ITRM950564A1

ITRM950564A1 - Acceleratore lineare compatto per protoni da 5 e 200 mev per adroterapia

Info

Publication number: ITRM950564A1
Application number: IT95RM000564A
Authority: IT
Inventors: Luigi Picardi; Concetta Ronsivalle; Angelo Vignati
Original assignee: Enea Ente Nuove Tec
Priority date: 1995-08-09
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 1997-02-09
Also published as: IT1277909B1; FR2737834A1; FR2737834B1; ITRM950564A0

Abstract

Acceleratore lineare compatto per protoni da 5 a 200 MeV per adroterapia, comprendente:- un iniettore di tipo convenzionale costituito da un elemento RFQ (Quadruplo a Radio Frequenza) operante su una frequenza di 750 MHz,- una sezione che accelera i protoni fino ad approssimativamente 70 MeV, costituito da una struttura SCDTL (Acceleratore Lineare con Tubi di Drift ad Accoppiamento Laterale),- un eventuale sistema magnetico di rinvio a 180°, che consente di ripiegare il fascio e rendere più compatta la struttura,- una sezione costituita da una struttura SCL (Acceleratore Lineare ad Accoppiamento laterale), alimentata da Klystron, per accelerare il fascio fino a circa 200 MeV.

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di Brevetto d'invenzione avente per titolo: "ACCELERATORE LINEARE COMPATTO PER PROTONI DA 5 A 200 MEV PER ADROTERAPIA"

La presente invenzione si riferisce, in linea generale agli acceleratori lineari di particelle e concerne, in modo particolare, un acceleratore compatto per protoni da 5 a 200 MeV per adroterapia, consistente di una struttura a microonde denominata SCDTL (Side Coupled Drift Tube Linac) in banda S che consente l’introduzione di un sistema di fuocheggiamento a quadrupoli.

Come è noto, esistono già gli acceleratori circolari , in cui una particella viene riciclata all’interno di una cavità risonante, dalla quale può ricevere energia per essere accelerata fino a livelli utili, ad esempio per il trattamento di tumori profondi, specialmente quando essi siano localizzati in prossimità di organi critici.

L’acceleratore lineare, noto anche con il nome di Linac, invece di far riciclare una particella, la fa passare attraverso una serie di cavità risonanti disposte in linea, da cui il termine di lineare, operanti, quindi, come elementi acceleratori. Oltre alla funzione di accelerare il fascio di particelle, è necessaria una funzione di contenimento del fascio, altrimenti le particelle tenderebbero ad esplodere. Quindi, un acceleratore lineare è composto essenzialmente di due componenti: le cavità risonanti, a cui è affidato il compito di accelerare le particelle ed il sistema di fuocheggiamento, a cui è affidata la funzione di contenere e confinare il fascio di particelle.

Finora, gli acceleratori lineari sono stati costruiti principalmente per elettroni, facendo ricorso a frequenze elevate, a cui corrispondono basse lunghezze d'onda, per cui è stato possibile realizzare degli acceleratori opportuni. Per i protoni, invece, non sono stati costruiti acceleratori lineari per lo stesso ordine di grandezza, ma solo per frequenze più basse.

Lo scopo generale della presente invenzione è di realizzare un acceleratore lineare per protoni e simili particelle pesanti operante a frequenze almeno dello stesso ordine di grandezza delle frequenze degli acceleratori lineari per elettroni.

Prima di procedere alla descrizione delle caratteristiche distintive della soluzione della presente invenzione, si ritiene utile fornire qualche cenno sugli acceleratori lineari, in genere.

Come è noto agli esperti nel ramo, gli acceleratori lineari sono basati sull' impiego di cavità risonanti, operanti come acceleratori di particelle, con le quali cooperano dei cosiddetti Tubi di Drift (DT). I tubi di drift hanno la funzione di schermare il fascio delle particelle dal campo elettrico, nei punti in cui esso agirebbe in senso decelerante. In pratica, poiché nelle cavità risonanti il campo elettrico è di segno alternato, si opera in modo che le particelle siano esposte al campo elettrico acceleratore e siano schermate dal campo elettrico di segno opposto che agirebbe in senso decelerante, facendole passare attraverso detti tubi di drift.

Negli acceleratori lineari del tipo esistente, a bassa frequenza, i tubi di drift sono di dimensioni abbastanza rilevanti, per cui è possibile inserire nel loro stesso interno i secondi componenti della struttura degli acceleratori lineari, precisamente i componenti fuocheggiatori.

Quando si pensa di costruire un acceleratore lineare per uso medicale e si pensa di aumentare la frequenza per raggiungere i valori parametrici che si ritengono più opportuni e convenienti si ottiene un apparato più compatto, ma, nello stesso tempo, si riduce anche la dimensione dei tubi di drift. Da ciò deriva la impossibilità di alloggiare nel loro interno i necessari elementi fuocheggiatori che, come si è visto, sono indispensabili per il contenimento ed il confinamento del fascio di particelle.

Lo scopo specifico della presente invenzione è di proporre una struttura di acceleratore lineare per protoni adatta al funzionamento ad alta frequenza in cui sia possibile alloggiare anche gli elementi fuocheggiatori.

Forma oggetto specifico della presente invenzione, quindi, un acceleratore lineare compatto per protoni da 5 a 200 MeV per adroterapia, comprendente:

- un iniettore di tipo convenzionale costituito da un elemento RFQ (Quadrupolo a Radio Frequenza) operante su una frequenza di 750 MHz,

una sezione che accelera i protoni fino ad approssimativamente 70 MeV, costituito da una struttura SCDTL (Acceleratore Lineare con Tubi di Drift ad Accoppiamento Laterale), - un eventuale sistema magnetico di rinvio a 180°, che consente di ripiegare il fascio e rendere più compatta la struttura,

- una sezione costituita da una struttura SCL (Acceleratore Lineare ad Accoppiamento Laterale), alimentata da Klystron, per accelerare il fascio fino a circa 200 MeV.

Ulteriori particolarità e vantaggi della presente invenzione appariranno evidenti dal seguito della descrizione con riferimento ai disegni allegati, in cui è rappresentata a titolo illustrativo e non restrittivo la preferita forma di realizzazione.

Nei disegni:

la Figura 1 mostra la struttura globale di un apparato acceleratore lineare da 200 MeV,

la Figura 2(a) mostra alcune sezioni di un acceleratore lineare a tubi di drift con accoppiamento laterale (SCDTL), nella forma di realizzazione per il modo di accoppiamento tipo π/2,

la Figura 2(b) mostra alcune sezioni di un acceleratore lineare a tubi di drift con accoppiamento laterale (SCDTL), nella forma di realizzazione per il modo di accoppiamento tipo π.

Tenendo conto del fatto che, ai fini della adroterapia, l'esigenza connessa con l'impiego di acceleratori lineari per accelerare protoni fino al livello di 200 MeV è quella della compattezza, onde permetterne la utilizzazione anche in strutture che non siano progettate per questo scopo specifico, per esempio, in ospedali, l’idea base della presente invenzione è da individuare nella utilizzazione di una elevata frequenza (3 GHz) per la RF di accelerazione, non solo per aumentare la tensione di ogni semionda di accelerazione, ma anche, a parità di tensione, per diminuire la lunghezza dei singoli tratti di accelerazione con conseguente compattazione dell'intero apparato.

Per risolvere il problema dell’alloggiamento del sistema di fuocheggiamento magnetico, già sopra accennato, il concetto di base della presente invenzione è di realizzare una struttura modulare estremamente compatta di cavità accoppiate e di magneti quadrupolar di fuocheggiamento in cui la zona di accelerazione e quella di focalizzazione sono mantenute separate.

In pratica, la soluzione della presente invenzione prevede di suddividere l’acceleratore lineare in una pluralità di sezioni, ovvero una pluralità di cavità risonanti, separate ed interaccoppiate mediante cavità risonanti secondarie o ausiliare e di disporre gli elementi fuocheggiatori tra una sezione e l’altra.

Come rappresentato nella Figura 1 e come verrà spiegato nel seguito, l’apparato secondo la presente invenzione comprende due sezioni: una prima sezione con accelerazione approssimativamente da 5 a 70 MeV, realizzata con SCDTL (Linac con tubi di drift ad accoppiamento laterale), idonea al trattamento dell’occhio, ed una seconda sezione con accelerazione approssimativamente da 70 a 200 MeV, realizzata a mezzo di SCL (Linac ad accoppiamento laterale), per il trattamento di tumori profondi.

In particolare si vede che l’acceleratore lineare per protoni comprende:

- un iniettore per esempio da 5 MeV di tipo convenzionale costituito da un elemento RFQ (Quadruplo a Radio Frequenza) operante a 750 MHz;

una sezione che accelera i protoni fino ad approssimativamente 70 MeV, costituito da una struttura di tipo SCDTL comprendente una pluralità di cavità risonanti, in cui il fuocheggiamento del fascio di protoni viene assicurato da una successione di quadrupoli a magneti permanenti, centrati sull’asse, nello spazio tra le cavità acceleranti,: questa parte dell’apparato è oggetto specifico della presente invenzione e verrà spiegata anche nel seguito,

- un eventuale sistema magnetico di rinvio a 180°, che consente di ripiegare il fascio e cosi di rendere più compatta la struttura,

- una sezione costituita da una struttura SCL (Linac ad accoppiamento laterale), alimentata da Klystron, formata da una decina di moduli accoppiati tra loro a mezzo di un modulo ausiliario di accoppiamento a ponte, disposto fuori dall'asse.. Tali moduli sono realizzati come cavità risonanti. Nello spazio tra moduli adiacenti viene alloggiato un quadrupolo con funzione di fuocheggiatore.

La sezione fondamentale più significativa della presente invenzione è proprio quella che accelera i protoni da 5 a 70 MeV, denominata SCDTL e la caratteristica operativa di immediata evidenza consiste nell’uso di una elevata frequenza di funzionamento, che impone la adozione di una speciale soluzione per l’alloggiamento degli elementi di fuocheggiamento.

Gii acceleratori lineari DTL sono costituiti da una unica cavità risonante nel modo TM 010 avente una lunghezza corrispondente a molte lunghezze d’onda. Un protone che ne attraversa l’asse incontra un campo elettrico alternativamente accelerante e decelerante. Per permettere al protone di subire un effetto accelerante successivo, la parte decelerante del campo, come già accennato, viene schermata mediante l'inserzione di tubetti metallici assiali 13, supportati da raggi radiali interni 14 della cavità, per cui rimane scoperta ed attiva solo la parte accelerante del campo elettrico.

Qualora la frequenza di funzionamento dell’acceleratore DTL fosse sufficientemente bassa (generalmente 200 MHz) la dimensione dei tubi di drift sarebbe sufficientemente grande da consentire di alloggiare all'interno dei tubi stessi gli elementi magnetici di fuocheggiamento. Nel caso della presente invenzione, invece, l’impiego della frequenza elevata (3 GHz) non consente di adottare la stessa soluzione tecnica e si è fatto ricorso ad una struttura composita, illustrata nelle Figure 2(a) e 2(b), comprendente delle cavità 10a, 10b, 10c, di tipo DTL, accoppiate in successione lateralmente tra di loro a mezzo di cavità ausiliarie di accoppiamento 11a, 11 b, 11c.

L’accoppiamento può essere di due tipi, illustrati rispettivamente nelle Figure 2(a) e 2(b).

Nel tipo illustrato nella Figura 2(a) i campi elettrici tra due cavità acceleranti successive hanno segno opposto, mentre nel tipo illustrato nella Figura 2(b) essi hanno lo stesso segno. Di questo si tiene conto per determinare la lunghezza dello spazio libero tra le due cavità. Come già spiegato, questo spazio può essere fatto sufficientemente lungo per poter alloggiare un quadrupolo 12 a magneti permanenti per scopi di fuocheggiamento. Le dimensioni tipiche, infatti, citate solo a titolo di esempio e senza intenti restrittivi, sono di 4 cm di diametro esterno, per 6 mm di gola ed una lunghezza di 3 cm, con un gradiente di 200 T/m. In entrambi i tipi di accoppiamento la cavità di accoppiamento non è eccitata ed abbiamo nella Figura 2(a) un modo di accoppiamento di tipo π/2 e nella Figura 2(b) un modo di accoppiamento di tipo π.

In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma deve essere chiaro che gli esperti nel ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dallambito di protezione della presente privativa industriale.

Claims

RIVENDICAZIONI 1.- Acceleratore lineare compatto per protoni da 5 a 200 MeV per adroterapia, comprendente: - un iniettore di tipo convenzionale costituito da un elemento RFQ (Quadripolo a Radio Frequenza) operante su una frequenza di 750 MHz, una sezione che accelera i protoni fino ad approssimativamente 70 MeV, costituito da una struttura SCDTL (Acceleratore Lineare con Tubi di Drift ad Accoppiamento Laterale), - un eventuale sistema magnetico di rinvio a 180°, che consente di ripiegare il fascio e rendere più compatta la struttura, - una sezione costituita da una struttura SCL (Acceleratore Lineare ad Accoppiamento Laterale), alimentata da Klystron, per accelerare il fascio fino a circa 200 MeV. 2.· Acceleratore lineare per protoni secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta sezione con struttura di tipo SCDTL opera con una frequenza di 3 GHz e comprende una pluralità di cavità risonanti di tipo DTL (Acceleratore Lineare con Tubi di Drift) (10a, 10b, 10c), accoppiate lateralmente a mezzo di cavità risonanti secondarie (11 a, 11b 11c) e separate una dall’altra da uno spazio nel quale viene disposto assialmente un quadrupolo di fuocheggiamento (12) a magneti permanenti. 3.- Acceleratore lineare per protoni secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che in dette cavità risonanti il fascio di protoni viene accelerato dal campo elettrico di segno accelerante e viene schermato dal campo elettrico di segno decelerante. 4.- Acceleratore lineare per protoni secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la schermatura del fascio di protoni dal campo elettrico di segno decelerante viene effettuata a mezzo di tubetti metallici assiali (Tubi di Drìft) (13) supportati da raggi radiali interni (14) della cavità. 5.- Acceleratore lineare compatto per protoni da 5 a 200 MeV per adroterapia secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni e sostanzialmente come descritto nella descrizione e rappresentato nei disegni allegati.