Динамика протонного пучка в синхротроне ТРАПП тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Протонный синхротрон ТРАПП

1.1 Описание синхротрона, расчетные параметры.

1.2 Диагностическое оборудование.

Глава 2. Динамика частиц на малой интенсивности.

Нелинейные эффекты.

Глава 3. Влияние эффектов пространственного заряда. на энергии инжекции)

3.1 Оценки и моделирование.

3.1.1 Поперечные эффекты пространственного заряда.

3.1.2 Продольные эффекты пространственного заряда.

3.1.3 Моделирование эффекта «отрицательной массы» решением уравнения Власова и методом макрочастиц.

3.1.4 Импедансы, критерии устойчивости.

3.2 Экспериментальные данные.

3.3 Внесение энергетического разброса по сечению пучка.

Глава 4. Захват частиц в сепаратрису и ускорение до требуемых энергий

4.1 Расчет основных параметров ускорения.

4.2 Экспериментальные данные.

Глава 5. Пути увеличения интенсивности.

5.1 Анализ экспериментальных данных с других синхротронов.

5.2 Необходимая модернизация синхротрона ТРАПП для увеличения числа ускоренных протонов (без существенного увеличения стоимости ускорителя).

В настоящее время терапия раковых опухолей пучком протонов является эффективным методом лечения рака, Данный метод терапии применяется уже около 50 лет во многих странах мира, однако, количество пациентов, получивших возможность пройти сеансы терапии, составляет чуть более 30 тысяч человек. Столь малое количество пациентов определяется высокой стоимостью используемых ускорителей - основы медицинских комплексов лечения раковых опухолей протонным пучком. В Институте Ядерной Физики им Г.И. Будкера СО РАН был разработан специализированный синхротрон ТРАПП. Данный синхротрон выгодно отличается компактностью, малым энергопотреблением, требует небольшой обслуживающий персонал при полной автоматизации процесса, имеет режим ускорения и замедления пучка в одном цикле, позволяет проводить не только протонную терапию онкологических опухолей, но и протонную томографию.

На синхротроне ТРАПП было получено ускорение протонов до энергии ЗЗОМэВ. Однако, процесс ускорения сопровождался на начальном этапе большими потерями частиц, что наблюдалось даже в случае малой начальной интенсивности пучка. Максимальное число ускоренных протонов составляло примерно 108 частиц.

Предметом исследования диссертационной работы является изучение влияния различных эффектов, приводящих к ограничению числа ускоренных протонов в синхротроне ТРАПП. Целью при этом является увеличение числа ускоренных протонов и систематизация данных для создания оптимального серийного протонного синхротрона онкологического применения.

Диссертация состоит из пяти глав, заключения и библиографии. В Главе 1 приводится описание и расчетные параметры синхротрона ТРАПП.

В Главе 2 рассматривается влияние нелинейных эффектов на динамику частиц при малой начальной интенсивности пучка. В результате, проведенных экспериментов и расчетов установлено, что основные потери частиц, были вызваны возмущениями магнитного поля вакуумной камерой кольца синхротрона. Устранение неоднородностей поля по центру радиальной апертуры сделало потери частиц (при малой начальной интенсивности пучка) незначительными. Указывается необходимость изменения геометрии вакуумной камеры и замены материала, применяемого при ее изготовлении, что позволит увеличить динамическую апертуру.

В Главе 3 рассчитывается влияние основных эффектов пространственного заряда пучка, необходимых при анализе потерь частиц. Показано, что когерентная поперечная неустойчивость развиваться не будет. Особое внимание уделено теоретическому и экспериментальному изучению развития неустойчивости «отрицательной массы» и характеристик образованных сгустков. Так, например, показано, что при малом начальном энергетическом разбросе, такая неустойчивость начинает развивается на высоких гармониках частоты обращения, а в последующем переходит на более низкие гармоники. Указывается, что энергетический разброс, получаемый пучком при развитии неустойчивости «отрицательной массы», не улучшает продольного согласования, так как при захвате в ВЧ поле каждый из образованных сгустков двигается как единое целое, что также приводит к увеличению локальной азимутальной плотности пучка через четверть периода синхротронных колебаний. Известно, что для подавления неустойчивости, необходимо вносить энергетический разброс. В работе акцентируется внимание на том, что для предотвращения начальной модуляции азимутальной плотности, приводящей к ограничению максимального числа частиц, необходимо вносить энергетический разброс по сечению пучка. Рассчитывается совершенно новый способ внесения такого разброса в промежутке перезарядки тандемного инжектора, не приводящий к дополнительному увеличению поперечного эмитанса. Представлены экспериментальные данные развития неустойчивости отрицательной массы и влияние данного 5 эффекта на потери частиц. Экспериментально изучаются потери частиц в различных режимах: при изменении рабочей точки по бетатронным колебаниям, при увеличении давления остаточного газа, при ограничении апертур пробниками и т.д. Приводятся экспериментальные и аппроксимирующие кривые потери частиц в зависимости от начальной интенсивности пучка.

В Главе 4 проводится изучение потерь частиц при захвате в сепаратрису и ускорении до требуемых энергий. Показывается, что основные потери интенсивности происходят на начальном этапе ускорения. При этом для уменьшения потерь необходим достаточно большой начальный темп подъема магнитного поля. Указывается необходимость увеличения радиальной апертуры.

В Главе 5 рассматриваются экспериментальные данные полученные на других синхротронах (по литературе). На основе всего вышеизложенного делается рекомендация по модернизации синхротрона с целью увеличения интенсивности без заметного увеличения стоимости ускорительного комплекса.

Основные результаты диссертации опубликованы в 4 работах: [15], [16], [20], [21].

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Приведено сравнение расчетных параметров синхротрона ТРАПП и измеренных пучком протонов малой интенсивности, в частности:

• Обнаружена и устранена нелинейность магнитного поля, вызывавшая большие потери частиц, проведено моделирование влияния данной нелинейности на динамику пучка;

• Показана необходимость изменения геометрии и материала вакуумной камеры с целью увеличения динамической апертуры.

2. Детально изучен эффект «отрицательной массы», в частности:

• Проведены расчеты и моделирования процесса развития неустойчивости, параметров формирующихся сгустков, условий подавления неустойчивости;

• Экспериментально и теоретически показано, что для эффективного подавления неустойчивости необходимо вносить энергетический разброс именно по сечению пучка, до инжекции в кольцо синхротрона;

• Проведено экспериментальное изучение процесса группировки пучка, доказано, что наблюдаемая неустойчивость - эффект «отрицательной массы»;

3. Рассчитан совершенно новый метод внесения энергетического разброса по сечению пучка без дополнительного увеличения поперечного эмитанса пучка.

4. Экспериментально изучено влияние пространственного заряда пучка на потери частиц при различных условиях эксперимента

5. Проведено ускорение пучка до требуемых энергий, установлено, что устраненные нелинейности магнитного поля уменьшали интенсивность ускоренного пучка более чем в 3 раза, указывается необходимость увеличения радиальной апертуры.

6. По итогам проведенных исследований предложен комплекс мер по оптимизации параметров синхротрона.

Прежде всего, мне хочется поблагодарить член-корреспондента РАН В.Е. Балакина и доктора физико-математических наук, профессора Г.М. Тумайкина за научное руководство и постоянную поддержку.

Я очень благодарен своим коллегам А.В. Кожемякину, В.А. Вострикову, Д.А. Хлыстову, В.Ф. Куценко за многочисленные дискуссии, советы, сотрудничество в проведении экспериментов.

Заключение

1.V.E. Balakin, A.N. Skrinskiy, V.P. Smirnov, Y.D.Valyaev. TRAPP - Facility for Proton Therapy of Cancer.EPAC,Rome,1988.

2. V. Balakin. Status of Development of Installation for Proton Conformal Therapy Mass Application. XXXVI PTCOG meeting, Catania, Italy, 2002.

3. H.Grote, F.lselin. The MAD Program.CERN/SL/90-13(AP),1996.

4. A.H. Дубровин. Программа MERMAID. ИЯФ CO РАН, Новосибирск.

5. А.П. Лысенко. Программа RING. ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

6. А.А. Коломенский, А.Н. Лебедев. Теория циклических ускорителей. М., Физм атгиз, 1962.

7. K.Y.Ng. Betatron Tune Shifts and Laslett Image Coefficients. FERMILAB-TM-2152, 2001.

8. M. Reiser. Theory and Design of Charged Particle Beams. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1994.

9. А.Н. Лебедев. О критериях продольной устойчивости циркулирующих пучков. ЖТФ, Том XXXVII,№ 9,1967.

10. K.Y. Ng . Physics of Collective Beam Instabilities. FERMILAB-Conf-00/142-T, 2000.

11. A.C. Рошаль. Моделирование заряженных частиц. Москва, Атомиздат, 1979.

12. Р. Хокни, Д. Иствуд. Численное моделирование методом частиц. Москва, Мир, 1987.

13. W.H. Press , S.A. Teukolsky, W.T. Vetterling. Numerical Recipes in C, The Art of Scientific Computing. New York, Cambridge University Press, 1992.

14. S. Machida , M. Ikegami. Simulation of Space Charge Effects in A Synchrotron. KEK Preprint 98-189, 1998.

15. В.Е.Балакин, B.A. Востриков, A.B. Кожемякин,В.Ф. Куценко, C.A. Растигеев, Г.М. Тумайкин, В.Ф. Туркин, Д.А. Хлыстов. Эффект «отрицательной массы» на протонном синхротроне ТРАПП. Препринт ИЯФ СО РАН ,2000-21, Новосибирск,2000.

16. G.M.Tumaikin, V.E.Balakin, D.A.Khlystov, A.V.Kozhemyakin, V.F.Koutcenko, S.A.Rastigeev, V.F.Turkin, V.A.Vostrikov.

17. The Observation of the Negative Mass Instability in the Proton Synchrotron TRAPP. EPAC, Vienna, 2000.

18. E. Keil, W. Schnell. CERN Report TH-RF/69-48 , 1969.

19. K. Y. Ng, A. V. Burov. Stability Issues of Low-Energy Beams. FERMILAB-FN685 , 1999.

20. A.W. Chao. Physics of Collective Beam Instabilities in high Energy Accelerators. NY: John Wiley & Sons,Inc., 1993.

21. G.M. Tumaikin, S.A. Rastigeev, V.A. Vostrikov. Operation of the Energy Spread of Beam with Using of Excharge Target. РАС, Chicago,2001.

22. Тумайкин Г.М., Востриков B.A., Растигеев C.A. Способ управления энергетическим разбросом в тандемном ускорителе.ХУН Совещание по ускорителям заряженных82частиц, Протвино, 2000.

23. Г.И. Димов. Перезарядный метод инжекции протонов в ускоритель . Препринт ИЯФ СО РАН Новосибирск, 1967.

24. Черепанов В.П. Управление параметрами пучков в ионных синхротронах и каналах транспортировки.

25. Диссертация к.ф-м.н. Новосибирск,2001.

26. A.N. Lebedev , Е.А. Zhilkov. Steady-State Acceleration of Particles in the Presence of Space Charge.

27. Nuclear Instruments and Metods,vol.45,No.2,1966.

28. F. Mills. Technical Assessment of the Loma Linda University Proton Therapy Accelerator.TM-1656, 1989.

29. M. Umezawa, H. Sakurabata,et. al. Beam Commissioning of the New Proton Therapy System for University of Tsukuba. РАС, Chicago,2001.

30. M.Umezawa, K.Hiramoto, M.Tadokoro. Magnetic Field Measurement of the Air Slot Dipole Magnet. РАС, New York, 1999. A.Molodojentsev. Transverse Emittance Blow-up in Compact Proton Synchrotrons Caused by the Space-Charge Effects. РАС, Chicago, 2001.

31. D.L. Friesel, M. Ball, B. Hamilton, Wm. Manwaring. Initial Performance of the IUCF Cooler Injector Synchrotron. РАС, New York,1999.

32. K. Matsuda, K. Saito, M. Umezawa, K. Hiramoto, R.Shinagawa, M.Tadokoro. Beam Commissioning of a Multi-purpose Compact Ion Synchrotron. РАС, Chicago,2001.