Akceleratory do badań fizycznych mgr inŝ. Konrad Kosiński Zakład Fizyki i Techniki Akceleracji Cząstek IPJ
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
Współpraca z INFN Frascati 3
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
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
Drive Beam Injector ~ 50 m 3.5 A - 2100 b of 2.33 nc 10 Modulators/Klystrons 150 MeV - 1.4 µs 3 GHz - 30 MW - 6.7 µs X 2 Delay 42 m Drive Beam Accelerator 16 Accelerating Structures 3 GHz -7.0 MV/m - 1.3 m 130 MeV High Power 30 GHzTest Stand 30 GHz - 150 MV/m - 140 ns X 5 Combiner Ring 84 m Drive/Main Beam Modules Main Beam Injector 35 A - 150 MeV 140 ns 280 MeV 100 MeV 6
Al 1:1 model of TM11 3GHz TW structure Al model measured dispersion curve 3300.0 3200.0 3203.17 3168.72 10 cell deflecting cavity (8 full+ 2x1/2 end cells) Measured 2001 Oct./E.P. f [MHz] 3100.0 3000.0 3114.72 Lowest freq. of shifted transverse passband 3032.96 MHz 3068.76 3035.74 2/3 Pi mode 3012.17 2997.94 2988.52 2983.77 2981.37 2900.0 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 Dephasing/cell x Pi 7
Brazing test (Hydrogen oven in LAMINA) Measured dispersion curve with no coupling ports 280 300 320 Deflector No 2; Phase shift from cell to cell for 2997.5 MHz in air and T= 23degC 2002/P-X - IPJ 0 340 20 Last point 40 60 80 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 260 100 240 120 1-st point 220 140 200 160 180 Measurement of phase advance/cell Nom. Energy En 150 [MeV] Max Energy Emax 300 [MeV] Frequency f 2.99855 [GHz] Number of cell 10 De-phasing/cell 2π/3 Cell length 33.33 [cm] Group velocity vg/c -0.0244 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
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 3500. No power reflection to klystron load klystron Vacuum-SF6 flanges WR650 Coupling hole beam Cavity diameter 119.4 probes 70X38 rectangular beam pipe 9
Deflectors 1500 MHz RF measurements of Unit 5 consisting of resonator and feeding waveguide WR650. Tuning range: 1.4963 GHz to 1.5065 GHz in air at temperature 25 0C 10
1500 MHz deflector assembled in delay line of CTF3 mgr inŝ. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007 11
Projekt TOP Terapia Oncologica con Protoni 12
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, 61-68 (2002) 13
TOP LINAC Layout INJECTOR 7MeV INJECTOR 7 MeV Radioisotopes Production SCDTL 65 MeV SCL 100-200 MeV Fixed Vertical beam 200 MeV Radiobiology Dosimetry Ocular Melanoma Therapy Fixed Horizontal Beam 200 MeV 14
PARAMETRY FIZYCZNE PARAMETRY WIĄZKI Energia (*) 65, 82, 100 200 MeV Czas trwania impulsu 2 7 µs Częstotliwość repetycji 50 300 Hz Prąd w impulsie (*) 0.05 5 µa Prąd średni (max) 10 na Rozrzut energii (rms) 7 10-3 @ >100 MeV < 2.2% @ 65 MeV Emittancja poprzeczna (rms) 1.2 π mm mrad @200 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
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, 61-68 (2002) Brazing surfaces TOP linac R.F. triplet (SCDTL) Wymiary bazowe modułu Segment DTL 16
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
Rysunek złoŝeniowy 2 sekcji projektowanej struktury SCDTL Na podstawie rysunku złoŝeniowego powstała symulacja 3D konstrukcji. 18
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
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, 2006.10.08 12 2) II Kongres Onkologii Polskiej, Poznań, 2006.10.25-28 3) International Workshop on MC codes,mcneg,teddington, UK,2007.03.26-2 4) Będą prezentowane na konferencji EUROCON 2007, Warszawa, 2007.09.09-12 20
Rel.Range in water 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 Tissue Plexiglas Substitutes Empirical Calibration Stoichiometric Calibration 0.2-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 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
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
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
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 0.015 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
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-04 1. 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
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
Intensity Map from TPS Dose distribution obtained from Photon Beam Scanning 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 1.25 1.50 1.75 2.00 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Symulowany rozkład dawki dla pola o modulowanej intensywności jest zgodny z zaplanowanym w systemie planowania terapii. 27
Dziękuję Państwu za uwagę. 28