Concept of Monobloc, Traveling Wave, Space Charge Current Limited Linear Accelerator for Radiotherapy in Oncology

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

The number of cancer cases will grow annually and according to WHO it will reach 25 million cases a year by 2035. Radiotherapy (RT) is a key element for the treatment of the 80 % of the cases [1-3] and its development and accessibility are the main routes for further improvement. At the current moment the large percentage of the negative outcomes of the cancer treatment is attributed to either lack of the RT machines or technical personal capable to maintain it. A modular approach to structure such an equipment is one of the ways to resolve the issues. The aim of the studies is to develop a conceptual design of a single module compact accelerator for medical applications and specifically RT of cancers. Development of such a machine is an important step to resolve the RT availability and challenging task from research and design point of view. The studies carried out using analytical and numerical (CST MW studio) approaches. In this paper the conceptual design of such a monobloc traveling wave (12 GHz) accelerator with the space charge limited electron beam current is presented and discussed. The accelerating section made of set of specially designed cell with average constant accelerating potential around 40 MV/m is demonstrated and its properties are discussed. It is shown that the low-relativistic electron beam can reach energy of 10 MeV on the length of the section less than 30 cm. It is shown that the electron beam capture, modulation and transportation takes place inside the accelerating section with the beam transportation efficiency above 80 %. It is illustrated that the main beam losses are taking place at the initial stage of beam formation and ways to optimise the system and minimise the beam losses are discussed. The results of the studies are compared and good agreement is demonstrated.

Әдебиет тізімі

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Hanna S. RF linear accelerators for medical and industrial applications. Boston/London: Artech House, 2012. 202 p.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. Halbach K. Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material // Nuclear Instruments and Methods. 1980. N 169. P. 1–10.
  16. Brooks S. Production of low cost, high field quality Halbach magnets // Proceedings of IPAC2017. 2017. P. 4118–4120.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. Van Dyk J., Battista J.J. Cobalt-60: An Old Modality, A Renewed Challenge // Current Oncology. 1995. N 3.
  21. 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.
  22. 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.
  23. Wangler T. RF Linear Accelerators. Weinheim: Wiley-VCH, 2008. 466 p.
  24. 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.
  25. 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.
  26. 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.
  27. Dome G. Electron Bunching by Uniform Sections of Disk Loaded Waveguide. Part A: General Study. W.W. Hansen Laboratories of Physics, 1960. 78 p.
  28. 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.
  29. 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.
  30. 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.
  31. Dolgashev V., Faillace L., Spataro B., Bonifazi R. Innovative compact braze-free accelerating cavity // Journal of Instrumentation. 2018. N 13. P09017.
  32. 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.
  33. 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.
  34. Jiang W., Kristiansen M. Theory of the virtual cathode oscillator // Physics of Plasmas. 2001. N 8. P. 3781–3787.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».