Отправить статью по E-mail Концепция моноблочного линейного ускорителя на бегущей волне с ограничением тока пространственным зарядом для применения в радиотерапии онкологических заболеваний
- Авторы: Коноплёв И.В.1, Дэй С.2, Зеленкова М.Н.3
-
Учреждения:
- Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Севастопольский государственный университет"
- Оксфордский университет
- научно-исследовательская лаборатория "Молекулярная и клеточная биофизика", Институт перспективных исследований, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Севастопольский государственный университет"
- Выпуск: № 1 (2023)
- Страницы: 79-98
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/2730-0560/article/view/362484
- DOI: https://doi.org/10.7256/2730-0560.2023.1.39856
- EDN: https://elibrary.ru/SVWBBY
- ID: 362484
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Согласно данным ВОЗ к 2035 году число онкологических заболеваний вырастет до 25 миллионов случаев в год. Радиотерапия является ключевым элементом в лечении 80 % заболеваний. Ее доступность и развитие являются основой дальнейшего улучшения результатов лечения. В настоящее время большой процент смертности онкологических пациентов связан с отсутствием или неисправностью радиотерапевтического оборудования, что объясняется его начальной ценой, ценой обслуживания и отсутствием технического персонала, способного обслуживать оборудование. Модульный подход к компонованию подобных систем является одним из решений. Объектом исследования, данной работы, является создание модуля на основе компактного, простого в обслуживании ускорителя. Создание подобного ускорителя является важным шагом для устранения экономических и технических причин малой доступности оборудования, а также актуальной научно-прикладной задачей. В статье представлены результаты теоретических исследований, проведенных на основе аналитических формул и численного моделирования, с использованием коммерческого программного продукта CST MW Studio. В статье исследован и представлен концептуальный дизайн ускоряющей секции компактного моноблочного ускорителя, работающего на бегущей волне (12 ГГц) в режиме ограничения тока пространственным зарядом пучка. Проведено исследование ускорительной секции моноблочного ускорителя, состоящей из квазипериодической последовательности ячеек, в которых реализуется постоянное ускоряющее напряжение до 40 МВ/м. Подобная конфигурация структуры позволяет получить энергию пучка до 10 МэВ при длине структуры менее 30 см. В предложенной структуре реализуется эффективный захват (более 80 %) электронов, модуляция инжектируемого пучка постоянного тока и его ускорение. Показано, что основные потери пучка наблюдаются на начальном этапе ускорения. Рассмотрены возможности оптимизации электромагнитной системы проводки пучка.
Об авторах
Иван Васильевич Коноплёв
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Севастопольский государственный университет"
Email: ikonoplev202@gmail.com
профессор; кафедра "Физика";
Спаршита Дэй
Оксфордский университет
Email: s.dey@physics.ox.ac.uk
аспирант; кафедра физики;
Марина Николаевна Зеленкова
научно-исследовательская лаборатория "Молекулярная и клеточная биофизика", Институт перспективных исследований, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Севастопольский государственный университет"
Email: marina.zelenkova@gmail.com
младший научный сотрудник;
Список литературы
Zubizarreta E., Van Dyk J., Lievens Y. Analysis of global radiotherapy needs and costs by geographic region and income level // Clinical Oncology. 2017. N 29. P. 84–92. Pistenmaa D., Dosanjh M., Amaldi U., Jaray D., Zubizarreta E., Holt K., Lievens Y., Pipman J., Coleman C. Changing the global radiation therapy paradigm // Radiotherapy and Oncology. 2018. N 128. P. 393–399. Dosanjh M., Aggarwal A., Pistenmaa D., Amankwaa-Frempong E., Angal-Kalinin D., Boogert S., Brown D., Carlone M., Collier P., Court L., Di Meglio A., Van Dyk J., Grover S., Jaray D., Jamieson C., Khader J., Konoplev I.V., Makwani H., Mcintosh P., Coleman C. Developing innovative, robust and affordable medical linear accelerators for challenging environments // Clinical Oncology. 2019. N 31. P. 352–355. Hanna S. RF linear accelerators for medical and industrial applications. Boston/London: Artech House, 2012. 202 p. Mishin A. Advances in X-Band and S-Band Linear Accelerators for Security, NDT, and Other Applications // Proceedings of the 2005 Particle Accelerator Conference. 2005. P. 240–244. Konoplev I., Seryi A., Lancaster A., Metodiev K., Burt G., Ainsworth R. Compact, energy efficient superconducting asymmetric ERL for ultra-high fuxes of x-ray and THz // AIP Conference Proceedings. 2017. N 1812. 100004. Konoplev I.V., Metodiev K., Lancaster A.J., Burt G., Ainsworth R., Seryi A. Experimental studies of 7-cell dual axis asymmetric cavity for energy recovery linac // Physical Review Accelerators and Beams. 2017. N 20. 103501. Tantawi S., Nasr M., Li Z., Limborg C., Borchard P. Design and demonstration of a distributed-coupling linear accelerator structure // Physical Review Accelerators and Beams. 2020. N 23. 092001. Kulkarni N., Dhingra R., Kumar V. Physics design of a 10 MeV, 6 kW travelling wave electron linac for industrial applications // Pramana. 2016. N 87. 74. Aicheler M., Burrows P., Draper M., Garvey T., Lebrun P., Peach K., Phinney N., Schmickler H., Schulte D., Toge N. A Multi-TeV Linear Collider Based on CLIC Technology: CLIC Conceptual Design Report // CERN Yellow Reports. Geneva, 2012. 841 p. Hajari Sh. S., Shaker H., Doebert S. Beam dynamics design of the Compact Linear Collider Drive Beam injector // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2015. N 799. P. 172–186. Lin B., Gao F., Yang Y., Wu D., Zhang Y., Feng G., Dai T., Du X. FLASH Radiotherapy: History and Future // Frontiers in Oncology. 2021. N 11. 644400. Lin B., Huang D., Gao F., Yang Y., Wu D., Zhang Y., Feng G., Dai T., Du X. Mechanisms of FLASH effect // Frontiers in Oncology. 2022. N 12. 995612. Borghini A., Vecoli C., Labate L., Panetta D., Andreassi M.G., Gizzi L.A. FLASH ultra-high dose rates in radiotherapy: preclinical and radiobiological evidence // International Journal of Radiation Biology. 2022. N 98. P. 127–135. Halbach K. Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material // Nuclear Instruments and Methods. 1980. N 169. P. 1–10. Brooks S. Production of low cost, high field quality Halbach magnets // Proceedings of IPAC2017. 2017. P. 4118–4120. Healy B.J., van der Merwe D., Christaki K.E., Meghzifene A. Cobalt-60 Machines and Medical Linear Accelerators: Competing Technologies for External Beam Radiotherapy // Clinical Oncology. 2017. N 29. P. 110–115. Page B.R., Hudson A.D., Brown D.W., Shulman A.C., Abdel-Wahab M., Fisher B.J., Patel S. Cobalt, linac, or other: what is the best solution for radiation therapy in developing countries? // International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 2014. N 89. P. 476–480. Ramamoorthy R. Radioactive Cobalt-60 Teletherapy Machine – Estimates of Personnel Dose in Mock Emergency in Patient Release during “Source Stuck Situation” // Journal of Medical Physics. 2017. N 42. P. 96–98. Van Dyk J., Battista J.J. Cobalt-60: An Old Modality, A Renewed Challenge // Current Oncology. 1995. N 3. Rokhlenko A., Lebowitz J.L. Space-Charge-Limited 2D Electron Flow between Two Flat Electrodes in a Strong Magnetic Field // Physical Review Letters. 2003. N 91. 085002. Sree Harsha N.R., Halpern J.M., Darr A., Garner A.L. Space-charge-limited current density for nonplanar diodes with monoenergetic emission using Lie-point symmetries // Physical Review E. 2022. V. 106. L063201. Wangler T. RF Linear Accelerators. Weinheim: Wiley-VCH, 2008. 466 p. Wang J., Chen J., Cai L., Chen Z., Ren Z. Space charge limited current with distributed velocity of initial electrons in planar diode // Physics of Plasmas. 2021. N 28. 040702. Nikiforov D.A., Petrenko A.V., Sinitsky S.L., Bak P.A., Skovorodin D.I., Logachev P.V., Zhivankov K.I., Sandalov E.S., Meshkov O.I., Ivanov A.V., Fuodorov V.V., Starostenko A.A., Pavlov O.A., Kuznetsov G.I., Krylov A.A., Starostenko D.A., Nikitin O.A., Akhmetov A.R. Investigation of high current electron beam dynamics in linear induction accelerator for creation of a high-power THz radiation source // Journal of Instrumentation. 2021. N 16. P11024. Argyropoulos T., Catalan-Lasheras N., Grudiev A., Mcmonagle G., Rodriguez-Castro E., Syrachev I., Wegner R., Woolley B., Wuensch W., Zha H. Design, fabrication, and high-gradient testing of an X-band, traveling-wave accelerating structure milled from copper halves // Physical Review Accelerators and Beams. 2018. N 21. 061001. Dome G. Electron Bunching by Uniform Sections of Disk Loaded Waveguide. Part A: General Study. W.W. Hansen Laboratories of Physics, 1960. 78 p. Sullivan M., Jones R.M., Cowie L.S., Brynes A.D., Williams P.H., Yokoya K. X-band linac design // Physical Review Accelerators and Beams. 2021. N 24. 082001. Dolgashev V.A., Faillace L., Spataro B., Tantawi S., Bonifazi R. High-gradient RF tests of welded X-band accelerating cavities // Physical Review Accelerators and Beams. 2021. N 24. 081002. Simakov E.I., Dolgashev V.A., Tantawi S.G. Advances in high-gradient normal conducting accelerator structures // Nuclear Instruments and Methods Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2018. N 907. P. 221–230. Dolgashev V., Faillace L., Spataro B., Bonifazi R. Innovative compact braze-free accelerating cavity // Journal of Instrumentation. 2018. N 13. P09017. Fazio M.V., Kinross-Wright J., Haynes B., Hoeberling R.F. The virtual cathode microwave amplifier experiment // Journal of Applied Physics. 1989. N 66. P. 2675–2677. Mahaffey R.A., Sprangle P., Golden J., Kapetanakos C.A. High-Power Microwaves from a Nonisochronic Reflecting Electron System // Physical Review Letters. 1977. N 39. P. 843–846. Jiang W., Kristiansen M. Theory of the virtual cathode oscillator // Physics of Plasmas. 2001. N 8. P. 3781–3787.
Дополнительные файлы
