BOOSTER LINEARI AD ALTA FREQUENZA PER PROTONTERAPIA. LUIGI PICARDI UTAPRAD ENEA Frascati. Congresso SIF Trieste 2013

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1 BOOSTER LINEARI AD ALTA FREQUENZA PER PROTONTERAPIA LUIGI PICARDI UTAPRAD ENEA Frascati Congresso SIF Trieste 2013

2 Abstract E' in forte crescita l'interesse per gli acceleratori lineari per impianti di protonterapia per la loro versatilità e l'eventuale trattamento digitale 4D con elevate prestazioni. In generale i linac per protoni sono suddivisi in tre segmenti: iniettore, booster di media energia, da pochi MeV fino a 30/80 MeV e linac alta energia fino a 250 MeV. La parte più complessa dell'acceleratore è il segmento di media energia, in cui le strutture compatte CCL non sono efficienti, ma in cui, per l'applicazione alla protonterapia, è conveniente usare strutture ad alta frequenza. Si descriveranno i criteri di progetto di un linac a 3 GHz per protonterapia con particolare attenzione alla sezione di media energia basata sulle strutture SCDTL (Side Coupled Drift Tubo Linac). 2

3 Adroterapia e Protonterapia Picco di Bragg Assenza di irradiazione oltre una certa profondità Adroterapia = radioterapia con protoni e ioni Protonterapia = radioterapia con protoni Vantaggio rispetto alle altre tecniche: Selettività spaziale che implica una terapia conformazionale Maggior Risparmio degli organi sani

4 Protonterapia a modulazione di intensità: IMPT Mutuando le tecniche radioterapiche più avanzate (IMRT) con fasci di fotoni, si possono ottenere con i protoni concentrazioni di dose ancora più conformi (IMPT). 7 campi con IMRT 2 campi con IMPT Confronto tra IMRT e IMPT DIFFERENZA TRA IMRT E IMPT

5 ENEA Accelerator Lab on Protontherapy Nel 1993 l ENEA partecipa alla Collaborazione Adroterapia promossa da Ugo Amaldi nel Dall inizio ENEA si è occupata del problema degli alti costi degli impianti di protonterapia soprattutto se comparati con i costi della radioterapia convenzionale, in forte crescita tecnologica. ENEA ha coordinato uno studio sullo sviluppo di acceleratori compatti che ha comparato due sincrotroni compatti, un ciclotrone superconduttore e un acceleratore lineare a 3 GHz linear 5

6 Protontherapy LINAC schematic In particolare, nel ENEA ha proposto lo sviluppo di un acceleratore lineare a 3 GHz studiato in collaborazione con CERN e INFN come alternativa a una macchina circolare. Like all others proton linear accelerators at hundreds of MeV and more, the linac is composed of a sequence of 3 segments: Injector, Medium energy accelerator, High energy accelerator The main difference to existing linacs is that current is so low in protontherapy application that operation at high RF frequency (3 GHz, small bore hole) is conceivable in medium and high energy structures 3/7 MeV 30/70 MeV 150/250 MeV Injector, RFQ or RFQ+DTL ( MHz) Medium energy accelerator: -DTL or CCDTL ( MHz) - SCDTL (3000 MHz) High energy accelerator: CCL (3000 MHz) 6

7 ENEA Accelerator Lab on Protontherapy Schemi similari furono proposti anche da R. Hamm e da Tronc, nei primi anni 90. La pricipale differenza rispetto a queste proposte è stato nel segmento sino a 70 MeV dove, invece che un grosso DTL a 425 MHz, abbiamo proposto un iniettore di modesta energia a bassa frequenza e una nuova struttura chiamata SCDTL a 2998 MHz che descriveremo tra poco. ENEA ha brevettato questa struttura in Europa nel PMQ Coupling Cavity Accelerating Tank RF input 7

8 Il progetto TOP IMPLART Il progetto TOP IMPLART prevede la realizzazione di un prototipo di acceleratore lineare da 150 MeV da installarsi presso l IFO a Roma dopo essere stato testato a Frascati. Il progetto presentato alla Regione Lazio in collaborazione tra ENEA, ISS e IFO è stato finanziato per la sola parte di sviluppo acceleratore con fondi destinati allo sviluppo industriale per applicazioni sanitarie e verrà condotto col massimo appoggio alle industrie laziali. Sono state attivate collaborazioni con La Sapienza (SBAI), e con TERA, ADAM S.A., CECOM, NRT R&D, TSC, Progetti analoghi con il quale si collabora sono attivi in Puglia (leader ITEL), e presso ADAM S.A., spinoff CERN 8

9 Il progetto TOP IMPLART IMPLART= Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy Modularità: Composto da sottosistemi in sequenza finalizzati ad output sanitari. Costruzione secondo flusso dei finanziamenti e rapido raggiungimento del rimborso dal SSN o da Piani Sanitari Assicurativi. Caratteristiche tecniche: Frequenza RF di 3 GHz -> compattezza, tecnologia nota Acceleratore pulsato, naturalmente adatto alla IMPT (Intensity Modulated ProtonTherapy)-> XYZ-SCAN Fascio di alte qualità ottiche -> Magneti più compatti Iniziativa italiana: Dotato di progetto e di brevetti. La realizzazione del prototipo da parte ENEA, in collaborazione con le imprese interessate (tra cui quelle che realizzano le macchine IORT), può consentire nel futuro la realizzazione di un marchio italiano, oggi assente a livello di mercato internazionale, nel settore degli acceleratori medicali

10 IMPLART

11 IMPLART

12 IMPLART-150+ Beam Delivery 12

13 IMPLART

14 IMPLART Beam delivery 14

15 TOP IMPLART Layout 15

16 IMPLART-150 : Status 16

17 IMPLART-150: Prima fase 2 anni, 30 MeV Secondo Convenzione la prima milestone è la realizzazione e la validazione dell acceleratore fino all energia di 30 MeV da effettuarsi in 2 anni dall inizio Convenzione. Questo richiede la costruzione delle prime 4 strutture SCDTL (che porteranno il fascio all energia di 35 MeV) 17

18 L Iniettore L iniettore è un dispositivo realizzato dalla soc. AccSys-Hitachi lungo 4.6 m composto da - Sorgente di tipo Duoplasmatron con limitatore di corrente (focalizzatore+diaframma) a 30 ua - RFQ da 3 MeV a 425 MHz - DTL fino a 7 MeV a 425 MHz La corrente è generata in impulsi ( us) alla rep rate Hz L intensità 0 30 ua variabile tramite una einzel lens che attualmente si sta rendendo pulsata Beam spot fuorescent screen dia =20 mm Beam size 2 mm 18

19 SCDTL vs CCL structure Le strutture acceleranti che seguono l iniettore, e che lavorano a GHz (Lambda=10 cm) sono ad onda stazionaria. La struttura SCDTL, brevettata da ENEA nel 1995, sostituisce le piu comuni strutture CCL nella parte a bassa energia. L energia a cui si cambia da SDCTL a CCL è dettata da criteri di compromesso tra la semplicità costruttiva e l efficienza della struttura stessa. SCL tanks with 15 accelerating gaps for different proton energies Ep>1500 MeV or Ee>2 MeV Ep=200 MeV Ep=150 MeV Transition to SCL Structure LIB O Ep=70 MeV Ep=30 MeV Ep=7 MeV 61.8 SCDTL tanks with 15 accelerating gaps for different proton energies

20 Confronto DTL (425 MHz) vs SCDTL (3 GHz) La struttura SCDTL nasce dalla necessità di compattare la dimensione del DTL. LA portonterapia richiede una corrente di fascio particolarmente bassa per cui non vi sono problemi di carica spaziale, nè di beam loading, e le dimensioni del foro di propagazione possonon essere veramente contenute, e la frequenza di operazione puo essere fatta crescere sino a 3 GHz. Sulla sinistrala struttura a 425 MHz tipo Drift Tube Linac e sulla destra la struttura a 3GHz Side Coupled DTL.

21 Realizzazione SCDTL Varie strutture SCDTL sono state realizzate in questi anni. Per il programma TOP IMPLART il modulo SCDTL-1 che porta l energia da 7 MeV a 11.6 MeV è quasi completato, realizzato da CECOM e TSC. SCDTL-2 e SCDTL-3 che porteranno il fascio rispettivamente a 17 e a 27 MeV sono in fase di disegno esecutivo presso la ditta CECOM Module 1 at CECOM (Guidonia, RM) Tank bodies are brazed Stems are not welded 21

22 Realizzazione SCDTL Fasi della realizzazione 22

23 Ultime misure su SCDTL-1 (Sett/13) Modes, reflection, from central tank MARK Freq= MHz Val= Fmin= Frequency(GHz) SCDTL24aprile w1(ghz)= w2(ghz)= k= k1= k2= Stop Band(GHz)= Modes Dispersion curve Smith chart +j0.5 for pi/2 mode j1.0 +j phi (pi units) +j0.2 +j j0.2 -j5.0 -j0.5 -j1.0 -j2.0 Bead pull measurement 23

24 TUNING SYSTEMS in SCDTL-1 TANK TANK Coupling Cavity Tuners for tuning Acceleranting tanks Tuners for tuning coupling cavity and flattening the field Holes for pickups 24

25 FLATTENING Ez acting on Coupling Cavities 25

26 PMQ I PMQ sono stati realizzati dalla ditta BJA Magnetics, USA, in collaborazione con un progettista ex ASTER ent. Sono smontabili e il loro gradiente raggiunge 200 T/m. Loscostamento dell asse magnetico da quello meccanico è ineriore a +/- 25 um. E stato sviluppato un metodo abbastanza originale per il controllo delle proprietà di ogni PMQ. 26

27 Tests di trasporto fascio dell iniettore attraverso i soli PMQs After beam based alignment, before PMQs After 4 PMQs 27

28 CCL (ABOVE 35 MeV) low velocity structure mechanical design Preferred For E<70 MeV Preferred For E>70 MeV 28

29 Struttura CCL per protoni da MeV realizzata da ADAM S.A. 29

30 Impianti RF Al momento gli impianti RF sono tutti basati su klystrons TH2157A da 10 MW di picco, che comprendono già piu del 30% di riserva. Il duty cycle non supererà 5E-4. Lo schema generale sarà il seguente, con l uso di 7 impianti: 1 sarà necessario per la struttura SCDT (sino a 35 MeV) e 6 per le strutture CCL. 30

31 Impianto RF per la parte SCDTL Il salto 7-30 MeV puo essere effettuato usando un unico klystron TH2157A da 10 MW La potenza deve essere divisa in 4 per alimentare le quattro strutture SCDTL. La prima divisione viene effettuata tramite un divisore ad alta potenza composto da 2 ibridi a 3dB e 2 phase shifters. Questo divisore servirà anache a tarare gli altri split, che poi saranno effettivamente gestiti tramite semplici splitters fissi e sintonizzati. 31

32 Impianti RF Divisore o attenuatore di potenza 32

33 Variazione dell energia finale Allo scopo di variare l energia, cosa che si puo fare sopra 85 MeV, è possibile spegnere uno o piu impianti RF e variare opportunamente la potenza sull ultimo modulo accelerante. 33

34 Variazione dell Energia tra 85 e 230 MeV -Il massimo salto di energia per modulo tollerabile è 20 MeV circa per non pregiudicare la accelerazione corretta delle particelle a causa degli errori di fase commessi -Ogni unità RF, considerate le tipiche shunt impedances delle strutture e i valori ragionevoli dei campi superficiali può garantire circa è circa il doppio, 40 MeV -Dunque se si vuole ridurre il costo della facility usando un ridotto numero di klystrons è necessario usare 1 klystron ogni 2 moduli acceleranti, e ricorrere ad una variazione della potenza nei moduli acceleranti tramite un sistema passivo operante ad alta potenza e, possibilmente, sufficientemente rapido per ottenere una variazione di circa il 5% in potenza in 10 ms. 34

35 Variazione rapida della potenza mediante sistemi passivi Sviluppo di un sistema di attenuazione o di variazione di fase della potenza in guida d onda di tipo passivo e ad alta velocita (ferriti?) collaborazione con SBAI-La Sapienza 35

36 Final layout (at IFO Hospital, Rome) A study is undergoing leaded by a Bari Company (ITEL) to design a special treatment chair/bed for positioning the patient. The bed has to be assisted by a special orientable TAC. The scope is trying to avoid the use of the gantry, substituting its movement with patient alignment and with one or two fixed beams. 36

37 Single Output facility In a Green field situation, the low beam losses (35% transmission) and the low average energy of the lost particles allow thinking of a locally shielded accelerator, with single output beam, The heavy shielding would only be necessary for the treatment room 37