Neutron dose and its measurement in proton therapy – Current State of Knowledge

Proton therapy has shown dosimetric advantages over conventional radiation therapy using photons. Although the integral dose for patients treated with proton therapy is low, concerns were raised about late effects like secondary cancer caused by dose depositions far away from the treated area. This is especially true for neutrons and therefore the stray dose contribution from neutrons in proton therapy is still being investigated. The higher biological effectiveness of neutrons compared to photons is the main cause of these concerns. The gold standard in neutron dosimetry is measurements, but performing neutron measurements is challenging. Different approaches have been taken to overcome these difficulties, for instance with newly developed neutron detectors. Monte Carlo simulations is another common technique to assess the dose from secondary neutrons. Measurements and simulations are used to develop analytical models for fast neutron dose estimations. This article tries to summarize the developments in the different aspects of neutron dose in proton therapy since 2017. In general, low neutron doses have been reported, especially in active proton therapy. Although the published biological effectiveness of neutrons relative to photons regarding cancer induction is higher, it is unlikely that the neutron dose has a large impact on the second cancer risk of proton therapy patients

Effects of serum and serum heat-inactivation on human bone derived osteoblast progenitor cells

Generally, heat inactivated foetal calf serum (FCS) containing media are used for the cultivation of animal and human cells. The role of serum source and serum treatment on the behaviour of cells has long been neglected. The present study was performed to investigate the effects of serum heat inactivation and serum source on trabecular bone derived progenitor cells (HBC). Furthermore, it was investigated in how far these reactions differed from those seen in bone marrow derived mesenchymal progenitor cells (HBMC) cultures. We found that HBC cultures performed differently in the presence of FCS and HS with or without heat inactivation. The reactions similar to some degree those observed in HBMC cultures. The implications of the results on cell-implant surface interaction studies are discusse

Rapid flipping of parametric phase states

Since the invention of the solid-state transistor, the overwhelming majority of computers followed the von Neumann architecture that strictly separates logic operations and memory. Today, there is a revived interest in alternative computation models accompanied by the necessity to develop corresponding hardware architectures. The Ising machine, for example, is a variant of the celebrated Hopfield network based on the Ising model. It can be realized with artifcial spins such as the `parametron' that arises in driven nonlinear resonators. The parametron encodes binary information in the phase state of its oscillation. It enables, in principle, logic operations without energy transfer and the corresponding speed limitations. In this work, we experimentally demonstrate flipping of parametron phase states on a timescale of an oscillation period, much faster than the ringdown time \tau that is often (erroneously) deemed a fundamental limit for resonator operations. Our work establishes a new paradigm for resonator-based logic architectures.Comment: 6 pages, 3 figure

The barocaloric effect: A Spin-off of the Discovery of High-Temperature Superconductivity

Some key results obtained in joint research projects with Alex M\"uller are summarized, concentrating on the invention of the barocaloric effect and its application for cooling as well as on important findings in the field of high-temperature superconductivity resulting from neutron scattering experiments.Comment: 26 pages, 9 figure

Das Wertschöpfungs- und Arbeitsplatzpotential des beschleunigten Ausbaus der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz in der Schweiz

Die Schweiz muss zur Erreichung ihrer Klimaziele den Ausbau der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz voranbringen. Dieser Ausbau bedingt zwar grosse Investitionen, er schafft aber auch inländische Wertschöpfung und Arbeitsplätze. In der vorliegenden Studie wurde berechnet, wie gross dieses Potential ist. Spezifisch wurde das inländische Wertschöpfungs- und Arbeitsplatzpotential, sowie die Wirtschaftlichkeit des Ausbaus der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz von 2021 bis 2035 in zwei Szenarien untersucht. Das Referenzszenario orientierte sich stark am Szenario ZERO Basis der Energieperspektiven 2050+, während im Ausbauszenario ein zusätzlich beschleunigter Ausbau angenommen wurde, welcher nötig ist, um bis 2035 die Treibhausgasemissionen auf netto null zu senken. Die untersuchten Massnahmen und Technologien beinhalten die Photovoltaik (PV), den Windstrom, die Solarthermie, energetische Gebäudesanierungen, der erneuerbare Heizungsersatz und die Energieeffizienz im Strombereich, wobei für letztere nur die volkswirtschaftlichen Kosten berechnet wurden, da ihr inländisches Wertschöpfungs- und Arbeitsplatzpotential als gering eingestuft wurde. Der moderate Ausbau der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz im Referenzszenario schafft bis 2035 rund 77.1 Milliarden Franken inländische Wertschöpfung. Über die gesamte Lebensdauer der verschiedenen Anlagen gesehen, steigt dieser Wert auf 101.6 Milliarden Franken, da Technologien, wie PV, Windstrom-Anlagen oder Heizsysteme, auch während ihrem Betrieb Wertschöpfung generieren. Das Wertschöpfungspotential des beschleunigten Ausbaus der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz, hier berechnet im Ausbauszenario, ist um mehr als 80 Prozent höher. Bis 2035 schaffen zusätzliche energetische Gebäudesanierungen, erneuerbare Heizsysteme und PV-, Windstrom- und solarthermische Anlagen rund 144.9 Milliarden Franken inländische Wertschöpfung. Über die gesamte Lebenszeit dieser Anlagen werden sogar 187.1 Milliarden Franken an inländischer Wertschöpfung generiert. Der grösste Anteil am Wertschöpfungspotential haben die energetische Gebäudesanierungen und der erneuerbare Heizungsersatz. Ein Grund liegt in der grossen Zahl an Altbauten, welche noch saniert und deren fossilen Heizsysteme ersetzt werden können. Ein weiterer wichtiger Grund besteht darin, dass bei Gebäudesanierungen und beim Ersatz von Heizsystemen viel Arbeit entsteht, welche lokale Wertschöpfung schafft. Schliesslich werden auch ein Grossteil der verwendeten Produkte, wie Dämmstoffe, Fenster und in kleinerer Zahl auch Wärmepumpen, in der Schweiz hergestellt. Bei der Installation von PV- und Windstrom-Anlagen ist der Anteil an ausführenden Arbeiten an den Investitionskosten geringer und die Produkte werden mehrheitlich importiert. Zusätzlich ist beim Windstrom wie auch bei der Solarthermie das Ausbaupotential klein. Das grosse inländische Wertschöpfungspotential des Ausbaus der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz schlägt sich auch in der Anzahl Arbeitsplätze nieder, die so geschaffen werden können. Die Resultate der Berechnungen zeigen, dass bei einem moderaten Aus-bau im Referenzszenario bis im Jahr 2035 rund 52'000 Arbeitsplätze entstehen können. Diese Zahl steigt um rund 70 Prozent im Ausbauszenario auf rund 87'000 Arbeitsplätze. Auch hier entstehen die meisten Arbeitsplätze bei den energetischen Gebäudesanierungen und dem erneuerbaren Heizungsersatz aus den gleichen Gründen wie bei der inländischen Wertschöpfung. Die Aufteilung der Arbeits-plätze nach Arbeitsschritten zeigt, dass anteilsmässig die Montage der neuen Anlagen inklusive der Gebäudesanierungsarbeiten mit rund 52 Prozent die meisten Arbeitsplätze ausmachen. Aber auch die Herstellung von Materialien, wie Dämmstoffe, Fenster, Wärmepumpen und solarthermische Module, sowie die Planung solcher Anlagen generieren einen erheblichen Anteil an Arbeitsplätzen mit bis zu 19 Prozent, respektive 14 Prozent je nach Szenario. Der Betrieb und der Unterhalt schaffen schliesslich rund 6 Prozent der Arbeitsplätze. Diese sind jedoch wertvoll, da sie im Gegensatz zu den anderen nicht nur einmal bei der Installation, sondern jährlich auch über 2035 hinaus anfallen. An dieser Stelle ist es wichtig zu erwähnen, dass es sich mit Ausnahme des erneuerbaren Heizungsersatzes um zusätzliche Arbeitsplätze handelt. Das heisst, dass beim Ausbau der PV-, Windstrom- und solarthermischen Kapazitäten sowie den energetischen Gebäudesanierungen keine Arbeitsplätze geschaffen werden, die anderweitig verloren gehen. Letzteres ist jedoch der Fall beim erneuerbaren Heizungsersatz, wo Wärme-pumpen und Holzpelletheizungen anstelle von Öl- und Gasheizungen eingesetzt werden und so Arbeitsplätze im Transport und Vertrieb der fossilen Energieträger und im Service und Unterhalt der Heizsysteme verloren gehen. Diese Verluste sind jedoch kleiner im Vergleich zu den zusätzlichen Arbeitsplätzen, die durch die Herstellung von Wärmepumpen, die Bohrung von Erdsonden und die zusätzliche Strom- und Holzpelletproduktion entstehen. Die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Massnahmen in den beiden Szenarien wurde als direkte volkswirtschaftliche Kosten pro produzierter oder eingesparter Energie im Jahr 2035 berechnet. Die Resultate zeigen ein gemischtes Bild. Ein beschleunigter PV-Ausbau wie im Ausbauszenario modelliert lohnt sich doppelt, da mehr Kapazität zu tieferen volkswirtschaftlichen Kosten zugebaut werden. Die Gründe liegen in den PV-Stromgestehungskosten, welche einerseits im Jahr 2035 tiefer sein werden als für den Schweizer Strommix und andererseits über die Zeit sinken werden, sodass sich der beschleunigte Ausbau mehr und mehr lohnt. Beim Windstrom zeigt sich, dass der moderate Ausbau im Referenzszenario volkswirtschaftlich ein bisschen günstiger ist als der beschleunigte Ausbau. Dies liegt mehrheitlich daran, dass die Windstromgestehungskosten im Jahr 2035 über dem Preis für den Schweizer Strommix liegen werden. Die volkswirtschaftlichen Kosten der Solarthermie sind einerseits erheblich höher als für PV. Der Grund liegt in der Annahme, dass solarthermische Anlagen durchschnittlich viel kleiner sind als PV-Anlagen und so nicht von Skaleneffekten profitieren. Der grosse Unterschied zwischen den Szenarien für den solarthermischen Ausbau kommt hauptsächlich daher, dass die Differenz des kleineren Ausbaus im Referenzszenario durch Heizwärme gedeckt werden muss, deren Kosten pro Megawattstunde produzierter Wärme unter denen der Solarthermie liegen. Der erneuerbare Heizungsersatz und die energetischen Gebäudesanierungen beeinflussen sich gegenseitig. Das heisst, dass der Ausbau der einen Massnahme auf die volkswirtschaftlichen Kosten der anderen einwirkt. Der beschleunigte Ausbau der erneuerbaren Heizsysteme beim Ersatz ist teurer, wenn gleichzeitig die energetischen Gebäudesanierungen forciert werden. Der Grund liegt in den Kosten, welche sich auf eine kleinere Wärmeproduktion verteilen, da mehr sanierte Gebäude die durchschnittliche Nachfrage nach Raumwärme senken. Ist das nicht der Fall und die Nach-frage nach Raumwärme also in beiden Szenarien gleich hoch, ist der erneuerbare Heizungsersatz im Ausbauszenario volkswirtschaftlich kostengünstiger als im Referenzszenario. Auch der beschleunigte Ausbau der energetischen Gebäudesanierungen ist teurer, wenn gleichzeitig der erneuerbare Heizungsersatz forciert wird. Der Grund liegt in den tiefen Betriebskosten der Wärmepumpen, die bei grösserer Anzahl die durchschnittlichen Heizkosten senken. Wird jedoch auch im Ausbauszenario ein moderater Ausbau des erneuerbaren Heizungsersatzes und deshalb in beiden Szenarien gleich hohe Heizkosten angenommen, verursachen die energetischen Gebäudesanierungen in beiden Szenarien die gleichen volkswirtschaftlichen Kosten. Die Wirtschaftlichkeit von Massnahmen zur Energieeffizienz im Strombereich wurde als Differenz zwischen zwei Szenarien, welche den moderaten und den beschleunigten Ausbau der Stromeffizienz modellierten, berechnet. Die Resultate in der nachfolgenden Grafik zeigen also, wie hoch die volkswirtschaftlichen Kosten pro zusätzlich eingesparter Megawattstunde Strom ausfallen. Im Bereich der Beleuchtung können mit einem konsequenten Einsatz von Leuchtdioden (LEDs) über 100 Franken für jede eingesparte Megawattstunde gespart werden. Kosteneinsparungen gibt es auch im Bereich der industriellen Antriebe, wo stromeffiziente Motoren aus volkswirtschaftlicher Sicht über 50 Franken pro ein-gesparter Megawattstunde Storm sparen können. Erhöhte Stromeffizienz im Bereich der Kochherde (Prozesswärme) und Haushaltsgrossgeräte (Antriebe) hingegen führt zu volkswirtschaftlichen Mehr-kosten von rund 75, beziehungsweise 350 Franken pro eingesparter Megawattstunde Strom. Hier ist jedoch herauszuheben, dass die volkswirtschaftlichen Kosten der Kochherde immer noch unter dem angenommenen Strompreis des Schweizer Strommix von 89.5 Franken pro Megawattstunde liegen wird. Das heisst, dass eine durch effizientere Kochherde eingesparte Megawattstunde Strom immer noch billiger sein wird als eine zusätzlich produzierte Megawattstunde Strom. Die vorliegende Studie untersucht die inländische Wertschöpfung, die Arbeitsplätze und die volkswirtschaftlichen Kosten, welche der beschleunigte Ausbau der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz in der Schweiz schaffen. Es ist wichtig zu betonen, dass nur die direkten Effekte untersucht wurden. Indirekte Effekte, wie erhöhte Steuereinnahmen, zusätzliche Wertschöpfung und Arbeitsplätze in der Zulieferindustrie und durch Exporte und die Förderung der Innovation in der Schweizer Industrie wurden nicht berücksichtigt. Auch die gesellschaftlichen Vorteile eines beschleunigten Ausbaus der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz, wie die Senkung der Treibhausgasemissionen und die Förderung der Energiewende, wurden nicht untersucht. Diese sind aber wichtig in einer umfassen-den Beurteilung der einzelnen Massnahmen. Damit die Schweiz ihre Klimaziele erreicht, muss der Ausstoss von Treibhausgasen vollständig eliminiert werden. Der Ausbau der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz hilft, dieses Ziel zu er-reichen. Die vorliegende Studie zeigt, dass dieser Ausbau gleichzeitig Wertschöpfung und wertvolle Arbeitsplätze im Inland schafft. Ohne die richtigen politischen Rahmenbedingungen werden jedoch keine zusätzlichen Anstrengungen im Ausbau der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz passieren. Es liegt also an den politischen Entscheidungsträgern, die Weichen so zu stellen, dass nicht nur das Klima, sondern auch die Schweizer Wirtschaft von der Energiewende profitieren kann