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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine rotierbare Targetanordnung für Teilchenbeschleuniger,
insbesondere rotierbare Tritium-Targetanordnung zum Erzeugen von Neutronenstrahlen,
mit einem kreisrunden Targetquerschnitt und einer zentrischen Targetlagerung.
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Rotierbare Targetanordnungen der genannten Art werden für verschiedene
Zwecke eingesetzt, wie für Werkstoffprüfungen bei Fusionsuntersuchungen und in der
Krebstherapie. Im Falle einer Tritium-Targetanordnung wird eine auf einer rotierbar
çelaDerten Targetunterlage aufgedampfte Targetschicht, die beispielsweise aus Titan-Tritied
sein kann, mit Deuteronenstrahlen bobardiert, und die dabei ausgelöste Kernreaktion
T (d, n) He führt z Freiwerden von Neutronen. Die von der Neutronenquelle nahezu
kugelsymmetrisch ausgehenden Neutronenstrahlen werden in der Krebstherapie durch
einen geeigneten Strahlenschutz abgeschirmt, so daß sie nur in Form eines möglichst
engen Neutronenstrahlenbündels durch einen Kanal in der Abschirmung austreten können,
um zum Zerstören eines bösartigen Tumors auf diesen geleitet zu werden.
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In bekannter Weise werden in einem Targetgehäuse rotierbare gelagerte
Targets in Form von Scheiben oder zur Vergrößerung der Lebensdauer bzw. Standzeit
in Form von Zylindern ausgebildet. Es ist günstig, die Standzeit einer Targetanordnung
so gro3 wie möglich zu machen. Bei einer zu kurzen Standzeit muß der Bestrahlungsbetrieb
zur Erzeugung von Neutronenstrahlen wegen der ntwenigen Erneuerung des Targets zu
häufig unterbrochen erzen.
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Daraus ergibt sich ein ungünstiges Verhältnis Strahlzeit zu Rüstzeit,
was einen routinemäßigen durchgehenden Bestrahlu-.gsbetrieb zur Behandlung einer
großen Anzahl von Patienten unmöglich macht. Die Standzeit der bekannten scheibenförmigen
und zylinderförmigen Targets kann durch Vergrößern ihrer Targetfläche verbessert
werden. Dieses führt jedoch zu einer sperrigen Bauweise, die sich nachteilig auf
die Größe, das Gewicht und die Kosten der Strahlenabschirmung sowie ihrer Aufhängung
auswirkt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine rotierbare
Targetanordnung der genannten Art mit einfachen Mitteln so auszubilden, daß die
Standzeit der Targetanordnung unter Beibehaltung einer kompakten Bauweise weitgehend
beliebig vergrössert werden kann und nicht mehr besonders ins Gewicht fallende Umrüstungen
erst nach langen Betriebszeiten erforderlich sind.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich eine rotierbare Targetanordnung
erfind-ungsgemäß dadurch aus, daß zumindest zwei relativ zueinander bewegliche,
einzelne, rotierbare Targets zu einer Targetanordnung zusammengefaßt sind und daß
zeserl- ein zu bestrahlendes Target ein weiteres Target in einer ersten agebeziehung
hierzu bestrahlungsmäßig abdeckt sowie in einer weiten Lagebeziehung hierzu für
eine Bestrahlung freigibt. Die Erfindung geht somit von dem Gedanken aus, daß es
statt einer Vergrößerung von einzelnen Targets wesentlich günstiger ist, in einer
Target anordnung mehrere Targets normaler Baugröße in einer kompakten Weise zusammenzufassen
und so zu gestalten, daß sie relativ zueinander beweglich sind, um je nach ihrer
Relativposition selbst bestrahlt zu werden oder ein nächstes Target bestrahlungsäßig
freizugeben. Da sich hierdurch eine größere Anzahl von Targets zusammenfassen läßt,
ohne daß sich diese Targets gegenseitig störend behindern, lassen sich die jeweiligen
Standzeiten praktisch beliebigen erwünschten Verhältnissen anpassen.
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Ene Möglichkeit zum relativen Bewegen der Targets besteht darin, daß
diese gemäß einer bevorzugten Ausführungsform relativ zueinander verschiebbar, vorzugsweise
axial verschiebbar, gelagert sind. Hierbei ist es möglich, daß die verschiedenen
Targets mit einetemeinsamen Rotierantrieb verbunden und jedoch einzeln verschiebbar
sind, so daß sie wahlweise aus dem Bestrahlungsbereich verschoben werden können,
und zwar unter bestrahlungsmäßiger Freigabe des nächsten Targets.
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Eine andere Bewegungsmöglichkeit besteht darin, daß die Targets gemäß
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform relativ zueinander um ihre Mittelachse
verdrehbar gelagert sind und daß das jeweils bestrahlungsmäßig abdeckende bzw. freigebende
Target it
wenigstens einem mit dem Strahlengang ausrichtbaren Strahlendurchgang
ausgebildet ist. Die Targets einer solchen Targetanordnung dürfen somit nicht ständig
mit einem gemeinsamen Rotierantrieb verbunden sein, da das oder die den Strahlengang
durchlassenden Targets jeweils mit dem Strahlendurchgang auf den Strahlengang ausgerichtet
werden müssen. Eine axiale Verschiebung der Targets ist jedoch bei dieser Ausführungsfor
nicht erforderlich, so daß eine kurze bzw. niedrige Bauhöhe möglich ist.
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Gemäß einer einfachen Ausführungsform ist der Strahlendurchgang als
eine Target-Durchgangsöffnung ausgebildet. Diese kann als zumindest ein im wesentlichen
rundes Loch ausgebildet sein.
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Stattdessen ist es auch möglich, die Durchgangsöffnung als zumindest
einen Target-Schlitz auszubilden, was vor allem bei einer ablenkbaren Bestrahlungseinheit
sinnvoll ist, da dann die gesamte Oberfläche des darunter befindlichen Targets über
den Target-Schlitz abgetastet werden kann.
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Bei einer einfachen Ausführungsform sind die Targets scheibenförmig
ausgebildet. Derartige Targets sind relativ einfach und preiswert herzustellen.
Sie lassen sich unter gegenseitiger Ausrichtung ihrer Mittelachsen in einer kompakten
Bauform hintereinander anordnen, um durch gegenseitiges Verdrehen und/oer Verschieben
bestrahlungsmäßig zugänglich zu sein.
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Bei einer anderen Ausführungsform sind die Targets zylinderförmig
ausgebildet. Vorzugsweise werden jedoch konusförmige Iargets benutzt. Derartige
zylindrische oder konische Targets sind zweckmäßigerweise hohl und ineinander verschachtelbar
ausgebildet, u eine möglichst kompakte Bauform zu erzielen. Die Targets werden jeweils
an ihren äußeren Manteloberflächn bestrahlt und können mit etwa kreisrunden und/oder
schlitzförmigen Durchgangsöfnungen versehen sein.
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In weiterer Ausgestaltung sind die jeweils eine Targetunterlage und
eine darauf befindliche, zu bestrahlende, äußere Targetschicht aufweisenden Targets
mit Kühlmitteln ausgebildet. Diese
ermöglichen eine große thermische
Flächenbelastbarkeit der Targets und damit kleine Strahlquerschnitte. Bei einer
Ausführungsform befinden sicWim Inneren der Targetunterlage FlüssigReits-Kühlkanäle.
Diese werden von einer Kühlflüssigkeit durchströmt und verhindern somit eine zu
große thermische Aufheizung der zu bestrahlenden Targetschicht. Im Zusammenhang
mit konischen Targets besteht eine besonders bevorzugte Ausführungsform darin, daß
eine Kühlflüssigkeitszufuhr auf die innenseitige Oberfläche einer hohlen konischen
Targetunterlage an derem querscr.nittsverminderten Endbereich und eine Kühlflüssigkeitsableituna
am querschnittserweiterten innenseitigen Endbereich der Targetunterlage durchgeführt
wird. Infolge der Konizität wird die Kühlflüsslgkeit durch die auftretenden Fliehkräfte
zu einer Zwangsströmung in Targetlängsrichtung veranlaßt, so daß keine isolierenden,
stationären Kühlflüssigkeitsfilmeentstehen können, wie es bei bekannten, innengekühlten
Zylinder-Targets der Fall ist.
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Vorzugsweise sind die einzelnen Targets mit konzentrischen, antreibbaren
Hohlwellen verbunden, die zum Rotieren und gegenseitigen Bewegen der Targets dienen.
Diese Hohlwellen können zweckmäßigerweise auch gleichzeitig für eine Zufuhr und
Ableitung von Kühlflüssigkeit sorgen.
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Die erfindungsgemäße Targetanordnung ermöglicht ohne maßgebliche bauliche
Vergrößerung eine wesentliche Erhöhung der bisher erzielbaren Standzeit und somit
ein erheblich günstigeres N altnis Strahlzeit zu Rüstzeit. Da die Rüstzeit nicht
wesentl cl davon abhängt, ob ein oder mehrere Targets gleichzeitig ausgewechselt
werden, und da die Rüstvorgänge in wesentlich längere Betriebsabständen durchzuführen
sind, ergeben sich erheblich günstigere und preiswertere Betriebsverhältnisse. Auch
sehr langwierige bzw. umfangreiche Untersuchungen lassen sich somit ohne Betriebsunterbrechung
durchführen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf zeichnerisch dargestellte
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Targetanordnung mit drei rotierbaren sowie gegeneinander
verdrehbaren
scheibenförmigen Targets und einer diesehalternden konzentrischen Hohlwel lenanordnung,
Figur 2 - in Unteransicht eines der scheibenförmigen Targets aus Figur 1, Figur
3 - eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Targetanordnung mit vier
ineinandergeschachtelten, konischen, rotierbaren Targets, die von einer konzentrischen
Hohlwellenanordnung relativ zueinander axial verschiebbar gehalten sind, Figur 4
- ein konisches Target mit einem Kühlmittelkrelslauf, Figur 5 - eine dritte Ausführungsform
einer erfindungsgernäßen Targetanordnung mit drei ineinandergeschachtelten, konischen,
rotierbaren Targets' die von einer konzentrischen Hohlwellenanordnung gegenseitig
verdrehbar gehalten sind, und Figur 6 - ein konisches Target mit einer schlitzförmigen
Durchgangsöffnung.
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Eine in Figur 1 dargestellte Targetanordnung besitzt beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel drei scheibenförmige Targets 10, 12 und 14, die mit einekonzentrischen
Hohlwellenanordnung 16 verbunden und in bezug aufeinander einzeln rotierbar sowie
verdrehbar sind. Die bei der Ausführungsform unten angeordneten beiden Targets 12
bzw. 14 sind jeweils mit einer radial verlaufenden, schlitzförmigen Durchgangsöffnung
18 bzw. 20 versehen, deren Form klar aus Figur 2 ersichtlich ist.
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Die Targets 10, 12 und 14 befinden sich innerhalb eines Gehäuses 24,
das im vorliegenden Fall an der rechten Unterseite einen Strahleneingang 26 aufweist.
Die konzentrische Hohlwelleordnung 16 ist mit einer an der Oberseite des Gehäuses
24 d-ngeflanschten Antriebs- und Steuereinheit 28 verbunden. Mittels geeigncter,
nicht näher bezeichneter Bedienungselemente eines Bedienungsfeldes 30 läßt sich
die gesamte Targetanordnung steuern.
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Auf diese Weise können die einzelnen Targets 10, 12, 14 wahlweise
rotiert oder zum Stillstand gebracht werden. Bei dem dargestellten Betriebszustand
wird durch die Bestrahlung gemäß Pfeilrichtung
S gerade das mittlere
Target 12 bestrahlt, da die schlitzförmige Durchgangsöffnung 20 des Targets 14 mit
dem Strahlengang ausgerichtet ist und das Target 12 rotiert. Wenn ein Bestrahlen
des Targets 10 erwünscht ist, muß auch das mittlere Target 12 so angehalten werden,
daß seine Durchgangsöffnung 18 mit der Durchgangsöffnung 20 im Bereich des Strahleneingangs
26 fluchtet. Auf diese Weise können die einzelnen Targets ohne gegenseitige Behinderung
nacheinander bestrahlt werden.
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Gemäß Figur 1 können die einzelnen scheibenförmigen Targets hohl ausgebildet
und mit inneren Leitblechen 22 so versehen sein, daß sich eine Kühlmittelströmung
gemäß Pfeildarstellung erzielen läßt. Die Kühlflüssigkeit kann durch eine jeweils
zugeorcnete Hohlwelle zu- und abgeführt werden. Die spezielle Ausbildung der Kühlmittel
ist an sich beliebig und kann an die jeweiligen Betriebserfordernisse angepaßt werden.
Auch müssen nicht unbedingt i schlitzförmige Durchgangsöffnungen 18, 20 verwendet
werden. Es lassen sich beispielsweise auch kreisrunde Durchgangsöffnungen 32 verwenden,
die gemäß Darstellung in Figur 2 radial hintereinander angeordnet sein können. Die
schlitzförmigen Durchgangsöffnungen 18, 20 können gegebenenfalls auch zu einer kreisrunden
Durchgangsöffnung aufgeweitet werden, die sich etwa vom Zentrum bis zur Peripherie
des scheibenformigen Targets erstreckt.
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Die Targetanordnung aus Figur 1 kann auch so ausgebildet sein, daß
die rotierbaren scheibenförmigen Targets relativ zueinander axial verschiebbar ausgebildet
sind und mit einem scnräg einfallenden Strahlenbündel beaufschlagt werden, das infolge
der axialen Verschiebbarkeit auf die einzelnen Targets auftreffen kann.
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Eine solche Ausführungsform führt allerdings zu einer etwas grösseren
Bauhöhe der Targetanordnung. Die einzelnen Targets können ständig mit einem gemeinsamen
Rotierantrieb verbunden sein. Sie müssen lediglich eine gegenseitige axiale Verschiebbarkeit
atweisen.
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Bei der Ausführungsform aus Figur 3 sind der Ausführungsform aus Figur
1 entsprechende Teile mit denselben Hinweiszahlen belegt.
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In einem Gehäuse 24 mit einem im vorliegenden Fall seitlichen Strahleneingang
26 und einer oberseitigen Antriebs- sowie Steuereinheit 28, die ebenfalls ein Bedienungsfeld
30 aufweist, befindet sich eine konzentrische Hohlwellenanordnung 16. Mit dieser
sind im vorliegenden Fall vier ineinandergeschachtelte, hohle, konische bzw. kegelstumpfförmige
Targets 34, 36, 38 und 40 so verbunden, daß sie nacheinander in Pfeildarstellung
voneinander abhebbar sind. Die einzelnen Targets 34 bis 40 können über die Hohlwellenanordnung
16 ständig mit einem gemeinsamen Rotiert antrieb verbunden sein und müssen lediglich
eine gegenseitige axiale Verschiebbarkeit aufweisen. Bei dem dargestellten Betriebszustand
ist es beispielsweise möglich, daß das Target 34 bereits bestrahlt wurde und nach
einem vollständigen Abheben nach oben ein Bestrahlen des darunter befindlichen Targets
36 ermöglicht. Auf diese Weise können die einzelnen Targets nacheinander bestrahlt
werden. Wegen der axialen VerschieDbarkeit- der. ein zelnen Targets müssen diese
nicht wie bei der Ausführungsform aus Figur 1 entsprechende Strahlendurchgänge aufweisen.
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In Figur 4 ist ein hohles, konisches Target 42 mit einer Rotierwelle
44 schematisch dargestellt. Es ist angedeutet, daß die nicht näher bezeichnete Targetunterlage
hohl ausgebildet sein kann und im Inneren ein Leitblech 46 aufweist, das für einen
in Pfeilrichtung erfolgenden Kühlflüssigkeitsstrom sorgt. Direkt unterhalb des äußeren
Konusmantels, das heißt unterhalb der zu bestrahlenden Targetschicht, wird die Kühlflüssigkeit
am querschnittsverminderten Endbereich zugeführt und am querschnittserweiterten
Endbereich abgeführt, das heißt im vorliegenden Fall um 180° umgelenkt. Ein derartiger
Kühlvorgang ist ausgesprochen wirksam, da sich infolge der Fliehkräfte radial innerhalb
der Targetschicht in der Targetunterlage kein stationärer, thermisch isolierender
Kühlflüssigkeitsfilm ergeben kann. Durch die Nonizität wird eine Zwangsströmung
in Targetlängsrichtung begründet, und zwar im Unterschied zu zylindrischen Targets,
bei denen eine entsprechende Flüssigkeitsinnenkühlung zu Problemen infolge von stationären
Kühlflüssigkeitsfilmen führt.
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Bei der Ausführungsform aus Figur 5 sind den Ausführungsformen
aus
den Figuren 1 und 3 entsprechende Teile mit denselben Hinweiszahlen belegt. In einem
Gehäuse 24 mit einem seitlichen Strahleneingang 26 und einer oberseitig angeflanschten
Antriebssowie Steuereinheit 28, die ebenfalls ein Bedienungsfeld 30 aufweist, befindet
sich eine konzentrische Hohlwellenanordnung 16.
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Im vorliegenden Fall trägt diese drei ineinandergeschachtelte, hohle,
konische bzw. kegelstumpfförmige Targets 48, 50 und 52, die über die konzentrische
Hohlwellenanordnung 16 einzeln rotiert und gegenseitig verdreht werden können. Die
äußeren Targets 48 und 50 sind jeweils mit einer in Targetlängsrichtung verlaufenden,
schlitzförmigen Durchgangsöffnung 54 bzw. 56 versehen, wie es auch aus Figur 6 ersichtlich
ist. Beim Drehen des äußeren Targets 48 wird dieses bestrahlt. Wenn das äußere Target
48 unter Ausrichtung seiner Durchgangsöffnung 54 mit dem Strahleneingang 26 angehalten
wird, kann ein Bestrahlen des mittleren Targets 50 erfolgen. Wenn auch dieses unter
Ausrichtung seiner Durchgangsöffnung 56 mit dem Strahleneingang 26 angehalten wird,
kann ein Bestrahlen des inneren Targets 52 durchgeführt werden.
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Ober die schlitzförmigen Durchgangsöffnungen 54, 56 können die äußeren
Mantelflächen der einzelnen Targets 48, 50 sowie 52 mit einem in Pfeilrichtung S
ablenkbaren Strahlenbündel abgetastet werden. Ein axiales Verschieben der einzelnen
Targets ist hierbei nicht erforderlich.
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Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform können die
einzelnen Targets der Targetanordnungen aus den Figuren 3 und 5 zylindrisch ausgebildet
sein. Auch hierbei lassen sich axial verschiebbare Targets oder lediglich relativ
zueinander verdrehbare Targets einsetzen, um ein nacheinander erfolgendes Bestrahlen
der äußeren Target-Zylinderflächen zu ermöglichen.
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Die Detailgestaltung einer Targetanordnung nach der vorliegenden Erfindung
ist an sich beliebig und kann den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden, was
beispielsweise für die Form un izahl sowie Lagerung der einzelnen Targets gilt.
Wichtig ist lediglich, daß mehrere Targets zu einer kompakten Targetanordnung zusammengefaßt
sindiund behinderungsfrei nacheinander bestrahlt werden können, indem die einzelnen
rotierbaren Targets relativ zueinander bzw. in bezug auf den Strahleneingang verschiebbar
und/oder verdrehbar gelagert sind.
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