebieten im Bestrahlungsfeld ermöglicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (18)

1. Patentansprüche:

   I. Neutronengenerator mit abgeschlossenem Hochspannungs-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 Prallelektrode mit hohem negativen Potential beschleunigt werden und in einem auf die Prallelektrode aufgebrachten Targetmaterial mit Hilfe von Kernreaktionen Neutronen erzeugen, wobei die Erzeugung der Ionen im Innern eines auf Anodenpotential betriebenen, zur Prallelektrode vollständig geöffneten metallischen Hohlkörpers (Anodene!"ktrode) erfolgt und die dem Beschleunigungsraum und der Prallelektrode zugewandte öffnung (Emissionsöffnung) des Hohlkörpers an ihrem Rand als Magnetpolfläche einer Polarität *o und die von der Prallelektrode abgewandte andere, der Emissionsöffnung gegenüberliegende Seite des Hohlkörpers als Magnetpolfläche anderer Polarität ausgebildet ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Entladungsraum, in dem die »5 Ionen erzeugt werden, ringförmig ausgebildet ist (Ringentladungsraum) und an der zur Achse des Ringentlaaungsraumes orientierten Innenseite desselben eine ebenfalls ringförmige öffnung (Emissionsöffnung) besitzt, durch die Ionen aus dem Ringentladungsrausn ir einen ebenfalls ringförmigen Beschleunigungsraum austreten und durch ein von dort angeordneten Elektroden erzeugtes radiales, konvergierendes elektrisches Feld auf eine rohrförmig ausgebildete Prallelektrode beschleunigt werden, die koaxial zu dem Ringentladungsraum angeordnet ist und an der von der Prallelektrode abgewandten Peripherie des Ringentladungsraumes im Innern des Hohlkörpers mit kleinem Abstand eine diese Seite nahezu vollständig überdeckende ringförmige Kathodenelektrode (Kathodenring) gegenübersteht und im Innern des Ringentladungsraumes ein radialer magnetischer Fluß durch einen im Bereich des Kathodenringes angeordneten magnetischen Polschuh einer Polarität und am Rande der Emissionsöffnung angeordnete Polschuhe der anderen Polarität durch den Ringentladungsraum geführt ist.
2. 2. Neutronengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Emissionsöffnung und Prallelektrode zwei in der Nähe des Potentials der Prallelektrode betriebene Beschleunigungselektroden angeordnet sind, deren axialer Abstand vor der Emissionsöffnung der Weite der Emissionsöffnung entspricht.
3. 3. Neutronengenerator nach den Ansprüchen 1 und 2,dadurch gekennzeichnet, daß anderäußeren 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.
4. 4. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rand der der Emissionen der Ionen dienenden öffnung des anodensekigen Magneijoches und der rohrförmigen Prallelektrode (54) zwei in der Nähe des Potentials der Prallelektrode betriebene tellerförmige Beschleunigungselektroden (56) auf beMen Seiten der Emissionsöffnung gegenüberstehend so angeordnet sind, daß sich deren axialer Abstand ausgehend von der Weite der Emissionsöffnung mit abnehmendem Radius auf die axiale Breite der auf das Target treffenden Ionenströtnung vergrößert.
5. 5. Neutronengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mitte! zur Erregung des Magnetflusses zwei den Entladupgsraum außerhalb der Vakuumhülle einschließende Elektromagnete angeordnet sind, deren Magnetjoche die kathodenseitige Magnetpolfläche und die Magnetpolflächen an dem der Prallelektrode zugewandten Rand der Emissionsöffnung der Anodenelektrode miteinander verbindet und die Erregerspulen umfaßt.
6. 6. Neutrojnengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Hohlkörper und/oder die kathodenseitige Magnetpolfläche, die Magnetpolflächen am Rand der Emissionsöfrnung und Teile des dem Beschleunigungsraum zugewandten Magnetjoches als Teil der Vakuumhülle des Entladungsraumes und des Beschleunigungsraumes ausgebildet sind.
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 Magnetspulen (32, 33) erzeugt ist und beide Spulen 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 dienende ringförmige öffnung angeordnet ist, deren Weite dem Abstand der Ringanoden entspricht.
8. 8. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und/oder das Vakuumgehäuse zum Durchleiten eines Kühlmittels mit Kühlkanälen versehen sind.
9. 9. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, 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 die Spulen und das Vakuumgehäuse kühlenden Kühlmittels gebildet wird.
10. 10. Neutronengenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenring (19) aus metallischen Rohren aufgebaut ist, deren Windungen miteinander verschweißt oder verlötet sind.
11. 11. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 10, dadurch gekenn-

    zeichnet, daß die Prallelektrode aus einem metallischen Rohr (52) zum Tragen der Konstruktion und einem im Bereich der Ionenströmung auf das Tragrohr bifilaraufgewickelten metallischen Rohr (54) zum Transportieren eines Kühlmittels gebildet ist, und die Windungen der Kühlmittelleitung miteinander verschweißt sind.
12. 12. Neutiunengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, 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.
13. 13. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Stirnsei'e der Ringionenquelle in Achsrichtung ein Hochspannungsisolator (75) vakuumdicht angeschlossen ist und das Tragrohr durch das Zentrum der Ringionenquelle und den Isolator geführt und an dessen äußerer Stirnseite vakuumdicht angeschlossen und das Tragrohr über den Anschlußpunkt hinausgeführt und mit einer Anschlußeinrichtung zum Einleiten von Gas in den Ringkanal zwischen Tragroiir (52) und Führungsrohr (81) versehen ist.
14. 14. Neutronengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsrohr (81) durch das Hochvakuumsystem des Neutronengenerators geführt und an zwei in axialer Richtung auf beiden Seiten der Prallelektrode angeordneten Isolatoren vakuumdicht angeschlossen ist.
15. 15. Neutronengenerator nach einem oder mehreren .ler Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine Kapsel (89) zum Aufnehmen einer mit Neutronen zu bestrahlen de η Probe, Mittel zum Einbringen der Kapsel in das Führungsrohr (81), Mittel zum Fixieren der Kapsel in dem von der Prallelektrode umschlossenen Teil des Führungsrohres während einer vorbestimmten Zeit zum Bestrahlen mit Neutronen.
16. ! 6. Neutronejigenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Prallelektrodi- ,;r\ 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.
17. 17. Neutronengeneratnr nach Anspruch 16. dadurch gekennzeichnet, daß an das Vakuumgehäuse auf de·, von dem Hochcpannungsisolator (75) abgewandten Seite Mitte! zum Kollimieren des von der Tärgetschicht ausgehenden Neutronenflusses angeschlossen sind.
18. 18. Neutronengenerator mich Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Kollimieren im wesentlichen aus einem F.rgänzungskegel (128) (Kollimationskegel) zu dem vom Target gebildete.! Kegelstumpf und einem Block mit durchgehender, konischer oder zylindrischer Bohrung(Kollimationskanal) (129) bestehen, und der Kollimationüicgel in den Eing;ingsteil des Kollimationskanals hineinragt, dessen Querschnitt dadurch in diesem Bereich ringiörmiu ist.

    Die Erfindung betrifft einen Neutronengenerator mit abgeschlossenem Hochspannungs-Niederdruckentladungssystem, 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 Prallelektrode mit hohem negativem Potential beschleunigt werden und in einem auf die Prallelektrode aufgebrachten Targetmaterial mit Hilfe von Kernreaktionen Neutronen erzeugen, wobei die Erzeugung der Ionen im Innern eines auf Anodenpotential betriebenen, zur Prallelektrode vollständig geöffneten metallischen Hohlkörpers (Anodenelektrode) erfolgt und die dem Beschleunigungsraum und der Prallelektrode zugewandte öffnung (Emissionsöffnung) des Hohlkörpers an ihrem Rand als Magnetpolfläche einer Polarität und die von der Prallelektrode abgewandte andere, der Emi=^rOnsöffnung gegenüberliegende Seite des Hohlkörpers als Magnetpolfläche anderer Polarität ausgebildet ist.

    In Neutronengeneratoren mit abgeschlossener Röhre werden Penning-Ionenquellen, Hochfrequen./-Ionenque!len oder unselbständige Niederdruckentladungssysteme mit Glühkathoden verwendet. Dabei kann die Ionisationswahrscheinlichkeit durch Vergrößern der Weglänge der Elektronen mit Hilfe von Magnetfeldern erhöht wurden. Solche abgeschlossenen Neutronengeneratoren erreichen Neutronenquellstärken von maximal 10" n/s bei Beschleunigungsspannungen 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 nichi an einer Pumpe betrieben weiden, sondern mit einer konstanten Füllung von Deuteriumgas D, und Tritiumgai T₂ 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-üchicht des Targets beim Aufprall der schweren Wasserstoffisotope bestimmt und beträgt bei voller Belastung und Targetstromdichten von etwa 1 ^r;iA/cm~ etwa HlOO Stunden.

    Ei ist bekannt, für die Erzeugung der Ionenstrome in abgeschlosrenen Neutronengene'atoren Penningionenquelien zu benutzen, in denen gekreuzte, vorzugsweise rüdiale elektrische und vorzugsweise axiale magnetische Felder in zylindersymmetrischen Systemen bei axiuier lonenabsaugung verwendet weiden. 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 bef'iidet sich eine Emissionsöffnung zum Austritt eines Teiles der in dem von der Anode umschlossenen Raum (Entladungsraum) erzeugten Ionen. Vor der Emissionsöffnung angeordn te Beschleunigungselektmden erzeugen ein elektrisches Hochspannungsf Id /um Beschleunigen der Ionen in Richtung üiif da¹- senkrecht /ur Anodenach.it angeordnete Target. Der aus der Ionenquelle >tU Ionen·