Способ вывода из циклотрона одновременно двух протонных пучков: основного и медицинского для офтальмологии
METHOD FOR SIMULTANEOUS EXTRACTION OF TWO PROTON BEAMS FROM THE CYCLOTRON: BASIC AND MEDICAL FOR OPHTHALMOLOGY

Способ относится к ускорительной технике и предназначен для создания и использования на циклотроне одновременно двух пучков ускоренных протонов с разными параметрами и независимой их регулировкой, причем один из протонных пучков предназначен для использования в области онкоофтальмологии.
Введение в проблему. Конструирование ускорителей заряженных частиц, и в частности - циклотронов, с целью использования протонных пучков, например, для получения радиоизотопов или для лечения больных, является в настоящее время общепризнанным и перспективным направлением развития медицинской ускорительной техники (Г.И. Кленов, B.C. Хорошков, А.Н. Черных. «Ускорители для протонной лучевой терапии» // Медицинская физика: Журнал-2013-№4-С.5-17 - ISS Ν 1810-200Х) [1], (Г.И. Кленов, B.C. Хорошков «Адронная лучевая терапия: история, статус, перспективы» //УФМ-2016-Т.186, с. 891-911) [2].
-
Особую нишу среди циклотронов занимают циклотроны, ускоряющие отрицательные ионы водорода Η-минус (Н) и обладающие 100% выводом протонного пучка из ускорительной камеры наружу методом перезарядки на мишенях из углеродной фольги (Ю.Г. Аленицкий, СБ. Ворожцов, А.С. Ворожцов и др. «Возможности циклотронов по генерации пучков для протонной терапии. Письма в ЭЧАЯ, 2005. т.2, № (126), с. 39-45») [3]. Некоторые из них предназначены только для использования в медицине. Так как циклотроны относятся к сложным дорогостоящим инженерным объектам, то естественным желанием является сделать циклотрон многофункциональным и иметь несколько ускоренных пучков протонов для использования их в различных целях, включая медицинские.
14
В 2018 году в НИЦ КИ - ПИЯФ был запущен изохронный циклотрон Ц-80, ускоряющий отрицательные ионы водорода Η-минус до энергии 80 МэВ и током 100 мкА (6.25⋅101/с) (S.A. Artamonov, D.A. Amerkanov, Е.М. Ivanov et al. «The status of the accelerator complex NRC ΚΙ-ΡΝΡΙ». XXVI Russian Particle Accelerator Conference RUPAC 2018, 1-5 October, Protvino, WEXMH 03, p.65.) [4]. Функциональное назначение Ц-80 - производство радиоизотопов (В.Н. Пантелеев, А.Е. Барзах, Л.Х. Батист и др. «Новый метод получения генераторного радионуклида Sr-82 и других медицинских радионуклидов», ЖТФ, 2018, т. 88, вып. 9, стр. 1296-1302) [5] и использование его пучка в онкоофтальмологии (Ю.И. Бородин, В.В. Вальский, Е.Н. Ерохин B.C. Хорошков и др. «Способ протонной лучевой терапии внутриглазных злокачественных новообразований». Патент на изобретение №2680208 Приоритет 01.10.2015) [6].
Настоящее изобретение предназначено для реализации способа вывода из циклотрона двух протонных пучков с различными заданными параметрами (энергией, интенсивностью, эмиттансом и т.п.), действующих одновременно в двух направлениях, причем один из них - медицинского назначения -предназначен для использования в онкоофтальмологии.
-1
1
10
_1
Приведем требования на оптимальные параметры медицинского протонного пучка для онкоофтальмологии по данным медицинских показаний и реальных параметрах, используемых на зарубежных ускорителях при лечении глаза (Н.А. Иванов, Ж.С.Лебедева «Оценка параметров пучка протонов для применения в офтальмологии» Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физика и математика, 2013 №1 (165), с. 128-135. [7], (J. Thariat, S. Jacob, JP Caujolle en al., «Cataract Avoidance With Proton Therapy in Ocular Melanomas. Jnvest Ophthalmol Vis Sci. 2017 Oct 1; 58(12): 5378-5386. DOI: 10, 167 / iovs. 17-22567) [8]. Согласно этим требованиям, энергия протонов должна быть ~ 60 МэВ, что соответствует средней энергии пика Брэгга в тканях глаза. Оптимальная величина поглощаемой дозы в тканях глаза 50-70 Гр, подводимая за 5 сеансов облучения. Время сеанса облучения 1-4 минуты. Интенсивность протонов непосредственно перед облучаемым глазом ~6⋅10 V(Delaney T.F., Кооу Н.М. «Charged particle radiotherapy)) Philadelphia: Lippincott Williams, Wilkins. 2008. 530 p.) [9]. Формирование офтальмологического пучка производится непосредственно вблизи лица пациента в специальном модуляторном боксе. При этом ~ 90% пучка поглощается в элементах модулятора и теряется в тракте транспортировки пучка от циклотрона до модуляторного бокса (-100-150 м). Поэтому интенсивность медицинского пучка циклотрона должна быть ~ 6-10c.
В качестве способа-аналога укажем на способ вывода из циклотрона двух пучков, рассмотренный в работе (С.А. Артамонов, Е.М. Иванов, Г.А. Рябов, В.А. Тонких «Вариант тракта транспортировки протонного пучка для онкоофтальмологического центра ПЛТ в НИЦ Курчатовский институт -ПИЯФ. Сборник тезисов VI Всесоюзного молодежного научного форума Open Science, 2019 г. ) [10].
1
2
0
1
2
1
2
1
2
2
2
0
0
0
10 с
1
14
_1
Способ-аналог заключается в использовании двух перезарядных мишеней из углеродной фольги: основной и медицинской, расположенных на штангах-пробниках, находящихся на разных радиусах и азимутах. Мишени на пробниках могут независимо автоперемещаться в горизонтальных направлениях. При этом каждая из мишеней, при своем перемещении в горизонтальном направлении вдоль радиуса, перекрывает только части площадей S и S от всего поперечного сечения S=S+S пучка Н-минус ионов. Реальная конструкция мишеней из фольги может обеспечить перекрытие по горизонтали площадей S, S в отношении не более чем в 100 раз, что приводит к соотношению интенсивностей основного I и медицинского пучка I, как 1\/1<100. Поэтому для реализации медицинского пучка требуемой величины 1«6-10" интенсивность циклотрона Ι~Ιι должна быть не более 1<6-10, что меньше на два порядка, чем номинальная интенсивность циклотронов класса Ц-80 (Ιο « 6,25· 10c) [4]. Поэтому в способе-аналоге предложено проводить принудительное снижение интенсивности циклотрона 1 методом отключения фокусирующих соленоидов в системе аксиальной инжекции и введением коллиматоров в тракт транспортировки медицинского пучка.
Таким образом, недостатком способа-аналога является неэффективное использование циклотрона из-за необходимости принудительного уменьшения интенсивности пучка циклотрона Ιο.
В качестве способа-прототипа укажем на способ вывода двух протонных пучков одновременно, реализованного на ускорителе Н-минус ионов TPJUMPF в Канаде (Dutto G.et al «TRIUMF» High Intensity Cyclotron Development for ISAG. TRIUMF, Vancuver // Proc/ of the Intern.Con. f. on Cyclotrons and Their Applications, Tokyo, 2004, P.82-86) [11].
2
2
2
Способ-прототип заключается в использовании двух перезарядных мишеней 1 и 2 из углеродной фольги, располагаемых на двух пробниках, находящихся на разных азимутах. Мишени 1 и 2 могут независимо передвигаться вдоль осей своих пробников по радиусам, что определяет энергии протонных пучков 1 и 2. Мишени на пробниках могут также автоперемещаться и в вертикальных направлениях, при этом каждая из мишеней, перемещаясь в вертикальном направлении, перекрывает по вертикали только части площадей Si и S поперечного сечения пучка So-Соотношение Si:S определяет отношение интенсивностей Ιχ:1 протонных пучков из мишеней 1 и 2, одновременно выводимых из ускорителя.
0
t
2
2
2
2
2
0
14 с
1
10 с
1
1
Недостатком способа-прототипа является неэффективное использование циклотрона в случае предназначения 2-го пучка для онкоофтальмологии. Действительно, рассмотрим возможность использования способа-прототипа на примере циклотрона Ц-80, ток протонов которого 1 « 100 мкА (6.25-10"). Реальная конструкция мишеней 1 и 2 из-за малого размера пучка Η-минус ионов по вертикали может обеспечить перекрытие площадей мишеней S и S не больше, чем в 50 раз. Так как Si:S=Ιι:Ι, то для получения медицинского пучка I «6-10" необходимо иметь интенсивность основного пучка I^Io^-lO'V, то есть необходимо снизить интенсивность пучка циклотрона Ιο на два порядка. Дополнительно отметим: так как горизонтальный (радиальный) размер ускоряемого пучка соизмерим с шагом увеличения радиуса орбиты пучка, то происходит многократное взаимодействие Η-минус ускоряемых ионов с мишенью 2 и увеличение интенсивности 1. Это дополнительно приводит к необходимости уменьшения интенсивности пучка 1. Такой режим приводит к крайне неэффективному использованию ускорителя из-за необходимости принудительного уменьшения интенсивности его пучка.
2
Задача изобретения - создание способа вывода из циклотрона одновременно двух протонных пучков - основного с интенсивностью Ιι и медицинского с интенсивностью 1 - без снижения проектной величины интенсивности циклотрона Ιο.
Технический результат заключается в реализации способа, приводящего к выводу из циклотрона двух пучков одновременно, один из которых предназначен для офтальмологии, без потери эффективности использования циклотрона.
2
2
Технический результат достигается тем, что в способе вывода из циклотрона одновременно двух протонных пучков методом перезарядки на углеродных мишенях, новым является то, что для получения основного пучка используется перезарядная мишень из углеродной фольги прямоугольной формы, закрепленная на пробнике и автоперемещающаяся по радиусу орбит вместе с ним, а для медицинского пучка используется закрепленная на другом пробнике перезарядная мишень из углеродного стержня в виде иглы, ориентированной перпендикулярно плоскости орбит ускоряемых Η-минус ионов и автоперемещающейся по радиусу орбит и по вертикали относительно медианной плоскости циклотрона, причем, при регулировке энергий основного и медицинского пучков взаимное расположение мишеней - основной на радиусе Рч и медицинской на радиусе R- должно удовлетворять соотношению R]>R независимо от азимутального расположения мишеней в камере циклотрона.
На Фиг. la, 1б приведены схемы реализации предлагаемого способа.
1. Нижний полюс электромагнита циклотрона.
2. Электромагнит циклотрона.
3. Ускорительная вакуумная камера циклотрона.
4. Источник Η-минус ионов.
5. Дуанты.
6. Окно камеры циклотрона для штанг-пробников 7, 8.
7. Штанга-пробник для мишени 9.
8. Штанга-пробник для мишени 10.
2
9. Мишень для медицинского пучка в виде иглы площадью S.
10. Мишень для основного пучка в виде пластины площадью Si.
11. Траектория протонов после их взаимодействия с мишенью 10.
12. Траектория протонов после их взаимодействия с мишенью 9.
13. Окно для вывода из циклотрона пучков протонов.
14. Область ореола пучка Η-минус ионов.
15. Пластина из углеродной фольги.
50 - площадь поперечного сечения ускоряемого пучка Η-минус ионов.
51 - площадь пучка Η-минус ионов на мишени 10.
2
5 - площадь сечения иглы, облучаемая пучком Ннминус ионов на мишени 9 Ιο - интенсивность пучка циклотрона.
Ιι - интенсивность основного пучка протонов.
2
1 - интенсивность медицинского пучка протонов для офтальмологии.
Ео-энергия пучка циклотрона.
Ει - энергия основного пучка протонов.
2
Е - энергия медицинского пучка протонов для офтальмологии
2
Ri, R - радиусы, соответствующие энергиям ускоряемых Η-минус ионов:
80 МэВ и 60 МэВ.
d - диаметр углеродного стержня, заточенного в виде иглы 9. h - глубина перекрытия иглой 9 площади эллипса So. b - хорда эллипса So на уровне глубины h.
ORZ - система координат.
2AR - радиальный размер пучка Η-минус ионов.
2ΔΖ - вертикальный размер пучка Η-минус ионов.
0
0
2
2
14 с
]
10 с
Рассмотрим осуществление предложенного способа на примере его реализации на циклотроне Ц-80 [4], энергия и интенсивность пучка которого Е=80 МэВ, 1=100 мкА (6 · 10"); энергия и интенсивность медицинского пучка Е=60МэВ, Ι=6· 10"\ Фиг. 1.а,б.
2
b
Между полюсами электромагнита циклотрона 2 размещается ускорительная вакуумная камера 3. В центре камеры 3 находится ионный источник Η-минус ионов 4. Ускорение Η-минус ионов осуществляется двумя дуантами 5. В окне 6 камеры 3 находятся перемещающиеся по своим осям штанги-пробники 7 и 8. На концах пробников 7, 8 размещены мишенные устройства с находящимися в них перезарядными мишенями (стрипперами) 9 и 10. Устройства позволяют автоматически юстировать мишени 9, 10 по радиусу R и по оси Ζ, производить замену мишеней без нарушения вакуума в камере СЦ, осуществляют охлаждение мишеней и т.п.Мишени 9, 10 занимают разные радиальные положения: мишень 9 находится на радиусе R, что соответствует энергии ускоряемых Η-минус ионов 60 МэВ; мишень 10 находится на радиусе R что соответствует энергии ускоряемых Н-минус ионов 80 МэВ.
Отметим, что при взаимодействии ускоряемых Η-минус ионов с мишенями из углерода происходит известный процесс «перезарядки», заключающийся в потери отрицательным ускоряемым ионом двух электронов и превращение его в положительно заряженный протон. Из-за изменения знака заряда с минуса на плюс происходит изменение знака кривизны движения частиц в магнитном поле циклотрона, и протоны выводятся из камеры 3 циклотрона через окно 13. Расчеты и опыт использования перезарядных мишеней из углеродной фольги толщиной ~50 мк при энергии ~50-80 МэВ обеспечивает ~ 100% перезарядку Η-минус ионов в протоны. (А.С.Артемов. «Исследование взаимодействия взаимодействия ионов с внутренними мишенями в ускорителях разработка методов и устройств для невозмущающей диагностики пучков». Автореферат диссертации. ВАК РФ 01.04.01) [12].
2
2
2
2
2
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Инжектируемые ионным источником 4 Η-минус ионы, ускоряемые дуантами 5, двигаются по спирали, увеличивая свою энергию, и при энергии 60 МэВ на радиусе R достигают перезарядной мишени 9. Площадь S мишени 9 выбрана много меньше площади ускоряемого пучка So (S « So). Поэтому, только небольшая часть Η-минус ионов, взаимодействуя с площадью S мишени 9, превращается в положительные протоны и выводится из камеры 3 по траектории 12 через окно 13. Это пучок медицинского назначения с интенсивностью 1.
b
Основная часть Η-минус ионов продолжает ускорение до радиуса Rгде сталкивается с мишенью 10 и генерирует основной пучок протонов с интенсивностью Ιι и энергией 80 МэВ.
2
2
Мишень 10 для основного пучка выполнена в виде пластины 15 из углеродной фольги, площадь которой больше площади Si пучка Н-минус ионов на радиусе R], Мишень 9 для медицинского пучка выполнена из углеродной нити диаметром d « 50-100 мкм, заточенной в виде иглы. Площадь S мишени 9 - это часть площади иглы, на которую попадают Η-минус ионы на радиусе R. Вертикальное расположение мишени 9 и малая величина h обеспечивает в отличие от прототипа только одноразовое взаимодействие пучка Η-минус с мишенью 9, Фиг. 1б.
2
Заметим, что азимутальное положение мишеней 9 и 10 непринципиально и выбирается из конструктивных параметров циклотрона и направления вывода протонных пучков 11 и 12 в нужных направлениях. Однако, взаимное расположение мишеней должно быть Ri>R.
Отметим также, что траектория 12 пучка с мишени 9 может пересекать ось пробника 8. Поэтому конструктивно оси пробников 7 и 8 расположены ниже медианной плоскости ускоряемых Η-минус ионов.
2
2
2
2
Предложенный способ предполагается использовать на циклотроне Ц-80 в НИЦ КИ - ПИЯФ [4]. Проведем оценку интенсивности медицинского пучка 1 для циклотрона Ц-80. Интенсивность медицинского пучка 1определяется интенсивностью циклотрона Ιο и отношением площадей Si и Sмишеней 10 и 9. Кроме этого необходимо учитывать многократность взаимодействия пучка с мишенью 9, так как шаг спирали 5R ускоряемых Η-минус ионов меньше радиального размера пучка 2AR на радиусе R и пучок Η-минус ионов в процессе своего ускорения может попадать на мишень 9 за нескольких оборотов. Таким образом:
0
2
где к - коэффициент многократности, b - «хорда эллипса» на уровне глубины перекрытия h иглой площади пучка S, 6R - шаг спирали ускоряемых Н-минус ионов на радиусе R, Фиг. 1б.
0
2
14 с-1
2
1/2
3 м
2
Для циклотрона Ц-80. Интенсивность выведенного пучка 1-6· 10(100 мкА). Размеры ускоряемого пучка Η-минус ионов на радиусе R^o 2ΔΖ=5μμ, 2AR=6mm. Площадь пучкаSi«So. Шаг спирали 5R=2 мм. Диаметр углеродного стержня-иглы d=50 мкм. Величина h=0,1 мм. «Хорда эллипса» b=2-AR/AZ (2h · ΔΖ - h)=1,68 мм. Шаг спирали 6R=Tmm. Площадь мишени S «0,5d-h=2,5· 10~м. Коэффициент многократности k «b/6R «1.
2
ю
1
Подстановка приведенных параметров в (1) дает величину 1~6,4-\0с, что удовлетворяет требованиям на величину интенсивности медицинского пучка.
Заметим, что передвижение иглы и, следовательно, мишени 9 по вертикали, в область ореола пучка 14, Фиг. 1б, позволяет уменьшить интенсивность медицинского пучка еще на 1-2 порядка, а также позволяет конструктивно увеличивать диаметр иглы d в несколько раз, что повышает «время жизни» мишени 9 при ее эксплуатации.
2
Таким образом, предлагаемый способ позволяет реализовать необходимые параметры офтальмологического медицинского пучка при сохранении номинальной интенсивности циклотрона Ц-80. На Фиг. 2 приведены реальные траектории основного пучка с интенсивностью 1\, предназначенного для производства изотопов и медицинского пучка с интенсивностью 1 для офтальмологии. Расчет транспортировки пучков в реальном магнитном поле циклотрона Ц-80 производился с использованием программы Trance-3D (S.A. Artamonov, A.N. Chernov, E.M. Ivanov et al. «High Efficiency Stripping Extraction on 80 MeV Η-minus Isochronous Cyclotron in ΡΝΡΙ» // XXV Russion Particle Accelerator Conference RUPAC 2016, November 21-25, St.-Petersburg, TUCASH 03, P.176-178.) [13].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Г.И. Кленов, B.C. Хорошков, А.Н. Черных «Ускорители для протонной лучевой терапии» //Медицинская физика: Журнал - 2013 - №4 - С.5-17 - ISS Ν 1810-200Х.
[2] Г.И. Кленов, B.C. Хорошков «Адронная лучевая терапия: история, статус, перспективы» // УФМ- 2016 - т.186, с. 891-911. Д001: 10.3367/UF N 2016/06/037823.
[3] Ю.Г. Аленицкий, СБ. Ворожцов, А.С. Ворожцов и др. «Возможности циклотронов по генерации пучков для протонной терапии. Письма в ЭЧАЯ, 2005. т.2,№3 (126), с. 39-45.
[4] S.A. Artamonov, D.A. Amerkanov, Е.М. Ivanov et al. «The status of the
accelerator complex NRC ΚΙ-ΡΝΡΙ». XXVI Russian Particle Accelerator Conference RUPAC 2018, 1-5 October, Protvino, WEXMH 03, p.65.
[5] B.H. Пантелеев, A.E. Барзах, Л.Х. Батист и др. «Новый метод получения генераторного радионуклида Sr-82 и других медицинских радионуклидов». ЖТФ, 2018, т.88, вып.9, стр. 1296-1302.
[6] Ю.И. Бородин, В.В. Вальский, Е.Н. Ерохин, B.C. Хорошков и др. «Способ протонной лучевой терапии внутриглазных злокачественных новообразований». МПК А 61 №5/10, №201 514 15 82, Патент на изобретение №2680208, Приоритет 01.10.2015
[7] Н.А. Иванов, Ж.С.Лебедева «Оценка параметров пучка протонов для применения в офтальмологии» «Научно-технические ведомости С.Петербургского государственного политехнического университета. Физика-математические науки», 2013 №1 (165), с. 128-135. [8] J. Thariat, S. Jacob, JP Caujolle en al., «Cataract Avoidance With Proton Therapy in Ocular Melanomas. Jnvest Ophthalmol Vis Sci. 2017 Oct 1; 58(12): 5378-5386. DOI: 10, 1167 / iovs. 17-22567.
[9] Delaney T.F., Kooy H.M. «Charged particle radiotherapy» Philadelphia: Lippincott Williams, Wilkins. 2008. 530 p.
[10] С.А. Артамонов, Е.М. Иванов, Г.А. Рябов, В.А. Тонких «Вариант тракта транспортировки протонного пуча для онкоофтальмологического центра ПЛТ в НИЦ «Курчатовский институт - ПИЯФ. Сборник тезисов VI Всесоюзного молодежного научного форума Open Science, 2019 г. [11] Dutto G. et al «TPJUMF» High Intensity Cyclotron Development for ISAG. TRIUMF, Vancuver // Proc/ of the Intern.Con. f. on Cyclotrons and Their Applications,Tokyo, 2004, P.82-86.
[12] A.C. Артемов. «Исследование взаимодействия ионов с внутренними мишенями в ускорителях и разработка методов и устройств для невозмущающей диагностики пучков». Автореферат диссертации. ВАК РФ 01.04.01
[13] S.A. Artamonov, N.N. Chernon, Е.М. Ivanov et al. «High Efficiency Stripping Extraction on 80 MeV Η-minus Isochronous Cyclotron in ΡΝΡΙ» // XXV Russion Particle Accelerator Conference RUPAC 2016, November 21-25, St.-Petersburg, TUCASH 03, P. 176-178/