Mehrschichtiger Strahlenschutzbaukörper Multilayer radiation protection building
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft einen mehrschichtigenFIELD OF THE INVENTION The invention relates to a multilayered
Strahlenschutzbaukörper, insbesondere zur Abschirmung von Gamma- und/oder Teilchenstrahlung aus Hochenergie- und/oder Kernreaktionen und zur Verwendung als Wand, Boden oder Decke einer Strahlenschutzkammer.Radiation protection structure, in particular for shielding gamma and / or particle radiation from high energy and / or nuclear reactions and for use as a wall, floor or ceiling of a radiation protection chamber.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Hochenergiebeschleuniger für Teilchenstrahlen werden bisher hauptsächlich in der Grundlagenforschung genutzt. Anwendungen anderer Art z.B. zur Energieerzeugung werden im Zusammenhang mit der Trägheitsfusion diskutiert, wo Schwerionenbeschleuniger als Treiber für Kernfusionsreaktionen dienen.High-energy accelerators for particle beams have so far been used mainly in basic research. Other applications, e.g. energy generation is discussed in the context of inertial fusion, where heavy-ion accelerators serve as drivers of nuclear fusion reactions.
Ferner steht die Verwendung von Teilchenbeschleunigern in der Medizin zur Tiefen-Tumorbestrahlung kurz vor dem Übergang vom medizinischen Forschungsvorhaben zum anerkannten Heilverfahren. Kliniken für dedizierte Teilchenbestrahlungen werden zurzeit in Heidelberg, Deutschland gebaut (vgl. K. D. Gross, M. Pavlavic (Editors), Report of the DKFZ, GSI, and FZR (1998)) oder werden demnächst in München, Deutschland fertig gestellt (vgl. www.rptc.de, Rinecker Proton Therapy Center eine Einrichtung der PRO-HEALTH AG) .Furthermore, the use of particle accelerators in medicine for deep tumor irradiation is about to move from a medical research project to a recognized cure. Dedicated particle irradiation clinics are currently under construction in Heidelberg, Germany (see KD Gross, M.Pavlavic (Editors), Report of the DKFZ, GSI, and FZR (1998)) or will soon be completed in Munich, Germany (see www .rptc.de, Rinecker Proton Therapy Center an institution of PRO-HEALTH AG).
Europaweit sind verschiedene Anlagen für Ionentherapie in Planung wie z.B. die CNA in Italien, das Medaustron-Projekt in Österreich oder ein Beschleuniger am Karolinska-Hospital in
Stockholm. Seit mehreren Jahren in Betrieb ist die Protonentherapieanlage mit isozentrischer Gantry am PSI in Villigen in der Schweiz.Various ion therapy units are being planned throughout Europe, such as the CNA in Italy, the Medaustron project in Austria or an accelerator at the Karolinska Hospital in Stockholm. The proton therapy system with isocentric gantry has been in operation for several years at the PSI in Villigen in Switzerland.
Bei allen Anlagen stellt sich überall dort wo Strahlverluste oder Strahldeponierungen stattfinden das technische Problem, Abschirmmaßnahmen zu definieren, um die Strahlenpegel außerhalb dieser Bereiche zu reduzieren und insbesondere auf einem Niveau zu halten, so dass die Vorgaben (Grenzwerte) der jeweiligen nationalen Strahlenschutzgesetzgebungen eingehalten werden.In all systems, where beam losses or beam deposition occur, there is the technical problem of defining shielding measures in order to reduce the radiation levels outside these areas and, in particular, to maintain them at a level that complies with the requirements (limits) of the respective national radiation protection legislation.
An Beschleunigeranlagen und generell in der Kerntechnik werden bislang hauptsächlich Betonabschirmungen in Form von fest gegossenen Wänden und Decken verwendet. Alternativ kommen einzelne Abschirmmodule, die als Einzelteile zusammengesetzt eine Gesamtabschirmung ergeben zur Anwendung. Für spezielle Anforderungen an die Abschirmung können neben Normalbeton mit typischen Dichten im Bereich von 2,3 g/cm3 auch schwere Betonsorten mit entsprechenden Zuschlägen wie z.B. Magnetit-, Limonit- oder Barytbeton mit Dichten bis zu 3,6 g/cm3 verwendet werden (siehe auch DIN 25413) . Da diese Betonsorten jedoch kostenintensiv sind, wird in der Praxis zur Optimierung der Kosten und des erzielten Abschirmergebnisses zumeist Normalbeton verwendet.Until now, mainly concrete shields in the form of firmly cast walls and ceilings have been used on accelerator systems and in general in nuclear technology. Alternatively, individual shielding modules, which are assembled as individual parts result in an overall shielding. For special requirements on the shield, in addition to normal concrete with typical densities in the range of 2.3 g / cm 3 , heavy concrete types with corresponding aggregates such as magnetite, limonite or barite concrete with densities of up to 3.6 g / cm 3 can be used (see also DIN 25413). However, as these types of concrete are costly, in practice, normal concrete is used to optimize costs and the results of the screening.
Hochenergiebeschleuniger erzeugen, wenn Ionen in Materie abgebremst werden, durch Kernwechselwirkungen verschiedene Sekundärstrahlungen. Wird z.B. ein Ionenstrahl im Bereich von GeV pro Nukleon oder noch höher verwendet, wird verstärkt Pionenstrahlung in Richtung des Primärionenstrahls erzeugt. Dieser scharf gerichtete Pionenstrahl zerfällt in Myonen. Ferner entsteht vermehrt hochenergetische Neutronen- oder Photonenstrahlung.
Diese hochenergetische Strahlung hat eine sehr hohe Reichweite, sogar in sehr dichter Materie wie z.B. Beton.High energy accelerators, when ions are slowed down in matter, produce different secondary radiations through nuclear interactions. If, for example, an ion beam in the range of GeV per nucleon or even higher is used, pion radiation is increasingly generated in the direction of the primary ion beam. This sharply directed pion beam breaks up into muons. Furthermore, increasingly high-energy neutron or photon radiation is generated. This high-energy radiation has a very high range, even in very dense matter such as concrete.
Folglich muss bei sehr hohen Teilchenenergien wie z.B. für einen 30 GeV Protonenstrahl, der in Materie gestoppt wird, eine sehr lange bzw. dicke Abschirmung installiert werden. Deshalb weisen bislang bekannte Abschirmungen zum Teil sehr hohen Wandstärken auf, um die Strahlung wirksam abschirmen zu können.Consequently, at very high particle energies, e.g. for a 30 GeV proton beam stopped in matter, a very long or thick shielding will be installed. Therefore, previously known shields sometimes have very high wall thicknesses in order to be able to effectively shield the radiation.
Wenn also Beton als Abschirmmaterial verwendet wird, müssen daher große Mengen an Beton verarbeitet und in entsprechende vorgegebene Formen gegossen werden. Dies ist in mehrerer Hinsicht nachteilig.So if concrete is used as a shielding material, therefore, large quantities of concrete must be processed and poured into corresponding predetermined shapes. This is disadvantageous in several respects.
Derartige massive Betonabschirmungen werden nämlich durch Einbringen des flüssigen Betons in eine durch Eisenarmierungen verstärkte und durch Verschalungen vorgefertigte Form aufgebaut. Das verursacht in höchst nachteiliger Weise eine lange Bauzeit, denn für sehr starke Abschirmungen beträgt die Abbindungs- und Abkühlungsdauer des Betons im Bereich von bis zu einigen Monaten.Such massive concrete shields are namely built by introducing the liquid concrete into a reinforced by iron reinforcements and prefabricated by formwork form. This causes a long construction time in a highly disadvantageous manner, because for very strong shielding the setting and cooling time of the concrete is in the range of up to several months.
Darüber hinaus sind herkömmliche fest vergossene und abgebundene Betonabschirmungen unflexibel und schwierig wieder zu verwerten. Ist nämlich die Betonabschirmung einmal fertig gestellt, so kann sie nachträglich nur sehr schwierig oder nur mit sehr hohem Aufwand verändert werden. Der Beton ist gehärtet und die Stahlarmierungen innerhalb der Schicht machen es schwierig die Struktur der Abschirmung zu verändern.In addition, conventional hard-poured and set concrete shades are inflexible and difficult to recycle. Namely, once the concrete shield is completed, it can be changed only very difficult or only with great effort later. The concrete is hardened and the steel reinforcements within the layer make it difficult to change the structure of the shield.
Zum Beispiel ist aus der Druckschrift DE 103 27 466 Al eine Betondoppelwand bekannt, welche mit Ortbeton ausgefüllt wird, so dass eine kompakte Betonschicht erhalten wird. Zwar können
dem Ortbeton Schwerstoffe zugesetzt werden, um den Strahlenschutz zu verstärken, jedoch werden diese in den Ortbeton eingebunden, so dass die vorstehend bezeichneten Nachteile einer vergossenen ausgehärteten Betonwand ebenfalls vorhanden sind. Insbesondere nachteilig ist die geringeFor example, the document DE 103 27 466 A1 discloses a concrete double wall which is filled with in-situ concrete, so that a compact concrete layer is obtained. Although you can the in-situ concrete heavy materials are added to enhance the radiation protection, but these are incorporated into the in-situ concrete, so that the above-mentioned disadvantages of a potted hardened concrete wall are also present. Particularly disadvantageous is the low
Schwerstoffdichte in dem Ortbeton, so dass das Verhältnis aus Dicke zu Abschirmwirkung weiter verbesserungswürdig ist. Generell wird hier versucht, den Schwierigkeiten mit einer Vielzahl von Schichten Herr zu werden, was den Aufbau jedoch übermäßig kompliziert macht. Ferner scheint diese Anordnung lediglich für bestimmte Anwendungsgebiete ausgelegt zu sein.Heavy material density in the in-situ concrete, so that the ratio of thickness to shielding further improvement. In general, this is an attempt to cope with the difficulties of a variety of layers, which makes the structure, however, overly complicated. Furthermore, this arrangement seems to be designed only for specific fields of application.
Heutzutage erhält ferner die Wiederverwertung von Rohstoffen eine immer größere Bedeutung. Eine Wiederverwertung des ausgehärteten Betons ist jedoch nahezu unmöglich.Today, the recycling of raw materials is becoming increasingly important. However, recycling the hardened concrete is almost impossible.
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen mehrschichtigen Strahlenschutzbaukörper, insbesondere zur Abschirmung von hochenergetischer Gamma- und/oderThe invention therefore has the task of a multi-layer radiation protection structure, in particular for the shielding of high-energy gamma and / or
Teilchenstrahlung aus Hochenergie- und/oder Kernreaktionen und zur Verwendung als Wand, Boden oder Decke einer Strahlenschutzkammer bereit zu stellen, welcher die vorstehend genannten Anforderungen zumindest teilweise erfüllt und die Nachteile bekannter Techniken vermeidet oder zumindest mindert.To provide particle radiation from high energy and / or nuclear reactions and for use as a wall, floor or ceiling of a radiation protection chamber, which at least partially meets the above requirements and avoids or at least reduces the disadvantages of known techniques.
Insbesondere ist es eine Aufgabe einen derartigen Strahlenschutzbaukörper und eine Strahlenschutzkammer bereit zu stellen, welche schnell, kostengünstig und mit geringem Aufwand herzustellen sowie aufzubauen und auch wieder abzubauen sind und deren Bestandteile gut wieder zu verwerten sind.In particular, it is an object to provide such a radiation protection structure and a radiation protection chamber, which are quick, inexpensive and inexpensive to produce and build and also dismantle again and their components are good to recycle.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen derartigen Strahlenschutzbaukörper bereit zu stellen, welcher bei hoher Abschirmwirkung eine möglichst geringe Gesamtdicke aufweist.
Noch eine Aufgabe ist es, einen derartigen Strahlenschutzbaukörper bereit zu stellen, welcher relativ flexibel an Veränderungen in der gewünschten Strahlungsabschirmcharakteristik anpassbar ist.A further object is to provide such a radiation protection construction body which has the lowest possible overall thickness with a high shielding effect. Yet another object is to provide such a radiation protection structure which is relatively flexibly adaptable to changes in the desired radiation shielding characteristic.
Die Aufgabe wird in überraschend einfacher Weise bereits durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.The problem is solved in a surprisingly simple way already by the subject-matter of patent claim 1. Advantageous developments of the invention are defined in the subclaims.
Erfindungsgemäß wird ein mehrschichtigerAccording to the invention, a multilayer
Strahlenschutzbaukörper bereit gestellt, welcher insbesondere zur Abschirmung von Gamma- und/oder Teilchenstrahlung aus Hochenergie- und/oder Kernreaktionen und zur Verwendung alsRadiation protection structure provided, which in particular for the shielding of gamma and / or particle radiation from high energy and / or nuclear reactions and for use as
Wand, Boden oder Decke einer Strahlenschutzkammer hergerichtet ist. Der Strahlenschutzbaukörper oder dasWall, floor or ceiling of a radiation protection chamber is prepared. The radiation protection building or the
Strahlenschutzbauelement weist zumindest eine erste und zweite feste Tragschicht, z.B. jeweils eine Normalbetonplatte, und zumindest eine erste Strahlungsabschirmschicht auf. Die ersteRadiation protection device comprises at least a first and second solid support layer, e.g. each a normal concrete slab, and at least a first Strahlungsabschirmschicht on. The first
Strahlungsabschirmschicht ist dabei zwischen der ersten und zweiten Tragschicht angeordnet, dergestalt dass ein sandwichartiger Aufbau gebildet wird.Radiation shielding layer is arranged between the first and second support layer, such that a sandwich-like structure is formed.
Die erste Strahlungsabschirmschicht besteht aus einemThe first radiation shielding layer consists of a
Gammastrahlung und/oder hochenergetische Teilchenstrahlung abschwächenden ersten Abschirmmaterial, welches im Betriebszustand des Strahlenschutzbaukörpers als loses oder verdichtetes, also insbesondere ungebundenes Füllmaterial zwischen der ersten und zweiten Tragschicht vorgesehen ist. Somit ist die Gammastrahlung und/oder hochenergetische Teilchenstrahlung abschwächende erste Strahlungsabschirmschicht als eine erste lose oder verdichtete Füllschicht ausgebildet.
Dabei ist das erste Abschirmmaterial als Schüttgut in Form von körnigem Rohmaterial zwischen den beiden Tragschichten angeordnet, wobei die beiden Tragschichten als zwei getrennte Schichten erhalten bleiben.Gamma radiation and / or high-energy particle radiation attenuating first shielding material, which is provided in the operating state of the radiation protection structure as a loose or compacted, ie in particular unbound filling material between the first and second support layer. Thus, the gamma radiation and / or high energy particle radiation attenuating first radiation shielding layer is formed as a first loose or densified filling layer. Here, the first shielding material is arranged as bulk material in the form of granular raw material between the two support layers, wherein the two support layers are retained as two separate layers.
Mit anderen Worten ist das erste Abschirmmaterial vorzugsweise nicht mit Beton oder einem anderen abgebundenen Baumaterial unter Bildung einer festen Schicht vermischt, sondern bleibt insbesondere für die gesamte Dauer der Anwendung als eine ungebundene Schüttung, so dass eine zumindest teilweiseIn other words, the first shielding material is preferably not mixed with concrete or other set building material to form a solid layer, but remains, in particular, for the entire duration of the application as an unbound bed, so that at least partially
Funktionstrennung zwischen Trag- und Abschirmschirmfunktion der Tragschichten bzw. Strahlungsabschirmschichten erzielt wird.Functional separation between support and Abschirmschirmfunktion the support layers or Strahlungsabschirmschichten is achieved.
Das erste Abschirmmaterial erfüllt nämlich auch in ungebundener und unbearbeiteter Form seine Abschirmfunktion gegen hochenergetische Strahlung, wobei aber ein erheblich verringerter Aufwand im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren anfällt.Namely, the first shielding material also fulfills its shielding function against high-energy radiation even in unbound and unprocessed form, but a considerably reduced outlay arises in comparison with the previously known methods.
Vorteilhafter Weise kann bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Strahlenschutzbaukörpers mit der aufgeschütteten ersten Strahlungsabschirmschicht eine längere Abbindungs- und Abkühlphase entfallen, so dass die Gesamtaufbauzeit verkürzt werden kann.Advantageously, a longer setting and cooling phase can be dispensed with in the production of the radiation protection structure according to the invention with the heaped-up first radiation shielding layer, so that the overall construction time can be shortened.
Ferner kann die äußere Form der Abschirmung leichter verändert werden als bei massiven vergossenen Betonabschirmungen. Bei der Erfindung ist es ist nämlich lediglich notwendig, die Verschalungen oder Tragschichten baulich zu verändern. Diese sind bei dem erfindungsgemäßenFurthermore, the outer shape of the shield can be changed more easily than with solid potted concrete shields. In fact, in the case of the invention, it is only necessary to structurally change the formwork or base layers. These are in the inventive
Aufbau vorzugsweise lediglich einige 10 cm stark, z.B. dünner als 50 cm, 40 cm, 30 cm oder 20 cm und/oder von geringerer Dicke als die erste Strahlungsabschirmschicht. Es wird zunächst das lose oder verdichtete Abschirmmaterial oder Schüttgut ausgebaut, nachfolgend werden die Tragschichten
umgebaut und anschließend kann dasselbe Schüttgut wieder eingebracht werden. Dies ist verhältnismäßig einfach möglich und es wird sogar ein Doppelnutzen erzielt. Einerseits wird kein neues teures Abschirmmaterial benötigt und andererseits muss dass ausgebaute Abschirmmaterial nicht entsorgt werden. Dies ist gerade bei radioaktivem Material, dessen Entsorgung erhebliche Probleme aufwirft, ein erheblicher Vorteil.Structure preferably only a few tens of centimeters thick, eg thinner than 50 centimeters, 40 centimeters, 30 centimeters or 20 centimeters and / or of lesser thickness than the first radiation shielding layer. First, the loose or compacted shielding material or bulk material is removed, subsequently the base layers become rebuilt and then the same bulk material can be re-introduced. This is relatively easy and it is even achieved a double benefit. On the one hand no new expensive shielding material is needed and on the other hand, that removed shielding material must not be disposed of. This is a considerable advantage, especially with radioactive material whose disposal poses considerable problems.
Der erfindungsgemäße Aufbau ist jedoch auch beim endgültigen Abbruch und der Entsorgung der Anlage nach deren Nutzung vorteilhaft. Auch hier lässt sich durch die Erfindung der Aufwand entsprechend reduzieren. Die Tragschichten und das Abschirmmaterial oder Schüttgut können darüber hinaus getrennt abgebaut werden und insbesondere letzteres lässt sich für andere Anwendungen wieder verwenden. Eine mühsam abgebaute dick vergossene herkömmliche Betonwand ist für Strahlenschutz-Abschirmungen auch in der Kerntechnik in der Regel nicht mehr verwendbar.However, the structure according to the invention is also advantageous in the event of final demolition and disposal of the installation after it has been used. Again, the effort can be reduced accordingly by the invention. The support layers and the shielding material or bulk material can be dismantled separately beyond and in particular the latter can be used again for other applications. A laboriously dismantled thickly poured conventional concrete wall is for radiation protection shields in nuclear technology usually no longer usable.
Es hat sich als vorteilhaft einfach erwiesen, die erste und/oder zweite Tragschicht aus einheitlichen oder homogenen Baustoffplatten, insbesondere Betonplatten herzustellen und diese vor Ort zusammenzusetzen. Dabei mögen zwar die Betonplatten ggf. zur Stabilisierung armiert sein, jedoch enthalten die Betonplatten vorzugsweise keine weiteren Schwerstoffzusätze und der Bereich zwischen den Baustoffplatten, in welchen das Abschirmmaterial eingeschüttet wird, kann bevorzugt armierungslos bleiben, da das Abschirmmaterial im Wesentlichen keine Tragfunktion erfüllen muss. Insbesondere werden dem flüssigen Beton vorzugsweise keine Schwerstoffe oder Metalle beigemischt.It has proven to be advantageous simple to produce the first and / or second support layer of uniform or homogeneous building material, in particular concrete slabs and to assemble them on site. Although the concrete slabs may possibly be reinforced for stabilization, however, the concrete slabs preferably contain no further heavy material additives and the area between the building material slabs in which the shielding material is poured in may preferably remain devoid of armor since the shielding material has essentially no supporting function. In particular, heavy materials or metals are preferably added to the liquid concrete.
Vorzugsweise ist die erste Strahlungsabschirmschicht als Spallationsschicht ausgebildet, so dass eine effektive
Strahlungsabschirmung hochenergetischer Teilchenstrahlung gewährleistet ist.Preferably, the first radiation shielding layer is formed as a spallation layer, so that an effective Radiation shielding high-energy particle radiation is guaranteed.
Ebenfalls zur Abschirmung hochenergetischer Gamma- und/oder Teilchenstrahlung enthält das erste Abschirmmaterial in vorteilhafter Weise als Hauptbestandteil Elemente mit einer Kernladungszahl von größer als 20, insbesondere größer als 25, wobei der Anteil der Elemente mit einer Kernladungszahl von größer als 20 bzw. 25 an dem ersten Abschirmmaterial bevorzugt zumindest 20 Gew.-%, insbesondere zumindest 40 Gew.-%, 60 Gew.-% oder 65 Gew.-% beträgt.Likewise for shielding high-energy gamma and / or particle radiation, the first shielding material advantageously contains as main component elements having an atomic number greater than 20, in particular greater than 25, the proportion of elements having an atomic number greater than 20 or 25 at the atomic number first shielding material preferably at least 20 wt .-%, in particular at least 40 wt .-%, 60 wt .-% or 65 wt .-% is.
Ferner ist es von Vorteil für die Abschirmwirkung, wenn das erste Abschirmmaterial, z.B. durch entsprechende Materialauswahl und/oder Verdichtung eine Dichte von zumindest 2 g/cm3, insbesondere zumindest 3 g/cm3, 3,5 g/cm3, 4 g/cm3 oder 5 g/cm3 aufweist, weil dadurch die Wandstärke verringert werden kann.Furthermore, it is advantageous for the shielding effect if the first shielding material, for example by appropriate selection of material and / or densification, has a density of at least 2 g / cm 3 , in particular at least 3 g / cm 3 , 3.5 g / cm 3 , 4 g / cm 3 or 5 g / cm 3 , because thereby the wall thickness can be reduced.
Als erstes Abschirmmaterial wird insbesondere ein Metall und/oder ein Metallverbindungen enthaltendes Material vorgeschlagen.The first shielding material proposed is, in particular, a material containing metal and / or metal compounds.
Besonders einfach und kostengünstig ist es, metallhaltiges Erz, insbesondere Eisenerz als das erste Abschirmmaterial einzusetzen.It is particularly simple and cost-effective to use metal-containing ore, in particular iron ore, as the first shielding material.
In vorteilhafter Weise kann also körniges, insbesondere grob- oder feinkörniges Rohmaterial als Abschirmmaterial verwendet werden, welches unmittelbar aus dem Abbau der Lagerstätten stammt und nicht oder nur geringfügig verarbeitet wird.Advantageously, therefore, granular, in particular coarse or fine-grained raw material can be used as a shielding, which comes directly from the dismantling of the deposits and is not or only slightly processed.
Das geeignete erste Abschirmmaterial kann auch anhand der sogenannten Zehntelwertschichtdicke der in Frage kommenden
Materialen ausgewählt werden. Eine Zehntelwertschichtdicke ist hierbei die notwendige Schichtdicke, um die ursprüngliche Dosisleistung um einen Faktor 10 zu reduzieren.The suitable first shielding material may also be based on the so-called tenth-value layer thickness of the candidate Materials are selected. A tenth-value layer thickness is the necessary layer thickness to reduce the original dose rate by a factor of 10.
Nach Sullivan werden gemäß Tabelle 1 folgende Werte für die Zehntelwertschichtdicken hochenergetischer Neutronenstrahlung für verschiedene Materialien angegeben (vgl. A.H. Sullivan, A Guide to Radiation and Radioactivity Levels near High Energy Particle Accelerators, Nuclear Technology Publishing, Ashford, Kent (1992) ) :According to Sullivan, the following values are given for the tenth-value layer thicknesses of high-energy neutron radiation for various materials according to Table 1 (see A.H. Sullivan, A Guide to Radiation and Radioactivity Levels near High Energy Particle Accelerators, Nuclear Technology Publishing, Ashford, Kent (1992)):
Tabelle 1:Table 1:
Verschiedene Materialien zur Schwächung von hochenergetischer Teilchenstrahlung mit Zehntelwertschichtdicken Di/10.Various materials for attenuation of high-energy particle radiation with tenth-layer thicknesses Di / 10 .
Bevorzugt wird das erste Abschirmmaterial derart ausgewählt, dass die erste Strahlungsabschirmschicht für hochenergetische Teilchenstrahlung, insbesondere hochenergetischePreferably, the first shielding material is selected such that the first radiation shielding layer for high-energy particle radiation, in particular high-energy
Neutronenstrahlung, eine Zehntelwertschichtdicke von kleiner als 75 cm, insbesondere kleiner als 70 cm, kleiner als 60 cm oder kleiner als 50 cm aufweist.Neutron radiation, a Zehntelwertschichtdicke of less than 75 cm, in particular less than 70 cm, smaller than 60 cm or smaller than 50 cm.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist einen Doppel-Sandwichaufbau auf, bei welchem zwei lose oder verdichtete Strahlungsabschirmschichten, insbesondere aus unterschiedlichem Material zwischen zwei Tragschichten und einer Trennwand oder Zwischenschicht zur Trennung der beiden
Füllschichten vorgesehen sind, so dass der Strahlenschutzbaukörper folgende Schichtenreihenfolge aufweist:A particularly preferred embodiment of the invention has a double-sandwich construction in which two loose or compacted radiation shielding layers, in particular made of different material between two support layers and a partition wall or intermediate layer for the separation of the two Fill layers are provided so that the radiation protection structure has the following layer order:
- erste Tragschicht,- first base course,
- erstes Strahlungsabschirmmaterial, - Zwischenschicht,first radiation shielding material, intermediate layer,
- zweites Strahlungsabschirmmaterial,second radiation shielding material,
- zweite Tragschicht.- second base course.
Eine solche Anordnung kann besonders effektiv an die Erfordernisse bei der Abschirmung zunächst hochenergetischer Strahlung angepasst werden.Such an arrangement can be particularly effectively adapted to the requirements of the shielding of high-energy radiation.
Die Trennwand kann z.B. auch als eine Folie oder ein Metallblech ausgeführt sein.The partition may e.g. also be designed as a foil or a metal sheet.
Eine überraschende Erkenntnis der Erfindung liegt darin, dass mit einer Vereinfachung des Aufbaus ein in vieler Hinsicht verbessertes Ergebnis erzielt werden kann.A surprising finding of the invention is that with a simplification of the construction, a result improved in many respects can be achieved.
Das zweite Abschirmmaterial umfasst oder besteht aus einem Neutronen moderierenden und/oder absorbierenden Material.The second shielding material comprises or consists of a neutron moderating and / or absorbing material.
Hierfür kommen besonders Materialen, welche alsFor this come especially materials, which as
Hauptbestandteil Elemente mit einer Kernladungszahl von kleiner als 25, insbesondere kleiner als 20 enthalten in Betracht.Main constituent Elements with an atomic number less than 25, in particular less than 20, are considered.
Diese Materialien besitzen typischer Weise auch eine geringere Dichte als das erste Abschirmmaterial, nämlich vorzugsweise höchstens 3,5 g/cm3, insbesondere höchstens 3 g/cm3, 2 g/cm3 oder 1,8 g/cm3.These materials also typically have a lower density than the first shielding material, namely preferably at most 3.5 g / cm 3 , in particular at most 3 g / cm 3 , 2 g / cm 3 or 1.8 g / cm 3 .
Als Neutronen moderierendes und/oder absorbierendes Material kommen beispielhaft folgende Materialien in Betracht: Bon0, Gadoliniuπ\i57, Gadolinium^, Cadmiumn3 oder Lithiumε. Es kann auch Gips mit einem Zusatz eines Neutronen absorbierenden Materials eingesetzt werden.
Es kann unter Umständen auch vorteilhaft sein, als zweite Strahlungsabschirmschicht eine flüssige Schicht, z.B. aus in Wasser gelöstem Bor zu verwenden.As a neutron moderating and / or absorbent material are exemplified the following materials are suitable: Bon 0, Gadoliniuπ \ i 57, gadolinium ^, Cadmiumn 3 or Lithiumε. It is also possible to use gypsum with an addition of a neutron-absorbing material. Under certain circumstances, it may also be advantageous to use as the second radiation shielding layer a liquid layer, for example of boron dissolved in water.
Besonders bevorzugt, aufgrund seiner neutronenmoderierendenParticularly preferred, due to its neutron moderating
Wirkung ist ein wasserstoffhaltiges oder wasserhaltiges zweites Abschirmmaterial. Insbesondere Gips hat sich wegen des gebundenen Wasseranteils als geeignet erwiesen, um erzeugte Neutronenstrahlung zu streuen und zu absorbieren.Effect is a hydrogen-containing or hydrous second shielding material. In particular, gypsum has proven to be suitable because of the bound water content to scatter and absorb generated neutron radiation.
Mit einer Mahrzahl der erfindungsgemäßen Strahlenschutzbaukörper lässt sich schließlich eine Strahlenschutzkammer für einen Reaktionsplatz an einem Teilchenbeschleuniger aufbauen, wobei die Strahlenschutzbaukörper Wände, Boden und/oder Decke der Strahlenschutzkammer bilden.Finally, with a number of radiation protection structures according to the invention, it is possible to build up a radiation protection chamber for a reaction site on a particle accelerator, the radiation protection structures forming walls, floors and / or ceilings of the radiation protection chamber.
Besonders vorteilhaft ist wiederum die erfindungsgemäße Funktionstrennung zwischen der Tragfunktion und der Strahlungsabschirmfunktion der jeweiligen Schichten, dergestalt, dass die Tragschichten die Statik des Strahlenschutzbaukörpers und der Kammer gewährleisten und die erste und/oder zweite Strahlungsabschirmschicht im Wesentlichen lediglich eine Strahlungsabschirmfunktion erfüllen.Particularly advantageous again is the separation of functions according to the invention between the support function and the radiation shielding function of the respective layers, such that the support layers ensure the statics of the radiation protection structure and the chamber and the first and / or second radiation shielding layer essentially only fulfill a radiation shielding function.
Die Strahlenschutzkammer weist vorzugsweise zunächst ein Eintrittsbereich für einen von dem Teilchenbeschleuniger erzeugten Hochenergiestrahl auf, welcher an einem Reaktionsplatz in der Kammer auf ein Target trifft.The radiation protection chamber preferably initially has an entry region for a high-energy beam generated by the particle accelerator, which strikes a target at a reaction site in the chamber.
Insbesondere weist der Strahlenschutzbaukörper einen asymmetrischen Schichtaufbau auf, wobei die erste Strahlungsabschirmschicht auf der dem Target zugewandten Seite und die zweite Strahlungsabschirmschicht auf der dem Target abgewandten Seite angeordnet sind, d.h. insbesondere dass der
zur Strahlenquelle zugewandte Teil der Abschirmung aus Materialien mit höherer Kernladungszahl Z, z.B. Metall oder Metallerz, besteht.In particular, the radiation protection construction body has an asymmetric layer structure, wherein the first radiation shielding layer on the side facing the target and the second radiation shielding layer are arranged on the side facing away from the target, ie in particular that to the radiation source facing part of the shield of materials with higher atomic number Z, for example, metal or metal ore exists.
Es hat sich ferner herausgestellt, dass es unter Umständen genügt, den Strahlenschutzbaukörper in Vorwärtsrichtung mit beiden vorgenannten Strahlungsabschirmschichten zu versehen. Die lateralen Strahlenschutzkörper benötigen nämlich zumeist lediglich eine Schicht aus dem zweiten Abschirmmaterial. Mit anderen Worten weist die Strahlenschutzkammer abschnittsweise die erste und zweite Strahlungsabschirmschicht auf.It has also been found that under certain circumstances it is sufficient to provide the radiation protection structure in the forward direction with both of the aforementioned radiation shielding layers. In fact, the lateral radiation protection bodies usually require only one layer of the second shielding material. In other words, the radiation protection chamber has, in sections, the first and second radiation shielding layers.
Der Grund für diese Anordnung liegt darin, dass hochenergetische Hadronen wie z.B. schnelle Neutronen, aber auch Protonen, Pionen und Myonen im Wesentlichen inThe reason for this arrangement is that high energy hadrons such as e.g. fast neutrons, but also protons, pions and muons essentially in
Vorwärtsrichtung aus dem Target emittiert werden und in dem ersten Abschirmmaterial Kernwechselwirkungen mit erhöhter Wahrscheinlichkeit erfahren und dabei in Spallationsreaktionen zumeist Protonen, Kernfragmente und Neutronen geringerer Energie erzeugt werden.Forward direction are emitted from the target and experience in the first shielding material core interactions with increased probability and are generated in spallation reactions mostly protons, nuclear fragments and neutrons of lower energy.
Diese Reaktionsprodukte geringerer Energie werden in der zweiten Strahlungsabschirrαschicht effizient geschwächt, ebenso wie lateral und nach rückwärts emittierte Strahlung von geringerer Energie aus dem Target.These lower energy reaction products are efficiently attenuated in the second radiation suppression layer, as well as laterally and backwardly emitted, lower energy radiation from the target.
Je nach Strahlenschutzanwendung kann es jedoch auch von Vorteil sein, nicht nur einen im Wesentlichen geschlossenen äußeren Käfig aus dem zweiten Abschirmmaterial, sondern auch einen inneren Käfig aus dem ersten Abschirmmaterial zu bilden.However, depending on the radiation protection application, it may also be advantageous to form not only a substantially closed outer cage made of the second shielding material but also an inner cage of the first shielding material.
Vorzugsweise weist die Kammer dennoch einen Zugangsbereich für Personen, z.B. in Form einer versenkbaren Strahlenschutztür oder eines labyrinthförmigen Eingangsbereichs auf.
Weiter kann vorgesehen sein, eine zusätzliche lose oder verdichtete Strahlungsabschirmschicht aus einem Material zu verwenden, welches beim Abruch von Abschirmungen von kerntechnischen Anlagen anfällt.The chamber nevertheless preferably has an access area for persons, for example in the form of a retractable radiation protection door or a labyrinth-shaped entrance area. Furthermore, provision may be made for using an additional loose or compacted radiation shielding layer made of a material which is obtained when shielding nuclear installations.
Die Erfindung gewährleistet demnach selbst unter extremen Bedingungen insbesondere:The invention thus ensures even under extreme conditions in particular:
1. Eine wirksame Schwächung von allen Arten an Strahlungen (Neutronen, Photonen, Pionen, Myonen, Protonen) .1. An effective weakening of all types of radiation (neutrons, photons, pions, muons, protons).
2. Eine möglichst geringe Aktivierung im Betrieb, bzw. ein schnelles Abklingen der erzeugten Radioaktivität.2. The lowest possible activation during operation, or a rapid decay of the generated radioactivity.
3. Die Möglichkeit der Wiederverwendung der Abschirmmaterialien oder entsprechend einfache Entsorgung der Materialien auch nach längerer Nutzungsphase.3. The possibility of reusing the shielding materials or correspondingly easy disposal of the materials even after a long period of use.
4. Einen verringerten Aufwand bei der Errichtung (von Vorteil ist diesbezüglich z.B. die fehlende Wärmeentwicklung von abbindendem Beton) und beim Abbau der Abschirmung. Dadurch wird ein vereinfachter Rückbau im Vergleich zur festen Betonstruktur erzielt.4. A reduced effort in the construction (in this regard, for example, the lack of heat from setting concrete) and the degradation of the shield. This achieves a simplified dismantling compared to the solid concrete structure.
5. Ein Standhalten unter zum Teil sehr hohen Strahlenpegeln. Dabei treten bei geeigneter Materialauswahl keine oder nur geringe chemische Veränderung der Abschirmmaterialien auf.5. A situation under sometimes very high levels of radiation. With a suitable material selection, no or only a small chemical change of the shielding materials occurs.
6. Eine Erfüllung der Schutzbestimmungen, insbesondere Brandschutzbestimmungen, d.h. unter anderem Standfestigkeit gegen thermische Einwirkung und Einwirkung von gefährlichen Stoffen wie z.B. Laugen und Säuren sowie geringe Freisetzung von Schadstoffen.6. Compliance with the protective provisions, in particular fire safety regulations, i. including resistance to thermal effects and exposure to hazardous substances such as Lyes and acids as well as low release of pollutants.
7. Die Möglichkeit der Abänderung einer Anordnung aus Strahlenschutzbaukörpern an veränderte räumliche Anforderungen z.B. durch Hinzufügen von neuen Bestrahlungsbereichen an einem Beschleuniger.
8. Die Vermeidung von Spalten zwischen den Abschirmwänden durch die die Strahlung transportiert werden könnte.7. The possibility of modifying an arrangement of radiation protection structures to changed spatial requirements, for example by adding new irradiation areas on an accelerator. 8. The avoidance of gaps between the shielding walls through which the radiation could be transported.
9. Die Möglichkeit der stärkeren Nutzung von industriell vorgefertigten Bauteilen. 10. Eine Reduktion des Energieaufwands für die Errichtung und den Abbau der Abschirmung.9. The possibility of greater use of industrially prefabricated components. 10. A reduction of the energy expenditure for the construction and the dismantling of the shielding.
11. Eine Reduktion der Errichtungs- und Abbauzeiten.11. A reduction in construction and dismantling times.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.In the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments and with reference to the drawings, wherein the same and similar elements are provided in part with the same reference numerals and the features of the various embodiments can be combined.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen mehrschichtigen Strahlenschutzbaukörpers I1 1 shows a cross section through an exemplary embodiment of the multilayer radiation protection structure I 1 according to the invention
Fig. 2 einen schematischen Horizontalschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strahlenschutzkammer 50,2 shows a schematic horizontal section through a first exemplary embodiment of the radiation protection chamber 50 according to the invention,
Fig. 3 eine mit einem Strahlungstransportprogramm ermittelte resultierende Dosisverteilung in Form vonFIG. 3 shows a resulting dose distribution in the form of a radiation transport program. FIG
Isodosislinien für die Strahlenschutzkammer 50 aus Fig. 2, Fig. 4 einen schematischen Horizontalschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strahlenschutzkammer 50 mit einem Therapieplatz zurIsodosislinien for the radiation protection chamber 50 of FIG. 2, Fig. 4 is a schematic horizontal section through a second embodiment of the radiation protection chamber 50 according to the invention with a therapy space for
Protonen- oder Ionenbestrahlung und Fig. 5 einen schematischen Horizontalschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strahlenschutzkammer 50 mit einem Therapieplatz zur Ionenbestrahlung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung In Fig. 1 ist ein beispielhafter Aufbau eines erfindungsgemäßen Strahlenschutzbaukörpers 1 dargestellt. Der Strahlenschutzbaukörper besitzt als Tragschichten eine Innen- und eine Außenwand 2, 4 bestehend aus Beton, eine erste metallhaltige Strahlungsabschirmschicht 6 bestehend aus Eisenerz und eine zweite Strahlungsabschirmschicht 8 bestehend aus Gips (CaSO4-2H2O) . Die Gipsschicht 8 weist einen hohen Wasseranteil auf. Das Eisenerz 6 und/oder der Gips 8 sind als Abschirmmaterialien jeweils in loser Schüttung eingebaut oder beim Einbau verdichtet, um eine höhere Abschirmwirkung zu erzielen. Die so hergestellten Strahlungsabschirm- oder Füllschichten 6, 8 bleiben jedoch dauerhaft ungebunden und sind insbesondere nicht mit Beton vermischt. Die Eisenerzschüttung 6 und die Gipsschüttung 8 sind durch eine Zwischenwand 10 getrennt. Folglich besteht der Strahlenschutzbaukörper 1 in dieser Ausführungsform aus, insbesondere genau, fünf Schichten, nämlich - in der Reihenfolge von innen nach außen - aus der ersten (Beton-)Tragschicht 2, der ersten (Eisenerz-) Strahlungsabschirmschicht 6, der (Beton-) Trennwand 10, der zweiten (Gips-) Strahlungsabschirmschicht 8 und der zweiten (Beton-)Tragschicht 2.5 shows a schematic horizontal section through a third exemplary embodiment of the radiation protection chamber 50 according to the invention with a therapy station for ion irradiation. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG. 1 shows an exemplary structure of a radiation protection building 1 according to the invention. The radiation protection structure has as support layers an inner and an outer wall 2, 4 consisting of concrete, a first metal-containing Strahlungsabschirmschicht 6 consisting of iron ore and a second Strahlungsabschirmschicht 8 consisting of gypsum (CaSO 4 -2H 2 O). The gypsum layer 8 has a high water content. The iron ore 6 and / or the gypsum 8 are installed as shielding materials in each case in bulk or compacted during installation in order to achieve a higher shielding effect. However, the radiation shielding or filling layers 6, 8 thus produced remain permanently unbonded and, in particular, are not mixed with concrete. The iron ore bed 6 and the gypsum bed 8 are separated by an intermediate wall 10. Consequently, in this embodiment, the radiation protection building body 1 consists, in particular precisely, of five layers, namely, in the order from the inside to the outside, of the first (concrete) supporting layer 2, the first (iron ore) radiation shielding layer 6, the (concrete) Partition wall 10, the second (gypsum) Strahlungsabschirmschicht 8 and the second (concrete) support layer. 2
Das eingesetzte Eisenerz variiert in der Zusammensetzung entsprechend seiner Herkunft. Beispiele sind in Tabelle 2 angegeben.The iron ore used varies in composition according to its origin. Examples are given in Table 2.
Tabelle 2:Table 2:
Hauptbestandteile der Eisenerze aus verschiedenen Lagerstätten in %:
1 - Kiruna B (Schweden) ,Main constituents of iron ores from different deposits in%: 1 - Kiruna B (Sweden),
2 - Itabira CBPO (Brasilien) ,2 - Itabira CBPO (Brazil),
3 - Svappavaara D (Schweden) ,3 - Svappavaara D (Sweden),
4 - Carol Lake Pellets (Kanada) und4 - Carol Lake Pellets (Canada) and
5 - Sydvaranger Konz. (Norwegen)5 - Sydvaranger Conc. (Norway)
(aus Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4 Auflage, 1975, Verlag Chemie, Weinheim/Bergstraße) .(from Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 4 Edition, 1975, Verlag Chemie, Weinheim / Bergstrasse).
Fig. 1 zeigt die Anordnung mit der erfindungsgemäßenFig. 1 shows the arrangement with the invention
Funktionstrennung der Schichten, in solche die einerseits die Statik des Strahlenschutzbaukörpers 1 gewährleisten, nämlich zumindest die Innen- und Außenwand als Tragschichten 2, 4, und solche, die andererseits die eigentliche Abschirmwirkung leisten, nämlich die Strahlungsabschirmschichten 6, 8 ausSeparation of functions of the layers, in those on the one hand ensure the statics of Strahlenschutzbaukörpers 1, namely at least the inner and outer walls as support layers 2, 4, and those on the other hand, the actual shielding effect, namely the Strahlenabschirmschichten 6, 8 from
Füll- oder Abschirmmaterialien. Die Trenn- oder Zwischenwand 10 kann ebenfalls zur Statik beitragen, muss aber nicht. Die Stabilität der Anordnung kann weiter dadurch erhöht werden, dass sich ein Anker, insbesondere Zuganker 12 durch die vollständige Innen- und Außenwand 2, 4 hindurch erstreckt und an deren jeweiliger Außenseite gesichert ist. Somit wird erfindungsgemäß eine Mehrschicht-Sandwich-Anordnung mit
mindestens zwei verschiedenen Typen an Abschirmmaterialien 6, 8 bereit gestellt.Filling or shielding materials. The partition or partition wall 10 may also contribute to the static, but does not have to. The stability of the arrangement can be further increased by extending an anchor, in particular tie rod 12 through the complete inner and outer walls 2, 4 and is secured to the respective outer side. Thus, according to the invention a multi-layer sandwich arrangement with at least two different types of shielding materials 6, 8 provided.
Durch die Trennung von Modulen oder Schichten mit statischer Funktion (Tragschichten) 2, 4 von denen mit im Wesentlichen reiner Abschirmfunktion (Strahlungsabschirmschichten) 6, 8 wird ferner eine bessere Anpassung der Abschirmung an verschiedene Strahlenarten und Energiebereichen ermöglicht.By separating modules or layers having a static function (support layers) 2, 4 from those having a substantially pure shielding function (radiation shielding layers) 6, 8, a better adaptation of the shielding to different types of radiation and energy ranges is made possible.
Für hochenergetische Strahlung 16 wie sie anFor high-energy radiation 16 like her
Hochenergiebeschleunigern auftritt, hat sich als zweckmäßig erwiesen, die erste Strahlungsabschirmschicht 6 aus metallhaltigem Erz und die zweite Strahlungsabschirmschicht 8 aus einem wasserhaltigen Füllstoff wie z.B. Gips zu errichten. Weitere Variationen sind hier denkbar wie z.B. die Einführung von weiteren Materialtypen in zusätzlichen Schichten anzubringen. Die Reihenfolge der Schichten 4, 8 ist vorzugsweise asymmetrisch und insbesondere so gewählt, dass zur Strahlenquelle oder einfallenden Strahlung hin (in der Fig. links), zumeist Sekundärstrahlung 16, die metallhaltige Schicht 6 liegt und daran anschließend - von der Zwischenwand 10 getrennt - die wasserstoffhaltige oder wasserhaltige Schicht 8 zur Moderierung und Absorption der erzeugten Neutronenstrahlung.High-energy accelerators occurs, it has proved to be useful, the first radiation-shielding layer 6 of metal-containing ore and the second radiation shielding layer 8 of a hydrous filler such. To build plaster. Other variations are conceivable here, such as e.g. to introduce the introduction of additional material types in additional layers. The order of the layers 4, 8 is preferably asymmetrical and in particular chosen so that the radiation source or incident radiation out (in the left figure), usually secondary radiation 16, the metal-containing layer 6 and then - separated from the intermediate wall 10 - hydrogen-containing or hydrous layer 8 for moderating and absorbing the generated neutron radiation.
Zur Strahlenquelle zugewandten Seite wird demnach insbesondere das Material 6 mit der höchsten Kernladungszahl Z, zur Strahlenquelle abgewandten Seite das Material 8 mit niedrigerem Z eingesetzt werden. Bei der Wahl der Materialien wird ferner die Art und Energieverteilung des Strahlungsfeldes der Sekundärstrahlung 16 berücksichtigt. Es ist dabei auch zu berücksichtigen, dass während des Transports der Strahlung durch Materie weitere neue Strahlung erzeugt wird. So ist der Transport von Neutronenstrahlung immer mit der Erzeugung von
Gammastrahlung verbunden (n,γ oder n,n'γ-Prozesse) .Accordingly, in particular the material 6 with the highest atomic number Z, and the side facing away from the radiation source, the material 8 with a lower Z are used. In the choice of materials, the type and energy distribution of the radiation field of the secondary radiation 16 is also taken into account. It should also be taken into account that during transport of the radiation by matter further new radiation is generated. So the transport of neutron radiation is always with the generation of Gamma radiation associated (n, γ or n, n'γ processes).
Während Neutronenstrahlung vor allem durch Wasserstoffhaltige Substanzen geschwächt wird, ist die Schwächung von Gammastrahlung vor allen durch Materialien mit hohem Z gewährleistet. So ist die richtige Wahl der Materialien auch ein Kompromiss zwischen verschiedenen Anforderungen, so dass auch Material-Mischungen vorteilhaft sein können.While neutron radiation is weakened mainly by hydrogen-containing substances, the weakening of gamma radiation is ensured above all by high-Z materials. So the right choice of materials is also a compromise between different requirements, so that material mixtures can be advantageous.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können weitere Optimierungen durch eine entsprechende Auswahl der Abschirmmaterialien vorgenommen werden, während bei Standardbetonabschirmungen oft von den Baufirmen selbst die Materialzusammensetzung festgelegt ist, je nach Bezugsquelle der Rohmaterialien. Auch eine spätere Änderung der Strahlungsfelder mit der Folge, dass die Abschirmmasse geändert werden soll, ist mit der Erfindung besser möglich als mit einer festen Betonabschirmung, die typischerwesie komplett ausgetauscht werden müsste.In the context of the present invention further optimizations can be made by an appropriate selection of the shielding materials, while in standard concrete shields often the material composition is determined by the construction companies themselves, depending on the source of supply of the raw materials. Even a subsequent change of the radiation fields with the result that the shielding is to be changed, is better with the invention possible than with a solid concrete shield, which typically would have to be completely replaced.
Für den Aufbau werden zunächst beiden Tragschichten 2, 4 und wo notwendig die Zwischenschicht 10 um den Reaktionsbereich herum aufgebaut und nachfolgend werden die beiden Strahlungsabschirmschichten 6, 8 amFor the construction of the first two support layers 2, 4 and where necessary, the intermediate layer 10 is built around the reaction area around and subsequently the two Strahlungsabschirmschichten 6, 8 am
Einsatzort durch Einfüllen oder Einschütten des losen Füllmaterials, welches aus dem jeweiligen Abschirmmaterial besteht, in die Zwischenräume zwischen den Tragschichten hergestellt. Vorteilhafter Weise kann unbehandeltes Schüttgut β, 8 als Abschirmmaterial, z.B. Eisenerz oder Gips verwendet werden. Dadurch wird eine Reduktion des Verarbeitungsaufwands der Ausgangsmaterialien erzielt. Weiter vorteilhaft ist, dass der erfindungsgemäße Strahlenschutzbaukörper sofort
nach dem Einfüllen und ggf. Verdichten des Füllmaterials einsetzbar ist. Der Abbau erfolgt entsprechend in umgekehrter Reihenfolge. Daher ist der erfindungsgemäße Strahlenschutzbaukörper einfach in der Errichtung und im Abbau, sowie flexibel in Hinsicht auf einen späteren Umbau.- Insbesondere wird die spätere Entsorgung oder Wiederverwendung der Abschirmmaterialien 6, 8 erheblich vereinfacht.Place of use by filling or pouring the loose filling material, which consists of the respective shielding, made in the spaces between the support layers. Advantageously, untreated bulk material β, 8 can be used as shielding material, eg iron ore or gypsum. This achieves a reduction in the processing cost of the starting materials. It is also advantageous that the radiation protection structure according to the invention immediately can be used after filling and possibly compacting the filling material. The dismantling takes place in the reverse order. Therefore, the radiation protection structure according to the invention is simple in construction and dismantling, as well as flexible with respect to a later conversion.- In particular, the subsequent disposal or reuse of the shielding materials 6, 8 is considerably simplified.
Die erzielte Abschirmwirkung hängt dabei unter anderem davon ab, wie stark verdichtet das Füllmaterial in die Abschirmung eingebaut wird. Die erzielbare Dichte wiederum hängt von der Größenverteilung der einzubauenden Materialien ab. So kann mit einem feinkörnig abgebauten Material eine höhere Einbaudichte erzielt werden, als mit einem grobkörnigenThe shielding effect achieved depends, among other things, on how highly compressed the filler material is incorporated into the shielding. The achievable density, in turn, depends on the size distribution of the materials to be incorporated. Thus, with a fine-grained degraded material, a higher built-in density can be achieved, as with a coarse grained
Material. Von besonderer Bedeutung für die Konzipierung des Strahlenschutzbaukörpers 1 ist eine vorbestimmte Mindestdichte in allen Bereichen der Abschirmung. Es ist daher von Vorteil, wenn die Körnigkeit des rohen Abschirmmaterials, in diesem Beispiel Erz und Naturgips eine gewisse Mindest-Feinheit aufweist, um eine genügend hohe Verdichtung beim Einbau zu gewährleisten.Material. Of particular importance for the design of the radiation protection structure 1 is a predetermined minimum density in all areas of the shield. It is therefore of advantage if the granularity of the raw shielding material, in this example ore and natural gypsum, has a certain minimum fineness in order to ensure a sufficiently high compaction during installation.
Insbesondere ist der notwendige Raum zur Realisierung der Abschirmung nicht oder nicht wesentlich höher als bei konventionellen Betonabschirmungen, bzw. ist unter Umständen sogar kleiner, wenn das Schüttgut 6, 8 genügend verdichtet oder dicht verpresst in die Abschirmungen eingebaut ist. Dies ist vor allem im klinischen Bereich von Vorteil, wo solche Anlagen zumeist in dicht besiedelten Gebieten mit wenig räumlichen Ausdehnungsmöglichkeiten gebaut werden.In particular, the necessary space for the realization of the shield is not or not significantly higher than conventional concrete shields, or may even be smaller if the bulk material 6, 8 sufficiently compacted or tightly compressed in the shields is installed. This is particularly advantageous in the clinical area, where such plants are usually built in densely populated areas with little spatial expansion possibilities.
Die folgenden Beispiele zeigen Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Strahlenschutzbaukörpers.
Ausführungsbeispiel 1:The following examples show possible uses of the radiation protection structure according to the invention. Embodiment 1
Strahlenschutzkammer (sogenanntes Cave) für KernkollisionenRadiation protection chamber (so-called Cave) for nuclear collisions
Als Beispiel für eine Abschirmung mit Eisenerz und Gips als Abschirrtimassen 6, 8 wurde das geplante CBM-Cave (Condensed Baryonic Matter) des FAIR-Projekts entwickelt. Es handelt sich hier um ein Gebäude, welches allseitig aus den Strahlenschutzbaukörpern aufgebaut ist und in welchem Experimente für Kernkollisionen bei über 30 GeV pro Nukleon stattfinden.As an example of a shielding with iron ore and gypsum as Abschirrtimassen 6, 8 the planned CBM cave (Condensed Baryonic Matter) of the FAIR project was developed. This is a building that is constructed on all sides from the radiation protection structures and in which experiments for nuclear collisions occur at over 30 GeV per nucleon.
In Fig. 2 ist das CBM-Cave mit Goldionen als Primärstrahlen 14 dargestellt. Die Ionen treten durch einen Eintrittsbereich 34 in das Cave ein und treffen auf ein Target 18 und deren Reaktionsprodukte werden von einem Detektor gemessen (nicht dargestellt) . Gleichzeitig wird Sekundärstrahlung 16 erzeugt, die abgeschirmt werden soll. Der Zugang zum Cave erfolgt über ein Eingangslabyrinth 30, welches am Rand der Eintrittswand liegt.In Fig. 2, the CBM cave with gold ions as primary rays 14 is shown. The ions enter the cave through an entrance region 34 and strike a target 18 and their reaction products are measured by a detector (not shown). At the same time secondary radiation 16 is generated, which is to be shielded. Access to the cave via an entrance labyrinth 30, which is located at the edge of the entrance wall.
In diesem Beispiel wurde ein Goldstrahl der Intensität von 109 Ionen/sec und der Energie 30 GeV pro Nukleon in ein dünnes Eisenstück als Target 18 deponiert (1% Wechselwirkungsrate) . Die von dem Target 18 ausgehende Sekundärstrahlung wird durch das Gebäude auf ein Niveau von weniger als 0,5 μSv/h geschwächt. Dies wird dadurch erreicht, dass Schichten in der Reihenfolge Beton 2, Eisenerz 6, Gips 8 und Beton 4 von innen nach außen gebaut sind (vgl. Fig. 2, wobei die Trennwand 10 in dieserIn this example, a gold beam of intensity 10 9 ions / sec and energy 30 GeV per nucleon was deposited in a thin iron piece as target 18 (1% interaction rate). The secondary radiation emanating from the target 18 is weakened by the building to a level of less than 0.5 μSv / h. This is achieved by constructing layers in the order concrete 2, iron ore 6, plaster 8 and concrete 4 from the inside to the outside (see Fig. 2, wherein the partition wall 10 in this
Darstellung der Übersichtlichkeit halber weggelassen ist) . Vorteilhaft ist, dass die beiden losen oder verdichteten Strahlungsabschirmschichten, in diesem Beispiel bestehend aus Erz 6 bzw. Gips 8, insbesondere beide, auch um Ecken 20, an welchen die Wände 1 aufeinanderstoßen, zumindest
teilweise geschlossen herumgeführt sind, so dass auch in diesen Eckbereichen 20 eine hinreichende und gegenüber einem stumpfen Aneinanderstoßen zweier Sandwichwände verbesserte Abschirmwirkung erzielt wird.Presentation is omitted for clarity). It is advantageous that the two loose or compacted Strahlungsabschirmschichten, in this example consisting of ore 6 or gypsum 8, in particular both, even at corners 20 at which the walls 1 collide, at least are partially guided around closed, so that even in these corner regions 20 a sufficient and compared to a blunt juxtaposition of two sandwich walls improved shielding effect is achieved.
Ferner ist in Fig. 2 zu erkennen, dass für dieses Cave ein geschlossener innerer Käfig aus Eisenerz 6 und ein geschlossener äußerer Käfig aus Gips 8 vorgesehen sind. Jedoch sind die Dicken der Strahlungsabschirmschichten 6, 8 in Vorwärtsrichtung größer als lateral oder rückwärtig. Dies ist auf die Abstrahlcharakteristik der Sekundärstrahlung angepasst. Im übrigen sind lateral die Gipsschicht 8 dicker als die Erzschicht 6.Furthermore, it can be seen in FIG. 2 that a closed inner cage made of iron ore 6 and a closed outer cage made of gypsum 8 are provided for this cave. However, the thicknesses of the radiation shielding layers 6, 8 are larger in the forward direction than laterally or rearwardly. This is adapted to the radiation characteristic of the secondary radiation. Incidentally, laterally, the gypsum layer 8 is thicker than the ore layer 6.
Die resultierende Dosisverteilung 22 wurde mit einemThe resulting dose distribution 22 was compared with a
Strahlungstransportprogramm ermittelt und ist in Fig. 3 in Form von Isodosislinien dargestellt. Die innerste Linie 24 entspricht einer Dosis von 106 μSv/h die äußerste Linie 26 von 10"1 μSv/h. Dazwischen sind sukzessive Isodosislinien von 105 μSv/h, 104'5 μSv/h, 104 μSv/h, 103 μSv/h, 102 μSv/h, 101 μSv/h und 10° μSv/h dargestellt. Die angestrebte Dosisleistung von 0,5 μSv/h oder weniger ist hier mit einem Eisenerz der Dichte 3,5 g/cm3 und Gips der Dichte 1,8 g/cm3, umgeben von Normalbeton (ggf. armiert, aber ohne weitere Schwerstoff- oder Eisenzusätze zur wesentlichen Veränderung der Abschirmwirkung) erzielt.Radiation transport program determined and is shown in Fig. 3 in the form of Isodosislinien. The innermost line 24 corresponds to a dose of 10 6 μSv / h, the outermost line 26 of 10 "1 μSv / h, between which there are successive isodose lines of 10 5 μSv / h, 10 4 ' 5 μSv / h, 10 4 μSv / h, 10 3 μSv / h, 10 2 μSv / h, 10 1 μSv / h and 10 ° μSv / h The target dose rate of 0.5 μSv / h or less is here with an iron ore of density 3.5 g / cm 3 and gypsum the density of 1.8 g / cm 3 , surrounded by normal concrete (possibly armored, but without further heavy or iron additives to substantially change the shielding effect) achieved.
Es kann vorgesehen sein, in Vorwärtsrichtung außerhalb des CBM-Caves einen Strahlvernichter (sogenannter Beamdump) anzuordnen, welcher insbesondere den gleichen Schichtaufbau wie die erfindungsgemäße Strahlenschutzwand aufweist und sich bevorzugt unmittelbar an diese anschließt. Dies ist vorteilhaft, um insbesondere die entstehende Reststrahlung in Vorwärtsrichtung weiter abzuschwächen.
Ausführungsbeispiele 2 und 3:It can be provided to arrange in the forward direction outside the CBM cave a beam destroyer (so-called beamdump), which in particular has the same layer structure as the radiation protection wall according to the invention and preferably directly adjoins it. This is advantageous in particular to further attenuate the resulting residual radiation in the forward direction. Exemplary embodiments 2 and 3:
Therapie-Cave zur Behandlung mit Protonen- oder SchwerionenstrahlenTherapy cave for treatment with proton or heavy ion beams
In den letzten Jahren hat sich die Behandlung von speziellen Tumorerkrankungen mit Protonen- oder Ionenstrahlen als ein sehr wirksames Verfahren entwickelt. Weltweit werden die meisten Anlagen in Japan betrieben oder zurzeit errichtet. In Europa werden Anlagen zur Protonentherapie meist mitIn recent years, the treatment of specific tumor diseases with proton or ion beams has become a very effective method. Most plants worldwide are operated or currently under construction in Japan. In Europe, systems for proton therapy are usually with
Zyklotrons und für die Kohlenstofftherapie mit Synchrotrons gebaut. Für Protonenstrahlen 14 werden Energien bis ca. 230 MeV angewandt und alternativ für Kohlenstoffionen 14 bis ca. 430 MeV pro Nukleon genutzt. Dementsprechend müssen die Therapiebehandlungsräume, in denen die Ionen im Gewebe gestoppt werden, ebenfalls stark abgeschirmt werden.Cyclotrons and built for carbon therapy with synchrotrons. For proton beams 14, energies up to about 230 MeV are used and alternatively for carbon ions 14 to about 430 MeV per nucleon are used. Accordingly, the therapy treatment rooms in which the ions are stopped in the tissue must also be strongly shielded.
Die Erfindung wurde nun auf die Auslegung von zwei Therapie- Caves 50 angewandt. In Fig. 4 und 5 sind diese Caves 50 in der erfindungsgemäßen Mehrschicht-Sandwich-Technik mitThe invention has now been applied to the design of two therapy caves 50. In Fig. 4 and 5, these Caves 50 are in the multilayer sandwich technique according to the invention with
Eisenerz-Schüttgut oder einer anderen (schwer-)metallhaltigen Füllmasse als erster Strahlungsabschirmschicht 6 in der Vorwärtsstrahlrichtung und in der zweiten Strahlungsabschirmschicht 8 mit Gips realisiert. Alternativ wird die Füllmasse 8 aus einem anderen wasserstoffhaltigenIron ore bulk material or other (heavy) metal-containing filling material as a first Strahlungsabschirmschicht 6 realized in the forward beam direction and in the second Strahlungsabschirmschicht 8 with gypsum. Alternatively, the filling compound 8 from another hydrogen-containing
Material ggf. mit einem Zusatz eines neutronenabsorbierenden Materials gebildet. Die Innen-, Außen- und Zwischenwände 2, 4, 10 dienen im Wesentlichen lediglich als Tragschichten zur Verschalung für das ungebundene Füllmaterial 6, 8 bzw. die lose oder verdichtete Füllschichten.Material possibly formed with an addition of a neutron absorbing material. The inner, outer and intermediate walls 2, 4, 10 essentially serve only as support layers for shuttering the unbonded filling material 6, 8 or the loose or compacted filling layers.
Fig. 4 bezieht sich auf ein Cave 50 mit versenkbarer Abschirmtür 28 , Fig. 5 auf ein Cave 50 mit einem Zugangslabyrinth 30.
Das Eisenerz 6 hat die Funktion, insbesondere die hochenergetische Neutronenstrahlung in Kernreaktionen zur Emission von Neutronen, Protonen und Kernfragmenten kleinerer Energie zu wandeln, die im Eisenerz 6 selbst oder in der sich anschließenden Gips-Schicht 8 moderiert und/oder absorbiert werden. Die Eisenerz-Strahlungsabschirmschicht 6 bildet folglich eine Spallationschicht (ggf. mit Moderationsfunktion) . Die Gips-Strahlungsabschirmschicht 8 bildet eine Neutronen moderierende und/oder absorbierende Schicht.FIG. 4 relates to a cave 50 with retractable shielding door 28, FIG. 5 on a cave 50 with an access labyrinth 30. The iron ore 6 has the function of converting in particular the high-energy neutron radiation into nuclear reactions for the emission of neutrons, protons and nuclear fragments of smaller energy, which are moderated and / or absorbed in the iron ore 6 itself or in the subsequent gypsum layer 8. The iron ore radiation shielding layer 6 thus forms a spallation layer (possibly with moderation function). The gypsum radiation shielding layer 8 forms a neutron moderating and / or absorbing layer.
Im Unterschied zum Cave für Kernkollisionen gemäß Fig. 2 wird bei den in Fig. 4 und 5 dargestellten Caves die Erzschicht 6 lediglich in Vorwärtsrichtung benötigt, da hauptsächlich in der Vorwärtsrichtung hochenergetische Strahlung erzeugt wird. Die Erzschicht 6 und die zugehörigen Tragschichten bilden eine in Ihrer Gesamtheit gekrümmte C- oder U-förmige Anordnung, um die vom Target 18 oder dem Therapieplatz 32 (wobei der zu behandelnde Patient das Target bildet) für Protonen- oder Ionenbestrahlung emittierte hochenergetische Sekundärstrahlung 16 verbessert abzuschirmen. Quer zum Primärstrahl 14, hier ein Ionenstrahl, sind lediglich Strahlungsabschirmschichten 8 aus Gips, welche gemeinsam einen Strahlenschutzkäfig definieren vorgesehen.Unlike the cave for core collisions according to FIG. 2, in the cavities shown in FIGS. 4 and 5, the ore layer 6 is required only in the forward direction, since high-energy radiation is generated mainly in the forward direction. The ore layer 6 and associated support layers form a generally curved C- or U-shaped arrangement to enhance the high-energy secondary radiation 16 emitted by the target 18 or the therapy site 32 (the patient to be treated forms the target) for proton or ion irradiation shield. Transverse to the primary beam 14, here an ion beam, only radiation shielding layers 8 made of gypsum, which together define a radiation protection cage are provided.
Weitere beispielhafte AnwendungenOther exemplary applications
Die Nutzung der Erfindung ist für viele Anlagenbereiche insbesondere des FAIR-Projekts bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH anwendbar. Diese sind:
1. SIS 100/300, insbesondere dessen Strahlführungen zum Super-Fragment-Separator, Anti-Protonen- Produktionstarget, CBM-CavesThe use of the invention is applicable to many plant areas, in particular the FAIR project at the Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH. These are: 1. SIS 100/300, in particular its beam guides to the super fragment separator, anti-proton production target, CBM caves
2. Super-FRS 3. Anti-Protonen-Produktionsbereich2. Super FRS 3. Anti-proton production area
4. Cave Plasmaphysik4th Cave plasma physics
5. Speicherringe.5. Storage rings.
Weitere Anwendungsbereiche liegen prinzipiell bei allen Hochenergiebeschleunigeranlagen, insbesondere bei den zurzeit geplanten Therapieanlagen für Protonen- und lonenstrahlen im In- und Ausland. Dort kann die Erfindung für Therapie-Caves in Protonen- und Schwerionentherapiekliniken Anwendung finden.Other areas of application are principally in all high-energy accelerator systems, in particular in the currently planned therapy facilities for proton and ion beams in Germany and abroad. There the invention can find application for therapy caves in proton and heavy ion therapy clinics.
Die Erfindung ist nach Auffassung der Erfinder jedoch auch bei Hochdosis-Bestrahlungsanlagen mit kleineren Strahlenergien anwendbar. Konventionelle Therapieanlagen mit Röntgenstrahlung können mit dieser Abschirm-Technik entsprechend realisiert werden.However, according to the inventors, the invention can also be applied to high-dose irradiation systems with smaller beam energies. Conventional X-ray therapy systems can be realized with this shielding technique.
Die erfindungsgemäße Abschirmung eignet sich insbesondere für Elektronen-Linearbeschleuniger, Mikrotrons oder Betatrons, Kobalt6o~ oder Cäsiumi37-Bestrahlungsanlagen oder mit entsprechenden Radionukliden. Weitere beispielhafte Anwendungen sind Beschleuniger zur Erzeugung vonThe shield according to the invention is particularly suitable for electron linear accelerators, betatrons or microtron, Kobalt6o ~ or Cäsiumi3 7 -Bestrahlungsanlagen or with appropriate radionuclides. Other exemplary applications are accelerators for generating
Bremsstrahlung, z.B. für die Materialforschung. Im übrigen läßt sich die Erfindung für Beschleuniger oder Radioaktivquellen zur Polymerbestrahlung einsetzen. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Zyklotrons und Elektronensynchrotrons.Bremsstrahlung, e.g. for materials research. Moreover, the invention can be used for accelerators or radioactive sources for polymer irradiation. Another field of application are cyclotrons and electron synchrotrons.
Die vorliegende Erfindung umfasst gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform zusammenfassend drei Hauptkomponenten:
1. Eine Mehrschicht-Sandwich-Anordnung, wobei die Tragschichten oder strukturierenden Elemente, die die Statik der Gesamtabschirmung garantieren z.B. Beton- Fertigteile sein können.The present invention comprises, according to a particularly preferred embodiment, in summary, three main components: 1. A multilayer sandwich arrangement, wherein the base layers or structuring elements that guarantee the statics of the overall shielding can be, for example, concrete precast elements.
2. Verschiedene Abschirmmaterial-Typen, die der Art und dem Energiespektrum der erzeugten Strahlung angepasst sind.2. Different types of shielding materials adapted to the type and energy spectrum of the radiation produced.
3. Nutzung von körnigem, insbesondere grob- oder feinkörnigem Rohmaterial als Abschirmmaterial, welches aus dem direkten Abbau der Lagerstätten stammt und ggf. nur geringfügig verarbeitet, z.B. gemahlen ist.3. Use of granular, in particular coarse or fine-grained raw material as shielding material, which originates from the direct mining of the deposits and possibly only slightly processed, e.g. is ground.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen. Es ist ferner ersichtlich, dass Merkmale verschiedener Äusführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
It will be apparent to those skilled in the art that the above-described embodiments are to be understood as illustrative, and that the invention is not limited thereto, but that it can be varied in many ways without departing from the spirit of the invention. It will also be appreciated that features of various embodiments may be combined.