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Dimroth, A.

Auslegung einer Lager- und Antriebseinheit für ein neuartiges Röntgentarget zur Strahlentherapie.

Design of a bearing and drive train unit for a novel x-ray target for radiotherapy.

Aachen, Universität, Fakultät für Maschinenwesen, Diss., 2023, 188 S.
Verlagsversion DOI
Krebs ist eine der größten Gesundheitsprobleme in Europa und führt zu enormen sozioökonomischen Belastungen. Im Jahr 2019 starben 1,55 Millionen Menschen in der EU an Krebs. 50\% aller Krebspatienten erhalten im Laufe ihrer Erkrankung Strahlentherapie. Die Mikrostrahltherapie ist ein vielversprechender Ansatz die Schädigung des gesunden Gewebes erfolgreich zu minimieren. Die präklinische Forschung mit Mikrostrahlen wurde erst durch das Aufkommen großer Synchrotroneinrichtungen in den 1990er Jahren möglich. Diese kostenintensiven Forschungseinrichtungen sind jedoch für die breite Anwendung im Gesundheitssystem ungeeignet, sodass ein ungedeckter Bedarf an kompakten Quellen für die Mikrostrahltherapie besteht. Kern der Arbeit ist die Auslegung und der Bau einer Lager- und Antriebseinheit eines neuartigen Röntgentargets für eine kompakte Mikrostrahlquelle. Neben der historischen Entwicklung von Röntgenquellen wird eine prinzipielle Konstruktionssystematik beschrieben, bei der die drei Lagervarianten: Wälzlager, Magnetlager und Gleitlager anhand ihrer technischen Wertigkeiten gegenübergestellt werden. Das Prinzip eines Flüssigmetall-geschmierten-Gleitlagers stellt das bestmögliche Lösungsszenario im Hinblick auf die Anforderungen dar. Bei der Auslegung des Lagersystems wird der Stand der Technik anhand einer Literaturrecherche analysiert. Darauf aufbauend werden die relevanten Grundlagen für die Modellierung des Lagers, unter der Berücksichtigung von Turbulenz und Kavitation, vorgestellt. Eine Nachrechnung und Gegenüberstellung erfolgen mittels numerischer Methoden und einer analytischen Lösung der Druckverteilung. Darauf aufbauend werden die optimierten Parameter für die Lagerung der Drehanode berechnet. Zusätzlich werden die Einflüsse der Reibwärme, Fertigungsaspekte des Lagers und die Korrosion durch das Flüssigmetall diskutiert und vorbeugende Maßnahmen ergriffen. Mit Abschluss der Lagerberechnung erfolgt die Auslegung, Konstruktion und Berechnung des Antriebsstranges mit Targetanbindung, der aus zwei rotierenden Rotorträgern besteht, die konzentrisch um eine stehende Achse laufen. Das Flüssigmetalllager ist zwischen Achse und Drehanode ausgebildet. Eine Asynchronmaschine mit Spaltrohr als Vakuumgrenze treibt den Rotor an. Im Rahmen eines Vorversuchs wird das Verhalten des Flüssigmetalls bei der Befüllung in eine Vakuumkammer untersucht. Für die Gesamtsystemintegration, die aus insgesamt 4635 Einzelteilen besteht, wird der Aufbau und die Montage innerhalb eines Strahlenschutzkabinetts betrachtet und die Randbedingungen innerhalb des zur Verfügung stehenden Labors geplant und durchgeführt.
Cancer is one of the major health problems in Europe and leads to enormous socioeconomic burdens. In 2019, 1.55 million people in the EU died from cancer, and 50\% of all cancer patients receive radiotherapy during the course of their disease. Microbeam radiation therapy is a promising approach to successfully minimize the damage to healthy tissue. Preclinical research with MST only became possible with the advent of large synchrotron facilities in the 1990s. However, these costly research facilities are unsuitable for widespread use in the healthcare system, leaving an unmet need for compact sources of microbeam therapy. The core of this work is the design and construction of a bearing and drive unit of a novel x-ray target for a compact microbeam source prototype. In addition to the historical development of x-ray sources, a principal design system is described in which the three bearing variants: rolling bearings, magnetic bearings and sliding bearings are compared on the basis of their technical characteristrics. The principle of a liquid metal lubricated plain bearing provided the best compromise with respect to the given requirements. For the design of the bearing system, the state of the art is analyzed based on a literature review. The relevant fundamentals for modeling the bearing, taking turbulence and cavitation into account, are presented. A recalculation and comparison with other models from the literature is carried out using numerical methods and an analytical solution of the pressure distribution. Based on this, the optimized parameters for the bearing of the rotating anode are calculated. In addition, the influences of frictional heat, manufacturing aspects of the bearing and corrosion due to the liquid metal are discussed and preventive measures are taken. With the bearing calculation completed, the design, construction and calculation of the drive train with target connection is carried out, which consists of two rotating rotor carriers running concentrically around a stationary axis. The liquid metal bearing is formed between the axis and the rotating anode. An asynchronous machine with a separation tube as vacuum boundary drives the rotor. As part of a preliminary test, the behaviour of the liquid metal when it is filled into a vacuum chamber is investigated. For the overall system integration, which consists of a total of 4635 individual parts, the construction and assembly within a radiation protection cabinet is considered and the boundary conditions are planned and carried out.
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Publikationstyp Sonstiges: Hochschulschrift
Typ der Hochschulschrift Dissertationsschrift
Quellenangaben Band: , Heft: , Seiten: 188 S. Artikelnummer: , Supplement: ,
Hochschule Universität
Hochschulort Aachen
Fakultät Fakultät für Maschinenwesen
Institut(e) Institute of Radiation Medicine (IRM)