Development of an IH-DTL injector for the Heidelberg cancer therapy project

  • Cancer has become one of the most fatal diseases. The Heidelberg Heavy Ion Cancer Therapy (HICAT) has the potential to become an important and efficient treatment method because of its excellent “Bragg peak” characteristics and on-line irradiation control by the PET diagnostics. The dedicated Heidelberg Heavy Ion Cancer Therapy Project includes two ECR ion sources, a RF linear injector, a synchrotron and three treatment rooms. It will deliver 4*10 high 10 protons, or 1*10 high 10 He, or 1*10 high 9 Carbons, or 5*10 high 8 Oxygens per synchrotron cycle with the beam energy 50-430AMeV for the treatments. The RF linear injector consists of a 400AkeV RFQ and of a very compact 7AMeV IH-DTL accelerator operated at 216.816MHz. The development of the IH-DTL within the HICAT project is a great challenge with respect to the present state of the DTL art because of the following reasons: • The highest operating frequency (216.816MHz) of all IH-DTL cavities; • Extremely large cavity length to diameter ratio of about 11; • IH-DTL with three internal triplets; • The highest effective voltage gain per meter (5.5MV/m); • Very short MEBT design for the beam matching. The following achievements have been reached during the development of the IH-DTL injector for HICAT : The KONUS beam dynamics design with LORASR code fulfills the beam requirement of the HICAT synchrotron at the injection point. The simulations for the IH-DTL injector have been performed not only with a homogeneous input beam, but also with the actual particle distribution from the exit of the HICAT RFQ accelerator as delivered by the PARMTEQ code. The output longitudinal normalized emittance for 95% of all particles is 2.00AkeVns, the emittance growth is less than 24%, while the X-X’ and Y-Y’ normalized emittance are 0.77mmmrad and 0.62mmmrad, respectively. The emittance growth in X-X’ is less than 18%, and the emittance growth in Y-Y’ is less than 5%. Based on the transverse envelopes of the transported particles, the redesign of the buncher drift tubes at the RFQ high energy end has been made to get a higher transit time factor for this novel RFQ internal buncher. An optimized effective buncher gap voltage of 45.4KV has been calculated to deliver a minimized longitudinal beam emittance, while the influence of the effective buncher voltage on the transverse emittance can be neglected. Six different tuning concepts were investigated in detail while tuning the 1:2 scaled HICAT IH model cavity. ‘Volume Tuning’ by a variation of the cavity cross sectional area can compensate the unbalanced capacitance distribution in case of an extreme beta-lambda-variation along an IH cavity. ‘Additional Capacitance Plates’ or copper sheets clamped on drift tube stems are a fast way for checking the tuning sensitivity, but they will be replaced by massive copper blocks mounted on the drift tube girders finally. ‘Lens Coupling’ is an important tuning to stabilize the operation mode and to increase or decrease the coupling between neighboring sections. ‘Tube Tuning’ is the fine tuning concept and also the standard tuning method to reach the needed field distributions as well as the gap voltage distributions. ‘Undercut Tuning’ is a very sensitive tuning for the end sections and with respect to the voltage distribution balance along the structure. The different types of ‘plungers’ in the 3rd and 4th sections have different effects on the resonance frequency and on the field distribution. The different triplet stems and the geometry of the cavity end have been also investigated to reach the design field and voltage distributions. Finally, the needed uniform field distribution along the IH-DTL cavity and the corresponding effective voltage distribution were realized, the remaining maximum gap voltage difference was less than 5% for the model cavity. The several important higher order modes were also measured. The RF tuning of the IH-DTL model cavity delivers the final geometry parameters of the IH-DTL power cavity. A rectangular cavity cross section was adopted for the first time for this IH-DTL cavity. This eases the realization of the volume tuning concept in the 1st and 2nd sections. Lens coupling determines the final distance between the triplet and the girder. The triplets are mounted on the lower cavity half shell. The Microwave Studio simulations have been carried out not only for the HICAT model cavity, but also for the final geometry of the IH-DTL power cavity. The field distribution for the operation mode H110 fits to the model cavity measurement as well as the Higher Order Modes. The simulations prove the IH-DTL geometrical design. On the other hand, the precision of one simulation with 2.3 million mesh points for full cross section area and the CPU time more than 15hours on a DELL PC with Intel Pentium 4 of 2.4GHz and 2.096GRAM were exploited to their limit when calculating the real parameters for the two final machining iterations during production. The shunt impedance of the IH-DTL power cavity is estimated by comparison with the existing tanks to about 195.8MOmega/m, which fits to the simulation result of 200.3MOmega/m with reducing the conductivity to the 5.0*10 high 7 Omega-1m-1. The effective shunt impedance is 153 MOmega/m. The needed RF power is 755kW. The expected quality factor of the IH-DTL cavity is about 15600. The IH-DTL power cavity tuning measurements before cavity copper plating have been performed. The results are within the specifications. There is no doubt that the needed accuracy of the voltage distribution will be reached with the foreseen fine tuning concepts in the last steps.
  • Krebserkrankungen gehören mit zu den häufigsten Todesursachen. Die Krebstherapie mit Schwerionenstrahlen (Heidelberg Heavy Ion Cancer Therapy HICAT) hat das Potenzial, eine wichtige und wirkungsvolle Behandlungsmethode zu werden – sowohl wegen der günstigen Bragg-Peak- Charakteristik als auch wegen der Beobachtung des Bestrahlungsverlaufs mittels Positronenemissionstomografie (PET). Das Heidelberger Projekt zur Tumortherapie mit schweren Ionen umfasst zwei EZR (Elelektron-Zyklotoron-Resonanz)-Quellen, einen Hochfrequenzlinearbeschleuniger, ein Synchrotron und drei Bestrahlungsplätze. Als maximal gelieferte Strahlteilchen pro Synchrotronzyklus sind 4x10 hoch 10 p, 1x10 hoch 10 He, 1x10 hoch 9 C bzw. 5x10 hoch 8 O-Ionen spezifiziert, bei Strahlenergien zwischen 50 und 430 AMeV. Der Hochfrequenzlinearbeschleuniger mit einer Betriebsfrequenz von 217 MHz besteht aus einem 400 AkeV Hochfrequenzquadrupol sowie einem sehr kompakten 7 AMeV-Driftröhrenbeschleuniger vom Interdigitalen H-Typ (IHStruktur). Die Entwicklung der IH-Struktur innerhalb dieses HICAT-Projekts ist eine große Herausforderung im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik auf diesem Gebiet: • Es ist die bisher höchste Betriebsfrequenz realisiert. • Das resultierende Längen- zu Durchmesserverhältnis dieses Tanks von etwa 11 liegt deutlich über bisher realisierten Werten. • Die Kavität trägt drei interne magnetische Quadrupoltriplettlinsen. • Es handelt sich bei 5.5 MV/m mittlerer Beschleunigungsrate zwischen den Endflanschen um den höchsten jemals angesetzten Beschleunigungsgradienten aller Strukturen in diesem Energiebereich. • Die Strahlanpassung zwischen RFQ und Driftröhrenstruktur (Drift Tube Linac DTL) besteht nur aus einem Quadrupoldublett mit xy-Steerern und kompakter Strahldiagnose. Mit 205 mm ist sie extrem kompakt und bedienungsfreundlich. Entwicklung und Aufbau der IH-Struktur für HICAT führten bisher zu folgenden Ergebnissen: • Die Anwendung der KONUS-Strahldynamik in den Teilchensimulationsrechnungen mit dem Code LORASR führte zu einer 'Ein Tank-Lösung', welche die Anforderungen des HICAT-Synchrotrons am Einschusspunkt erfüllt. Die Rechnungen wurden zunächst mit künstlich generierten, homogenen Teilchenverteilungen am IH-Eingang, später auch mit realistischen, aus RFQ-Simulationsrechnungen (A. Schempp) gewonnenen Verteilungen im 6-diensionalen Phasenraum durchgeführt. Die longitudinale 95% Emittanz am IH-Ausgang bleibt demnach unter 2 AkeVns, die transversalen, normierten Emittanzen betragen 0.77 mm mrad in xx' bzw. 0.62 mm mrad in yy', die Emittanzzuwächse vom RFQ-Elektrodenende bis zur Kohlenstoff- Stripperfolie im Transferkanal zum Synchrotron betragen dabei 24 %, 18 % und 5 % in den entsprechenden Ebenen. • Von den transversalen Strahlenveloppen ausgehend wurde ein verbessertes Design der RFQ-internen Rebuncher-Driftröhren erarbeitet, das für dieses innovative Bauteil am RFQ-Ausgang bessere Feldqualität und bessere Laufzeitfaktoren anbietet. Eine optimale effektive Rebuncher- Spannung von 45 kV für minimales Emittanzwachstum entlang der IHStruktur wurde mittels Simulationsrechnungen ermittelt. Es wurden dabei im wesentlichen nur Auswirkungen auf die longitudinale Emittanz beobachtet. • Es wurden 6 verschiedene Konzepte zur Abstimmung der Spannungsverteilung über den 56 Beschleunigungsspalten parallel genutzt, um das HF-Modell im Maßstab 1:2 erfolgreich einzustellen. o 'Volumenabstimmung': Dabei wird der Tankquerschnitt und damit die lokale Induktivität pro Länge so eingestellt, dass der lokale kapazitive Belag sich zur Resonanzfrequenz ergänzt. Dieses Endabstimmungskonzept ist vor allem bei großer beta-Variation nützlich und wurde für HICAT erstmals eingesetzt. o 'Zusatzkapazitäten an der Driftröhrenstruktur': Diese Methode ist zum Vorabstimmen nützlich. Für den endgültigen Einsatz wurde eine Version entwickelt, bei der massive Kupferkörper gegenüber von Driftröhren in die Nutenschienen der Driftröhrenstrukturträger (Rippen) eingeschraubt werden. o 'Linsenkopplung' bezeichnet die Kapazität zwischen den Rippen des Tankmittelrahmens und den Quadrupollinsengehäusen. Der über den betreffenden geometrischen Abstand festzulegende Kapazitätsbelag bestimmt die Kopplung der benachbarten Driftröhrensektionen. o 'Driftröhrenabstimmung' ist das bewährte Feinabstimmungskonzept für IH-Strukturen. Durch individuelle Wahl des Spalt-zu- Periodenlängen-Verhältnisses für jeden Spalt kann bei gegebenem beta-Profil der Kapazitätsbelag entlang der Kavität lokal optimiert werden. o 'Rippeninduktoren' (Undercuts) ermöglichen die Realisierung des 'O-Mode' für H-Strukturen durch resonante Endzellengeometrie. Dabei werden die Rippen des Mittelrahmens an den Enden hinterfräst. Diese Flächen werden vom HF-Magnetfeld durchflutet und so wird Induktionsspannung in die Rippenenden 'gepumpt'- o Bewegliche Tauchkolben an bestimmten Orten entlang der Kavität erlauben die endgültige Einstellung der Spannungsverteilung sowie die Resonanzfrequenzregelung im Betrieb (Standardkonzept für alle vielzelligen Strukturen). Bei den Abstimmarbeiten am Modell wurde insbesondere ein starker Einfluss der Linsenfußgeometrie festgestellt. Am Modell konnten schließlich die maximalen Spaltspannungsabweichungen zu den Sollwerten auf unter 5 % gedrückt werden. o Zur technisch bequemen Umsetzung wurde ein näherungsweise rechteckiger Tankquerschnitt konzipiert. Die bewährte Aufteilung in obere und untere 'Tankhalbschale' sowie den Mittelrahmen wurde beibehalten. Jedoch sind die 'Halbschalen' jetzt in 60 mm hohe, ausgefräste Platten verwandelt worden. Die Ausfräsungstiefe kann entlang der Kavität variiert werden, an der planen Innenkontur können Verdrängungskörper bei guter HF-Kontaktierung und Kühlung eingebracht werden. Auf der unteren Deckelplatte können die Linsen präzise und stabil befestigt werden. Dies ist eine erhebliche Vereinfachung gegenüber bisherigen Konzepten. Nach diesen Vorarbeiten konnte die Bestellung der IH-Leistungskavität erfolgen. o Simualtionsrechnungen zu den elektromagnetischen HF-Feldern wurden mit dem kommerziell erhältlichen Code Microwave Studio durchgeführt. Einerseits konnten die Modellmessungen bestätigt werden. Auch die Parameterabhängigkeiten der longitudinalen Oberschwingungen H11n,, insbesondere ihre Resonanzfrequenzen, konnten untersucht werden. Andererseits war bei einer Gitterzahl von 2.3 Millionen die Leistungsgrenze des verfügbaren 2.4 GHz DELL PC mit Pentium4-Prozessor und 2.096 GRAM Speicherplatz erreicht. Jede Rechnung dauerte etwa 15 Stunden, Geometrieänderungen konnten nicht immer mit der erforderlichen Genauigkeit untersucht werden. Der simulierte Shuntimpedanzwert liegt um 15 % über dem aus laufenden IH-Strukturen extrapolierten Wert (195,8 MOmega/m absolut) und bestätigt damit die bisherigen Erfahrungen. Damit erwartet man eine HF-Leistung von 755 kW für C4+-Betrieb. Die unbelastete Güte liegt dann bei 15600. o Während der Fertigung der Leistungskavität wurden viermal Messungen zur Frequenz und zur Spannungsverteilung beim Hersteller durchgeführt. Danach konnte die Anlieferung zur GSI-Verkupferungsanlage freigegeben werden. Es wird erwartet, dass die verbliebenen Abweichungen zu den Sollwerten schließlich nach dem Verkupfern des Tanks mittels der Methode 'Zusatzkapazitäten an der Driftröhrenstruktur' und einer 'Volumenabstimmung' in Driftröhrensektion 2 bei korrekter Resonanzfrequenz beseitigt werden können.

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Metadaten
Author:Yuanrong Lu
URN:urn:nbn:de:hebis:30-14410
Referee:Ulrich Ratzinger, Alwin SchemppGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2005/09/07
Year of first Publication:2005
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2005/07/22
Release Date:2005/09/07
Page Number:145
HeBIS-PPN:132609347
Institutes:Physik / Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht