Динамика протонного пучка в синхротроне ТРАПП

• Автор: Растигеев, Сергей Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 82 с. : ил

Содержание
Введение
Глава 1. Протонный синхротрон ТРАПП
1.1 Описание синхротрона, расчетные параметры
1.2 Диагностическое оборудование
Глава 2. Динамика частиц на малой интенсивности.
Нелинейные эффекты
Глава 3. Влияние эффектов пространственного заряда
(на энергии инжекции)
3.1 Оценки и моделирование
3.1.1 Поперечные эффекты пространственного заряда
3.1.2 Продольные эффекты пространственного заряда
3.1.3 Моделирование эффекта «отрицательной массы»
решением уравнения Власова и методом макрочастиц
3.1.4 Импедансы, критерии устойчивости
3.2 Экспериментальные данные
3.3 Внесение энергетического разброса по сечению пучка
Глава 4. Захват частиц в сепаратрису и ускорение до
требуемых энергий
4.1 Расчет основных параметров ускорения
4.2 Экспериментальные данные
Глава 5. Пути увеличения интенсивности
5.1 Анализ экспериментальных данных с других синхротронов
5.2 Необходимая модернизация синхротрона ТРАПП для увеличения числа ускоренных протонов (без существенного увеличения стоимости ускорителя)
Заключение
Литература

Введение.
В настоящее время терапия раковых опухолей пучком протонов является эффективным методом лечения рака, Данный метод терапии применяется уже около 50 лет во многих странах мира, однако, количество пациентов, получивших возможность пройти сеансы терапии, составляет чуть более 30 тысяч человек. Столь малое количество пациентов определяется высокой стоимостью используемых ускорителей - основы медицинских комплексов лечения раковых опухолей протонным пучком. В Институте Ядерной Физики им Г.И. Будкера СО РАН был разработан специализированный синхротрон ТРАПП. Данный синхротрон выгодно отличается компактностью, малым энергопотреблением, требует
небольшой обслуживающий персонал при полной автоматизации процесса, имеет режим ускорения и замедления пучка в одном цикле, позволяет проводить не только протонную терапию онкологических опухолей, но и протонную томографию.
На синхротроне ТРАПП было получено ускорение протонов до энергии ЗЗОМэВ. Однако, процесс ускорения сопровождался на начальном этапе большими потерями частиц, что наблюдалось даже в случае малой начальной интенсивности пучка. Максимальное число ускоренных протонов составляло примерно 108 частиц.
Предметом исследования диссертационной работы является изучение влияния различных эффектов, приводящих к ограничению числа ускоренных протонов в синхротроне ТРАПП. Целью при этом является увеличение числа ускоренных протонов и систематизация данных для создания оптимального серийного протонного синхротрона онкологического применения.
Диссертация состоит из пяти глав, заключения и библиографии.
В Главе 1 приводится описание и расчетные параметры синхротрона ТРАПП.
В Главе 2 рассматривается влияние нелинейных эффектов на динамику частиц при малой начальной интенсивности пучка. В результате,

проведенных экспериментов и расчетов установлено, что основные потери частиц, были вызваны возмущениями магнитного поля вакуумной камерой кольца синхротрона. Устранение неоднородностей поля по центру радиальной апертуры сделало потери частиц (при малой начальной интенсивности пучка) незначительными. Указывается необходимость изменения геометрии вакуумной камеры и замены материала, применяемого при ее изготовлении, что позволит увеличить динамическую апертуру.
В Главе 3 рассчитывается влияние основных эффектов пространственного заряда пучка, необходимых при анализе потерь частиц. Показано, что когерентная поперечная неустойчивость развиваться не будет. Особое внимание уделено теоретическому и экспериментальному изучению развития неустойчивости «отрицательной массы» и характеристик образованных сгустков. Так, например, показано, что при малом начальном энергетическом разбросе, такая неустойчивость начинает развивается на высоких гармониках частоты обращения, а в последующем переходит на более низкие гармоники. Указывается, что энергетический разброс, получаемый пучком при развитии неустойчивости «отрицательной массы», не улучшает продольного согласования, так как при захвате в ВЧ поле каждый из образованных сгустков двигается как единое целое, что также приводит к увеличению локальной азимутальной плотности пучка через четверть периода синхротронных колебаний. Известно, что для подавления неустойчивости, необходимо вносить энергетический разброс. В работе акцентируется внимание на том, что для предотвращения начальной модуляции азимутальной плотности, приводящей к ограничению максимального числа частиц, необходимо вносить энергетический разброс по сечению пучка. Рассчитывается совершенно новый способ внесения такого разброса в промежутке перезарядки тандемного инжектора, не приводящий к дополнительному увеличению поперечного эмитанс а. Представлены экспериментальные данные развития неустойчивости отрицательной массы и влияние данного

лІ-2-Меі/
, где Мд,©)ф = р(&). В результате получим:
-тГ-гм-е-и
= V ■Ч'(р,0)ф = -і-2|в.£/(®)./,(0)ф =-!■(£.) (3.14)
0 -со 4 0
Пусть в начальный момент времени продольный профиль пучка был однородным, при этом энергетическим разброс отсутствовал, обозначим: (Е,,^-потенциальная энергия такого пучка. Из закона сохранения энергии следует, что энергия образованных сгустков равна энергии начального распределения, то есть (Е„}0, получим:(ігт) + (£„) = {£„)„ . используя соотношение 3.14, получим:
(*.> = !■(*.). (3.15)
Рисунок 3.5. Продольный профиль сгустков (синусоидальных и параболических), образованных из однородного пучка без энергетического разброса под действием эффекта «отрицательной массы».
В качестве распределения 3.13 можно взять еще более конкретные и наглядные распределения - это образование п-ого числа параболических,