Akceleratory do badań fizycznych
mgr in\
. 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
" ACCEL Instruments GmbH-pokrycia elementów RF TiN
Zespół zakładu: Bigolas Jerzy A
ubian Andrzej
Bigolas Krzysztof Pławski Eugeniusz
Bogowicz Józef Śliwa Marek
Drabik Wojciech Wojciechowski Marcin
Kosiński Konrad Wysocka-Rabin Anna
Lorkiewicz Jerzy
2
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
Współpraca z INFN Frascati
Współpraca z INFN Frascati
3
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
" 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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
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
zało\
onych dla CLIC strukturach przyspieszających z falą bie\
ącą.
5
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
~ 50 m 3.5 A - 2100 b of 2.33 nC
150 MeV - 1.4 �s
10 Modulators/Klystrons
3 GHz - 30 MW - 6.7 �s
X 2
Drive Beam
Delay
Injector
42 m
Drive Beam Accelerator
16 Accelerating Structures
3 GHz -7.0 MV/m - 1.3 m
X 5
High Power
Combiner Ring
30 GHzTest Stand
30 GHzTest Stand
84 m
84 m
130 MeV
30 GHz - 150 MV/m - 140 ns
Main Beam
35 A - 150 MeV
Drive/Main Beam
Injector
Modules
140 ns
280 MeV
100 MeV
6
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
Al 1:1 model of TM11 3GHz TW structure
Al model measured dispersion curve
3300.0
10 cell deflecting cavity
(8 full+ 2x1/2 end cells)
Measured 2001 Oct./E.P.
3200.0
3200.0
3100.0
Lowest freq. of shifted
transverse passband
3032.96 MHz
3000.0
2900.0
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
Dephasing/cell x Pi
7
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
3203.17
1
3168.72
3114.72
3068.76
f [MHz]
3035.74
3012.17
2997.94
2988.52
2983.77
2981.37
2/3 Pi mode
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
2002/P-X - IPJ
0 RF BEAM DEFLECTORS FOR CTF3
RF BEAM DEFLECTORS FOR CTF3
340 20
COMBINER RING
320 40
D. Alesini, R. Boni, A. Gallo, F. Marcellini, LNF-INFN, Frascati,
Rome, Italy
300 60
Last point
A. Kucharczyk, S. Kulinski, M. Pachan, E. Plawski, The Andrzej
Soltan Institute for Nuclear Studies, Otwock-Swierk, Poland
280 80
Nom. Energy En 150 [MeV]
260 100
Max Energy Emax 300 [MeV]
Frequency f 2.99855 [GHz]
Number of cell 10
240 120
1-st point
De-phasing/cell 2Ą
Ą/3
Ą
Ą
Cell length 33.33 [cm]
220 140
Group velocity vg/c -0.0244
Phase velocity vph/c 1
200 160
After final brazing in LAMINA
180
RF power PRF <"1.5 [MW](@ En)
<"
<"
<"
<"6 [MW] (@Emax)
<"
<"
<"
Measurement of phase advance/cell
Deflection Ć5 [mrad]
Ć
Ć
Ć
R/Q=vg/��" Ą"/e)2/PRF1380 [&!
��"(FĄ" &!/m]
��" Ą" &!
��" Ą" &!
8
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
RF DEFLECTOR FOR THE CTF3 DELAY LOOP.
Na rysunku poni\
ej 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
Vacuum-SF6 flanges
Vacuum-SF6 flanges
klystron
klystron
load
WR650
Coupling
hole
70X38
rectangular
beam
Cavity diameter 119.4
probes
beam pipe
9
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
1500 MHz deflector assembled in delay line of CTF3
11
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
Projekt TOP
Projekt TOP
Terapia Oncologica con Protoni
Terapia Oncologica con Protoni
12
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
Liniowy akcelerator protonów 200MeV o
akronimie TOP (Terapia Oncologica con
Protoni) jest realizowany w ramach programu
Włoskiego Narodowego Instytutu Zdrowia
(ISS).
-y
ródło protonów duoplazmatron 30 keV
-y
ródło protonów duoplazmatron 30 keV
-RFQ 425MHz, 3 MeV
-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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
TOP LINAC Layout
Radioisotopes
Production
SCDTL 65 MeV
SCL 100-200 MeV
Fixed Vertical beam
Radiobiology
200 MeV
Dosimetry
Dosimetry
Ocular Melanoma
Therapy
Fixed Horizontal Beam
200 MeV
14
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
PARAMETRY
"  FIZYCZNE PARAMETRY WI
ZKI
" Energia (*) 65, 82, 100  200 MeV
" Czas trwania impulsu 2  7 �s
�
�
�
" Częstotliwość repetycji 50  300 Hz
" Prąd w impulsie (*) d" 0.05  5 �A
d" �
d" �
d" �
" Prąd średni (max) 10 nA
" Rozrzut energii (rms) d" 7 10-3 @ >100 MeV
d"
d"
d"
" < 2.2% @ 65 MeV
" Emittancja poprzeczna (rms) 1.2 Ą mm mrad @200 MeV
Ą
Ą
Ą
" (*) Mo\
e być zmieniane od impulsu do impulsu
"  KLINICZNE PARAMETRY WI
ZKI
" Min  maks głębokość 3.5 g/cm2 - 25 g/cm2
" 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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
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
mo\
liwość 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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
Rysunek zło\
eniowy 2 sekcji projektowanej struktury SCDTL
Na podstawie rysunku zło\
eniowego powstała symulacja 3D konstrukcji.
18
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
Terapia hadronowa jest równie\
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 cię\
kimi jonami.
Cel projektu:
" Opracowanie metody obliczania i analizowania odchyleń w wartościach HU uzyskiwanych w TK.
" Zbadanie wpływu ró\
nych 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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
ę! Rel.Range in water
ę!
ę!
ę!
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
Tissue
0.8
Plexiglas
0.6 Substitutes
Empirical Calibration
0.4
Stoichiometric Calibration
0.2
-1000 -500 0 500 1000 1500 2000
HU
HUjednostki 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
Rys.2. Wpływ zmiany w HU dla kości na rozkład dawki
głowy.
w planowaniu terapii.
Zmiana w HU o 300 jedn.wywołuje zmianę zasięgu nawet
do 6 mm, dawki nawet 80%.
21
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
Rys.3 Skaner TK z cylindrycznym fantomem z PMMA Rys.4 Stanowisko do napromieniania pacjentów
wykorzystywanym do kalibracji.Wypełnienia fantomu z wiązką węgla C 12 w GSI, Darmstadt, gdzie
materiałów tkanko-podobnych. napromieniano próbki tkanek w fantomie.
22
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
Ad 1) Dla kolimatorów wąskich wiązek fotonów o energii 6 MeV
Tissue maximum ratio (TMR) of 6 MV Measured and calculated dose profiles of
X-ray beam, measured for 0.75 cm the 6 MV X-ray beam at isocentre, at
collimator diameters using 0.015 cm ion depth of 7.5cm in water, for 1cm, 2cm
chamber (rozkład procentowej dawki and 3cm diameter fields (profile dawek)
głębokiej w wodzie)
24
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
Ad 2) Stanowisko akceleratora elektronów 6 MeV, dla którego
przeprowadzono weryfikację obliczeniową pomiarów, u\
ywając
metody MC
electron accelerator and e-X conversion units
electron accelerator and e-X conversion units
1,00E-04
1,00E-05
1,00E-06
r=10cm
1,00E-07
r=50cm
1,00E-08
1. electron gun; 2.accelerating structure 3.RF power source (magnetron),
circulator (protection of the magnetron against reflected wave) 1,00E-09
,
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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
-2
-1
Strumie
ń
fotonów[cm MV ]
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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
Intensity Map from TPS Dose distribution obtained from Photon Beam Scanning
160 160
150 150
140 140
130 130
120 120
110 110
100 100
90 90
80 80
70 70
0.0
60 60
0.5
50 50
1.0
1.5
1.5
40 40
40 40
2.0
30 30
1.25
1.50
20 20
1.75
10 10
2.00
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
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007
Dziękuję Państwu za uwagę.
Dziękuję Państwu za uwagę.
28
mgr in\
. Konrad Kosiński Warszawa, 26.06.2007