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Beschleunigeranlage

Zyklotron

Das Zyklotron ist der Hauptbeschleuniger. Hier werden die Protonen durch Beschleunigung in elektrischen Wechselfeldern auf die gewünschte Endenergie gebracht. Unser Zyklotron ist ein so genanntes Sektorzyklotron mit zwei Hochfrequenzsystemen für die schrittweise Energieaufnahme und vier Magneten für die Strahlumlenkung, wodurch die Ionen auf eine Bahn um das Zentrum des Zyklotrons gebracht werden. Deshalb wird es umgangssprachlich auch „Kreisbeschleuniger“ genannt, obwohl sich die Ionen auf Spiralbahnen bewegen. Die Ionen vom 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 Ionen 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. 

Es ist ein Energievervielfacher mit dem festen Multiplikator 17. Mit seiner sehr variablen Hochfrequenz- und Magnetkonfiguration kann eine Energie von 1 MeV/u bis 70 MeV/u  (in Einheiten Energie pro Masseneinheit des Ions) überstrichen werden. Das Zyklotron liefert einen mit 10 MHz bis 20 MHz (Zyklotronfrequenz) gepulsten Strahl, dessen Pulsbreite weniger als 0,5 ns beträgt. Diese vergleichsweise hohe Pulsfrequenz vereinigt die Vorzüge eines Quasi-Gleichstroms mit den Einsatzmöglichkeiten gepulster Ionenstrahlen.

 

Vorbeschleuniger

Als Injektoren kommen je nach Anforderung wahlweise der Van-de-Graaff-Beschleuniger oder das Tandetron zum Einsatz. Bei beiden handelt es sich um elektrostatische Beschleuniger.

Van-de-Graaff-Beschleuniger

Der Van-de-Graaff-Beschleunigermit einer maximalen Hochspannung von 6 MeV liefert Strahlen mit extrem guter Energieschärfe. Die für den Betrieb auf dem Hochspannungsppol entwickelte EZR-(Elektron-Zyklotron-Resonanz) Quelle produziert hohe und niedrige Ladungszustände.

Tandetron

Das Tandetron hat eine maximale Hochspannung von 2,05 MV, die doppelt ausgenutzt wird: Aus der Duoplasmatron-Ionenquelle werden negative Wasserstoffionen extrahiert und zum Hochspannungspol hin beschleunigt. Dort werden die Elektronen abgestreift und das positive Wasserstoffion ein zweites Mal beschleunigt.

Aufgrund seines sehr stabilen Strahls wird das Tandetron standardmässig für die Therapie eingesetzt.

Strahlführungselemente

Nach jedem Injektor befindet sich ein elektrischer Kicker, der den Strahl schnell weg vom Beschleunigungspfad bringen kann. Die liefern Pulse bis 50 ns kurz mit einer maximalen Wiederholrate von 2 MHz.

Entlang der gesamten Strahlführung können verschiedene Kollimatoren (runde Blenden, rechteckige Schlitze, Pepperpots),  Streufolien und Quadrupol-Magnete den Strahl beschneiden, aufstreuen und fokussieren, um die Form, Intensität und Homogenität des Strahls anzupassen.

Die regelmäßige Einstellung bietet einen Protonenstrahl mit kinetischen Energie von 68 MeV, Strahlgröße von 1 mm (fokussiert) bis 35 mm (aufgestreut) und Intensitäten größer als 100 nA.