Линейный ускоритель ионов С +6 - инжектор синхротрона, предназначенного для адронной терапии

Для лечения онкологических заболеваний методом адронной терапии требуются ионы углерода, С +6, ускоренные до энергии примерно 400 МэВ/н. Такие ионы могут быть получены с помощью изохронного циклотрона или ионного синхротрона. В последнем случае требуется инжектор - линейный ускоритель ионов углерода С +6, (Z/A = ½) с энергией ионов примерно равной Е inj =5 МэВ/нуклон (β inj = 0.1, где β=V/c, скорость, выраженная в единицах скорости света в вакууме).

. Выбор основных параметров Примем периметр синхротрона равным: П= 30 м. Тогда, при однооборотной инжекции, длительность импульса инжектируемого пучка будет τ = 1 мкс. Примем, что для лечения одного пациента требуется пучок с интенсивностью, примерно равной: N C+6 = 3*10 9 частиц/сек. Пусть синхротрон работает с цикличностью F = 1 Гц. Начальная энергия ускоряемых ионов может быть порядка Е nji = 50 кэВ/нуклон, (β inj = 0.01), при этом не будет больших проблем с высоковольтным источником (U e.s. = 100 кВ) и трубкой дрейфа.

Ионный источник Ионы углерода и протоны могут быть получены в требуемых количествах и с нужной интенсивностью пучка с помощью ECR источника ионов. Однако этот источник является сложным и дорогим прибором, который плохо сопрягается с наиболее подходящими для применения в онкологии, синхротронами, работающими в импульсном режиме. Более подходящим источником является электронно – лучевой источник ионов.

Линейный ускоритель 1 Традиционно для ускорения ионов использовались ускорители с азимутально-симметричной волной. Как известно [1], в этом случае нельзя получить одновременно радиальную и фазовую устойчивость, при выполнении условий автофазировки, для радиальной фокусировки требуются внешние поля. В ускорителях на стоячей волне квадрупольные фокусирующие линзы размещались внутри трубок дрейфа в резонаторах, фокусировка ионов внешним продольным полем вообще не использовалась, так как ранее не была развита технология получения постоянных соленоидальных полей большой напряженности.

Линейный ускоритель 2 Владимирским [2], в 1956 году было предложено ввести азимутально - несимметричную компоненту в зазоры резонаторов и осуществить фокусировку за счет геометрии самого ускоряющего поля. Впоследствии это предложение трансформировалось в резонаторы с «пальцами» и RFQ структуры. Такие структуры требуют высокой точности изготовления и выдерживания при сборке и настройке жестких допусков. Благодаря развитию технологии создания сверхпроводящих соленоидов может оказаться проще и дешевле ускорять ионы азимутально - симметричной волной, а их фокусировку осуществлять продольным магнитным полем.

Конструкция 1

Конструкция 2

Конструкция 3

Ускоряющая структура на базе спирального волновода Ускоритель-инжектор можно построить на базе спирального волновода, работающего на частоте f 0 = 100 МГц, (λ 0 = 3 м) в котором для поддержания синхронизма между частицами и волной, меняется не только шаг спирали, но и радиус каркаса, на который спираль намотана [3-4]. Каркас должен иметь конусную форму: начальный радиус спиральной намотки равен: r 0н = 2 см, конечный r 0к = 1 см, это позволяет существенно увеличить равномерность распределения поля вдоль оси спирального волновода. При мощности высокочастотного генератора P 0 = 2 МВт и выбранной синхронной фазе: sinφ s = 60 0, длина ускорителя получается короткой, равной примерно L = 10 метров, за счет ускорения на бегущей волне, (напряженность поля волны - Е 10 кВ/см).

Структура поля в спиральном волноводе, помещенном в экран Е z1 = E 0 I 0 (k 1 r) E r1 = -i(k 3 /k 1 )E 0 I 1 (k 1 r) H φ1 = i(k/k 1 )E 0 I 1 (k 1 r) H z1 =-i(k 1 /k)tgΨI 0 (k 1 r 0 )E 0 I 0 (k 1 r)/I 1 (k 1 r 0 ) E φ1 =-tgΨI 0 (k 1 r 0 )E 0 I 1 (k 1 r)/I 1 (k 1 r 0 ) H r1 = (k 3 /k)tgΨI 0 (k 1 r 0 )E 0 I 1 (k 1 r)/I 1 (k 1 r 0 )

Связь потока мощности с напряженностью поля P = (c/8)E 0 2 r 0 2 [ kk 3 /k 1 2 ] {(1+I 0 K 1 /I 1 K 0 )* *(I 1 2 -I 0 I 2 ) +(I 0 /K 0 ) 2 (1+I 1 K 0 /I 0 K 1 )(K 0 K 2 -K 1 2 )}

Шаг намотки спирали

Напряженность электрического поля

Радиальное движение ионов

Затухание волны в спиральном волноводе 1

Затухание волны в спиральном волноводе 2

набор энергии ионами

Основные параметры ускорителя Частота ускорения f 0, МГц 100 Длительность импульса, мкс 1 Мощность ВЧ генератора, МВт 2 Начальный – конечный радиус спирали, см 2 – 1 Радиус внешнего проводника - экрана, см 5 Начальная энергия частиц кэВ/нукл. 50 Конечная энергия частиц МэВ/нукл. 5 Поперечные скорости в пучке, β t0 = (β 2 r0 + β 2 φ0 ) ½ < 3*10 -4 Начальный радиус пучка ионов r b, см 0.2 Фокусирующее соленоидальное магнитное поле B 0 Тл 3.5 Длина ускорителя, м 10

Увеличение конечной энергии ионов В синхротроне, предназначенном для адронной терапии, диапазон перестройки частоты и магнитного поля составляет величину, примерно равную 10, от β н γ н 0.1*1= 0.1 до β к γ к 0.7*1.4 =1. Чтобы уменьшить диапазон перестройки частоты и поля надо увеличивать энергию инжекции. В данном случае это можно сделать, увеличив длину ускорения до значения L = 15 метров, тогда Е к = 7 МэВ/нуклон и диапазон перестройки частоты будет равен: 1/0.12 = 8.33.