Разработка и оптимизация циклотронов для медицинских применений

• Автор: Карамышева, Галина Анатольевна
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 246 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦИКЛОТРОНОВ
1 1 Моделирование электромагнитного поля циклотрона
111 Магнитная система
Математические модели для расчета токов в главной и концентрических катушках
Математическая модель для расчета токов в двух парах гармонических катушек
112 Ускоряющая система
Аналитические расчеты
Электродинамическое моделирование резонансных систем
Сравнение электростатического приближения и высокочастотного анализа
1 2 Математическое моделирование динамики пучка
12 1 Уравнения движения Представление магнитного и ускоряющего поля
12 2 Зона ускорения
12 3 Инжекция центральная область и вывод пучка
12 4 Потери пучка на эпементах структуры ускорителя
12 5 Потери Н~ - ионов на диссоциацию в магнитном поле
12 6 Оценка потерь ионов вследствие перезарядки на остаточном газе
Расчет потерь пучка тяжелых ионов
Расчет потерь п>чка легких ионов
12 7 Численные расчеты эффектов пространственного заряда
Динамика пучка циклотрона-инжектора
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ОБЛУЧАТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА «АЛЬФА» ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТРЕКОВЫХ МЕМБРАН
2 1 Парамет ры изохронного циклотрона ЦИТРЕК
2 11 Магнитная система
2 12 Аксиальная инжекция
2 13 Высокочастотная ускоряющая система
2 14 Система вывода пучка
2 15 Система транспортировки пучка и камера для облучения пленки
2 16 Вакуумная система и система водяного охлаждения
2 17 Стабилизированные источники постоянного тока для питания обмоток возбуждения эпектромагнитных эпементов обпучатепьного комппекса
2 18 Система управления и диагностики облучательного комплекса «Альфа»
2 2 ФИЗИЧЕСКИИ ПУСК ЦИКЛОТРОНА ЦИТРЕК
40 л 8 +
2 2 1 Выбор режима облучения попимерпых ппенок ускоренными ионами ЛГ дпя производства трековых мембран Ю
2 2 2 Результаты эксперимента ...
2.3 Расчеты динамики пучка в циклотроне ЦИТРЕК
40 з 8 +
2 З 1 Динамика пучка ионов Лг
2 3 2 Банчер циклотрона ЦИТРЕК . .
2 2.3 Ускорение ионов криптона пониженной зарядности в циклотроне ЦИТРЕК .
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2
ГЛАВА 3 ЦИКЛОТРОН, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ТЕРАПИИ ЛЕГКИМИ ИОНАМИ (С400, ІВА БЕЛЬГИЯ)
3 1 РОЛЬ ЦИКЛОТРОНОВ для адронной терапии онкологических заболеваний
3.2 Параметры медицинского ускорителя С
3.3 Магнитная система циклотрона
3.4 ВЧ - система циклотрона
3 4 ! Геометрия ВЧ-резонатора
3 4 2 Моделирование в CST MICROWAVE STUDIO
З 4 3 Расчеты мощности потерь . ..
3.4 4 Тюнер . . . .
3 4.5 Подстройка частоты резонатора . .
3.5 ИНЖЕКЦИЯ И ИОННЫЕ источники
3.6 Центральная область циклотрона
3 6 2 Выбор параметров инфлектора .
3 6 1 Выбор конфигурации центра... .. .. .
3 6 2 Расчет динамики пучка в центре циклотрона .
3.6 3 Модуляция интенсивности ускоренного пучка изменением напряжения на инфлекторе
3.7 Система вывода пучка
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 4 ОПТИМИЗАЦИЯ ЦИКЛОТРОНА АИЦ-144 (КРАКОВ, ПОЛЬША)
4 1 Параметры циклотрона АИЦ-
4.2 Постановка задачи по моделированию основного режима работы АИЦ-
4.3 Порядок проведения магнитных измерений и подготовки исходных данных
4 3 1 Первичная калибровка
4 3 2 Вторичная калибровка
4.4 Варианты основного режима работы циклотрона в 2009-2012 годах
4.5 ТЕКУЩИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ЦИКЛОТРОНА АИЦ-
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК РАБОТ АВТОРА
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
Циклотроны, ускоряющие заряженные частицы до низких и средних энергий, являются основным инструментом для проведения исследований в области физики атомного ядра и ядерных реакций. При этом циклотроны зарекомендовали себя не менее значимо и для прикладных применений, в частности, они нашли широкое применение в медицине: при
непосредственном использовании пучка ускоренных ионов для лечения онкологических заболеваний, для производства короткоживущих изотопов, востребованных в диагностике, медицинских исследованиях и лечении, наконец, для наработки трековых мембран. Применяться такие мембраны могут в химической, металлургической промышленности, однако главным потребителем такой продукции в настоящее время является медицина. На научно-производственном комплексе «Альфа» [1] (циклотрон ЦИТРЕК, Дубна, Россия) изготовление мембран осуществляется для серийного производства медицинских изделий для плазмафереза: мембранного
плазмофильтра «Роса» и аппарата для плазмафереза «Гемофеникс».
Циклотроны, предназначенные для медицинских применений, различаются по целому ряду параметров, таких как интенсивность пучка, тип ускоряемых частиц, конечная энергия ускоренных ионов, однако общим остается одно - повышенные требования ко всем системам ускорителя.
К основным требованиям, предъявляемым к медицинским циклотронам, можно отнести следующие:
• простота конструкции и, соответственно, невысокая стоимость,
• простая система управления, доступная эксплуатационному персоналу,
• малое время на профилактику,
• постоянство и воспроизводимость параметров пучков ускоренных ионов,

Расчет системы охлаждения
Программа Cavity позволяет также проводить расчеты системы охлаждения, что в несложных ситуациях требует осуществления обычных инженерных расчетов по известным формулам. Коротко опишем процесс расчета системы охлаждения резонатора.
Конвективный теплообмен происходит при движении жидкости или газа, а передача теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Конвективный теплообмен между потоком среды и поверхностью соприкасающегося с ней тела называется конвективной теплоотдачей.
Основным законом, описывающим процесс конвективной теплоотдачи, является закон Ньютона-Рихмана [16]:
Согласно этому закону плотность теплового потока, передаваемого за счет конвективного теплообмена, у поверхности qк прямо пропорциональна разности температур между поверхностью тела и средой и значению коэффициента теплоотдачи а.
В соответствии с основным законом теплопроводности - законом Фурье и законом конвективного теплообмена - законом Ньютона-Рихмана, теплообмен на границе между твердым телом и средой описывается дифференциальным уравнением теплоотдачи
в котором правая часть выражает плотность теплового потока, передаваемого путем теплопроводности через слой среды (жидкости или газа).