Компактный сверхпроводящий циклотрон для протонной терапии пучками со сверхвысокой мощностью дозы (флэш)
COMPACT SUPERCONDUCTING CYCLOTRON FOR PROTON BEAM THERAPY WITH ULTRAHIGH DOSE RATE (FLASH)

Компактный сверхпроводящий циклотрон относится к области техники ускорителей частиц. В настоящее время ускорители такого типа используются в основном в медицине, для лечения онкологических заболеваний и новообразований с помощью протонной терапии и для производства различных медицинских изотопов в ядерной медицине.
Актуальность разработки более совершенных циклотронов, обусловлена интенсивным развитием протонной терапии в мире за последние десять лет, а также исследованиями, демонстрирующими перспективность нового метода лечения пучками со сверхвысокой мощностью дозы.
Уровень техники
Радиотерапия онкологических заболеваний направлена на разрушение опухолевых тканей, при минимальном повреждении здоровых тканей и органов. Одним из наиболее перспективных направлений в дистанционной радиотерапии является протонная терапия. За счет преимущества дозового распределения в тканях, использование протонов позволяет уменьшить влияние излучения на здоровые ткани, расположенные вблизи и в непосредственном контакте с опухолью. Наибольшая эффективность технологии протонной терапии проявляется при лечении глубокозалегающих новообразований.
Последние годы в мире ведутся интенсивные исследования метода радиационной терапии пучками со сверхвысокой мощностью дозы (флэш) (A. Patriarca, FLASH Radiation Therapy: Accelerator Aspects, 11th International Particle Accelerator Conference, IPAC 2020, Caen, France) [1]. По сравнению с лучевой терапией, проводимой с обычной мощностью дозы (1-7 Гр/мин), флэш облучение осуществляется при мощности дозы свыше 40 Гр/с за доли секунды. Здоровая ткань лучше противостоит флэш облучению, в то время как опухоль обладает таким же уровнем чувствительности, что и к обычному лечению. Метод вызывает огромный интерес у специалистов, так как не только уменьшает воздействие на здоровые ткани, сокращает количество процедур лечения, но и позволяет более эффективно лечить некоторые рецидивные и радиорезистентные опухоли. Сейчас активно проводятся исследования на пучках протонов разной интенсивности. Верхний предел по интенсивности пучка, целесообразной для терапии, не определен, в частности, в г. Троицке на сильноточном линейном ускорителе протонов (ЛУ) ИЯИ исследуют режим облучения биологических объектов при рекордных для протонов значениях мощности дозы 1 МГр/с, который можно назвать "экстремальным" флэш-режимом. (С.В. Акулиничев и др. Возможности протонной флэш-терапии на ускорителе ИЯИ РАН, ИЗВЕСТИЯ РАН. 2020, том 84, №11, с. 1544-1548) [2].
Однако, прежде чем протонная флэш-терапия сможет быть в полной мере реализована на практике требуется решить ряд инженерно-технических проблем, в частности необходим ускоритель, обеспечивающий средний ток пучка, составляющий по разным оценкам 0.5-20 мкА для всего диапазона применяемых в лечении энергий.
Изохронный циклотрон, как ускоритель, работающий в квазинепрерывном режиме, в отличие от импульсных ускорителей синхротрона и синхроциклотрона, способен быть источником интенсивного пучка протонов необходимой энергии.
Учитывая вышесказанное и ожидаемое массовое производство изохронных циклотронов для протонной флэш-терапии любое улучшение параметров и эксплуатационных характеристик циклотрона представляется очень важным.
Известен сверхпроводящий компактный изохронный циклотрон, (К.С. Бунятов, Г.Д. Ширков, С.Г. Ширков и др. Сверхпроводящий компактный изохронный циклотрон, Патент РФ №2702140, 23.01.2019, БИПМ №28), [3]. В этом циклотроне уровень среднего поля выбран на уровне В≈3 Т, а зазор, то есть расстояние между полюсными секторными шиммами изменяется по радиусу. Вначале, от центра к краю полюса зазор между полюсами уменьшается, а на краю поля, в зоне вывода пучка зазор снова растет.
Недостатком такого циклотрона в плане использования его для флэш-терапии будет, кроме очевидной сложности изготовления полюсов такой сложной эллиптической формы, будут также сложности с формированием требуемого распределения магнитного поля, обусловленное высоким средним полем В>3 Т.
Известен также ускоритель С235, IBA (Бельгия). Циклотрон такого типа C235-V3 работает в центре протонной терапии госпитального комплекса медицинской радиологии в Димитровграде, (Галкин Р.В. и др. Циклотрон C235-V3 для центра протонной терапии госпитального комплекса медицинской радиологии в Димитровграде; Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 6), [4]. Этот циклотрон имеет среднее поле на уровне В≈1.7 Т и теплую, то есть не сверхпроводящую обмотку.
Недостатком этого циклотрона является высокое энергопотребление, низкий набор энергии, определяемые двумя резонаторами и маленький шаг орбиты в районе вывода. Кроме того, этот ускоритель имеет большой диаметр - 4.5 м, усложняющий транспортировку и массу ~200 Т, усложняющую его монтаж в клиниках.
В качестве прототипа выбран проект ЛЯП ОИЯИ SC230 (О.В. Карамышев и др., Исследования и разработка сверхпроводящего циклотрона SC230 для протонной терапии, Письма в ЭЧАЯ. 2021. Т. 18, №1(233). С. 73-85) [5].
Сверхпроводящий циклотрон SC230 для протонной терапии пучками со сверхвысокой мощностью дозы (флэш) включает в себя магнитную систему из расположенных симметрично медианной плоскости, по меньшей мере, трех пар секторов магнита и ярма магнита со сверхпроводящими обмотками основных катушек, при этом, в зоне вывода форма ярма, секторов магнита, форма обмоток катушек являются некруглыми и повторяют форму орбиты ускоряемых частиц.
Циклотрон SC230 в варианте, описанном в [5] позволяет получать высокий ток пучка, но для вывода пучка из такого циклотрона, требуется либо возбуждать первую гармонику магнитного поля в зоне вывода, либо формировать изохронное распределение магнитного поля ускорителя вплоть до радиуса, достаточного для вывода пучка, посредством изменения формы зазора между секторами [3].
Техническая задача заключается в том, чтобы обеспечить изохронный рост среднего поля как можно дальше по радиусу полюса для сокращения радиального расстояния, проходимого пучком при выводе из области высокого магнитного поля, что способствует облегчению вывода пучка (требуется меньшая напряженность на дефлекторе) при сохранении компактного размера ускорителя.
Решение технической задачи осуществляется за счет того, что по краю секторов магнита в области зоны вывода выполнена фаска, повторяющая форму траектории частиц в циклотроне.
Описание фигур
На Фиг. 1 показана внутренняя часть магнитной и ускоряющих систем циклотрона. Форма полюса, криостата, ярма циклотрона повторяют форму траектории частицы.
1 - ускоряющие резонаторы;
2 - сектора магнита;
3 - ярмо магнита;
4 - сверхпроводящая обмотка магнита.
На Фиг. 2 показана траектория частицы на фоне секторной шиммы ускорителя. Край сектора и фаска повторяют отличную от окружности траекторию частицы, показана фаска на краю сектора.
5 - траектория пучка;
6 - фаска вдоль траектории пучка.
На Фиг. 3 показана форма края сектора с фаской 6 (нижний рисунок) вдоль траектории пучка и без фаски (верхний рисунок).
На Фиг. 4 показаны среднее магнитное поле и флаттер (оси ординат) в зависимости от радиуса (ось абсцисс) для варианта сектора с фаской вдоль траектории пучка и сектора без фаски. Штриховая линия соответствует среднему магнитному полю без фаски, сплошная линия соответствует среднему магнитному полю при наличии фаски, штрих-пунктирная линия соответствует флаттеру поля без фаски, пунктирная линия соответствует флаттеру поля при наличии фаски.
На Фиг. 5 показано отклонение среднего магнитного поля от изохронного в зависимости (ось ординат) от среднего радиуса орбиты частицы (ось абсцисс) для варианта сектора с фаской вдоль траектории пучка (сплошная линия) и сектора без фаски (штриховая линия).
Осуществление изобретения
При низком уровне поля 1.5-1.7 Т в циклотроне возможен вывод пучка из ускорителя дефлектором с приемлемыми напряженностями магнитного поля либо при формировании первой гармоники магнитного поля для изменения траектории выводимого пучка, либо при условии формирования изохронного поля вплоть до больших радиусов за счет эллиптической формы зазора между секторами, что позволяет ускорять пучок дальше по радиусу. Мы предлагаем обеспечить изохронный рост среднего магнитного поля дальше по радиусу, применяя фаску по краю сектора, выполненную не по окружности, а вдоль траектории пучка. На Фиг. 3 показаны сектора высотой b с фаской, выполненной под углом α и без фаски. Результаты расчета магнитного поля показаны на Фиг. 4 и Фиг. 5. На Фиг. 5 сплошная линия соответствует отклонению среднего поля от изохронного для варианта с наличием фаски, повторяющей траекторию пучка, и штриховая линия соответствует варианту сектора без фаски. Видно, что среднее поле мало отличается от изохронного для существенно больших радиусов в варианте с фаской, что не только создает лучшие условия для вывода пучка, уменьшая требуемую напряженность электрического поля на электростатическом дефлекторе, так как после отклонения дефлектором пучку требуется пройти меньшее радиальное расстояние, но и увеличивает достижимую энергию в циклотроне заданного радиуса.
Общая схема ускорителя
Расчеты распределения электромагнитного поля циклотрона проводились в CST Studio с использованием параметризованной модели, созданной в Autodesk Fusion 360. Анализ полученных в расчетах карт электромагнитного поля был произволен по алгоритму CYCLOPS, одному из самых надежных инструментов анализа динамики частиц в циклотронах. Для корректного формирования магнитного поля в изохронном циклотроне необходимо обеспечить одинаковую частоту обращения частиц на замкнутых равновесных орбитах для всего диапазона радиусов и ход рабочей точки на диаграмме частот, не пересекающий опасные резонансы.
Величина вертикального зазора между секторами в предлагаемом циклотроне, постоянна вдоль радиуса и составляет 50 мм, что достаточно для размещения электростатического дефлектора. Таким образом во всех долинах можно разместить ускоряющие резонаторы высокочастотной системы.
Модель ускоряющей системы, состоящей из четырех полуволновых резонаторов с двумя опорами, обеспечивающими необходимую жесткость конструкции, соединенных в центре представлена на Фиг. 1. В одном из резонаторов для удобства восприятия показаны только ускоряющий электрод-дуант и две опоры. Применение фаски вдоль траектории пучка, увеличивая флаттер, способствует уменьшению требуемой спиральности секторных шимм, тем самым уменьшает спиральность резонаторов ускоряющей системы, что положительным образом сказывается на вероятности пробоев для заданного напряжения на ускоряющем электроде.
Формирование магнитного поля ускорителя
Формирование магнитного поля изохронного циклотрона осуществляется за счет ряда параметров, включающих в себя форму и размеры обмотки магнита, форму секторных шимм, а именно выбора таких величин как азимутальная протяженность, высота, спиральность, которые должны обеспечить стабильное движение пучка в процессе ускорения с фиксированной частотой ускоряющего высокочастотного поля. Как правило, самая сложная задача при формировании поля изохронного циклотрона - обеспечить рост среднего поля как можно дальше по радиусу полюса для сокращения радиального расстояния, проходимого пучком при выводе из области высокого магнитного поля, что способствует уменьшению требуемой напряженности электростатического поля дефлектора, а также достижению большей энергии пучка в ускорителе заданного размера. Для обеспечения роста среднего поля в зоне вывода в прототипе SC230 увеличивали азимутальную протяженность секторов, кроме того задали форму полюса не по окружности с центром в геометрическом центре циклотрона, а по форме траектории ускоряемых частиц, которая отличается от окружности тем больше, чем выше флаттер магнитного поля. Форма сверхпроводящих обмоток также заменена с круговой на форму, состоящую из последовательности дуг окружностей, приближающихся к траектории частицы. Подобная форма обмотки позволяет максимально эффективно использовать весь генерируемый поток магнитной индукции, пропуская его исключительно через область ускорения пучка, что экономит требуемое количество ампер витков.
Таким образом, за счет применения сверхпроводимости и выбора не круговой формы полюса, ярма и сверхпроводящей обмотки, прототип SC230 имеет вдвое меньший вес, чем ускоритель С 235, а фаска по краю сектора (см. Фиг. 2, 3) вдоль траектории пучка приведет к уменьшению требуемой для вывода напряженности на дефлекторе, что позволит осуществить вывод пучка из циклотрона без возбуждения первой гармоники магнитного поля, обычно вводимой для искажения траектории пучка посредством установки гармонических катушек в зоне вывода, а также увеличит максимальную энергию выводимого пучка. Фаска существенно увеличивает не только магнитное поле в зоне вывода, но и флаттер (см. Фиг. 4), тем самым позволяет обеспечить изохронное увеличение среднего поля дальше по радиусу и способствует уменьшению спиральности секторов. Разность между средним и изохронным полем для двух вариантов с фаской и без фаски можно увидеть на Фиг. 5. Оптимальные размеры фаски выбираются расчетно, в частности, в примере α=45 градусов, b=10 см.
Литература
1. A. Patriarca, FLASH Radiation Therapy: Accelerator Aspects, 11th International Particle Accelerator Conference, IPAC 2020, Caen, France.
2. С.В. Акулиничев и др. Возможности протонной флэш-терапии на ускорителе ИЯИ РАН, ИЗВЕСТИЯ РАН. 2020, том 84, №11, с. 1544-1548.
3. Бунятов К.С. и др. Патент 2702140 (RU), 23.01.2019, БИПМ №28.
4. Галкин Р.В. и др. Циклотрон C235-V3 для центра протонной терапии госпитального комплекса медицинской радиологии в Димитровграде; Журнал технической физики, 2014, выпуск 6, С. 132.
5. О.В. Карамышев и др., Исследования и разработка сверхпроводящего циклотрона SC230 для протонной терапии, Письма в ЭЧАЯ. 2021. Т. 18, №1(233). С. 73-85) [5].