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[Nachruf] Heinrich Rohrer
(2013)
Die Druckmessung in Tieftemperatur-Vakuumsystemen stellt ein großes messtechnisches Problem dar. Für die in solchen Systemen auftretenden Drücke im UHV und XHV-Bereich werden meist Ionisationsmanometer vom Glühkathodentyp zur Druckmessung verwendet. Diese haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass durch die Verwendung einer Glühkathode zur Erzeugung freier Elektronen eine große Wärmelast in das System eingekoppelt wird. Dies führt zu einer Störung des thermischen Gleichgewichts und damit zu einer Verfälschung der Druckmessung. Weiterhin muss diese zusätzliche Wärmelast abgeführt werden, was vor allem bei kryogenen Vakuumsystemen einen erheblichen Mehraufwand darstellt.
Um dieses Problem zu umgehen, wurde ein Ionisationsmanometer entwickelt, dessen Glühkathode durch eine kalte Elektronenquelle ersetzt wurde. Der verwendete Feldemitter, eine kommerziell erhältliche CNT-Kathode, wurde gegenüber dem Anodengitter einer Extraktormessröhre positioniert. Mit diesem Aufbau wurden die Charakteristika von Kathode und Messröhre sowohl bei Raumtemperatur als auch unter kryogenen Vakuumbedingungen untersucht.
Dabei konnte gezeigt werden, dass die modifizierte Messröhre auch bei einer Umgebungstemperatur von 6 K ohne funktionale Einbußen betrieben werden kann und der gemessene Ionenstrom über mehrere Dekaden linear mit dem von einer Extraktormessröhre mit Glühkathode gemessenen Referenzdruck ansteigt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Extraktor mit CNT-Kathode unter diesen kryogenen Bedingungen deutlich sensitiver auf geringe Druckschwankungen reagiert als sein Äquivalent mit Glühkathode.
Bei der Ionenstrahltherapie bestimmt die Energie der Ionen die Eindringtiefe in das Gewebe und damit die Lage des Braggpeaks, in dem der größte Teil der Ionisationsenergie deponiert wird.
Um die gewünschte Dosis möglichst genau im Tumor zu lokalisieren, müssen in den aufeinanderfolgenden Extraktionen die gewünschten unterschiedlichen Energien möglichst genau sein.
In der Beschleunigungsphase werden die Magnetfelder der Magnete im Synchrotron bis zum vorgegebenen Exktraktionswert hochgefahren. Dieser bestimmt zusammen mit der Synchrotronfrequenz die Strahlenergie. Während und insbesondere am Ende dieser Phase, Rampe genannt, sollte das Magnetfeld daher sehr genau dem berechneten Sollwert folgen, um Strahlverluste zu minimieren und die geforderte Strahlqualität zu erreichen.
In der zeitlichen Steuerung der Magnetströme müssen magnetische Effekte, die hauptsächlich im Eisen der Magnete auftreten, wie Wirbelströme und die Hysterese berücksichtigt werden, da sie das Feld verfälschen und damit den Strahl in unerwünschter Weise beeinflussen. Die während der Rampe entstehenden Wirbelströme stören das Magnetfeld, so dass bisher vor der Extraktion des Strahls eine Wartezeit eingeführt wurde, bis die Wirbelströme abgeklungen waren.
Bei beliebig wählbaren Abfolgen der vordefinierten Zyklen kommt es durch die Hysterese des Eisens zu unterschiedlichen Remanenzfeldern, die das Magnetfeld verändern. Um dem vorzubeugen, durchliefen die Magnete eine vordefinierte Hystereseschleife. Ist die geforderte Energie des Strahls erreicht, wird das Magnetfeld konstant gehalten und die Teilchen aus dem Synchrotron extrahiert. Der Rest der Hystereseschleife wurde am Ende des Zyklus durchlaufen.
Die im Rahmen dieser Dissertation entwickelte dynamische Magnetfeldregelung misst das integrale Magnetfeld sehr genau und korrigiert die Feldfehler. Das integrale Magnetfeld folgt damit jederzeit seiner Vorgabe, unabhängig von den dynamischen Störeffekten. Die Wirbelströme und die Hysterese sind zwar immer noch vorhanden, die dadurch verursachten Feldfehler können aber durch eine Rückkopplung auf den Strom des Magneten korrigiert werden.
Es werden verschiedene Verfahren zur Messung der Magnetfelder untersucht. Am besten eignet sich für die dynamische Magnetfeldregelung die Kombination aus einer Hallsonden- und einer Induktionsspulenmessung. Die Messung muss das integrale Magnetfeld des Magneten BL, also das gesamte Feld entlang des Strahlwegs, bestimmen. Die Induktionsspule, oder Pickupspule, liegt deshalb entlang des Strahlrohrs im Magneten und liefert eine Spannung in Abhängigkeit von der Änderung des magnetischen Flusses. Durch die Integration dieser Spannung erhält man das integrale Feld des Magneten. Die Messung wird mit einer Hallsondenmessung zu Beginn des Beschleunigerzyklus auf einen absoluten Messwert geeicht.
Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung des sogenannten HIT Integrators, der die Integration der Pickupspulenspannung übernimmt. Bisher verfügbare Integratoren konnten die notwendigen Anforderungen an Genauigkeit, Echtzeitfähigkeit, automatische Kalibrierung, ständige Messbereitschaft, Temperaturunabhängigkeit und hohe Verfügbarkeit nicht erfüllen. Der neu entwickelte HIT Integrator wurde diesen Anforderungen entsprechend entwickelt. Der Integrator mit dem neuartigen Konzept der gleichzeitigen Messung und Kalibrierung in Echtzeit ist als Patent angemeldet worden. Neben der Entwicklung und Verwirklichung des Gesamtkonzepts war die numerische Integration des stark verrauschten Pickupspulensignals und die sofortige Umsetzung des integralen Werts in ein Steuersignal für die Dipolmagnetstromgeräte eine besondere technische Herausforderung.
Die elektronischen Schaltungen für die dynamische Magnetfeldregelung sind in der Baugruppe des HIT Integrators zusammengefasst. Die Ansteuerung der Hallsonde mit einer temperaturkompensierten Stromquelle, der Signalaufbereitung und Analog-Digital-Wandlung, sowie der Integrator und der Regler bilden eine technische Einheit.
Der HIT Integrator ist speziell für den Einsatz im bestehenden Beschleunigerkontrollsystem und den Magnetnetzgeräten entwickelt worden.
Die Regler der Magnetnetzgeräte wurden so verändert, dass sie einen Zusatzsollwert verarbeiten können, der auf den berechneten Sollwert der Datenversorgung addiert wird.
Die Magnetfeldregelung wurde in den Therapiebeschleuniger integriert, dazu wurde die Datenversorgung und das Kontrollsystem angepasst. Die Magnetfeldregelung stellt ein neues Gerät im Beschleuniger dar, das in die Netzgeräte der Synchrotronmagnete eingebaut worden ist. Die Datenversorgung dieser Geräte beinhaltet u.a. eine neue Methode der Kalibrierung.
Es konnte durch Messungen gezeigt werden, dass die Magnetfeldregelung mit hoher Genauigkeit funktioniert. Es wird eine Genauigkeit von besser als 10^{-4} des maximalen Feldes von 1.5 T erreicht, also weniger als 150uT, der dreifachen Stärke des Erdmagnetfelds. Vor allem die Bestrahlungszeit mit Protonen und die Bestrahlung bei niedrigen Energien profitiert von der Magnetfeldregelung, da hier das Extraktionsniveau der Magnete relativ gering ist und das Durchlaufen der vordefinierten Hystereseschleife prozentual mehr Zeit im Zyklus in Anspruch nimmt. Durch den Wegfall dieser Phase wird daher pro Zyklus mehr Zeit eingespart. Die Messungen zeigen, dass im Beschleunigerzyklus trotz der fehlenden Wartezeiten, die bis zu 24% betragen, eine gleichbleibend gute Strahlqualität erreicht wird. Dies wurde mit Vergleichsmessungen gezeigt, bei denen der Strahl mit und ohne Feldregelung vermessen wurde. Untersucht wurde eine große Stichprobenmenge aus dem Parameterraum, gegeben durch zwei Ionensorten mit jeweils 255 Strahlenergien, 10 verschiedenen Teilchenraten und 4 Strahlbreiten. Außerdem wurde die Energie des Strahls nachgemessen.
Für die Einführung in den Therapiebetrieb musste eine Impactanalyse gemacht werden, die mögliche Auswirkungen des neuen Verfahrens behandelt. Das Risiko für Patienten, Mitarbeiter und Dritte darf durch die Magnetfeldregelung nicht erhöht werden. Daraus entstand auch die Forderung nach einem redundanten System, das Fehler erkennt und die Bestrahlung abbricht.
Die mittlere Leistungsaufnahme des Beschleunigers des Heidelberger Ionenstrahltherapiezentrums liegt bei etwa 1 MW, bei einem Jahresenergieverbrauch von 8 GWh mit Kosten von etwa 1 Million Euro. Dies entspricht einer deutschen Kleinstadt mit 10000 Einwohnern. Die Verkürzung der Zykluszeiten wirkt sich direkt auf die Bestrahlungszeit und auf die Energiekosten aus. Würde man die Anlage durch die Zeiteinsparungen kürzer betreiben, würde man etwa 2 GWh pro Jahr sparen, was die Stromkosten um etwa 250000 Euro reduziert.
Zusätzlich zu den eingesparten Kosten wird auch die Bestrahlungszeit kürzer und damit auch die Zeit, die der Patient bei der Behandlung fixiert wird. Die Behandlung für die Patienten wird angenehmer. Man kann aber auch durch die eingesparte Bestrahlungszeit pro Patient entsprechend mehr Patienten behandeln. Das heißt man kann an Stelle von 700 Patienten im Jahr 910 Patienten mit einem Tumor behandeln. Dieser für die Patienten willkommene Effekt bedeutet auf der anderen Seite für HIT aber auch Mehreinnahmen von 4.2 Millionen Euro im Jahr.
Das Konzept der Magnetfeldregelung kann auch an anderen Beschleunigeranlagen zum Einsatz kommen. Dazu müssen die Magnete mit den Sonden bestückt werden und die Magnetnetzgeräte einen Eingang für einen Zusatzsollwert bekommen. Das Beschleunigerkontrollsystem kann erweitert werden, damit es einen Sollwert mit allen notwendigen Kalibrierungen berechnen kann. Der HIT Integrator wird dann als eigenständiges Gerät in das Kontrollsystem eingebunden.
In der vorliegenden Arbeit wurden Messungen zur Plasmadynamik eines Lorentz-Drift- Beschleunigers (LDB) durchgeführt. Dieser basiert auf einer koaxialen Elektrodengeometrie. Bei einem Überschlag führt der entstehende Stromfluss zu einemMagnetfeld, sodass die gebildeten Ladungsträger durch die resultierende Lorentzkraft beschleunigt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Abhängigkeit von Durchbruchspannung und Druck dem charakteristischen Verlauf einer Paschenkurve folgt.
Die Strom-Spannungs-Charakteristik des Versuchsaufbaus wurde in Konfigurationen mit und ohne Funkenstrecke untersucht. Mit Hilfe von diesem als Schalter fungierenden Spark-Gaps konnte bei Durchbruchspannungen gemessen werden, die oberhalb des Selbstdurchbruchs liegen.
Es zeigte sich, dass die im Versuchaufbau verwendete Funkenstrecke keinen wesentlichen Einfluss auf die Entladung hat. Es kommt an der Funkenstrecke lediglich zu einem Spannungsabfall im Bereich einiger hundert Volt, der den Verlauf derEntladung im LDB allerdings nicht beeinflusst.
Der Lorentz-Drift-Beschleuniger könnte in Zukunft zur Erzeugung eines Druckgradienten verwendet werden, indem Teilchen von einem Rezipienten in einen Zweiten beschleunigt werden. Als Voruntersuchung zur Eingnung dieses als Lorentz-Drift-Ventil bezeichneten Konzeptes wurden Messungen durchgeführt, die den Einfluss der Durchbruchspannung auf die Teilchenbeschleunigung mit Hilfe eines piezokeramischen Elementes untersuchen. So wurde der magnetische Druck bzw. die entsprechende Kraft einer Entladungswolke in Abhängigkeit von Durchbruchspannungen bis etwa 9,5 kV untersucht. Es hat sich gezeigt, dass der Einsatz von hohen Spannungen sinnvoll ist, da sich die auf das Piezoelement einwirkende Kraft quadratisch zur Durchbruchspannung verhält. So wurde die maximale Kraft von 0,44N bei einer Zündspannung von 9,52 kV gemessen.
Zudem wurde untersucht, in welchem Druckbereich der Einfluss der Druckwelle zu messen und wie sich die Geschwindigkeit der Ausbreitung der Druckwelle bei verschiedenen Durchbruchspannungen verhält. Bei einer Entfernung von 231mm zwischen Elektrodengeometrie und Piezoelement hat sich gezeigt, dass im Druckbereich unterhalb von etwa 0,2mbar kein wesentlicher Einfluss des Gasdruckes auf die Piezospannung erkennbar ist. Dies lässt sich durch die geringe Teilchenanzahl im Arbeitsgas begründen, sodass Teilchenstöße vernachlässigt werden können. Die maximale gemessene Geschwindigkeit der durch die Entladung verursachten Druckwelle liegt bei 55 km s ± 10%.
Die gemessene Plasmadynamik lässt darauf schließen, dass das Konzept eines gepulsten Lorentz-Drift-Ventils insbesondere mit hohen Durchbruchspannungen realisierbar ist. Zur Erzeugung eines dauerhaften Druckgradienten müsste die Repetitionsrate allerdings ausreichend hoch sein, sodass der rückfließende Gasdurchsatz geringer ist als die durch den LDB erzeugte Drift. Geht man von der Schallgeschwindigkeit als Rückflussgeschwindigkeit der Teilchen aus, so sind mindestens Repetitionszeiten im Bereich einer Millisekunde erforderlich.
Ergänzend zu den durchgeführten Untersuchungen ist es sinnvoll, die bisherigen Messungen durch Einbau eines Triggers zu verifizieren. Ein Trigger erzeugt eine Vorentladung mit deren Hilfe die eigentliche Entladung auch im Bereich unterhalb des Selbstdurchbruchs gezündet werden kann.