Akceleratory do badań fizycznych
mgr inż. 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
2
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
•ACCEL Instruments GmbH-pokrycia elementów RF TiN
Zespół zakładu:
Bigolas Jerzy
Łubian Andrzej
Bigolas Krzysztof
Pławski Eugeniusz
Bogowicz Józef
Śliwa Marek
Drabik Wojciech
Wojciechowski Marcin
Kosiński Konrad
Wysocka-Rabin Anna
Lorkiewicz Jerzy
Współpraca z INFN Frascati
3
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
Współpraca z INFN Frascati
•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
4
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
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
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
założonych dla CLIC strukturach przyspieszających z falą bieżącą.
5
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
X 5
Combiner Ring
84 m
X 2
Delay
42 m
Drive Beam
Injector
10 Modulators/Klystrons
3 GHz - 30 MW - 6.7
µ
s
Drive Beam Accelerator
16 Accelerating Structures
3 GHz -7.0 MV/m - 1.3 m
~ 50 m
3.5 A - 2100 b of 2.33 nC
150 MeV - 1.4
µ
s
High Power
30 GHzTest Stand
6
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
84 m
Main Beam
Injector
30 GHz - 150 MV/m - 140 ns
Drive/Main Beam
Modules
35 A - 150 MeV
140 ns
30 GHzTest Stand
100 MeV
280 MeV
130 MeV
Al 1:1 model of TM11 3GHz TW structure
3200.0
3300.0
3
2
0
3
.1
7
1
6
8
.7
2
10 cell deflecting cavity
(8 full+ 2x1/2 end cells)
Measured 2001 Oct./E.P.
Al model measured dispersion curve
7
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
Dephasing/cell x Pi
2900.0
3000.0
3100.0
3200.0
f
[M
H
z
]
3
1
3
1
1
4
.7
2
3
0
6
8
.7
6
3
0
3
5
.7
4
3
0
1
2
.1
7
2
9
9
7
.9
4
2
9
8
8
.5
2
2
9
8
3
.7
7
2
9
8
1
.3
7
Lowest freq. of shifted
transverse passband
3032.96 MHz
2
/3
P
i
m
o
d
e
Brazing test (Hydrogen oven in LAMINA)
Measured dispersion curve with no coupling ports
Deflector No 2; Phase shift from cell to cell
for 2997.5 MHz in air and T= 23degC
2002/P-X - IPJ
RF BEAM DEFLECTORS FOR CTF3
8
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
After final brazing in LAMINA
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
2002/P-X - IPJ
1-st point
Last point
Measurement of phase advance/cell
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
Nom. Energy En
150 [MeV]
Max Energy Emax
300 [MeV]
Frequency f 2.99855 [GHz]
Number of cell
10
De-phasing/cell
2
ππππ
/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
φφφφ
5 [mrad]
R/Q=vg/
ω⋅
ω⋅
ω⋅
ω⋅
(F
⊥
⊥⊥
⊥
/e)2/PRF1380 [
Ω
Ω
Ω
Ω
/m]
RF DEFLECTOR FOR THE CTF3 DELAY LOOP.
Na rysunku poniżej 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
klystron
Vacuum-SF6 flanges
9
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
load
klystron
beam
WR650
probes
70X38
rectangular
beam pipe
Vacuum-SF6 flanges
Cavity diameter 119.4
Coupling
hole
Deflectors 1500 MHz
10
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
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
11
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
1500 MHz deflector assembled in delay line of CTF3
Projekt TOP
Terapia Oncologica con Protoni
12
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
Projekt TOP
Terapia Oncologica con Protoni
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
13
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
-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)
TOP LINAC Layout
Radioisotopes
Production
Radiobiology
Dosimetry
SCDTL 65 MeV
SCL 100-200 MeV
Fixed Vertical beam
200 MeV
14
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
Dosimetry
Ocular Melanoma
Therapy
Fixed Horizontal Beam
200 MeV
•
“FIZYCZNE” PARAMETRY WIĄZKI
•
Energia (*)
65, 82, 100 – 200
MeV
•
Czas trwania impulsu
2 – 7
µµµµ
s
•
Częstotliwość repetycji
50 – 300 Hz
•
Prąd w impulsie (*)
≤≤≤≤
0.05 – 5
µµµµ
A
•
Prąd średni (max)
10 nA
•
Rozrzut energii (rms)
≤≤≤≤
7 10-3
@ >100 MeV
•
< 2.2%
@ 65 MeV
•
Emittancja poprzeczna (rms) 1.2
ππππ
mm mrad
@200 MeV
•
(*) Może być zmieniane od impulsu do impulsu
•
“KLINICZNE” PARAMETRY WIĄZKI
•
Min – maks głębokość
3.5 g/cm2 - 25 g/cm2
PARAMETRY
15
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
•
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
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
możliwość 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)
16
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
Brazing surfaces
TOP linac R.F. triplet (SCDTL)
Wymiary bazowe modułu „ Segment DTL”
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)
17
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
(a)
(b)
Rysunek złożeniowy 2 sekcji projektowanej struktury SCDTL
18
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
Na podstawie rysunku złożeniowego powstała symulacja 3D konstrukcji.
Falowód wejściowy
Strojnik struktury DTL
19
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
Strojnik struktury CC
5 sekcji DTL-CC
Wykonana przez zakład struktura będzie częścią akceleratora do
terapii hadronowej (protony)-projekt TOP
Terapia hadronowa jest również 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 ciężkimi jonami
.
Cel projektu:
•Opracowanie metody obliczania i analizowania odchyleń w wartościach HU uzyskiwanych w TK.
20
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
•Zbadanie wpływu różnych 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
↑↑↑↑
Rel.Range in water
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
Tissue
Plexiglas
Substitutes
Empirical Calibration
Stoichiometric Calibration
HU
→
→
→
→
jednostki opisujące obraz uzyskany
21
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
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%.
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.
HU
w tomografii komp.
22
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
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.
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
23
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
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
Ad 1) Dla kolimatorów wąskich wiązek fotonów o energii 6 MeV
24
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
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)
Ad 2) Stanowisko akceleratora elektronów 6 MeV, dla którego
przeprowadzono weryfikację obliczeniową pomiarów, używając
metody MC
electron accelerator and e-X conversion units
electron accelerator and e-X conversion units
1,00E-04
25
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
,
1.
electron gun; 2.accelerating structure 3.RF power source (magnetron),
circulator (protection of the magnetron against reflected wave)
1,00E-10
1,00E-09
1,00E-08
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
Energia [MV]
S
tr
u
m
ie
ń
f
o
to
n
ó
w
[c
m
-2
M
V
-1
]
r=10cm
r=50cm
Rozkład widmowy strumienia fotonów w powietrzu
w odległości 100cm od tarczy, dla pól o promieniu
r=10cm i r=50 cm
Ad 3) Nowy system kolimatorów dla akceleratora z wiązką o
modulowanej intensywności.
two dimensional scanning
electron beam
26
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
two dimensional scanning
photon beam
Skanujący ruch wiązek elektronów i fotonów
Rozkład dawki dla wiązki
fotonów
z
kolimatora
z
otworem o średnicy 1 mm
Intensity Map from TPS
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
0.0
0.5
1.0
1.5
Dose distribution obtained from Photon Beam Scanning
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
27
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160
10
20
30
40
1.5
2.0
1.25
1.50
1.75
2.00
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160
10
20
30
40
Symulowany rozkład dawki dla pola o modulowanej
intensywności
jest
zgodny
z
zaplanowanym
w
systemie planowania terapii.
Dziękuję Państwu za uwagę.
28
mgr inż. Konrad Kosiński
Warszawa, 26.06.2007
Dziękuję Państwu za uwagę.