WO2012028341A1 - Kontrolle der energiedichte in einem target eines teilchenbeschleunigers - Google Patents

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WO2012028341A1
WO2012028341A1 PCT/EP2011/057625 EP2011057625W WO2012028341A1 WO 2012028341 A1 WO2012028341 A1 WO 2012028341A1 EP 2011057625 W EP2011057625 W EP 2011057625W WO 2012028341 A1 WO2012028341 A1 WO 2012028341A1
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particles
accelerator
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Oliver Heid
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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Definitions

  • the invention relates to the control of the energy density in a target of a particle accelerator which is hit by a particle beam of the accelerator with the aim of achieving a homogenization of the energy density over the target volume in a method for generating a particle flow from the target.
  • Exploit spallation reactions For example. may occur, a particle beam for use for operation of a nuclear reactor underkritschen which is court ⁇ tet to a neutron spallation target.
  • the nuclear reactions proceed without the reactor becoming critical.
  • an external Neutronenquel ⁇ le is used to provide the needed for nuclear reactions neutron available.
  • This technology is known per se.
  • Such un- terkritician nuclear reactors which make a Sectionchenbeschleu ⁇ niger advantage are called ADS-reactors ( "Accelerator Driven System") or short ADSR.
  • spallation neutron sources for example the spallation neutron source “SNS” of the Oak Ridge National Laboratory in the USA or the European spallation source “ESS” under development
  • a target consisting of a target material with a high yield is obtained ordinal number such as lead shot with protons.
  • the removed a particle protons are first to a specific final energy ⁇ be accelerated by using egg ⁇ nes particle accelerator and eventually meet with this energy to the target to knock out of this neutron.
  • Bragg curve which is near the end of the path, i. shortly before the place where the particles no longer have kinetic energy, has a significant maximum, the so-called Bragg peak.
  • Position of the Bragg peak in the beam direction are very accurately predictable with known particle type, particle energy and known target material.
  • the depth of the Bragg peak in the target increases with increasing particle energy.
  • the present invention solves the problem of local energy deposition in the target by varying the energy of the particle stream, ie by operating the particle accelerator with variable, modulatable final energy.
  • the position of the Bragg peak in the beam direction also varies, so that the deposition of the majority of the energy at different beam energies in the beam direction varies. takes place at different depths of the target.
  • the variation of the particle energy thus allows the total recruited Tar ⁇ get material volume to increase targeted and thus to homogenize the energy distribution in the target.
  • a target is irradiated with a particle beam from a particle accelerator, so that the particles to be generated are knocked out of the target and thus form the particle flow, wherein
  • At least a majority of the particles of the particle beam is braked in the target and thereby at least a portion of the energy of the particles is transferred to the target and - the particle accelerator is controlled such that the position of the maximum energy transfer per path in the volume of the target varies.
  • the variation in the position of maximum energy is carried gieübertrags per path length in the beam direction, that is, from ⁇ propagation direction of the beam.
  • the energy of the particle beam is varied so that the position of the Bragg peak varies in the target.
  • At least one RF resonator of the particle accelerator serving to accelerate the particles is controlled in such a way that the energy of the particles accelerated in the HF resonator varies with time.
  • the beam energy E (t) can be varied continuously or adjusted stepwise in discrete steps. Depending on the option chosen, it results that the position of the maximum Energy transfer per route is accordingly continuous ⁇ Lich or discretely shifted. Push a continuous Ver ⁇ has the advantage that the energy deposition in
  • Beam direction is evenly distributed, while the discrete adjustment requires a less complex technical realization.
  • the distribution of the energy transferred by the particles to the target volume is largely homogenized via the target volume, in particular in the jet direction, so that a uniform loading of the target is achieved and no local peaks of the energy deposition occur.
  • the position of the maximum energy transfer in the beam direction is varied over the full extent of the target.
  • an operating method according to the invention for a particle accelerator for producing a particle flow in particular a neutron flux, which in the operating state generates a particle beam with which a target can be irradiated
  • At least a majority of the particles of the particle beam in the target are braked when the target is irradiated and at least a part of the energy of the particles is transmitted to the target,
  • the particle accelerator operated such that the position of the maximum energy transfer per path in the target volume varies during the irradiation. For this purpose, in particular the energy of the particle beam va ⁇ riiert.
  • At least one HF-resonator of the particle accelerator which is used to accelerate the particles is correspondingly driven so that the energy of the accelerated particles varies with time.
  • a control device according to the invention for a particle accelerator is set up in order to control the particle accelerator such that the method according to the invention for producing a particle flow can be carried out.
  • the control device is set up in particular
  • the particle accelerator To drive in the operating state, the particle accelerator such that it generates a particle beam with a variable beam energy
  • An inventive particle accelerator is equipped with the control device according to the invention.
  • the accelerated particle beam is preferably a proto ⁇ nenstrahl (H + ).
  • the target is preferably a spallation target, insbeson ⁇ particular a neutron spallation target.
  • variable-energy particle accelerator is operated in order to achieve power density modulation in the target by means of targeted Bragg peak control.
  • FIG. 1 shows a particle accelerator and an ADSR
  • FIG. 2 shows the principle of the invention with variation of the position of the Bragg peak in the target.
  • FIG. 1 shows as an exemplary application of the approach fiction, modern ⁇ a device for generating a neutron flux for an accelerator-driven subcritical nuclear reactor 100 (ADSR).
  • ADSR accelerator-driven subcritical nuclear reactor 100
  • the target 120 is irradiated with a proton beam S from a part ⁇ chenbeschreiber 200, wherein the Generalchenbeschleu ⁇ niger 200 an ion source 220, an accelerator track 230 including at least one RF resonator 231 as well as a control device 210 for controlling the RF resonator 231 has.
  • the accelerator section 230 exempla ⁇ two RF resonators 231, 232, which are controlled by the control device 210.
  • the RF resonators 231, 232 of the accelerator track 230 are arranged in the beam direction behind the other and bring about the acceleration of the ion source 220 removable particles, eg. Hydrogen nuclei H + or protons such that the be ⁇ accelerated particles an after emerging from the accelerator route have desired energy.
  • removable particles eg. Hydrogen nuclei H + or protons
  • HF fields are generated by the control device 210, which are used to Acceleration of the ion source 220 taken particles H serve.
  • Using a klystron is known and will not be Darge ⁇ sets here.
  • the formulation that "the controller 210 generates the RF fields" is intended to include those known per se We ⁇ kung example, that the control device includes 210 both for generating RF fields in the Resona- factors required components including, for example.
  • the control device 210 is now set up such that it drives the particle 200 and the accelerator track 230 and in particular the RF resonators 231, 232 of the ⁇ art, that the energy of the accelerator path 230 leaving the particles varies with time.
  • an accelerator 200 is used which emits a particle flow of variable, modulatable energy.
  • particles leaving the distance 230 in a period ⁇ 1 and entering the target 120 have an energy Ei
  • particles leaving the accelerator in periods ⁇ 2 and ⁇ 3 have energies E 2 and E 3 , respectively.
  • the successive pulses of the pulse train could have different energies.
  • Al ternatively ⁇ a group consisting could have a first energy Ei of a plurality of consecutive pulses, while pulses of a subsequent pulse group have a second Ener ⁇ energy E 2, etc.
  • ADSR accelerator-driven nuclear reactor
  • the typical energies of the particle beam depend on the particular application or the particle Likewise, the amplitude of the energy variation, ie the maximum and the minimum energies of the particle beam, depends primarily on the dimensioning and nature of the target and on the type of particles of the particle beam. With the aid of the Bragg function or via the Bethe-Bloch equation, it is easy to calculate which, given the knowledge of these parameters
  • Radiation energies are needed to vary the position of the maximum energy transfer per path in the beam direction over the desired length of the target, in the extreme case over the entire length.
  • the pattern of energy variation can also be chosen depending on the circumstances.
  • This ensures that the Bragg peak is displaced in the beam direction over the target in the beam direction in the first interval at a constant speed, while in the second interval it is likewise displaced at a constant speed but counter to the beam direction. It is conceivable to carry out the energy variation in discrete steps or continuously.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Kontrolle der Energiedichte in einem Target, das von einem Teilchenstrahl eines Teilchenbeschleunigers getroffen wird mit dem Ziel, bei einem Verfahren zur Erzeugung eines Partikelflusses aus dem Target eine Homogenisierung der Energiedichte über das Targetvolumen zu erreichen. Da die kinetische Energie, auf die die Teilchen beschleunigt werden bzw. mit der sie die Beschleunigerstrecke verlassen und in das Target eindringen, üblicherweise fest steht, ist die Eindringtiefe in das Target und damit die Energiedeposition der Teilchen scharf in einer bestimmten Tiefe lokalisiert (Bragg-Peak). Die Folge davon ist, dass an einem bestimmten Ort im Target eine extrem hohe Leistungsdeposition auftritt. Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß die Energie des Teilchenstrahls während der Bestrahlung variiert, so dass der Bragg-Peak und mit diesem der Ort der maximalen Energiedeposition im Target verschoben wird.

Description

Beschreibung
Kontrolle der Energiedichte in einem Target eines Teilchenbe¬ schleunigers
Die Erfindung betrifft die Kontrolle der Energiedichte in einem Target eines Teilchenbeschleunigers, das von einem Teilchenstrahl des Beschleunigers getroffen wird mit dem Ziel, bei einem Verfahren zur Erzeugung eines Partikelflusses aus dem Target eine Homogenisierung der Energiedichte über das Targetvolumen zu erreichen.
Zur Erzeugung von Neutronenflüssen bspw. für Anwendungen in den Materialwissenschaften, für Kernreaktoren sowie für Wis- senschaft und Forschung allgemein ist es nicht unüblich,
Spallationsreaktionen auszunutzen. Bspw. kann zum Betrieb eines unterkritschen Kernreaktors ein Teilchenstrahl zum Einsatz kommen, der auf ein Neutronen-Spallationstarget gerich¬ tet ist. In einem solchen unterkritischen Kernreaktor laufen die Kernreaktionen ab, ohne dass der Reaktor in den kritischen Zustand übergeht. Anstatt eine selbstständige Kettenre¬ aktion aufrecht zu erhalten, wird eine externe Neutronenquel¬ le verwendet, um die für die Kernreaktionen benötigten Neutronen zur Verfügung zu stellen. Diesen Zweck erfüllt bspw. das Spallationstarget , auf das der Teilchenstrahl des Be¬ schleunigers gerichtet ist und aus dem in der Folge Neutronen herausgeschlagen werden, die schließlich in den unterkritischen Kernreaktor gelangen, um dort die Kernreaktionen zu bewirken. Diese Technologie ist an sich bekannt. Derartige un- terkritische Kernreaktoren, die sich einen Teilchenbeschleu¬ niger zunutze machen, werden als ADS-Reaktoren ( "Accelerator Driven System") oder kurz ADSR bezeichnet.
Speziell zur Erzeugung von Neutronen in sog. Spallations- neutronenquellen, bspw. die Spallations-Neutronenquelle "SNS" des Oak Ridge National Laboratory in den USA oder die in Planung befindliche European Spallation Source "ESS", wird ein Target bestehend aus einem Zielmaterial mit hoher Ordnungs- zahl wie bspw. Blei mit Protonen beschossen. Die einer Teilchenquelle entnommenen Protonen werden zunächst mit Hilfe ei¬ nes Teilchenbeschleunigers auf eine bestimmte Endenergie be¬ schleunigt und treffen schließlich mit dieser Energie auf das Target, um aus diesem die Neutronen herauszuschlagen.
Da die kinetische Energie, auf die die Teilchen beschleunigt werden bzw. mit der sie die Beschleunigerstrecke verlassen und in das Target eindringen, üblicherweise fest steht, ist die Eindringtiefe in das Target und damit die Energiedeposi¬ tion der Teilchen scharf in einer bestimmten Tiefe lokalisiert. Folge davon ist eine lokal extrem hohe Leistungsdepo¬ sition im Target, die im Hinblick auf Kühlung und thermischmechanische Belastung des Targets eine wesentliche technische Limitierung darstellt. Darüber hinaus würde im Falle eines gepulsten Betriebs des Beschleunigers die Belastung zusätz¬ lich ein periodisch wechselndes Verhalten zeigen, was sich ebenfalls limitierend auswirkt. Dieses Problem der lokalen Energiedeposition wurde bisher mit Hilfe zweier Lösungsansätze angegangen: Im ersten Ansatz werden feste Targets verwendet, die aus einer Folge von Blechen getrennt durch Gas-Kühlkanäle bestehen. Dieser Ansatz ist je¬ doch dahingehend nachteilig, dass das Target sehr lang und damit die Neutronenemission unerwünschterweise auf ein großes Volumen auseinandergezogen wird. Im zweiten Ansatz werden flüssige Targets verwendet, wobei jedoch das Problem der lo¬ kalen Verdampfung (Kavitation) im Target besteht, da das Kühlmittel nicht schnell genug vorbeiströmen kann. Dieser Ef- fekt ist insbesondere bei gepulst betriebenen Beschleunigern gravierend .
Die Problematik wurde oben ausgehend von einer ADSR-Anwendung beschrieben. Diese Schwierigkeit ergibt sich jedoch generell in Anwendungen, bei denen ein Teilchenstrahl mit einer bestimmten Energie auf ein Target gerichtet wird. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, mit der die Problematik der lokalen Energiedeposition im Target eines Teilchenbeschleunigers und die damit verbundenen Nachteile reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ausgenutzt, dass sich beim Durchgang der Teilchenstrahlung durch das Target in einer von der Teilchenenergie abhängigen Tiefe im Target der sog. Bragg-Peak ausbildet. Der Energieverlust dE der Teilchen pro Wegstrecke dz im Targetmaterial wird durch die sog.
Bragg-Kurve beschrieben, die kurz vor dem Ende des Weges, d.h. kurz vor dem Ort, an dem die Teilchen keine kinetische Energie mehr aufweisen, ein signifikantes Maximum aufweist, den sog. Bragg-Peak. Im Bragg-Peak wird der Energieverlust pro Wegstrecke dE/dz und damit die deponierte Dosis bzw.
Leistung maximal. Dabei wird in der Umgebung des Bragg-Peaks ein Großteil der Teilchenenergie deponiert, während sich auf das Targetmaterial auf dem Weg bis zum Bragg-Peak nur ein vergleichsweise geringer Anteil der Teilchenenergie verteilt. Der Energieverlust dE/dz auf dem Weg bis zum Peak sowie die
Position des Bragg-Peaks in Strahlrichtung sind bei bekannter Teilchenart, Teilchenenergie und bekanntem Targetmaterial sehr genau vorhersagbar. Bei bestimmtem Targetmaterial und bestimmter Teilchenart steigt die Tiefe des Bragg-Peaks im Target mit steigender Teilchenenergie.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem der lokalen Energiedeposition im Target durch Variation der Energie des Teilchenstroms, d.h. durch den Betrieb des Teilchenbeschleunigers mit variabler, modulierbarer Endenergie. Mit variierter Energie des Teilchenstrahls variiert auch die Position des Bragg- Peaks in Strahlrichtung, so dass die Deponierung des Großteils der Energie bei unterschiedlichen Strahlenergien in un- terschiedlichen Tiefen des Targets erfolgt. Die Variation der Teilchenenergie erlaubt also das insgesamt rekrutierte Tar¬ get-Materialvolumen gezielt zu vergrößern und so die Energieverteilung im Target zu homogenisieren.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung eines Partikelflusses, insbesondere eines Neutronenflusses, wird ein Target mit einem Teilchenstrahl aus einem Teilchenbeschleuniger bestrahlt, so dass die zu erzeugenden Partikel aus dem Target herausgeschlagen werden und so den Partikel- fluss bilden, wobei
- zumindest ein Großteil der Teilchen des Teilchenstrahls im Target abgebremst wird und dabei zumindest ein Teil der Energie der Teilchen auf das Target übertragen wird und - der Teilchenbeschleuniger derart angesteuert wird, dass die Position des maximalen Energieübertrags pro Wegstrecke im Volumen des Targets variiert.
Durch die Variation der Position des maximalen Energieüber- trags ergibt sich, dass die Problematik der lokalen Energie¬ deposition im Target gar nicht mehr oder zumindest deutlich reduziert auftritt.
Dabei erfolgt die Variation der Position des maximalen Ener- gieübertrags pro Wegstrecke in Strahlrichtung, d.h. in Aus¬ breitungsrichtung des Strahls.
Die Energie des Teilchenstrahls wird derart variiert, dass die Position des Bragg-Peaks im Target variiert.
Zumindest ein zur Beschleunigung der Teilchen dienender HF- Resonator des Teilchenbeschleunigers wird derart angesteuert, dass die Energie der im HF-Resonator beschleunigten Teilchen mit der Zeit variiert.
Die Strahlenergie E (t) kann kontinuierlich variiert oder in diskreten Schritten stufenweise verstellt werden. Je nach gewählter Option ergibt sich, dass die Position des maximalen Energieübertrags pro Wegstrecke dementsprechend kontinuier¬ lich oder diskret verschoben wird. Ein kontinuierliches Ver¬ schieben hat den Vorteil, dass die Energiedeposition in
Strahlrichtung gleichmäßig verteilt wird, während das diskre- te Verstellen eine weniger aufwändige technische Realisierung erfordert .
Die Verteilung der von den Teilchen auf das Targetvolumen übertragenen Energie wird über das Targetvolumen, insbesonde- re in Strahlrichtung, weitestgehend homogenisiert, so dass eine gleichmäßige Belastung des Targets erreicht wird und keine lokalen Peaks der Energiedeposition entstehen.
Die Position des maximalen Energieübertrags in Strahlrichtung wird über die volle Erstreckung des Targets variiert wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für einen Teilchenbeschleuniger zur Erzeugung eines Partikelflusses, insbesondere eines Neutronenflusses, der im Betriebszustand einen Teilchenstrahl erzeugt, mit dem ein Target bestrahlbar ist, wird
- bei einer Bestrahlung des Targets zumindest ein Großteil der Teilchen des Teilchenstrahls im Target abgebremst und dabei zumindest ein Teil der Energie der Teilchen auf das Target übertragen,
- der Teilchenbeschleuniger derart betrieben, dass bei der Bestrahlung die Position des maximalen Energieübertrags pro Wegstrecke im Targetvolumen variiert. Hierzu wird insbesondere die Energie des Teilchenstrahls va¬ riiert .
Dazu wird zumindest ein zur Beschleunigung der Teilchen die- ender HF-Resonator des Teilchenbeschleunigers entsprechend angesteuert, so dass die Energie der beschleunigten Teilchen mit der Zeit variiert. Eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung für einen Teilchenbe¬ schleuniger ist eingerichtet, um den Teilchenbeschleuniger derart anzusteuern, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Partikelflusses ausführbar ist.
Die Steuervorrichtung ist insbesondere eingerichtet,
- um im Betriebszustand den Teilchenbeschleuniger derart anzusteuern, dass dieser einen Teilchenstrahl mit einer variablen Strahlenergie erzeugt, und
- um die Strahlenergie während eines Bestrahlvorganges derart zu variieren, dass eine Position des maximalen Energieübertrags pro Wegstrecke in einem vom Teilchenstrahl durchquerbaren Volumen eines Targets variiert. Ein erfindungsgemäßer Teilchenbeschleuniger ist mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ausgestattet.
Der beschleunigte Teilchenstrahl ist vorzugsweise ein Proto¬ nenstrahl (H+) .
Das Target ist vorzugsweise ein Spallationstarget , insbeson¬ dere ein Neutronen-Spallationstarget .
Die Erfindung kurz zusammengefasst wird also ein Teilchenbe- schleuniger mit variabler Endenergie betrieben, um eine Leistungsdichtemodulation im Target durch gezielte Bragg-Peak- Steuerung zu erreichen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung werden mehrere Vorteile er- zielt: Zum Einen verringert sich die maximale lokale Tempera¬ turerhöhung. Weiterhin erhöht sich die Wärmeabfuhrrate, da das größere Zielvolumen mit einer größeren Wärmeaustauschflä¬ che einhergeht. Schließlich lassen sich durch schlagartige thermische Ausdehnung verursachte akustisch-mechanische
Schockwellen sowohl in der Amplitude verkleinern als auch in der Leistungsdichte der Schockfront reduzieren. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
Figur 1 einen Teilchenbeschleuniger und einen ADSR,
Figur 2 das Prinzip der Erfindung mit Variation der Positi- on des Bragg-Peaks im Target.
In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
Die Figur 1 zeigt als exemplarische Anwendung des erfindungs¬ gemäßen Ansatzes eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Neutronenflusses für einen beschleunigergetriebenen, unterkritischen Kernreaktor 100 (ADSR) . Dargestellt sind der Kern 110 des Kernreaktors 100 sowie ein Spallationstarget 120. Das Target 120 wird mit einem Protonenstrahl S aus einem Teil¬ chenbeschleuniger 200 bestrahlt, wobei der Teilchenbeschleu¬ niger 200 eine Ionenquelle 220, eine Beschleunigerstrecke 230 mit zumindest einem HF-Resonator 231 sowie eine Steuervor- richtung 210 zur Ansteuerung des HF-Resonators 231 aufweist. In der Figur 1 weist die Beschleunigerstrecke 230 exempla¬ risch zwei HF-Resonatoren 231, 232 auf, die von der Steuervorrichtung 210 angesteuert werden. Die HF-Resonatoren 231, 232 der Beschleunigerstrecke 230 sind in Strahlrichtung hintereinander angeordnet und bewirken die Beschleunigung der der Ionenquelle 220 entnehmbaren Teilchen, bspw. Wasserstoffkerne H+ bzw. Protonen derart, dass die be¬ schleunigten Teilchen nach Austritt aus der Beschleuniger- strecke eine gewünschte Energie aufweisen.
Durch die Steuervorrichtung 210 werden im Betriebszustand in den HF-Resonatoren 231, 232 HF-Felder erzeugt, die zur Be- schleunigung der der Ionenquelle 220 entnommenen Teilchen H dienen. Diese grundsätzliche Arbeitsweise derartiger Be¬ schleuniger einschließlich der Art und Weise der Erzeugung der HF-Felder in den HF-Resonatoren bspw. unter Verwendung eines Klystrons ist bekannt und soll hier nicht weiter darge¬ legt werden. Die Formulierung, dass "die Steuervorrichtung 210 die HF-Felder erzeugt", soll diese an sich bekannte Wir¬ kungsweise beinhalten, d.h. die Steuervorrichtung 210 beinhaltet sowohl die zur Erzeugung der HF-Felder in den Resona- toren benötigten Komponenten einschließlich bspw. des
Klystrons und der ggf. verwendeten Hohlleiter etc., als auch eine Elektronikbaugruppe, die die diversen notwendigen Be¬ rechnungen sowie die tatsächliche Ansteuerung der Komponenten vornimmt .
Die Steuervorrichtung 210 ist nun derart eingerichtet, dass sie den Teilchenbeschleuniger 200 bzw. dessen Beschleunigerstrecke 230 und insbesondere die HF-Resonatoren 231, 232 der¬ art ansteuert, dass die Energie der die Beschleunigerstrecke 230 verlassenden Teilchen mit der Zeit variiert. Mit anderen Worten wird hier also ein Beschleuniger 200 verwendet, der einen Teilchenstrom variabler, modulierbarer Energie abgibt.
Bspw. haben Teilchen, die die Strecke 230 in einem Zeitraum ΔΤ1 verlassen und in das Target 120 eindringen, eine Energie Ei, während Teilchen, die den Beschleuniger in Zeiträumen ΔΤ2 bzw. ΔΤ3 verlassen, Energien E2 bzw. E3 aufweisen.
Die sich hieraus ergebenden Folgen für die Energie- bzw.
Leistungsdeposition im Target 120 zeigt die Figur 2 für die drei Energien Ei, E2, E3. Im oberen Teil der Figur 2 ist eine Draufsicht auf das Target 120 dargestellt. Im Target 120, das bspw. aus flüssigem Blei gebildet sein kann, ist ein Zielvolumen 121 definiert, in dem die Teilchen (H+) des Teilchen- Strahls S aus dem Beschleuniger 200 abgebremst werden sollen.
Je nach Endenergie Ei, E2 bzw. E3, auf die der Beschleuniger 200 die Teilchen H+ gebracht hat, bildet sich an unterschied- liehen Positionen Zi, z2 bzw. z3 in Strahlrichtung z der jeweilige Bragg-Peak aus. Dies ist im unteren Teil der Figur 2 mit Hilfe der den verschiedenen Energien entsprechenden
Bragg-Kurven demonstriert. Im dort dargestellten Diagramm ist der Energieverlust dE pro Wegstrecke dz im Targetmaterial, dE/dz, über der Position in Strahlrichtung z aufgetragen. Die Positionen zi der verschiedenen Bragg-Peaks hängen von der Teilchenenergie Ei ab. Wie sich anhand der Figur 2 leicht erkennen lässt, wird durch den erfindungsgemäßen Ansatz erreicht, dass die Strahlenergie nicht mehr nur noch an einer Position im Target deponiert wird, sondern über das gesamte Zielvolumen verteilt werden kann. Dabei spielt es prinzipiell keine Rolle, ob der Be- schleuniger gepulst oder kontinuierlich betrieben wird.
Beim gepulsten Betrieb könnten bspw. die aufeinanderfolgenden Pulse des Pulszuges unterschiedliche Energien aufweisen. Al¬ ternativ könnte eine Gruppe bestehend aus mehreren aufeinan- derfolgenden Pulsen eine erste Energie Ei aufweisen, während die Pulse einer darauf folgenden Pulsgruppe eine zweite Ener¬ gie E2 aufweisen usw.
Im kontinuierlichen Betrieb wird die Strahlenergie kontinu- ierlich variiert, d.h. bspw. in der Form E ( t ) =E0*sin ( cot ) (mit einer Konstanten E0) , oder es werden wie oben bereits ange¬ deutet für bestimmte Zeiträume ÄTi diskrete Energiewerte bzw. -stufen Ei eingestellt. Dieselben, oben im Zusammenhang mit einem unterkritischen, beschleunigergetriebenen Kernreaktor (ADSR) beschriebenen Maßnahmen zur Variation der Position des Bragg-Peaks im Target können vorteilhaft natürlich auch in anderen Anwendungsfällen zum Einsatz kommen, bei denen ein Target mit einem Teilchenstrahl bestrahlt wird.
Die typischen Energien des Teilchenstrahls richten sich nach der jeweiligen Anwendung bzw. dem zu erzeugenden Partikel- fluss und dessen gewünschter Energie etc. Ebenso richtet sich die Amplitude der Energievariation, d.h. die maximalen und die minimalen Energien des Teilchenstrahls, in erster Linie nach der Dimensionierung und Beschaffenheit des Targets sowie nach der Art der Teilchen des Teilchenstrahls. Mit Hilfe der Bragg-Funktion bzw. über die Bethe-Bloch-Gleichung lässt sich bei Kenntnis dieser Parameter leicht berechnen, welche
Strahlenergien benötigt werden, um die Position des maximalen Energieübertrags pro Wegstrecke in Strahlrichtung über die gewünschte Länge des Targets, im Extremfall über die gesamte Länge, zu variieren.
Das Muster der Energievariation kann ebenfalls abhängig von den Gegebenheiten gewählt werden. Bspw. kann die Energie mit der Zeit entsprechend einer Sinusfunktion E (t) oc sin (rot) + E0 oder einer linearen Funktion E (t) = a*t + E0 variiert werden, wobei die Konstante a in einem Zeitintervall ΔΤ1 bspw. grö¬ ßer als Null ist und in einem darauf folgenden Zeitintervall ΔΤ2 kleiner als Null (mit ΔΤ1=ΔΤ2), jedoch mit dem gleichen Betrag wie im ersten Intervall. Dadurch wird erreicht, dass der Bragg-Peak im ersten Intervall mit konstanter Geschwindigkeit in Strahlrichtung über das Target verschoben wird, während er im zweiten Intervall zwar ebenfalls mit konstanter Geschwindigkeit, jedoch entgegen der Strahlrichtung verscho- ben wird. Dabei ist es denkbar, die Energievariation in diskreten Schritten oder aber kontinuierlich auszuführen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung eines Partikelflusses, insbesonde¬ re eines Neutronenflusses, bei dem ein Target (120) mit einem Teilchenstrahl (S) aus einem Teilchenbeschleuniger (200) bestrahlt wird, so dass die zu erzeugenden Partikel aus dem Target (120) herausgeschlagen werden und so den Partikelfluss bilden, wobei
- zumindest ein Großteil der Teilchen des Teilchenstrahls (S) im Target (120) abgebremst wird und dabei zumindest ein
Teil der Energie der Teilchen auf das Target (120) übertra¬ gen wird und
- der Teilchenbeschleuniger (200) derart angesteuert wird, dass die Position ( z l r z2, z3) des maximalen Energieüber- trags pro Wegstrecke (dE/dz) im Volumen des Targets (120) variiert .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Position ( z l r z2, z3) des maximalen Energie- Übertrags pro Wegstrecke (dE/dz) in Strahlrichtung (z) erfolgt .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des Teilchenstrahls (S) variiert wird, der- art, dass die Position des Bragg-Peaks im Target (120) vari¬ iert .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zur Beschleunigung der Teilchen dienender HF-Resonator (231) des Teilchenbeschleunigers (200) derart angesteuert wird, dass die Energie der im HF-Resonator (231) beschleunigten Teilchen mit der Zeit variiert .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenergie E (t) kontinuierlich variiert oder in diskreten Schritten stufenweise verstellt wird .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der von den Teilchen auf das Volumen des Targets (120) übertragenen Energie über das Volumen, insbesondere in Strahlrichtung (z), weitestgehend homogenisiert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position ( z l r z2, z3) des maximalen Energieübertrags in Strahlrichtung (z) über die volle Erstre- ckung des Targets (120) variiert wird.
8. Betriebsverfahren für einen Teilchenbeschleuniger (200) zur Erzeugung eines Partikelflusses, insbesondere eines Neut¬ ronenflusses, der im Betriebszustand einen Teilchenstrahl (S) erzeugt, mit dem ein Target (120) bestrahlbar ist, wobei
- bei einer Bestrahlung des Targets (120) zumindest ein Gro߬ teil der Teilchen des Teilchenstrahls (S) im Target (120) abgebremst wird und dabei zumindest ein Teil der Energie der Teilchen auf das Target (120) übertragen wird,
- der Teilchenbeschleuniger (200) derart betrieben wird, dass bei der Bestrahlung die Position ( z l r z2, z3) des maximalen Energieübertrags pro Wegstrecke (dE/dz) im Targetvolumen variiert .
9. Betriebsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des Teilchenstrahls (S) variiert wird.
10. Betriebsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich- net, dass die Energie des Teilchenstrahls (S) variiert wird, indem zumindest ein zur Beschleunigung der Teilchen dienender HF-Resonator (231) des Teilchenbeschleunigers (200) derart angesteuert wird, dass die Energie der beschleunigten Teil¬ chen mit der Zeit variiert.
11. Steuervorrichtung (210) für einen Teilchenbeschleuniger (200), die eingerichtet ist, um den Teilchenbeschleuniger (200) derart anzusteuern, dass ein Verfahren zur Erzeugung eines Partikelflusses nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aus¬ führbar ist.
12. Steuervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich- net, dass die Steuervorrichtung (210) eingerichtet ist,
- um im Betriebszustand den Teilchenbeschleuniger (200) derart anzusteuern, dass dieser einen Teilchenstrahl (S) mit einer variablen Strahlenergie E (t) erzeugt, und
- um die Strahlenergie E (t) während eines Bestrahlvorganges derart zu variieren, dass eine Position ( z l r z2, z3) des ma¬ ximalen Energieübertrags pro Wegstrecke (dE/dz) in einem vom Teilchenstrahl durchquerbaren Volumen eines Targets (120) variiert.
13. Teilchenbeschleuniger (200) mit einer Steuervorrichtung (210) nach einem der Ansprüche 11 bis 12.
14. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl (S) ein Protonenstrahl (H+) ist.
15. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (120) ein Spallationstarget (120) ist, insbesondere ein Neutronen-Spallationstarget .
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Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1504593A (fr) * 1966-09-16 1967-12-08 Commissariat Energie Atomique Procédé de bombardement d'une cible par balayage circulaire modulé et appareil correspondant
FR2856837A1 (fr) * 2003-06-30 2004-12-31 Commissariat Energie Atomique Procede d'amelioration de la surete des systemes nucleaires hybrides couples, et dispositif mettant en oeuvre ce procede
ITCO20050028A1 (it) * 2005-11-11 2007-05-12 Fond Per Adroterapia Oncologica Complesso di acceleratori di protoni in particolare per uso medicale
FR2897502B1 (fr) * 2006-02-14 2008-04-11 Aima Eps Cible, installation de neutrontherapie et procede de production de neutrons.
DE102007054919B4 (de) * 2007-08-24 2009-07-30 Gsi Helmholtzzentrum Für Schwerionenforschung Gmbh Schnelle Regelung der Reichweite von hochenergetischen Ionenstrahlen für Präzisionsbestrahlungen von bewegten Zielvolumina
US8330132B2 (en) * 2008-08-27 2012-12-11 Varian Medical Systems, Inc. Energy modulator for modulating an energy of a particle beam

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. LOMAX: "Intensity modulation methods for proton radiotherapy", PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY, vol. 44, no. 1, January 1999 (1999-01-01), UK, pages 185 - 205, XP002656863, ISSN: 0031-9155 *
ANTOINE ET AL.: "Principle design of a protontherapy, rapid-cycling, variable energy spiral FFAG", NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH, SECTION A, vol. 602, no. 2, 21 April 2009 (2009-04-21), Netherlands, pages 293 - 305, XP002656861, ISSN: 0168-9002 *
CHU ET AL.: "Instrumentation for treatment of cancer using proton and light-ion beams", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, vol. 64, no. 8, August 1993 (1993-08-01), USA, pages 2055 - 2122, XP002656859, ISSN: 0034-6748 *
RINCKEL ET AL.: "LENS proton linac 6 kilowatt operation", 2009, pages 1 - 3, XP002656833, Retrieved from the Internet <URL:http://trshare.triumf.ca/~pac09proc/Proceedings_091005/papers/fr5rep068.pdf> [retrieved on 20110812] *
SCHARDT ET AL.: "Heavy-ion tumor therapy: Physical and radiobiological benefits", REVIEWS OF MODERN PHYSICS, vol. 82, no. 1, 15 January 2010 (2010-01-15), USA, pages 383 - 425, XP002656862, ISSN: 0034-6861 *
T. BROOME: "High power targets for spallation sources", EPAC96. FIFTH EUROPEAN PARTICLE ACCELERATOR CONFERENCE EPAC96. FIFTH EUROPEAN PARTICLE ACCELERATOR CONFERENCE, vol. 1, 1997, Bristol, UK, pages 267 - 271, XP002656834, ISBN: 0-7503-0386-7 *
YEBOAH COLLINS ET AL: "Intensity and energy modulated radiotherapy with proton beams: Variables affecting optimal prostate plan", MEDICAL PHYSICS, AIP, MELVILLE, NY, US, vol. 29, no. 2, 1 February 2002 (2002-02-01), pages 176 - 189, XP012011713, ISSN: 0094-2405, DOI: 10.1118/1.1445409 *

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