Динамика пучков в компактных циклотронах для медицинских применений

• Автор: Костромин, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 107 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ ЦИКЛОТРОНА
1.1 Уравнения движения
1.2 Магнитное поле
1.3 Выражения для компонент магнитного поля в плоскости
следующие из уравнений Максвелла
1.4 Ускоряющее электрическое поле
1.5 Выводы
ГЛАВА 2. ДИНАМИКА ПРОТОНОВ В ЦИКЛОТРОНЕ С235 (ИЗУЧЕНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ РЕЗОНАНСОВ)
2.1 Основные параметры циклотрона
2.2 Изучение прохождения резонанса 40г
2.3 Изучение прохождения резонанса Qr=l
2.4 Изучение прохождения резонанса 20
2.5 Изучение прохождения резонанса Ог-0:
2.5 Изучение прохождения резонанса 30
2.7 Выводы
ГЛАВА 3. ДИНАМИКА ПРОТОНОВ В ЦИКЛОТРОНЕ С235 С УЧЕТОМ ИЗМЕРЕННОЙ РАДИАЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В СРЕДНЕЙ ПЛОСКОСТИ
3.1 Измерение радиальной компоненты магнитного поля Вг
3.2 Моделирование ускорения пучка с учетом измеренной радиальной
компоненты Вг
3.3 Выводы
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫВОДА ПУЧКА ПРОТОНОВ В ЦИКЛОТРОНЕ С235
4.1 Система вывода циклотрона С235
4.2 Моделирование вывода пучка в циклотроне С235
4.3 Выводы
ГЛАВА 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО ПАКЕТА ПРОГРАММ ДЛЯ ДРУГИХ РАСЧЕТОВ
5.1 Циклотрон для лучевой терапии С220р
5.2 Циклотрон на энергию протонов 8 МэВ
5.3 Сверхпроводящий циклотрон С400
5.4 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Данная работа, проведенная автором совместно с сотрудниками Отдела новых ускорителей ЛЯП ОИЯИ, посвящена изучению динамики частиц в компактных изохронных циклотронах.
В последние годы компактные циклотроны стали широко использоваться для решения различных прикладных задач [1]-[9]. Это произошло, во-первых, потому что интересы фундаментальных исследований в физике элементарных частиц, в основном, вышли за уровень энергий, достижимый на таких циклотронах (сотни МэВ). Во-вторых, при современном уровне развития промышленности, вычислительных технологий, а также большому накопленному опыту в разработке и изготовлении циклотронов, проекты с использованием ускорителя для решения узкого круга задач стали экономически обоснованными. Круг прикладных задач, где используются компактные циклотроны, достаточно широк: лучевая терапия [4], [10], [11], производство радиофармпрепаратов [12]-[15], изготовление трековых мембран [1] для различного рода фильтров в промышленных масштабах. Известен такой проект [2], где циклотрон является одной из основных частей комплекса для обнаружения взрывчатых веществ.
Сравнительно невысокая стоимость, компактность, надежность в эксплуатации, незначительная активация внутренних систем в процессе работы, малая потребляемая мощность электроэнергии - все эти характеристики очень важны для современных циклотронов, используемых в промышленности и медицине.
Магнитные и ускоряющие системы современных компактных циклотронов, как правило, имеют небольшие размеры вертикальной апертуры - от десяти миллиметров до нескольких десятков миллиметров [7], [16], [17], [18]. Для формирования изохронного поля до области вывода

пучка может использоваться профилированная по высоте и по азимуту секторная структура [19].
При неточностях изготовления и сборки магнитной системы в несколько десятых долей миллиметра (например, при сдвиге в горизонтальном направлении нижней и верхней частей циклотрона друг относительно друга, или при неодинаковой высоте секторов магнитной системы) возникают возмущения магнитного поля в средней плоскости ускорителя величиной до нескольких Гаусс. Эти возмущения могут быть в виде присутствия радиальной компоненты магнитного поля В„ которая приводит к когерентному отклонению пучка от средней плоскости циклотрона. Или в виде 1-й и более высоких гармоник радиальной и аксиальной компонент магнитного поля, которые, в свою очередь, могут привести к увеличению вертикального размера пучка, а также к увеличению амплитуд свободных радиальных колебаний.
Описанные выше процессы могут привести к потерям пучка на элементах магнитной и ускоряющей систем циклотрона.
В связи с этим, детальное моделирование движения пучка в циклотроне во всей области ускорения необходимо на стадии разработки, измерения и шиммирования магнитного поля для определения допусков на точность изготовления различных элементов ускорителя и устранения или уменьшения возможных потерь пучка.
Цель диссертационной работы заключается:
- в выяснении причин возможных потерь пучка на элементах магнитной системы при ускорении в циклотронах типа С235 (ІВА, Бельгия), в частности в С235 Р06 (машина предназначается для эксплуатации в Институте протонной терапии в Джексонвилле, Флорида, США), и их последующей минимизации путем шиммирования магнитного поля;
- в определении параметров магнитной системы новой версии циклотрона С235 V3 на основе полного анализа динамики пучка в С235 Р06.

Аг [ст]

5 10 15 20 25 ЗО
Рис. 20. Влияние 1-й гармоники магнитного поля на амплитуды свободных радиальных колебаний в пучке
Видно, что при наличии в центре циклотрона 1-й гармоники магнитного поля с амплитудой 5 Гаусс в максимуме, уже наблюдается увеличение амплитуд радиальных бетатронных колебаний почти в 2 раза. Вообще, такое увеличение является нежелательным, поскольку при дальнейшем ускорении пучка с такими амплитудами и при пересечении зоны резонанса ЗQr=4, например, может произойти дополнительный сильный рост радиального размера пучка. Поэтому, действие этого резонанса в центре циклотрона следует изучать совместно с другими опасными резонансами в середине и в конце ускорения, если они есть.
Однако, в данном циклотроне, как будет показано ниже, из-за наличия 1 -й гармоники магнитного поля на конечных радиусах амплитуды свободных радиальных колебаний в пучке все равно растут до значения ~ 10-12мм, поэтому изучение данного резонанса можно ограничить рассмотрением динамики движения пучка в центре ускорителя.
В итоге, на основании сделанных расчетов, можно заключить, что резонанс ошибок Qr=l является опасным. Для прохождения этого резонанса во время ускорения с минимальными ухудшением качества пучка необходимо, чтобы амплитуда 1-й гармоники вертикальной компоненты