EuCARD-PUB-2011-012 European Coordination for Accelerator Research and Development PUBLICATION Infrastruktura akceleratorowa w Europie - EuCARD 2011 (Accelerator infrastructure in Europe), Elektronika, vol.52, no 8/2011, pp.117-120 Romaniuk, R S (Warsaw University of Technology, Institute of Electronic Systems) 18 May 2012 The research leading to these results has received funding from the European Commission under the FP7 Research Infrastructures project EuCARD, grant agreement no. 227579. This work is part of EuCARD Work Package 2: DCO: Dissemination, Communication & Outreach. The electronic version of this EuCARD Publication is available via the EuCARD web site <http://cern.ch/eucard> or on the CERN Document Server at the following URL : <http://cdsweb.cern.ch/record/1449781 EuCARD-PUB-2011-012
Infrastruktura akceleratorowa w Europie EuCARD 2011 prof. dr hab. inż. Ryszard Romaniuk Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych Konferencja EuCARD 2011 na temat rozwoju europejskiej, badawczej infrastruktury akceleratorowej odbyła się w dniach 10-13 maja 2011 w Paryżu w siedzibie instytutu IN2P3 będącym częścią francuskiego centrum badawczego CNRS. Udział wzięło ok. 150 osób, wygłoszono 80 referatów. Zakres tematyczny konferencji był następujący: inżynieria materiałowa nowe materiały do budowy systemów akceleratorowych, budowa infrastruktury badawczej do pomiarów masy i oscylacji neutrin, elektronika mionowa, rozbudowa istniejących akceleratorów, HL-LHC, HE-LHC, budowa nowej infrastruktury o wielkiej skali, eksperymenty nowej fizyki, akceleratory laserowe i plazmowe. Inżynieria materiałowa Technika akceleratorowa używa materiałów, które są umieszczane w pobliżu wiązek cząsteczkowych lub fotonowych o dużych natężeniach. Niektóre materiały są narażane na oddziaływanie wiązki w celach badawczych. Poprawne warunki pracy akceleratora zależą w dużej mierze od niezawodności i sprawności układów kolimacyjnych. Jednym z najbardziej krytycznych elementów są szczęki kolimatora. Materiał powinien charakteryzować się nominalną wartością przewodności w celu poprawy stabilności układów RF, wysoką stabilnością termomechaniczną i odpornością, wytrzymałością na promieniowanie cząsteczkowe, dużą gęstością (duża wartość liczby atomowej Z) w celu poprawy właściwości kolimacyjnych. Stosowane są następując materiały kompozyty metalowo-diamentowe (Cu, Mo, Ag, Cu-Cd) oraz glidcop. W kompozytach metal zapewnia znaczną stabilność termiczną, dobre właściwości mechaniczne oraz wysoką temperaturę topnienia. Faza diamentowa zapewnia wysoką przewodność termiczną. Spiekanie kompozytu odbywa się w temperaturze nie powodującej degradacji fazy diamentowej. Bada się odporność materiałów typu Me-CD na promieniowanie cząsteczkowe i fotonowe. Glidcop jest kompozytem miedziano aluminiowym. Miedź tworzy matrycę metalową dla ceramicznych cząstek tlenku aluminium. Dodatek tlenku aluminium nie ma większego wpływu na właściwości termiczne i elektryczne miedzi w temperaturze pokojowej. W wyższych temperaturach dodatek znacznie polepsza parametry miedzi. Dodatkowo, tlenek aluminium zwiększa odporność miedzi na zniszczenie radiacyjne. Glidcop może zawierać dodatkowe składniki dostosowujące jego właściwości do zastosowania, jak Mo, Kovar. Niektóre dodatki zmniejszają rozszerzalność termiczną. Dodatek Nb zwiększa wytrzymałość Glidcopu. Twardość Glidcopu jest porównywalna do stopów miedź-beryl i miedź-wolfram, ale lepsze są parametry elektryczne. Glidcop jest odporny na degradację neutronową. Jest stosowany do budowy kwadrupoli RF w akceleratorach i kompaktowych absorberów. Właściwości materiałów dla techniki akceleratorowej będą badane w eksperymencie HiRadMat budowanym na terenie CERN. Laboratorium wysokich poziomów promieniowania dla badań materiałowych wykorzystuje wiązkę akceleratora SPS. Celem jest badanie wpływu intensywnych wiązek impulsowych na materiały. Badania dotyczą zjawisk termicznych, zniszczenia materiałów poniżej punktu topnienia, odparowywanie materiału, zniszczeń radiacyjnych, generacji szoków termicznych i propagacji fal uderzeniowych ciśnienia. Przewiduje się badanie materiałów na kolimatory akceleratorowe (rozwój akceleratora LHC), badania materiałowe o charakterze podstawowym, materiały na odporne cele radiacyjne, testy komponentów próżniowych jak okna dla wiązki, pokrycia. Instalacja laboratorium ma zapobiec budowie testowych instalacji ad-hoc do badań materiałowych w pobliżu intensywnych wiązek promieniowania. Rozbudowa akceleratorów wymaga zastosowania wielokablowych nadprzewodzących linii energetycznych wysokiej mocy. Zagregowane prądy zasilające sekcję akceleratora są rzędu 200 ka. Pojedyncze kable prowadzą prąd w zakresie 1 15 ka. Zastosowanie w kablu wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodzących daje znaczne oszczędności energetyczne. Temperatura krytyczna T c nadprzewodnictwa materiałów stosowanych w technice akceleratorowej jest następująca: Nb-Ti 5K, Ni 3 Sn 9K, MgB 2 40K, Y-123 (YBCO) 90K, Bi-2223 (BSCCO) 110K. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe są wytwarzane jedynie w postaci taśmy (z wyjątkiem MgB 2 ), w związku z tym opracowuje się nowe koncepcje budowy wzajemnie izolowanych kabli. Konstrukcja kabla składa się z kilku (na ogół trzech) taśm nadprzewodzących przeplecionych stabilizatorem miedzianym i skręconych helikalnie. Struktura o budowie pary skręconej o wymiarach 2*4 mm przenosi 2*600A. Pojedyncza struktura jest zamykana w obudowie łącznie z elementami wytrzymałościowymi o średnicy 5,6 mm. Budowa w postaci skrętki eliminuje sprzężenie EMI. Budowane są kable zawierające 25 par skrętki. Kable są umieszczane w kriostacie rurowym pół elastycznym. Okrągłe druty zawierające MgB 2 posiadają strukturę kompozytową zawierającą rdzeń Cu pokryty płaszczem wewnętrznym Fe oraz grubym płaszczem zewnętrznym Ni lub Monel, w którym są umieszczone druty MgB 2. Drut kompozytowy posiada średnicę ok. 1,2 mm. Testowane są także struktury drutów, o wymiarach jak powyżej, wyłącznie z matrycą Ni lub Monel i włóknami wewnętrznymi MgB 2 o różnej średnicy i ilości (od 10 do 100). Stabilizację drutu otrzymuje się przez elektro-nakładanie miedzi na powierzchnię zewnętrzną. Prąd krytyczny dla takich drutów, przy polu magnetycznym 0,5 T, wynosi ok. 0,5 ka dla 24K. Obecnie budowane jest prototypowe łącze energetyczne z wymienionych drutów i kabli o długości 20 m. Docelowo łącza muszą mieć długość ok. 500 m. Elektronika mionowa i fabryki neutrin Celem badań jest pomiar masy i ich hierarchii dla trzech rodzajów neutrin (elektronowego, mionowego i taonowego) i antyneutrin oraz zjawisk i kątów oscylacji (mieszania) pomiędzy nimi. Obecne estymaty podają minimalną różnicę masy pomiędzy neutrinami na 0,04 ev i ograniczenie masy na 1 ev. Neutrino jest najmniej zrozumiałą cząstką modelu standardowego. Gęstość słonecznego promieniowania neutrinowego na Ziemi wynosi 6,5*10 10 cm -1. Ogólnym celem badań jest także zrozumienie różnic pomiędzy sektorem kwarkowym i leptonowym. Fabryka neutrin (technika neutrino factory) jest fundamentalnym narzędziem do badania oscylacji neutrin pierwszego odkrytego mechanizmu poza Modelem Standardowym. Fabryka neutrin bazuje na możliwości produkcji, akceleracji i przechowywania wiązki mionowej o dużym natężeniu. Technika budowy jest analogiczna do zderzacza mionowego. Akcelerator protonowy mocy kilku MW dostarcza ciąg kilku impulsów nanosekundowych do tarczy z materiału o dużej liczbie Z, np. Hg, Ti. Tarcza jest wewnątrz solenoidu o polu magnetycznym 20 T, w celu rozróżnienia mionów dodatnich i ujemnych. Produkowana jest impulsowa wiązka pionów naładowanych (mezonów π), które rozpadają się w oddziaływaniach słabych na miony obu znaków (np. antymion i neutrino-mionowe) o dużej emitancji. Emitancja poprzeczna jest redukowana w procesie chłodzenia jonizacyjnego, ze względu na krótki czas życia mionów nierelatywistycznych wynoszący 2,2 µs. Miony relatywistyczne żyją co najmniej 10 razy dłużej. Miony są przyspieszane do energii relatywistycznych w akceleratorze o stałym polu i zmiennym gradiencie i gromadzone w pierście- Elektronika 12/2011 117
niu akumulacyjnym. Po określonym przez energię (przez współczynnik Lorentza) czasie życia, miony rozpadają się i produkują oba rodzaje neutrin i antyneutrin, elektronowe i mionowe. Alternatywną metodą produkcji wiązki mionowo-neutrinowej, jednak o mniejszym natężeniu niż w fabryce neutrin. jest bezpośrednio z wiązki protonowej (technika superbeam) lub z wiązki radioaktywnych jonów w pierścieniu akumulacyjnym w procesie rozpadu beta (technika beta beam). Obie infrastruktury badawcze są rozważane w Europie, jednak w przypadku fabryki neutrin nie wcześniej niż w roku 2020+. Fabryka neutrin o wiązce 10 20 /rok i energii 50 GeV pozwoli na jej transmisję na kilka tysięcy km. W chwili obecnej przygotowywany jest eksperyment transmisji wiązki neutrinowej o długości 130 km z CERN do Frejus. Eksploatowany jest eksperyment CNGS CERN to Gran Sasso. Eksperymenty neutronowe, oprócz generatorów, wymagają detektorów neutrin. Do detekcji używa się mechanizmu oddziaływania neutrina z jądrem i w końcowym efekcie generację fotonów. Detektory posiadają znaczne rozmiary, rzędu wielu kt lub MT i działają na zasadzie detekcji promieniowania Czerenkowa (ciekły scyntylator) lub transmutacji przemian jądrowych (Lit-Argon). Oprzyrządowanie detektorów neutronowych stanowią wielokanałowe systemy pomiarowe. Elementem powyższych badań jest eksperyment MICE w laboratorium RAL. Jonizacyjne chłodzenie generowanej wiązki mionów o dużej emitancji jest konieczne w celu umożliwienia akceleracji tej wiązki i następnie doprowadzenia do kolizji zgęstek mionów dodatnich i ujemnych lub generacji wiązki neutronowej. Po wytworzeniu i oczyszczeniu we wiązce mionowej tworzone są zdefiniowane przestrzennie zgęstki i redukowana jest dyspersja energii a następnie wiązka jest chłodzona w 6 wymiarach (geometrii i pędu) i podlega re-akceleracji do energii w zakresie 0,2 2000 GeV. Akceleratory klasyczne, plazmowe i laserowe Rozwój akceleratora LHC (nadprzewodzący akcelerator RF) jest planowany poza rok 2030. Pierwszy etap rozwoju, nazwany HL- LHC dotyczy dwukrotnego zwiększenia jasności przy jedynie niewiele zwiększonej energii. Ten proces rozwoju będzie realizowany jeszcze w tej dekadzie. HE-LHC jest nowym zderzaczem protonów o energii zderzenia 33 TeV (obecnie 14 TeV) i jasności 2*10 34 (obecnie 1*10 34 ).. Wymagane pole magnesów dipolowych wynosi 16,5 T (obecnie 8 T) przy zmniejszonej aperturze do 4 cm (obecnie 5 cm). Wymagany jest dla niego nowy iniektor o energii ok. 1,5 TeV (obecnie ok. 0,5 TeV). Koszt budowy HE-LHC ocenia się na ok. 5 razy większy niż LHC. Być może w budowie HE- LHC wykorzystane zostaną elementy infrastruktury HL-LHC jak np. fabryki zimna, ale nie jest to obecnie pewne, gdyż wówczas w momencie nowych decyzji będą miały 20 lat. Nie jest pewne, czy tunel LEP pomieści nowe większe urządzenia kriogeniczne (rura akceleratora o średnicy ok. 1 m zamiast 60 cm obecnie), ani czy nowe detektory zmieszczą się w obecnych grotach podziemnych zajmowanych przez detektory CMS i ATLAS. Ocenia się, że zasilanie nowego akceleratora typu SRF, nawet z odzyskiem energii wiązki, może wymagać mocy rzędu 1 PW. Rozwój infrastruktury dla techniki akceleratorowej w Europie podąża trzema drogami: poprawa parametrów istniejącej infrastruktury zderzaczy i akceleratorów oraz budowa nowych urządzeń, rozwój technik akceleratorowych RF nadprzewodzących i ciepłych, testy koncepcji akceleratorów laserowych i plazmowych. Zagadnienia powyższe są koordynowane w Europie, w ramach sieci ACCNET przez odpowiednie zespoły robocze Euro-Lumi, RFTech, EuroNNAc. EuroLumi pokrywa obszary badawcze dotyczące dynamiki wiązki, magnesów, kolimacji dla takich infrastruktur jak FAIR, iniektor LHC, kompleks akceleratorowy w CERN. Obecnie realizowane projekty w zakresie LHC obejmują: zwiększenie energii, poprawę jakości magnesów o obszarze zderzenia wiązek (lepsze ogniskowanie wiązek, odporność magnesów na promieniowanie i narażenia termiczne), poprawę jakości wiązki (kolimacja, luminancja, stabilność, emitancja). RFTech 118 dotyczy wspólnej tematyki dla takich infrastruktur jak CLIC, ILC, EXFEL, FLASH i obejmuje rozwój klistronów, dystrybucję wielkiej mocy RF, projekt sprzęgaczy dużej mocy i wnęk rezonansowych a w tym wnęki poprzecznie odchylające zgęstki, system LLRF, pierścienie akumulacyjne. Wymagania na przyszły system LLRF dotyczą utrzymania fazy RF z dokładnością 0,03 o i amplitudy 0,03%. LLRF musi posiadać wbudowaną diagnostykę i spełniać ścisłe warunki bezawaryjnego utrzymania akceleratora w ruchu. Rozwój wnęk rezonansowych idzie w kierunku maksymalizacji gradientu, minimalizowania kosztów, minimalizacji impedancji, optymalizacji sprawności. EuroNNAC dotyczy poszukiwania synergii między takimi dziedzinami jak lasery, plazma, akceleratory, techniki femto- i attosekundowe. Zadaniem jest opracowanie propozycji Europejskiej laserowo-plazmowej, akceleratorowej infrastruktury badawczej, która potwierdziłaby koncepcję budowy nowej klasy akceleratorów cząsteczkowych. Próg przebicia dla metalowych wnęk mikrofalowych zimnych (pracujących w zakresie częstotliwości 1 3 GHz) jest obecnie oceniany na 50 MV/m (technologia TESLA) a ciepłych (pracujących w zakresie częstotliwości 10 30 GHz) na ponad 200 MV/m (technologia CLIC). Te wartości nie mogą być już znacznie podniesione. Alternatywą jest utworzenie dynamicznie, stabilnego na czas przelotu cząstek relatywistycznych, kanału akceleracyjnego w plazmie przy pomocy wiązki cząsteczkowej lub fotonowej. Wykorzystywane pasmo częstotliwości jest w zakresie 10 100 THz, a natężenie pola 30 300 GV/m. Kanał w plazmie tworzony jest przez osiowe odrzucenie przez pole wzbudzone, przez cząstki lub fotony, elektronów na niewielką odległość. W chwili obecnej, szereg laboratoriów w Europie pokazało działające plazmowe i laserowe eksperymenty akceleracyjne, na torach długości kilku cm, uzyskując co najmniej dwukrotny wzrost energii przyspieszanych elektronów. Najbliższym celem jest budowa całkowicie plazmowo-laserowego akceleratora, na razie, dla średnich energii, lub boostera po akceleratorze wysokich energii. Najbardziej interesującym, ale i obecnie zupełnie przyszłościowym pomysłem jest budowa akceleratora laserowego, gdzie medium przyspieszającym jest bezpośrednio pole optyczne. Porównując to rozwiązanie z akceleratorami klasycznymi i plazmowymi, światło wiązki laserowej posiada częstotliwość od 200 THz do 3 PHz, a przewidywane natężenie pola wiązki takiego akceleratora powinno wynosić 10 100 TV/m, a w przyszłości nawet w okolicach PV/m. Przy małych natężeniach wiązka laserowa propagowana jest w materii liniowo, a o rozprzestrzenianiu decyduje wartość współczynnika załamania. Zwiększając natężenie pola optycznego wiązki laserowej, np. do poziomu rzędu 10 8 10 10 W/cm 2 ujawnia się nieliniowość optyczna, w postaci dodatkowego nieliniowego współczynnika załamania zależnego od wartości pola E. Towarzyszą temu zjawiska optyczne takie jak np. generacja drugiej harmonicznej, a następnie także wyższych. Przy natężeniu wiązki optycznej rzędu 10 12 W/cm 2 i wyższych (w zależności od rodzaju ośrodka) następuje jonizacja materiału i utworzenie plazmy. Plazma w takim stanie, dla takich poziomów natężeń pola, zachowuje się jak materiał amorficzny, optycznie liniowy. Nieliniowość optyczna ośrodka po zjonizowaniu znika. Dalsze zwiększanie natężenia pola do poziomu rzędu 10 18 W/cm 2 elektrony plazmy zaczynają wykazywać właściwości nieliniowe. Jest to poziom elektronowej nieliniowości relatywistycznej plazmy (optyczny warunek relatywistyczny). Pojedynczy okres fali optycznej przyspiesza elektrony do prędkości relatywistycznej. Elektrony poddane są działaniu nieliniowej magnetycznej siły Lorentza od wiązki laserowej. To zjawisko może być wykorzystane do bezpośredniej akceleracji elektronów przez laser. Przez praktyczne zastosowanie tej technologii, można byłoby zmniejszyć obecne akceleratory RF co najmniej 100-krotnie lub więcej. Zwiększając natężenie wiązki laserowej do poziomu rzędu 10 23 W/cm 2, protony zaczynają się zachowywać relatywistycznie w obrębie pola. Warunek ten nazywany jest ultra-relatywistycznym. Wiązka laserowa jest w stanie przyspieszać relatywistycznie pro- Elektronika 12/2011
tony, a dla wyższych natężeń także coraz cięższe jony. W technice akceleratorowej jest to przypadek ciekawszy niż przyspieszanie elektronów, gdyż prowadzi do wielu różnych zastosowań, zarówno badawczych jak i technicznych. Szczególnie w przyszłości możliwe będzie konstruowanie niewielkich akceleratorów medycznych np. jonów węgla, przeznaczonych do terapii nowotworowej. Zwiększając natężenie wiązki dalej, dochodzi się do poziomu polaryzacji próżni. Zgodnie z prawami Maxwella wiązki fotonowe w próżni nie oddziaływają ze sobą. Jednak w teorii elektrodynamiki kwantowej, mimo niewielkiego przekroju poprzecznego, światło rozprasza światło (Heisenberg 1930). Wiązka laserowa o dużym natężeniu prowadzi do polaryzacji próżni wzdłuż jej biegu. Indukcja polaryzacji próżni pochodzi od cząsteczek wirtualnych elektronów i pozytronów schowanych w próżni oraz ujawnianych i ponownie chowanych prze pole optyczne wiązki. Zwiększając nadal natężenie wiązki do poziomu zwanego natężeniem Schwingera, które wynosi 10 29 W/cm 2, polaryzacja próżni staje się tak duża, że wirtualne pary elektron-pozytron stają się cząstkami rzeczywistymi (nie wirtualnymi). Pole optyczne generuje wzdłuż wiązki materię. Prowadzi to do zjawiska przebicia próżni. Przewiduje się, że przebicie próżni jest możliwe dla pól o mniejszym natężeniu, ale dla promieniowania gamma. Próbkowanie próżni polem o wielkim natężeniu ma istotny sens badawczy, jako alternatywa do budowy dużych infrastruktur akceleratorowych. Jeśli próżnia ukrywa nieznane pola, np. poszukiwane pole Higgsa nadające masę cząstkom elementarnym, lub inne, które czynią wszechświat nieprzezroczystym dla fotonów o energii powyżej 10 22-10 23 ev i jeszcze inne jak lekkie, znacznie lżejsze od elektronu, słabo oddziaływujące cząstki czarnej materii, lub antygrawitacyjne pole czarnej energii, to intensywna wiązka fotonowa być może będzie w stanie te pola i cząstki ujawnić. Jeśli pole czarnej energii istnieje, być może składa się z bardzo słabych pól sprzężonych tylko z bardzo lekkimi cząstkami. Intensywna wiązka fotonowa, o natężeniu polaryzacji próżni w przypadku obecności nieznanych pól, powinna doprowadzić do generacji drugiej harmonicznej. Kolejnym mechanizmem prowadzącym do generacji wiązek gamma o dużym natężeniu i wysokiej jakości (nierozproszona, monoenergetyczna i bardzo jasna) wykorzystującym połączenie technologii laserowej i akceleratorowej jest relatywistyczne odbicie wstecz fotonów od wiązki elektronowej. Takie wiązki gamma umożliwiają badania silnych oddziaływań fotojądrowych. Celem działań Europejskiej sieci badawczej nowych akceleratorów jest opracowanie założeń programu badawczego nad akceleratorami laserowymi i zgłoszenie dużego wniosku do Komisji Europejskiej, przed 2013 rokiem, o finansowanie projektu pilotowego budowy infrastruktury akceleratora w ramach programu ramowego FP8. Założenia projektu są następujące: budowa demonstratora lasera FEL bazującego na akceleracji plazmowej, niezawodna praca kompaktowych akceleratorów plazmowych dla energii 1 GeV, uzyskanie wysokiej jakości wiązki o energii 10 GeV z akceleratorów plazmowych, akceleracja pozytronów w polu o gradiencie GV/m, budowa demonstratora wykorzystującego wiązkę protonową do tworzenia wzbudzonego kanału akceleracyjnego w plazmie. Nowa generacja akceleratorów medycznych W obecnym rozwiązaniu duże akceleratory medyczne są urządzeniami wyjątkowymi o nielicznych lokalizacjach. Organizacja terapii wymaga koncentracji pacjentów wokół tych ośrodków. Poszukuje się rozwiązań generacji wysokoenergetycznej wiązki elektronowej, protonowej i następnie jonowej w urządzeniach o znacznie mniejszych rozmiarach i kosztach. Wiązka elektronowa o energii 100 MeV jest generowana przez wiązkę laserową przechodzącą przez wąski ultradźwiękowy strumień plazmy. Wiązka protonowa o energii 10 MeV jest generowana przez impulsową wiązkę laserową padającą na folię metalową o grubości 1 µm. We wnęce RF gradient pola przyspieszającego jest mniejszy od 100 MV/m. We wnęce plazmowej, dynamicznie strukturyzowanej przez wiązkę protonową lub laserową, gradient pola przyspieszającego jest większy od 100 GV/m. Wymiar wnęki RF jest rzędu metra dla częstotliwości 1 GHz. Wymiar wnęki plazmowej jest rzędu cm. Właściwości wiązki elektronowej produkowanej obecnie w prototypowych akceleratorach laserowo-plazmowych są coraz lepsze. Wiązka jest stabilna. Dwie wiązki laserowe pozwalają na kontrolę wielu parametrów wiązki elektronowej. Monoenergetyczność wiązki jest de/e<1% i może być przestrajana w granicach 1 10%. Energia wiązki jest przestrajana w zakresie 20 300 MeV. Ładunek w zgęstce wynosi od 1 do kilkudziesięciu pc. Długość zgęstki wynosi 1,5 fs (RMS) i może być przestrajana. Femtosekundowy impuls elektronowy powoduje indukcję uszkodzeń DNA tkanki nowotworowej. Fotony i protony powodują rozerwanie pojedynczych wiązań helisy DNA. Jony węgla powodują nie reperowane rozerwania wiązań podwójnych. Obecnie 95% radioterapii nowotworowych jest wykonywana przy pomocy promieniowania X (np. noże gamma). Porównując wydzieloną dawkę przez trzy źródła: 20 MeV elektrony, 8 MeV X i 230 MeV protony można stwierdzić, że energia wydzielona przez protony jest maksymalna na głębokości ok. 30 cm w tkance, przy niewielkim depozycie na powierzchni. Zarówno elektrony jak i X dają duże depozyt energetyczny na powierzchni ciała pacjenta. Elektrony penetrują, przy tej energii, do głębokości 10 cm. Dawka X na głębokości 30 cm spada poniżej 10%. W technice X konieczne jest napromieniowywanie wieloma wiązkami przecinającymi się w miejscu terapii pod różnymi kątami. Wiązka elektronowa o energii 250 MeV deponuje dawkę równomiernie do głębokości większej niż 40 cm i w tym przypadku także konieczne jest zastosowanie techniki wielowiązkowej wielokątowej w celu maksymalizacji dawki w punkcie wewnętrznym ciała. Przy powyższym wyborze źródeł, i radioterapii głęboko wewnątrz ciała najgorsze warunki daje X, gdyż dawka jest największa na powierzchni i zanika ekspotencjalnie. Symulacje porównujące takie same oddziaływanie np. na prostatę przy pomocy generowanych laserowo 250 MeV elektronów i X pokazują oszczędzanie tkanek przyległych o kilkadziesiąt% w przypadku elektronów i dalsze kilkadziesiąt% w przypadku protonów. Najlepszy rozkład dawki daje wiązka protonowa. Głębokość maksymalnego depozytu energii jest prostą funkcją energii protonów. Terapia protonowa jest obecnie najszybciej rozwijającą się techniką radioterapii (obok terapii węglowej). W chwili obecnej na świecie istnieje 30 ośrodków terapii protonowej i trzy węglowej. Kierowanie na terapię protonową jest ściśle reglamentowane ze względu na jej koszt. Wielkość urządzeń terapeutycznych wynika z konieczności zapewnienia bardzo dużej dokładności balistycznej wiązki, a więc długości toru wiązki, precyzji protonowej optyki magnetycznej, oraz dostarczenia wiązki do pacjenta i jej manipulacją wokół pacjenta przy pomocy urządzenia skanującego typu gantry. Publikacje medyczne oceniają (styczeń 2011), że terapia protonowa może być korzystna dla nawet 15 20% pacjentów wymagających działań radioterapeutycznych. Głownie dotyczy to nowotworów oka, neurologicznych, układu trawiennego, płuc, prostaty. W skali Europy jest to ok. 200 000 pacjentów. Obecne możliwości terapeutyczne (w roku 2011) są ok. 8000 pacjentów rocznie. W skali świata, corocznie ponad 10 milionów ludzi zapada na nowotwory. Ponad 6 milionów podlega radioterapii. Oceniając, ze tylko 10% mogłoby podlegać terapii protonowej, oznacza to konieczność istnienia co najmniej 500 protonowych centrów terapeutycznych. Centrum takie składa się ze źródła protonów np. cyklotronu, synchrotronu lub synchrocyklotronu (o mocy ok. 500 kw, energii wiązki 250 MeV, i o wadze 100 400 ton, wymiarach 2 4 m, oraz koszcie ok. 10 M ), linii transmisyjnych dla wiązki protonowej, izocentrycznego ramienia skanującego gantry (o wymiarach 5 20 m i wadze 120 600 ton oraz dokładności pozycjonowania rzędu mm), gabinetów przygotowawczych i gabinetów zabiegowych. Część ze źródłem i wiązkami protonowymi musi być izolowana radiacyjnie, ścianami betonowymi o grubości ok. 3 m. Jeśliby zastąpić taki klasyczny zestaw protonowy akceleratorem laserowym to budowa centrum terapii protonowej zmienia się następująco: źródłem jest łańcuch laserowy (o wadze 1 2 t i mocy 10 kw), źródło i linie wiązki laserowej nie potrzebują zabezpieczeń radiacyjnych, zabezpieczenia radiacyjne są ściśle Elektronika 12/2011 119
ograniczone do obszaru konwertera i doprowadzenia wiązki do pacjenta, izocentryczne ramię gantry posiada wymiar ok. 2 m i wagę 1 2 t. EuCARD 2 2013 2016 Europejskie akceleratorowe środowisko naukowe przygotowuje zgłoszenie projektu infrastrukturalnego do programu ramowego FP8. Badania podstawowe w dziedzinie akceleratorów RF obejmują zwiększenie jasności i energii oraz mocy wiązki, a także zagadnienia polaryzacji wiązki. Dla wiązek elektronowych istotne jest zmniejszenie emitancji w synchrotronowych źródłach światła, pierścieniach akumulacyjnych, pierścieniach dławiących, deceleratorach, zderzaczach leptonowych. Optymalizacja energetyczna akceleratorów dotyczy ich zrównoważonego i energetycznie wydajnego rozwoju. Te badania nad odzyskiwaniem energii z wiązki po eksperymencie, nad efektywnymi metodami akceleracji mają zapobiec exponencjalnemu wzrostowi zapotrzebowania akceleratorów na energię. Badania nad nowymi rozwiązaniami technicznymi dotyczą konstrukcji maszyn hadronowych (silne magnesy, źródła hadronów, kolimatory, wigglery, undulatory), maszyn SRF i NRF oraz akceleratorów laserowo-plazmowych. Badania nad akceleratorami plazmowymi mają doprowadzić w Europie do budowy działającej infrastruktury nadawczej w tym obszarze. Badania nad zastosowaniami akceleratorów mają doprowadzić do ich znacznie szerszych zastosowań w przemyśle, ochronie zdrowia, produkcji energii i bezpieczeństwie. Literatura [1] http://cern.ch/eucard; http://indico.cern.ch/contributionlistdisplay. py?confid=115634 [2] Tajima T.: ELI Courier 2 (3), pp. 4 5 (2010). [3] Czarski T., et al.: NIMA 548 (3), pp. 283 297 (2005). [4] Czarski T., et al.: NIMA 568 (2), pp. 854 862 (2006). [5] Czarski T., et al.: NIMA 556 (2), pp. 565 576 (2006). [6] Ackerman W.: Nature Photonics 1 (6), pp. 336 342 (2007). [7] Chatrchyan S., et al.: JINST 3 (8), art.s08004 (2008). [8] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03001 (2010). [9] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03002 (2010). [10] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03003 (2010). [11] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03004 (2010). [12] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03005 (2010). [13] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03006 (2010). [14] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03007 (2010). [15] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03008 (2010). [16] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03009 (2010). [17] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03010 (2010). [18] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.p03007 (2010). [19] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03011 (2010). [20] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03012 (2010). [21] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03013 (2010). [22] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03014 (2010). [23] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03015 (2010). [24] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03016 (2010). [25] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03017 (2010). [26] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03018 (2010). [27] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03019 (2010). [28] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03020 (2010). [29] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03021(2010). [30] Chatrchyan S., et al.: JINST 5 (3), art.t03022 (2010). [31] Romaniuk R., et al.: MST, vol.18, no.8, art. E01 (2008). [32] Fąfara P., et al.: MST, vol.18, no.8, pp. 2365 2371 (2008). [33] Burd A., et al.: New Astronomy 10 (5), pp. 409 416 (2005). [34] Burd A., et al.: Astronomische Nachrichten 325 (6-8), pp. 674 (2004). [35] Burd A., et al.: Proc. SPIE 6159, art. 61590H (2006). [36] Stankiewicz S., et al.: IEEE Nuclear Science Symp. Conf.Rec.,vol.1, pp. 400 404 (2004). [37] Mukherjee B. et al.: Radiation Protection Dosimetry 126 (1 4), pp. 256 260 (2007). [38] Romaniuk R.: Phot.Lett.Poland 1 (1), pp. 1 3 (2009). [39] Romaniuk R.: Phot.Lett.Poland, 1 (2), pp. 46 48 (2009). [40] Kasprowicz G., et al.: Phot.Lett.Poland 1 (2), pp. 82 84 (2009). [41] Romaniuk R.: Phot.Lett.Poland 1 (3), pp. 103 105 (2009). [42] Romaniuk R.: Phot.Lett.Poland 2 (1), pp. 22 24 (2010). [43] Romaniuk R.: Phot.Lett.Poland 2 (2), pp. 55 57 (2010). [44] Romaniuk R.: Phot.Lett.Poland 2 (2), pp. 64 66 (2010). [45] Obroślak P., et al.: Phot.Lett.Poland 2 (3), pp.134 136 (2010). [46] Romaniuk R.: Bulletin of PAS 56 (2), pp. 87 102 (2008). [47] Dorosz J., et al.: Optica Applicata 28 (4), pp. 267 291 (1998). [48] Dorosz J., et al.: Optica Applicata 28 (4), pp. 293 322 (1998). [49] Romaniu R., et al.: Optica Applicata 29 (1), pp. 15 49 (1999). [50] Romaniuk R.: Optica Applicata 31 (2), pp. 425 444 (2001). Generator dokumentacji dla kodów źródłowych środowiska Matlab inż. Bartłomiej Nitoń, dr inż. Krzysztof Poźniak, prof. dr hab. inż. Ryszard Romaniuk Politechnika Warszawska, Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych, Instytut Systemów Elektronicznych Dobrze udokumentowany kod źródłowy jest prostszy do dalszego wykorzystania, ponieważ zawiera uzupełniające informacje, których nie można zawrzeć bezpośrednio w danym języku programowania. Udokumentowanie pomaga m.in. w prawidłowym wykorzystaniu powstałych kodów oraz w realizacji większych projektów wykonywanych przez grupę programistów. Sprzyja także wykrywaniu błędów w projekcie. Ponadto dokumentacja zawarta w pliku źródłowym staje się jego nierozdzielną częścią. Dokumentowanie programów, choć niesie ze sobą liczne korzyści, stanowi zazwyczaj ostatni etap realizacji projektu, na którego wykonanie albo już nie wystarcza czasu, albo nie przywiązuje się do tego zadania dostatecznej wagi. Wynika to głównie z faktu, że dokumentowanie kodów źródłowych to żmudny i pracochłonny proces. Dlatego w celu jego automatyzacji powstały narzędzia nazwane generatorami dokumentacji dla kodów źródłowych. Generatory dokumentują pliki źródłowe na podstawie komentarzy umieszczonych w kodzie oraz struktury leksykalnej danego języka programowania. Zadaniem programisty jest jedynie zamieszczenie lub modyfikacja treści komentarza blisko wprowadzanego lub modyfikowanego kodu źródłowego. Generator automatycznie sformatuje ten komentarz w czytelną dla użytkownika 120 informację. Formatowanie informacji wyjściowej można generalnie podzielić na: interaktywne, do której m. in. można mieć dostęp poprzez sieć (np. format HTML), do druku, np. format Postscript, PDF, RTF itp., opisujące strukturę kodu, np. format XML. Najczęściej oferowanym przez generatory dokumentacji formatem wyjściowym, często jedynym, jest HTML [1 41]. Inną grupą wyróżniającą się w tym podziale są aplikacje generujące wiele formatów wyjściowych: Ddoc, ROBODoc, fpdoc oraz Doxygen [8, 14, 32, 40]. Współczesne generatory dokumentacji mogą generować wiele formatów wyjściowych w zależności od aktualnego zapotrzebowania użytkownika. Oferują także wiele właściwości dodatkowych, takich jak np. dostosowywanie elementów formatów wyjściowych do potrzeb użytkownika, wyodrębnianie słów kluczowych, a w szczególności generowanie grafów. [1 41]. Za pomocą grafów można przedstawić w sposób hermetyczny np. strukturę kodu, powiązania w nim występujące, kolejność wywoływania funkcji. Szczególnie użyteczna jest możliwość generacji grafów zgodnych ze standardem UML. Umożliwiają to takie aplikacje jak: Project Analyzer, Enterprise Architect oraz Imagix 4D [20, 30, 41]. Elektronika 12/2011