29.11.2013 Dominik Blum, Technische Hochschule Mittelhessen 1

Das Zyklotron COMET als Teilchenquelle für die Protonentherapie am PSI

Das Paul Scherrer Institut

Größtes Forschungszentrum der Schweiz 1500 Vollzeitstellen + 2000 Gastwissenschaftler/Jahr

M l d M / M h d G dh / E

Grundlagen derProtonentherapie

• Behandlung von Tumoren

• Bragg Peak

• Protonenstrahl ist führbar

• Geringere Tumortiefe weniger Energie nötig

Das COMET Zyklotron

orbitalHF Isochroniebedingung:

• Extraktion eines Protonenstrahls

Isochronzyklotron: Erhaltung der Isochroniebedingung durch Erhöhung des Magnetfeldes nach außen.

kompakt (Durchmesser: 3.2 m)

• 4 spiralförmige „Dee“s and Valleys

• 1 supraleitendes Spulenpaar

• Anzahl der Turns: 630

• Extraktionsenergie: 250 MeV

Das COMET Zyklotron

Motivation 250 MeV (38 cm Tiefe in Wasser) ist für die meisten Behandlungen

eine zu hohe Reichweite. (Behandlung von Augen- und Hirntumoren)

Degrader (70 – 238MeV)

reduzierte Transmission

mehr aktivierte Komponenten

erhöhte Strahlenbelastung

Motivation

Falls Eext < 250 MeV können wir weniger abschwächen.

Ziel: Bei gleichem Radius zwei verschiedene Magnetfeldstärkenmit Einhaltung der Isochroniebedingung (ω = ω )

Randbedingungen:

• COMET soll “kompakt” bleiben• Minimale Designänderungen• kein „Millioneninvestment“

Simulation von COMET mit „Mesh“ and „PerMag“

WeicheisenDee’s

Methode

Das COMET Zyklotron

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3

3.1

3.2

B in

T

B250MeVB250MeV, ideal

Verlauf des idealen und des simulierten B-Feldes für eine Extraktionsenergie von 250 MeV:

2. Spule!

Methode

164 cm

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

B in

T

MethodeFeldverlauf ist von der Spulenposition abhängig

IC1=0.613 MA

Methode

• Variation der Stromverteilung• Variation der RF

• Variation der Spulenposition• Variation des Gesamtstroms

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3

3.1

3.2

B in

T

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

B in

T

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

dphi

/dn

Phasenverschiebung bei 250 MeV

Phasenverschiebung bei 240 MeV

Ergebnisse

Bestes Ergebnis für einen Phasenverlauf zwischen einem 250 MeV und 240 MeV Strahl

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

E/Ext

dphi

/dn

-10

0

10

20

30

40

phi in

Gra

d

Diskussion

• Temperatureinflüsse können in PerMag nicht simuliert werden

• Die Simulation wurde mit einem 2D freeware Programm erstellt.

Mithilfe Programmen mit höherer Auflösung (Poisson) und/oder 3D-fähigen Simulationsprogrammen (TOSCA) würden sich die Ergebnisse dieser Studie detailreicher darstellen lassen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Paul Scherrer Institut: www.psi.ch