Разработка и оптимизация циклотронов для медицинских применений

Актуальность проблемы.

Циклотроны, ускоряющие заряженные частицы до низких и средних энергий, являются основным инструментом для проведения исследований в области физики атомного ядра и ядерных реакций. При этом циклотроны зарекомендовали себя не менее значимо и для прикладных применений, в частности, они нашли широкое применение в медицине: при непосредственном использовании пучка ускоренных ионов для лечения онкологических заболеваний, для производства короткоживущих изотопов, востребованных в диагностике, медицинских исследованиях и лечении, наконец, для наработки трековых мембран. Применяться такие мембраны могут в химической, металлургической промышленности, однако главным потребителем такой продукции в настоящее время является медицина. На научно-производственном комплексе «Альфа» [1] (циклотрон ЦИТРЕК, Дубна, Россия) изготовление мембран осуществляется для серийного производства медицинских изделий для плазмафереза: мембранного плазмофильтра «Роса» и аппарата для плазмафереза «Гемофеникс».

Циклотроны, предназначенные для медицинских применений, различаются по целому ряду параметров, таких как интенсивность пучка, тип ускоряемых частиц, конечная энергия ускоренных ионов, однако общим остается одно — повышенные требования ко всем системам ускорителя.

К основным требованиям, предъявляемым к медицинским циклотронам, можно отнести следующие:

• простота конструкции и, соответственно, невысокая стоимость,.

• простая система управления, доступная эксплуатационному персоналу, малое время на профилактику,.

• постоянство и воспроизводимость параметров пучков ускоренных ионов,.

• экономичность,.

• небольшие габариты и вес,.

• достаточно высокая интенсивность пучка ускоренных ионов,.

• небольшие эмиттанс и энергетический разброс пучка.

Проектирование и создание циклотрона — комплексная задача, требующая участия целого коллектива разработчиков высочайшего класса. Нередко создание современного медицинского ускорителя осуществляется в коллаборации с несколькими научными и промышленными учреждениями. Оптимизация параметров работающего циклотрона также требует проведения серьезных научных исследований. При этом эффект внедрения оптимизации может быть таким же важным, как пуск нового ускорителя. В частности, успех в достижении энергии протонов 60 МэВ на ускорителе АИЦ-144 (ИЯФ ПАН, Польша) [2,3] привел к тому, что с помощью циклотрона не только производят изотопы для медицинских и прикладных применений, но и осуществляют лечение пациентов с меланомой глаза.

Для создания нового медицинского циклотрона в наше время необходимо проводить научные исследования на более высоком уровне, так как сами циклотроны порой предназначены для решения все более сложных задач. Например, разработка сверхпроводящего циклотрона С400 [К1] (ОИЯИ-1ВА, Бельгия), предназначенного для лечения резистивно устойчивых опухолей ионами углерода, ускоренными до энергии 400 МэВ/нукл., потребовала решения ряда нетривиальных задач, способствующих достижению энергии, не характерной для циклотронов с компактной магнитной системой.

Проектирование каждой системы циклотрона осуществляется на основе проведения исследования различных вариантов исполнения и оптимизации структуры ускорителя. Расчеты динамики пучка требуют учета следующих эффектов: диссоциации ионов в электромагнитном поле, потерь пучка в результате перезарядки при взаимодействии с остаточным газом, эффектов пространственного заряда, в зависимости от типа разрабатываемого циклотрона. Для обеспечения всех требований к медицинским ускорителям необходим комплексный подход к разработке и конструированию циклотронов, так как изменение параметров одной системы циклотрона ведет за собой необходимость изменения других систем.

Можно выделить основные преимущества медицинского циклотрона:

• ограниченное число регулируемых параметров, порядка 5 (ток питания основного магнита, напряжение ускоряющей системы и т. д.);

• возможна простая конструкция магнита;

• работа на фиксированной частоте;

• изохронный циклотрон обеспечивает квазинепрерывный пучок, что гарантирует возможность непрерывного контроля дозы при облучении пациентов;

• возможно уменьшение размеров циклотрона при применении высоких магнитных полей (сверхпроводящих магнитов).

Таким образом, актуальность тематики обусловлена, прежде всего, практической значимостью применения результатов для создания новых установок с необходимыми параметрами и совершенствования уже существующих циклотронов.

Цель диссертационной работы — разработка, создание и оптимизация циклотронов, предназначенных для медицинских применений. Достижение этой цели связано с разработкой и применением математических моделей, средств и программ для расчетов систем циклотронов и динамических процессов в ускорителях, созданием возможно более полной имитационной компьютерной модели всего циклотрона и динамики пучка ускоряемых ионов, учитывающей эффекты пространственного заряда, перезарядки при взаимодействии с остаточным газом, диссоциации в электромагнитном поле ускорителя. Конечная цель — выбор оптимальных конструкций систем циклотрона с использованием разработанных комплексов программных средств.

Научная новизна заключается в том, что:

1. в 2002 г. впервые состоялся пуск промышленного циклотрона ЦИТРЕК, работающего в составе НПК «Альфа», который осуществляет серийный выпуск трековых мембран для медицинских изделий для плазмафереза;

2. впервые реализован и успешно эксплуатируется при лечении онкологических пациентов режим ускорения протонов до энергии 60.5 МэВ на циклотроне АИЦ-144. Для этой цели была создана методика математического и компьютерного моделирования режимов работы многоцелевых изохронных циклотронов, позволяющая переходить на работу в новых режимах без остановки и разборки ускорителей для проведения дополнительных магнитных измерений. Разработаны новые математические модели и программные алгоритмы, позволяющие проводить расчет токов во всех обмотках возбуждения электромагнита многоцелевого изохронного циклотрона;

3. разработан концептуальный проект сверхпроводящего циклотрона С400, ускоряющего ионы углерода до энергии 400 МэВ/нукл. Оригинальная высокочастотная система сверхпроводящего циклотрона обеспечивает необходимый диапазон частот и требуемое распределение напряжения от радиуса посредством оптимизации расположения, формы и поперечного размера четырех опор резонатора;

4. созданный для расчетов новый комплекс компьютерных программ и предложенные автором методы оптимизации использовались для расчетов циклотронов ЦИТРЕК, С400, С235 (IBA, Бельгия), АИЦ-144 и могут быть применены при разработке и конструировании других циклотронов, линий транспортировки и накопителей.

Практическая ценность работы.

Практически значимыми результатами работ, представленных в диссертации, являются следующие:

1. С 2002 года работает промышленный циклотрон ЦИТРЕК в составе комплекса «Альфа», который осуществляет серийный выпуск трековых мембран для медицинских изделий для плазмафереза: а) достигнуты проектные параметры циклотрона, такие как энергия 2.4 МэВ/нуклон, величина коэффициента вывода ~50%- б) оптимизировано распределение пучка по облучаемой пленке, подобраны режимы облучения на основании расчетных и экспериментальных исследованийв) разработаны предложения по реализации ускорения ионов 84А>+", рассчитаны параметры необходимых режимов, что важно для дальнейшего улучшения качества трековых мембран.

2. Сформировано высоко прецизионное магнитное поле циклотрона АИЦ-144, обеспечивающее режим ускорения протонов с необходимыми для адронной терапии меланомы глаза параметрами: кинетической энергией вывода 60 МэВ, значением и стабильностью тока выведенного пучка 1ех, = 20-^40 нА, сг/е" ~±5% соответственно.

Благодаря высокой стабильности установленного режима работы, подразделение протонной терапии ИЯФ ПАН впервые на протяжении ряда лет получило возможность бесперебойной работы для производства радиоизотопов и проведения успешной протонной терапии меланомы глаза у первой группы пациентов в 2011;2012 годах.

3. Результаты расчетов центральной области, потерь ионов в процессе перезарядки при взаимодействии с остаточным газом и высокочастотной ускоряющей системы сверхпроводящего циклотрона С400 (фирма IBA, Бельгия) вошли в технический проект циклотрона.

С400, реализация которого началась в рамках проекта «АгсЬаёе» [4] в медицинском центре г. Канн (Франция).

4. Созданный для траекторного моделирования динамики пучка комплекс компьютерных программ и предложенные автором методы анализа результатов моделирования использовались для расчетов циклотронов ЦИТРЕК, С400, С235 (1ВА, Бельгия), АИЦ-144 и могут быть применены при разработке и конструировании других циклотронов, линий транспортировки и накопителей.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты пуска промышленного циклотрона ЦИТРЕК, работающего в составе комплекса «Альфа», который в течение 10 последних лет осуществляет серийный выпуск трековых мембран для медицинских изделий для плазмафереза.

2. Формирование высокопрецизионного магнитного поля на циклотроне АИЦ-144, обеспечивающего режим ускорения протонов до энергии 60.5 МэВ, что сделало возможным производство изотопов для медицинских и прикладных применений, а также лечение меланомы глаза у первой группы пациентов на АИЦ-144 в 2011;2012 годах.

3. Новая методика компьютерного моделирования режимов работы многоцелевого изохронного циклотрона АИЦ-144, позволяющая переходить на работу в моделируемых режимах без остановки и разборки ускорителя для проведения дополнительных магнитных измерений.

4. Комплекс алгоритмов для траекторного моделирования динамики пучка в циклотронах с учетом действия сил пространственного заряда, перезарядки ионов при взаимодействии с остаточным газом, диссоциации в электромагнитном поле и потерь на структурных элементах ускорителя.

5. Концептуальный проект сверхпроводящего циклотрона С400, предназначенного для адронной терапии онкологических заболеваний ускоренными легкими ионами, реализация которого началась в рамках проекта «Archade» в медицинском центре г. Канн (Франция). а) Требуемый уровень вакуума в камере циклотрона С400 и линии инжекции на основании расчетов потерь ионов в процессе взаимодействия с остаточным газом. б) Оригинальная конфигурация и компоновка элементов центральной области сверхпроводящего циклотрона С400. в) Режим модуляции интенсивности выведенного пучка ионов углерода с частотой 1 кГц при управлении напряжением на электродах инфлектора, что актуально для реализации терапии с активным сканированием. г) Оригинальная конструкция высокочастотного резонатора циклотрона С400, обеспечивающая необходимый диапазон частот, распределение напряжения вдоль радиуса, перестройку частоты при смене ускоряемого иона.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации доложены на:

• International Conferences on Cyclotrons and their Applications: 17th, CYCLOTRONS’iM, 2004 (Tokyo, Japan),.

18th, CYCLOTRONS'07, 2007 (Giardini Naxos, Italy), 19th, CYCLOTRONS'10, 2010 (Lanzhou, China);

• European Particle Accelerator Conferences: EPAC- 2000 (Vienna, Austria), EPAC-2006 (Edinburgh, Great Britain), EPAC-2008 (Genoa, Italy) — Particle Accelerator Conference PAC-2011 (New Jork, USA);

• 11th International Conference on Heavy Ion Accelerator Technology HIAT-2009 (Venice, Italy);

• International Particle Accelerator Conferences: IPAC-2010 (Kyoto, Japan), IPAC-2011 (San Sebastian, Spain);

• European cyclotron progress meetings: ECPM-2008 (Berlin, Germany), ECPM-2009 (Groningen, Holland);

• Russian particle accelerator conferences: XVII RuPAC-2000 (Protvino), XVIII RuPAC-2002 (Obninsk), XIX RuPAC-2004 (Dubna), XX RuPAC-2006 (Novosibirsk), XXI RuPAC-2008 (Zvenigorod), XXII RuPAC-2010 (Protvino), XXIII RuPAC-2012 (Saint-Petersburg);

• 5-м, 6-м, 7-м Научном семинаре памяти В. П. Саранцева, Дубна;

• В 2007;м и 2009;м году — доклады на первой и второй экспертной комиссии в г. Лювен-ла-Нев (Бельгия) по разработке сверхпроводящего циклотрона С400, предназначенного для адронной терапии;

• Результаты диссертации неоднократно обсуждались на семинарах ляпоияи.

Личное участие автора.

Все представленные в диссертации результаты получены автором лично либо под его непосредственным руководством. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы.

Публикации.

Всего автором по теме диссертации опубликовано более 60 работ, из них 23 — в реферируемых журналах (зарубежных и российских, рекомендованных ВАК).

Диссертация выполнена в соответствии с проблемно-тематическим планом научно-исследовательских работ и международного сотрудничества Объединенного института ядерных исследований в рамках темы «Совершенствование Фазотрона ЛЯП (ОИЯИ) и разработка циклотронов для физических и прикладных исследований». Работа по циклотрону АИЦ

144 выполнена при финансовой поддержке полномочного представителя Правительства Республики Польши и РФФИ, грант № 10−01−467а.

В 2004 году за работу «Облучательный комплекс „Альфа“ для производства трековых мембран» автору в составе коллектива была присуждена премия ОИЯИ в области научно-технических прикладных работ.

В 2010 году за цикл публикаций по разработке медицинских циклотронов, предназначенных для адронной терапии, в составе коллектива автор был удостоен премии ЛЯП ОИЯИ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В приложении к диссертации находятся благодарственные письма от дирекции ИЯФ ПАН, г. Краков (Польша) в дирекцию ОИЯИ (Дубна).

Основные результаты диссертационной работы:

1. С 2002 года работает промышленный циклотрон ЦИТРЕК в составе комплекса «Альфа», который осуществляет серийный выпуск трековых мембран для медицинских изделий для плазмафереза: а) состоялся пуск циклотрона на основе параметров, полученных в результате расчетов динамики пучка ионов аргонаб) достигнуты проектные параметры циклотрона, такие как энергия 2.4 МэВ/нуклон, величина коэффициента вывода ~50%- в) оптимизировано распределение пучка по облучаемой пленке, подобраны режимы облучения на основании расчетных и экспериментальных исследований;

84 ^ +11 г) внесены предложения по ускорению ионов 5 рассчитаны параметры необходимых режимов, что важно для дальнейшего улучшения качества трековых мембран.

2. Впервые сформировано высокопрецизионное магнитное поле, обеспечивающее режим ускорения протонов со следующими параметрами: кинетической энергией вывода Еех, — 60.5 МэВ, значением и стабильностью тока выведенного пучка /",= 20−4-40 нА, а/ея~±5% соответственно. Режим реализован на циклотроне АИЦ-144 без эмпирической подстройки токов в концентрических катушках и частоты ВЧ-генератора.

Установленный режим работы был использован для производства радиоизотопов, а также при проведении успешной протонной терапии меланомы глаза у первой группы пациентов, проведенной в Польше на АИЦ-144 в 2011 -2012 годах.

Для получения этих результатов была разработана новая методика математического моделирования режимов работы многоцелевого изохронного циклотрона, позволяющая переходить на работу в моделируемых режимах без остановки и разборки ускорителя для проведения дополнительных магнитных измерений. Методика позволяет проводить расчет тока:

• в главной обмотке на основе карт исходных магнитных полей, измеренных для трех уровней тока в обмотке возбуждения главного магнита;

• в концентрических катушках для рассчитанного уровня тока в главной обмотке;

• в двух парах гармонических катушек для рассчитанного уровня тока в главной обмотке циклотрона.

3. Разработан концептуальный проект сверхпроводящего циклотрона С400, предназначенного для адронной терапии онкологических заболеваний ускоренными легкими ионами, реализация которого началась в рамках проекта «Archade» в медицинском центре г. Канн (Франция): а) сформулированы требования к уровню вакуума в камере циклотрона С400 на основании расчетов потерь ионов на взаимодействие с остаточным газом, что определило основные параметры вакуумной системы ускорителя. Расчеты потерь ионов на взаимодействие с остаточным газом показали, что.

7 12 для давления 2ТО" Topp потери интенсивности пучка С ионов в линии инжекции составляют около 2%, потери интенсивности пучка Н2+ в камере циклотрона составляют около 5%- б) разработаны структура и компоновка элементов центральной области сверхпроводящего циклотрона С400. Выбраны параметры инфлектора, положение и геометрия электродов, диафрагм. Расчетная эффективность захвата в процесс ускорения небанчированного пучка ионов 12% при ограничении на амплитуду радиальных колебаний 4 мм, что превосходит существующий показатель эффективности работающих сверхпроводящих циклотроновв) впервые в медицинских циклотронах разработан режим высокочастотной модуляции (~1 кГц) интенсивности выведенного пучка ионов углерода при управлении напряжением на электродах инфлектора, что актуально для реализации терапии с активным сканированиемг) разработана и оптимизирована оригинальная конструкция высокочастотного резонатора циклотрона С400, обеспечивающая необходимый диапазон частот, распределение напряжения вдоль радиуса, перестройку частоты при смене ускоряемого ионанайден способ изменения частоты резонатора посредством уменьшения диаметра четвертой опоры, не вносящий искажения в распределение ускоряющего напряжения вдоль радиуса.

4. Создан комплекс программных средств для траекторного моделирования динамики пучка в циклотронах, состоящий из программ в среде МАТЪАВ, предназначенных для: а) моделирования движения частиц в циклотронах, б) исследования процесса прохождения через резонансы, в) учета действия сил пространственного заряда, г) расчета потерь легких и тяжелых ионов на перезарядку при взаимодействии с остаточным газом, д) расчета потерь Н- - ионов на диссоциацию в магнитном поле, е) расчета потерь пучка на структурных элементах ускорителя.

Теоретические и экспериментальные результаты, полученные в данной диссертации, могут быть использованы при проектировании и создании новых циклотронов, предназначенных для различных применений.

Благодарности.

В заключение автор благодарит Денисова Ю. Н. и Онищенко J1.M. за предоставленную возможность работы над циклотроном ЦИТРЕК, плодотворное сотрудничество и многочисленные обсуждения. Хочу, также, выразить свою глубокую благодарность С. Б. Ворожцову, под чьим руководством автор делал свои первые шаги в науке.

Отдельно хочу поблагодарить Ширкова Г. Д. и Сыресина Е. М за организацию международного научного сотрудничества с фирмой IBA (Бельгия).

Автор от всей души благодарит Аленицкого Ю. Г., Долю С. Н., Заплатина H. JL, Морозова H.A., Самсонова Е. В., Чеснова А. Ф., весь коллектив отдела Новых ускорителей за многочисленные плодотворные обсуждения тем, затронутых в диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе представлены результаты оптимизации работающих циклотронов и результаты работ по проектированию и созданию новых ускорителей.