Die Anlage für die Protonentherapie

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Die Protonenquelle

Protonen sind die Atomkerne des chemischen Elements Wasserstoff, bei dem im physikalischen Verständnis ein Hüllenelektron ein Proton wie eine Wolke umgibt. Protonen sind elektrisch positiv, Elektronen elektrisch negativ geladen. In der Quelle werden diese beiden Ladungsträger aus Wasserstoffgas in einem heißen Plasma getrennt, und die Protonen werden durch elektrische Felder „abgesaugt“, d.h. extrahiert. Die für den Strahlbetrieb am HZB in Eigenarbeit entwickelte Quelle ist in ihrer baulichen Güte weltweit einzigartig. Sie sorgt zuverlässig für eine ausgesprochen exzellente Strahlstabilität und überdies für eine gute Protonenintensität.



Der Vorbeschleuniger

Hinter der Quelle werden die aus dem Plasma kommenden Protonen stufenweise auf eine Energie gebracht, mit der sie zum Zweck der Augentumortherapie in der Lage sind, in bis zu 3 cm Weichgewebe einzudringen. Als Vorbeschleuniger dient ein Van-de-Graaff-Generator mit einer Höchstspannung von 5½ Millionen Volt, der Protonenstrahlen mit extrem guter Energieschärfe anliefert.

Erste Stufe der Teilchenbeschleunigung. Auf der Spitze des Van-de-Graaff-Generators im
roten Gehäuse ist die Ionenquelle zu sehe. Der Van-de-Graaff ist hier zu Wartungszwecken
geöffnet.




Der Hauptbeschleuniger

Hier werden die Protonen durch Beschleunigung in elektrischen Wechselfeldern auf ihre Endenergie von 68 Millionen Elektronenvolt gebracht, was in etwa der halben Lichtgeschwindigkeit entspricht. Der Hauptbeschleuniger ist ein so genanntes Sektorzyklotron mit zwei Hochfrequenzsystemen für die schrittweise Energieaufnahme der Protonen und vier Magneten für die Strahlumlenkung, wodurch die Protonen auf eine Bahn um das Zentrum des Zyklotrons gebracht werden. Deshalb wird es umgangssprachlich auch „Kreisbeschleuniger“ genannt, obwohl sich die Protonen auf Spiralbahnen bewegen.

Die Protonen vom Van-de-Graaff-Vorbeschleuniger werden in Zentrumsnähe eingeschossen, und dort auf ihre erste, enge Umlaufbahn gebracht. Jeder Magnet lenkt den Strahl um jeweils 90 Grad ab, so dass er eine Schleife beschreibt und dadurch immer wieder die beiden Hochfrequenzsysteme durchläuft. Durch die Beschleunigung der Protonen im elektrischen Wechselfeld nimmt dann der Bahnradius im Zyklotron solange zu, bis der Strahl die Austrittsstelle (Extraktionspunkt) erreicht. Auf der Extraktionsseite wird der Protonenstrahl aus dem Zyklotron herausgelenkt und schließlich in Richtung Bestrahlungsraum geführt.

Zweite Stufe der Teilchenbeschleunigung. Im Sektorzyklotron werden die vom
Vorbeschleuniger kommenden Protonen auf etwa halbe Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Die
vier Umlenkmagnete (braune Blöcke) und die beiden Hochfrequenzsystem (gelb) sorgen dafür, dass
der Protonenstrahl im Zyklotron auf seiner berechneten Bahn bleibt.




Präzise Technik. Die Protonen werden ungebremst in nahezu luftleerem Raum zum Therapieplatz geführt. Von der Erzeugung bis zur Anwendung müssen sie dabei eine Wegstecke von einem Kilometer zurücklegen, ohne die Innenwänden der Strahlführungselemente zu berühren.