Akceleratory do badań fizycznych. mgr inŝ. Konrad Kosiński Zakład Fizyki i Techniki Akceleracji Cząstek IPJ

Transkrypt

1 Akceleratory do badań fizycznych mgr inŝ. Konrad Kosiński Zakład Fizyki i Techniki Akceleracji Cząstek IPJ

2 Wykorzystanie pozastatutowych zagranicznych środków finansowych na podstawie kontraktów z: INFN Frascati-deflektory RF 1.5 GHz i 3 GHz dla CTF3 INFN Mediolan-sprzęgacze 3 GHz do kompresora w SPARC ENEA Frascati-projekt TOP ACCEL Instruments GmbH-pokrycia elementów RF TiN Zespół zakładu: Bigolas Jerzy Bigolas Krzysztof Bogowicz Józef Drabik Wojciech Kosiński Konrad Lorkiewicz Jerzy Łubian Andrzej Pławski Eugeniusz Śliwa Marek Wojciechowski Marcin Wysocka-Rabin Anna 2

3 Współpraca z INFN Frascati 3

4 Opracowanie i wykonanie specjalnych struktur w. cz. dla projektu CTF3/CERN Szybkie deflektory (3000 MHz, TW, TH11) wiązki elektronów 150 MeV dla pierścienia CR CTF3 Szybki układ deflekcji (1500MHz, SW, TM110) wiązki elektronów 150 MeV dla DLR CTF3 Parameters, preliminary basic dimensions Frascati Mechanical design Frascati INS Frascati Al model INS Dispersion curve measurement ( 9 cell ) INS Final dimensions, manufacture, Intermadiate RF measurements INS Final assembly, vacuum and RF measurement & tuning INS Frascati Verification CERN 4

5 CTF3 Cel: doświadczalne uzyskanie mocy w.cz. rzędu 350 MW w układzie TBA przy częstotliwości 30 GHz oraz pól przyspieszających ponad 150 MV/m w załoŝonych dla CLIC strukturach przyspieszających z falą bieŝącą. 5

6 Drive Beam Injector ~ 50 m 3.5 A b of 2.33 nc 10 Modulators/Klystrons 150 MeV µs 3 GHz - 30 MW µs X 2 Delay 42 m Drive Beam Accelerator 16 Accelerating Structures 3 GHz -7.0 MV/m m 130 MeV High Power 30 GHzTest Stand 30 GHz MV/m ns X 5 Combiner Ring 84 m Drive/Main Beam Modules Main Beam Injector 35 A MeV 140 ns 280 MeV 100 MeV 6

7 Al 1:1 model of TM11 3GHz TW structure Al model measured dispersion curve cell deflecting cavity (8 full+ 2x1/2 end cells) Measured 2001 Oct./E.P. f [MHz] Lowest freq. of shifted transverse passband MHz /3 Pi mode Dephasing/cell x Pi 7

8 Brazing test (Hydrogen oven in LAMINA) Measured dispersion curve with no coupling ports Deflector No 2; Phase shift from cell to cell for MHz in air and T= 23degC 2002/P-X - IPJ Last point RF BEAM DEFLECTORS FOR CTF3 COMBINER RING D. Alesini, R. Boni, A. Gallo, F. Marcellini, LNF-INFN, Frascati, Rome, Italy A. Kucharczyk, S. Kulinski, M. Pachan, E. Plawski, The Andrzej Soltan Institute for Nuclear Studies, Otwock-Swierk, Poland After final brazing in LAMINA st point Measurement of phase advance/cell Nom. Energy En 150 [MeV] Max Energy Emax 300 [MeV] Frequency f [GHz] Number of cell 10 De-phasing/cell 2π/3 Cell length [cm] Group velocity vg/c Phase velocity vph/c 1 RF power PRF 1.5 [MW](@ En) 6 [MW] (@Emax) Deflection φ5 [mrad] R/Q=vg/ω ω (F /e)2/prf1380 [Ω/m] 8

9 RF DEFLECTOR FOR THE CTF3 DELAY LOOP. Na rysunku poniŝej jest pokazany schematycznie system z umieszczonymi deflektorami. Moc RF z Klistronu (f=1.5ghz, Ppeak=20 MW,Pśred= 10kW,timp=5 Microsec), jest dzielona równo w dzielniku hybrydowym 90 stopni i wzbudza w modzie deflekcyjnym TM110 dwie struktury RF. Wymagania: Cavity coupling coefficient is b=5.7. Single cavity loaded Q has to be between 3000 and No power reflection to klystron load klystron Vacuum-SF6 flanges WR650 Coupling hole beam Cavity diameter probes 70X38 rectangular beam pipe 9

10 Deflectors 1500 MHz RF measurements of Unit 5 consisting of resonator and feeding waveguide WR650. Tuning range: GHz to GHz in air at temperature 25 0C 10

11 1500 MHz deflector assembled in delay line of CTF3 mgr inŝ. Konrad Kosiński Warszawa,

12 Projekt TOP Terapia Oncologica con Protoni 12

13 Liniowy akcelerator protonów 200MeV o akronimie TOP (Terapia Oncologica con Protoni) jest realizowany w ramach programu Włoskiego Narodowego Instytutu Zdrowia (ISS). -Źródło protonów duoplazmatron 30 kev -RFQ 425MHz, 3 MeV -DTL linac 425 MHz, 7MeV -SCDTL linac 3000 MHz, 65 MeV -SCL linac 3000 MHz, 200 MeV L. Picardi et al. Eur. Phys. J. AP 20, (2002) 13

14 TOP LINAC Layout INJECTOR 7MeV INJECTOR 7 MeV Radioisotopes Production SCDTL 65 MeV SCL MeV Fixed Vertical beam 200 MeV Radiobiology Dosimetry Ocular Melanoma Therapy Fixed Horizontal Beam 200 MeV 14

15 PARAMETRY FIZYCZNE PARAMETRY WIĄZKI Energia (*) 65, 82, MeV Czas trwania impulsu 2 7 µs Częstotliwość repetycji Hz Prąd w impulsie (*) µa Prąd średni (max) 10 na Rozrzut energii (rms) 7 >100 MeV < 65 MeV Emittancja poprzeczna (rms) 1.2 π mm MeV (*) MoŜe być zmieniane od impulsu do impulsu KLINICZNE PARAMETRY WIĄZKI Min maks głębokość 3.5 g/cm2-25 g/cm2 Dokładność zmiany zasięgu 0.5 g/cm2 Distal dose fall off dla dowolnej E 2 mm (80%-20%) Dawka > 2 Gy/min w objętości 1 lt i dla pola 20x20 cm2 na głębokości 25 g/cm2 Maksymalne pole naświetlania : 20x20 cm2 Scanning ready System with possibility of active changing of beam energy and current and multiple painting 15

16 Struktury przyspieszające w.cz. typu SCDTL w akceleratoratorze TOP do terapii protonowej E.Pławski, M.Wojciechowski, A.Kucharczyk, S.Kuliński, K.Kosiński Na przełomie lat 2004/2005 przedyskutowano techniczną moŝliwość realizacji w IPJ struktur SCDTL w paśmie 3 GHz podnoszących energię protonów z 7 MeV do ok. 70 MeV. W lutym 2005 ustalono zakres prac i zawarto z ENEA Frascati kontrakt na udział IPJ/P-10 w projekcie, wykonawstwie i pomiarach liniowych struktur SCDTL (Side Coupled Drift Tube Linacs) podnoszących energie protonów z 7 do 18 MeV. L. Picardi et al. Eur. Phys. J. AP 20, (2002) Brazing surfaces TOP linac R.F. triplet (SCDTL) Wymiary bazowe modułu Segment DTL 16

17 Symulacje komputerowe dla określenia parametrów w.cz i mechanicznych: f=2.998 GHz, pole 8MV/m, straty mocy, pola krytyczne, zakres przestrajania związany z tolerancjami mechanicznymi (SUPERFISH) (a); Analiza trójwymiarowa struktury SCDTL dla weryfikacji rozstawienia DTs w poszczególnych modułach. Symulowano triplety : moduł DTL-wnęka sprzęgająca-moduł DTL. (kod CST-MWS) (b) (a) (b) 17

18 Rysunek złoŝeniowy 2 sekcji projektowanej struktury SCDTL Na podstawie rysunku złoŝeniowego powstała symulacja 3D konstrukcji. 18

19 Strojnik struktury DTL Falowód wejściowy 5 sekcji DTL-CC Strojnik struktury CC Wykonana przez zakład struktura będzie częścią akceleratora do terapii hadronowej (protony)-projekt TOP 19

20 Terapia hadronowa jest równieŝ tematem współpracy Zakładu Fizyki i Techniki Akceleracji Cząstek z German Cancer Research Center (DKFZ), w Heidelbergu. Temat projektu, wykonywanego w grupie prof. O. Jaekel a, w którym uczestniczy A.Wysocka-Rabin jest: Wpływ niepewności pomiaru Hounsfield Units (HU) na obliczany zasięg jonów węgla w radioterapii cięŝkimi jonami. Cel projektu: Opracowanie metody obliczania i analizowania odchyleń w wartościach HU uzyskiwanych w TK. Zbadanie wpływu róŝnych parametrów pomiarowych w TK, algorytmów rekonstrukcji obrazów tomograficznych, "artifacts" obrazów na pomiary HU i na relację HU-zasięg jonów w terapii hadronowej w GSI. Prace wykonywane w ramach tego projektu były prezentowane ostatnio na konferencjach: 1) ESTRO 25, Leipzig, ) II Kongres Onkologii Polskiej, Poznań, ) International Workshop on MC codes,mcneg,teddington, UK, ) Będą prezentowane na konferencji EUROCON 2007, Warszawa,

21 Rel.Range in water Tissue Plexiglas Substitutes Empirical Calibration Stoichiometric Calibration HU jednostki opisujące obraz uzyskany w tomografii komp. Rys.1.Niepewności w określeniu HU mogą wynosić nawet 300HU dla tkanek kości. Powodują one niepewności w określeniu zasięgu jonów w tkance. Rysunek zrobiony dla skanera (Siemens) Sensation 4, dla protokołu badań głowy. Rys.2. Wpływ zmiany w HU dla kości na rozkład dawki w planowaniu terapii. Zmiana w HU o 300 jedn.wywołuje zmianę zasięgu nawet do 6 mm, dawki nawet 80%. 21

22 Rys.3 Skaner TK z cylindrycznym fantomem z PMMA wykorzystywanym do kalibracji.wypełnienia fantomu z materiałów tkanko-podobnych. Rys.4 Stanowisko do napromieniania pacjentów wiązką węgla C 12 w GSI, Darmstadt, gdzie napromieniano próbki tkanek w fantomie. 22

23 Obliczenia metodą Monte Carlo Programy EGSnrc i BEAMnrc- stosujemy w Zakładzie do: -przewidywania i analizowania parametrów wiązek fotonów i elektronów np.obliczanie rozkładu energetycznego -weryfikacji obliczeniowej pomiarów parametrów wspomnianych wiązek np.rozkładu głębokościowego i profilu dawki Jako przykłady podam zastosowanie obliczeń do rozładu dawki i widma fotonów: 1)dla kolimatorów wąskich wiązek dla energii 6 MeV 2)dla wiązki uzyskiwanej na stanowisku akceleratora elektronów 6 MeV 3)dla nowego typu akceleratora medycznego z przemiataną wiązką 23

24 Ad 1) Dla kolimatorów wąskich wiązek fotonów o energii 6 MeV Tissue maximum ratio (TMR) of 6 MV X-ray beam, measured for 0.75 cm collimator diameters using cm ion chamber (rozkład procentowej dawki głębokiej w wodzie) Measured and calculated dose profiles of the 6 MV X-ray beam at isocentre, at depth of 7.5cm in water, for 1cm, 2cm and 3cm diameter fields (profile dawek) 24

25 Ad 2) Stanowisko akceleratora elektronów 6 MeV, dla którego przeprowadzono weryfikację obliczeniową pomiarów, uŝywając metody MC electron accelerator and e-x conversion units 1,00E electron gun; 2.accelerating structure 3.RF power source (magnetron), circulator (protection of the magnetron against reflected wave) Strumień fo to nó w[cm -2 MV -1 ], 1,00E-05 1,00E-06 1,00E-07 1,00E-08 1,00E-09 r=10c m r=50c m 1,00E-10 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Energia [MV] Rozkład widmowy strumienia fotonów w powietrzu w odległości 100cm od tarczy, dla pól o promieniu r=10cm i r=50 cm 25

26 Ad 3) Nowy system kolimatorów dla akceleratora z wiązką o modulowanej intensywności. two dimensional scanning electron beam two dimensional scanning photon beam Skanujący ruch wiązek elektronów i fotonów Rozkład dawki dla wiązki fotonów z kolimatora z otworem o średnicy 1 mm 26

27 Intensity Map from TPS Dose distribution obtained from Photon Beam Scanning Symulowany rozkład dawki dla pola o modulowanej intensywności jest zgodny z zaplanowanym w systemie planowania terapii. 27

28 Dziękuję Państwu za uwagę. 28