Προπαρασκευαστικός Σχεδιασμός Γραμμικού Επιταχυντή τύπου Alvarez για Ιατρικές Εφαρμογές
Creators: name: Μαμάρας, Αριστείδης Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Σωματιδιακή Θεραπεία
Γραμμικός Επιταχυντής
Ιόντα Άνθρακα
Particle Therapy
Linear Accelerator
Carbon Ions

description: Βάσει προκαθορισμένων κριτηρίων εισαγωγής της δέσμης, πραγματοποιήθηκε ένας προκαταρκτικός σχεδιασμός ενός τμήματος γραμμικού επιταχυντή τύπου Alvarez drift tube linac (DTL) μήκους 6.5 μέτρων, με στόχο να χρησιμοποιηθεί ως εγχυτήρας ιόντων άνθρακα σε ένα συμπαγές σύγχροτρο για τη θεραπεία ασθενών με καρκίνο. Η απόδοση της επιτάχυνσης και της ισχύος της δομής έχουν υπολογιστεί για τη συχνότητα των 352,2 MHz, συνεκτιμώντας τη συνεισφορά των συστημάτων στήριξης των κοιλοτήτων. Κατά μήκος ολόκληρου του γραμμικού επιταχυντή παρατηρούνται ικανοποιητικές τιμές απόδοσης της επιτάχυνσης καθώς και κατανάλωσης ενέργειας. Μια πρώτη προσέγγιση χαρακτηρισμού της δυναμικής της δέσμης πραγματοποιήθηκε για το πλέγμα εστίασης FFFFDDDD, με μόνιμους μαγνήτες μεσαίας κλίσης (T/m). Τα αποτελέσματα μελέτης της δυναμικής της δέσμης έδειξαν ελάχιστη αύξηση της εκπεμπτικότητας (emittance) σε όλους τους άξονες. Η περιοχή συντονισμού που υποδεικνύεται από το διάγραμμα Hoffman παρουσιάζει σταθερή και ελεγχόμενη λειτουργία της επιταχυντικής διάταξης. Τα αποτελέσματα της ηλεκτρομαγνητικής μελέτης και της δυναμικής της δέσμης υποδεικνύουν ενθαρρυντική απόδοση και παράλληλα αποτελούν ένα πρώτο βήμα προς έναν ρεαλιστικό σχεδιασμό ενός γραμμικού επιταχυντή ικανού να φέρει εις πέρας τις εργασίες που απαιτούνται για τον εγχυτήρα ιόντων άνθρακα του Ευρωπαϊκού project HITRIplus. Προκειμένου να φτάσουμε σε μια τελική λειτουργική δομή, απαιτείται μελλοντική έρευνα η οποία θα περιλαμβάνει μελέτη σφαλμάτων, έρευνα για παράλληλη επιτάχυνση σωματιδίων άλφα με υψηλότερο κύκλο λειτουργίας (τα οποία θα χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ραδιοϊσοτόπων), καθώς και βελτίωση του σχεδιασμού με χρήση τρισδιάστατου κώδικα. Για το τελευταίο, η απαιτούμενη εμπειρία με έναν τρισδιάστατο κώδικα αποδεικνύεται με μια αναλυτική περιγραφή μιας διαδικασίας συγκριτικής αξιολόγησης κώδικα (code-benchmarking process) για τον DTL του Linac4 στο CERN
description: Based on predetermined beam input criteria, a 6.5 m long preliminary design of an Alvarez-type drift tube linac has been accomplished, to be used as a carbon ion injector into a compact synchrotron for patient treatment. The acceleration and power efficiency of the structure has been computed for a 352.2 MHz frequency, incorporating contribution from stems. Along the length of the entire linac, the design displays satisfying effective shunt impedance values. The characterization of the beam dynamics has been performed for a FFFFDDDD focusing lattice with medium gradient permanent magnet quadrupoles. The beam dynamics results have indicated a very small emittance increase in all planes. The tune region indicated by the Hoffman chart exhibits stable and controllable operation. Both electromagnetic and beam dynamics results demonstrate encouraging performance marks, as a first step towards a realistic design capable of carrying out the necessary tasks of the carbon ion injector linac for the EU project, HITRIplus. To reach a fully functional structure, future work will include: error studies; investigation for parallel alpha particle acceleration with a higher duty cycle to be used for radioisotope production; and optimization of the design using a 3D code. For the latter, the required experience with a 3D code is demonstrated with an analytical description of a code-benchmarking process against CERN Linac4's DTL