Akceleratory do badań fizycznych

mgr inŜ. Konrad Kosiński   Zakład Fizyki i Techniki Akceleracji Cząstek IPJ

Wykorzystanie pozastatutowych zagranicznych środków 
finansowych na podstawie kontraktów z:

•INFN Frascati-deflektory RF 1.5 GHz i 3 GHz dla CTF3

•INFN Mediolan-sprzęgacze 3 GHz do kompresora w SPARC

•ENEA Frascati-projekt TOP

•ACCEL Instruments GmbH-pokrycia elementów RF TiN

2

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

•ACCEL Instruments GmbH-pokrycia elementów RF TiN

Zespół zakładu:

Bigolas Jerzy

Łubian Andrzej

Bigolas Krzysztof

Pławski Eugeniusz

Bogowicz Józef

Śliwa Marek

Drabik Wojciech

Wojciechowski Marcin

Kosiński Konrad

Wysocka-Rabin Anna

Lorkiewicz Jerzy

Współpraca z INFN Frascati

3

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Współpraca z INFN Frascati

•Opracowanie i wykonanie specjalnych struktur w. cz.
dla projektu CTF3/CERN
•Szybkie deflektory (3000 MHz, TW, TH11) wiązki
elektronów 150 MeV dla pierścienia CR CTF3
•Szybki układ deflekcji (1500MHz, SW, TM110)
wiązki elektronów 150 MeV dla DLR CTF3

4

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Parameters, preliminary basic dimensions

Frascati

Mechanical design

Frascati 

 INS 

 Frascati

Al model

INS

Dispersion curve measurement ( 9 cell )

INS

Final dimensions, manufacture, Intermadiate RF measurements

INS

Final assembly , vacuum and RF measurement & tuning

INS

 Frascati

Verification

 CERN

CTF3

Cel: doświadczalne uzyskanie mocy w.cz. rzędu 350 MW w układzie TBA 
przy częstotliwości 30 GHz oraz pól przyspieszających  ponad 150 MV/m w 
załoŜonych dla CLIC strukturach przyspieszających z falą bieŜącą.

5

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

X 5 

Combiner Ring

84 m

X 2

Delay

42 m

Drive Beam 

Injector

10 Modulators/Klystrons

3 GHz - 30 MW - 6.7 

µ

s

Drive Beam Accelerator

16 Accelerating Structures 

3 GHz -7.0 MV/m - 1.3 m

~ 50 m

3.5 A - 2100 b of 2.33 nC 

150 MeV - 1.4 

µ

s

High Power

30 GHzTest Stand

6

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

84 m

Main Beam 

Injector

30 GHz - 150 MV/m - 140 ns

Drive/Main Beam 

Modules

35 A - 150 MeV

140 ns

30 GHzTest Stand

100 MeV

280 MeV

130 MeV

Al 1:1 model of TM11 3GHz TW structure

3200.0

3300.0

3

2

0

3

.1

7

1

6

8

.7

2

10 cell deflecting cavity
 (8 full+ 2x1/2 end cells)
Measured 2001 Oct./E.P.

Al model measured dispersion curve 

7

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

Dephasing/cell x Pi

2900.0

3000.0

3100.0

3200.0

f 

[M

H

z

]

3

1

3

1

1

4

.7

2

3

0

6

8

.7

6

3

0

3

5

.7

4

3

0

1

2

.1

7

2

9

9

7

.9

4

2

9

8

8

.5

2

2

9

8

3

.7

7

2

9

8

1

.3

7

Lowest freq. of shifted
transverse passband
      3032.96 MHz

2

/3

 P

i 

m

o

d

e

Brazing test (Hydrogen oven in LAMINA)

Measured  dispersion curve with no coupling ports

Deflector No 2; Phase shift from cell to cell 
for 2997.5 MHz in air and T= 23degC
2002/P-X - IPJ

RF BEAM DEFLECTORS FOR CTF3 

8

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

After final brazing in LAMINA

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

2002/P-X - IPJ

1-st point

Last point

Measurement of phase advance/cell

RF BEAM DEFLECTORS FOR CTF3 

COMBINER RING

D. Alesini, R. Boni, A. Gallo, F. Marcellini, 

LNF-INFN, Frascati, 

Rome, Italy

A. Kucharczyk, S. Kulinski, M. Pachan, E. Plawski

, The Andrzej 

Soltan Institute for Nuclear Studies, Otwock-Swierk, Poland

Nom. Energy En    

150 [MeV]

Max Energy Emax  

300 [MeV]

Frequency f        2.99855 [GHz]
Number of cell

10

De-phasing/cell

2

ππππ

/3

Cell length 

33.33 [cm]

Group velocity vg/c

-0.0244

Phase velocity vph/c

1

RF power PRF   

∼∼∼∼

1.5 [MW](@ En)

∼∼∼∼

6 [MW] (@Emax)

Deflection                 

φφφφ

5 [mrad]

R/Q=vg/

ω⋅

ω⋅

ω⋅

ω⋅

(F

⊥

⊥⊥

⊥

/e)2/PRF1380 [

Ω

Ω

Ω

Ω

/m]

RF DEFLECTOR FOR THE CTF3 DELAY LOOP.

Na rysunku poniŜej jest pokazany schematycznie system z umieszczonymi
deflektorami.
Moc RF z Klistronu (f=1.5GHz, Ppeak=20 MW,Pśred= 10kW ,timp=5 Microsec),
jest dzielona równo w dzielniku hybrydowym 90 stopni i wzbudza w modzie
deflekcyjnym TM110 dwie struktury RF.
Wymagania: Cavity coupling coefficient is b=5.7.

Single cavity loaded Q has to be between 3000 and 3500.
No power reflection to klystron

klystron

Vacuum-SF6 flanges

9

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

load

klystron

beam

WR650

probes

70X38 
rectangular 
beam pipe

Vacuum-SF6 flanges

Cavity diameter 119.4

Coupling 
hole

Deflectors 1500 MHz

10

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

RF measurements of Unit „5” consisting of resonator and feeding

waveguide WR650. Tuning range: 1.4963 GHz to 1.5065 GHz in air

at temperature 25 0C

11

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

1500 MHz deflector assembled in delay line of CTF3

Projekt TOP

Terapia Oncologica con Protoni

12

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Projekt TOP

Terapia Oncologica con Protoni

Liniowy

akcelerator

protonów

200MeV

o

akronimie

TOP

(

Terapia

Oncologica

con

Protoni

) jest realizowany w ramach programu

Włoskiego Narodowego Instytutu

Zdrowia

(ISS).

-Źródło protonów duoplazmatron 30 keV
-RFQ 425MHz, 3 MeV

13

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

-Źródło protonów duoplazmatron 30 keV
-RFQ 425MHz, 3 MeV
-DTL linac 425 MHz, 7MeV

-SCDTL linac 3000 MHz, 65 MeV

-SCL linac

3000 MHz, 200 MeV

L. Picardi et al. Eur. Phys. J. AP 20, 61-68 (2002)

TOP LINAC Layout

Radioisotopes 

Production

Radiobiology 

Dosimetry

SCDTL 65 MeV

SCL 100-200 MeV

Fixed Vertical beam 

200 MeV

14

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Dosimetry

Ocular Melanoma 

Therapy

Fixed Horizontal Beam 

200 MeV

•

“FIZYCZNE” PARAMETRY WIĄZKI

•

Energia (*)

65, 82, 100 – 200

MeV  

•

Czas trwania impulsu

2 – 7

µµµµ

s

•

Częstotliwość repetycji 

50 – 300 Hz

•

Prąd w impulsie (*)                 

≤≤≤≤

0.05 – 5 

µµµµ

A

•

Prąd średni (max)

10 nA

•

Rozrzut energii  (rms)

≤≤≤≤

7 10-3

@ >100 MeV 

•

< 2.2% 

@ 65 MeV  

•

Emittancja poprzeczna  (rms) 1.2

ππππ

mm mrad 

@200 MeV

•

(*) MoŜe być zmieniane od impulsu do impulsu 

•

“KLINICZNE” PARAMETRY WIĄZKI

•

Min – maks  głębokość

3.5 g/cm2 - 25 g/cm2

PARAMETRY

15

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

•

Min – maks  głębokość

3.5 g/cm2 - 25 g/cm2

•

Dokładność zmiany zasięgu

0.5 g/cm2

•

Distal dose fall off – dla dowolnej E            2 mm (80%-20%)

•

Dawka > 2 Gy/min  w objętości 1 lt i dla pola 20x20 cm2 na głębokości     

25 g/cm2 

•

Maksymalne pole naświetlania : 

20x20 cm2 

•

“Scanning ready“ System with possibility of active changing of beam energy 

and current  and multiple painting

Struktury przyspieszające w.cz.  typu SCDTL  w akceleratoratorze 

TOP do terapii protonowej

E.Pławski,  M.Wojciechowski, A.Kucharczyk, S.Kuliński, K.Kosiński

• Na przełomie lat 2004/2005 przedyskutowano techniczną 

moŜliwość realizacji w IPJ struktur SCDTL w paśmie 3 GHz  

podnoszących energię protonów z 7 MeV do ok. 70 MeV.

•

W lutym 2005 ustalono zakres prac i zawarto z ENEA – Frascati 

kontrakt na 

udział IPJ/P-10 w projekcie, wykonawstwie i 

pomiarach liniowych struktur SCDTL (Side Coupled Drift Tube 

Linacs) podnoszących energie protonów z 7 do 18 MeV. 

•

L. Picardi et al.  Eur. Phys. J. AP 20, 61-68 (2002)

16

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Brazing surfaces

TOP linac R.F. triplet  (SCDTL)

Wymiary bazowe modułu „ Segment DTL”

Symulacje komputerowe dla określenia parametrów w.cz i mechanicznych: f=2.998 
GHz, pole 8MV/m, straty mocy, pola krytyczne, zakres przestrajania  związany z 
tolerancjami mechanicznymi (SUPERFISH) (a); 
Analiza trójwymiarowa struktury SCDTL  dla weryfikacji rozstawienia DTs w 
poszczególnych modułach.
Symulowano triplety : moduł DTL-wnęka sprzęgająca-moduł DTL. (kod  CST-MWS) (b)

17

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

(a)

(b)

Rysunek złoŜeniowy 2 sekcji projektowanej struktury SCDTL

18

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Na podstawie rysunku złoŜeniowego powstała symulacja 3D konstrukcji.

Falowód wejściowy

Strojnik struktury DTL

19

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Strojnik struktury CC

5 sekcji DTL-CC

Wykonana przez zakład struktura będzie częścią akceleratora do
terapii hadronowej (protony)-projekt TOP

Terapia hadronowa jest równieŜ tematem współpracy Zakładu Fizyki i Techniki Akceleracji
Cząstek z German Cancer Research Center (DKFZ), w Heidelbergu.

Temat projektu , wykonywanego w grupie prof. O. Jaekel’a, w którym uczestniczy

A.Wysocka-Rabin 

jest:

Wpływ niepewności pomiaru Hounsfield Units (HU) na obliczany 

zasięg jonów węgla w radioterapii cięŜkimi jonami

.

Cel projektu:

•Opracowanie metody obliczania i analizowania odchyleń w wartościach HU uzyskiwanych w TK.

20

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

•Zbadanie wpływu róŜnych parametrów pomiarowych w TK, algorytmów rekonstrukcji obrazów 
tomograficznych, "artifacts" obrazów na pomiary HU i na relację HU-zasięg jonów w terapii 
hadronowej w GSI

.

Prace wykonywane w ramach tego projektu były prezentowane ostatnio na konferencjach:

1) ESTRO 25, Leipzig, 2006.10.08 –12

2) II Kongres Onkologii Polskiej, Poznań, 2006.10.25-28

3) International Workshop on MC codes,MCNEG,Teddington, UK,2007.03.26-2

4) Będą prezentowane na konferencji EUROCON 2007, Warszawa, 2007.09.09-12

↑↑↑↑

Rel.Range in water

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

Tissue

Plexiglas

Substitutes

Empirical Calibration

Stoichiometric Calibration

HU

→

→

→

→

jednostki opisujące obraz uzyskany 

21

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Rys.2. Wpływ zmiany w HU dla kości na rozkład dawki
w planowaniu terapii.
Zmiana w HU o 300 jedn.wywołuje zmianę zasięgu nawet
do 6 mm, dawki nawet 80%.

Rys.1.Niepewności w określeniu HU mogą wynosić nawet
300HU dla tkanek kości. Powodują one niepewności w
określeniu zasięgu jonów w tkance . Rysunek zrobiony dla
skanera (Siemens) Sensation 4 , dla protokołu badań
głowy.

HU

w tomografii komp.

22

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Rys.3

Skaner TK z cylindrycznym fantomem z PMMA

wykorzystywanym do kalibracji.Wypełnienia fantomu z
materiałów tkanko-podobnych.

Rys.4 Stanowisko do napromieniania pacjentów 
wiązką węgla C 12 w GSI, Darmstadt, gdzie  
napromieniano próbki tkanek w fantomie. 

Obliczenia metodą Monte Carlo

Programy EGSnrc i BEAMnrc- stosujemy w Zakładzie do:

-przewidywania i analizowania parametrów wiązek fotonów i elektronów

np.obliczanie rozkładu energetycznego  

-weryfikacji obliczeniowej pomiarów parametrów wspomnianych wiązek
np.rozkładu głębokościowego i profilu dawki

23

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Jako przykłady podam zastosowanie obliczeń do rozładu dawki i widma fotonów:

1)dla kolimatorów wąskich wiązek dla energii 6 MeV
2)dla wiązki uzyskiwanej na stanowisku akceleratora elektronów 6 MeV
3)dla nowego typu akceleratora medycznego z przemiataną wiązką

Ad 1) Dla kolimatorów wąskich wiązek fotonów o energii 6 MeV

24

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Tissue maximum ratio (TMR) of 6 MV
X-ray beam, measured for 0.75 cm
collimator diameters using 0.015 cm ion
chamber

(rozkład

procentowej

dawki

głębokiej w wodzie)

Measured and calculated dose profiles of
the 6 MV X-ray beam at isocentre, at
depth of 7.5cm in water, for 1cm, 2cm
and 3cm diameter fields (profile dawek)

Ad 2) Stanowisko akceleratora elektronów 6 MeV, dla którego
przeprowadzono weryfikację obliczeniową pomiarów, uŜywając
metody MC

electron accelerator and e-X conversion units

electron accelerator and e-X conversion units

1,00E-04

25

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

,

1.

electron gun; 2.accelerating structure 3.RF power source (magnetron), 
circulator (protection of the magnetron against reflected wave)

1,00E-10

1,00E-09

1,00E-08

1,00E-07

1,00E-06

1,00E-05

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

Energia [MV]

S

tr

u

m

ie

ń

 f

o

to

n

ó

w

[c

m

-2

 M

V

-1

]

r=10cm

r=50cm

Rozkład widmowy strumienia fotonów w powietrzu 
w odległości 100cm od tarczy, dla pól o promieniu 
r=10cm i r=50 cm

Ad 3) Nowy system kolimatorów dla akceleratora z wiązką o
modulowanej intensywności.

two dimensional scanning

electron beam

26

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

two dimensional scanning

photon beam

Skanujący ruch wiązek elektronów i fotonów

Rozkład dawki dla wiązki
fotonów

z

kolimatora

z

otworem o średnicy 1 mm

Intensity Map from TPS

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

0.0 
0.5 
1.0 
1.5 

Dose distribution obtained from Photon Beam Scanning

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

27

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100 110 120 130 140 150 160

10

20

30

40

1.5 
2.0 
1.25 
1.50 
1.75 
2.00 

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100 110 120 130 140 150 160

10

20

30

40

Symulowany rozkład dawki dla pola o modulowanej
intensywności

jest

zgodny

z

zaplanowanym

w

systemie planowania terapii.

Dziękuję Państwu za uwagę.

28

mgr inŜ. Konrad Kosiński

Warszawa, 26.06.2007

Dziękuję Państwu za uwagę.