Дизайн регулярной ячейки

ВЧ дизайн нового линейного ускорителя в S-частотном диапазоне на обратной бегущей волне для протонной терапии

Протонная терапия является быстро развивающимся методом лечения опухолей, благодаря физическим и дозиметрическим преимуществам заряженных частиц в распределение дозы. Здесь представлен ВЧ дизайн новой ускоряющей структуры с высоким градиентом структуры для протонного линейного ускорителя. Конструкция, обсужденная здесь., обсудили, далее представляет лучший вариант для выбранного ускоряющая типа, а именно частоту 2.9985 ГГц на обратной бегущей волне с рабочей модой 5π /6, и соответствующую ВЧ конструкцию. Прототип был разработан, чтобы достичь ускоряющего градиента в 50 МВ/м, что является вдвое больше, чем получено до [1]. Это позволит сделать более короткий линейный ускоритель, при этом снизится стоимость. Представлен 3D ВЧ дизайн полной структуры для групповой скорости равной 0.38.

Введение

Сотрудничество между организацией TERA и CLIC было создано для изучения новых линейных ускорителей для протонной терапии. Основной целью сотрудничества является передача знаний, добытых группой CLIC, особенно в плане ВЧ дизайна, ограничения высокого градиента и оптимизации линейного ускорителя для медицинского линейного ускорителя. В результате была разработана структура с низкой фазовой групповой скоростью с ожидаемым ускоряющим градиентом в 50 МВ/м, что вдвое превосходит в эквивалентном линейном ускорителе. Результат этого дизайна (высокомощные тесты еще не были изготовлены) основан на новом подходе дизайна ВЧ, который будет обсуждаться подробно в этой статье. ПЗ-передача знаний группой CERN профинансировала строительство первого прототипа структуры, который будет изготовлен и испытан при высокой мощности в начале 2015 года. Эта ускоряющая структура является частью проекта TULIP, установка одного помещения для протонной терапии с уникальной особенностью, где линейный ускоритель установлен на вращающейся раме[2]. С этой точки зрения, высокий градиент структуры в дальнейшем значительно улучшает компактность и легкость вращения механизма, что выгодно с точки зрения стоимости и надежности.

Дизайн регулярной ячейки

Электромагнитное взаимодействие между ячейками осуществлялось по значению магнитного поля через отверстия, расположенные на периферии ячеек. Носик добавлен для усиления электрического поля вблизи оси, и, следовательно, временного фактора для структуры с низкой фазовой групповой скоростью. Геометрия регулярной ячейки показано на рис. 1.

Рис. 1. Дизайн регулярной ячейки; 3Dмодель(слева) и деталь из меди (справа) используемая в тесте

Значение локального поля, которое предсказывает высокий градиент ускоряющей структуры, есть модифицированный вектор Пойтинга , определенный в [3].Он имеет предельное значение около 4 МВт/ при длине импульса 200 нс и частоте пробоя (BDR) 10-6 bpp/м (BDR импульсов на метр за время). Этот предел используется в конструкции ускорителя (что составляет примерно 6 м), чтобы иметь менее одного BD за лечебный сеанс. Путем повторного измерения этих данных к длине импульса медицинского линейного ускорителя, т.е 2.5 мкс плоская вершина, предельное значение – где средний ускоряющий градиент - ниже, чем 7* А/Вт было найдено.

Целью конструкции с регулярными ячейками было свести к минимуму значение и одновременно величину ВЧ мощности для заданного ускоряющего поля, т.е значение:

µ= * = * , (1)

где ω угловая частота, эффективное шунтовое сопротивление на единицу длину и Q добротность ячейки. Формула (1) олинаково учитывает рассеиваемую мощность и в равной степени идет на мощность и модифицированный вектор Пойтинга; таким образом, минимизируя µ одно, получаем для заданной мощности высокий ускоряющий градиент с низким риском BD.

Оптимум, найденный из , когда уравнения (1) сводится к минимуму одновременно на носике дрейфовой трубки, где электрическое поле максимально, и на месте соединения, где магнитное поле максимально, как показано на рисунке 2.

Параметрическое исследование было проведено путем изменения зазора ячейки, угла конуса и набега фазы на ячейку. Толщина диафрагмы также была тщательно изучена. Чем тоньше толщина диафрагмы, тем выше шунтовое сопротивление, но также и ниже механическая жесткость сопротивление структуры и возможна передача тепла от носика к наружным стенкам структуры, которые охлаждаются водой.

Особые усилия были посвящены анализу чувствительности и исследования методологии настройки. Допуски, указанные в механических чертежах на точность изготовления, должны из моделирования давать не более ±5 МГц частотного сдвига на ячейку. Это возможная ошибка будет регулироваться с помощью 4 тюнеров-впадинок. Возможность настройки получено от моделирования и механических испытаний на медных ячейках, выше, чем 6 МГц на ячейку.

Рис. 2. Электрическое (слева), магнитное (в центре) и модифицированный вектор Пойтинга (справа) распределение поля в регулярной ячейке (1/32 азимутальная симметрия)