Μελέτη επιταχυντικών διατάξεων Spokes του ESS. Προσομοίωση δέσμης πρωτονίων FLASH για Θεραπεία καρκίνου.

Μαστροκάλου, Παρασκευή; Mastrokalou, Paraskevi

dc.contributor.author	Μαστροκάλου, Παρασκευή	el
dc.contributor.author	Mastrokalou, Paraskevi	en
dc.date.accessioned	2025-02-26T08:52:30Z
dc.date.available	2025-02-26T08:52:30Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61175
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28871
dc.rights	Default License
dc.subject	Επιταχυντής πρωτονίων	el
dc.subject	Υβριδικός συζευκτής	el
dc.subject	Hybrid combiner	en
dc.subject	Spokes	en
dc.subject	Broadside coupled stripline	en
dc.subject	FLASH radiotherapy	en
dc.subject	Proton accelerator	en
dc.subject	FLASH ακτινοθεραπεία	el
dc.subject	Μεταφορά RF ισχύος	el
dc.subject	CST Studio Suite	el
dc.title	Μελέτη επιταχυντικών διατάξεων Spokes του ESS. Προσομοίωση δέσμης πρωτονίων FLASH για Θεραπεία καρκίνου.	el
dc.title	Study of the ESS spokes accelerator structures. Simulation of proton flash therapy of cancer.	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Accelerator physics	en
heal.classification	Medical physics	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-09-30
heal.abstract	Το European Spallation Source (ESS) είναι ένα πρωτοποριακό ερευνητικό κέντρο που βρίσκεται στη Σουηδία και έχει σχεδιαστεί για την παραγωγή νετρονίων μέσω της διαδικασίας του spallation. Ειδικότερα, η δέσμη πρωτονίων υψηλής ενέργειας που προκύπτει από τον γραμμικό επιταχυντή του ESS προσπίπτει σε έναν περιστρεφόμενο στόχο βολφραμίου, απελευθερώνοντας νετρόνια από τον πυρήνα. Στη συνέχεια, τα νετρόνια αξιοποιούνται για ερευνητικές εφαρμογές σε διάφορους τομείς, όπως η υλική επιστήμη, η βιολογία και η χημεία. Το ESS αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες πηγές νετρονίων στον κόσμο και αναμένεται να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στη σύγχρονη έρευνα. Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στο τμήμα του επιταχυντή όπου βρίσκονται οι επιταχυντικές υπεραγώγιμες κοιλότητες spokes. Κάθε μία από αυτές τις κοιλότητες τροφοδοτείται από ένα ανεξάρτητο σύστημα ενίσχυσης του RF σήματος (RFPS). Το τμήμα των spokes είναι υπεύθυνο για την επιτάχυνση της δέσμης πρωτονίων από 90 MeV έως 220 MeV. Κάθε κοιλότητα απαιτεί RF ισχύ έως και 400 kWp για να λειτουργήσει αποτελεσματικά. Για τη διασφάλιση της σταθερής και αξιόπιστης παροχής ισχύος, χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός προ-ενίσχυσης από ενισχυτή ισχύος στερεάς κατάστασης (SSPA), ενώ η κύρια ενίσχυση πραγματοποιείται μέσω μιας τετρόδου. Το RFPS αποτελείται από δύο κλάδους ενίσχυσης, ο καθένας από τους οποίους αποτελείται από έναν SSPA και μια τέτροδο, παράγοντας 200 kWp. Τα σήματα αυτά συνδυάζονται από έναν υβριδικό συζευκτή (90°), στέλνοντας τελικά 400 kWp ισχύ στις κοιλότητες. Ωστόσο, η τρέχουσα διάταξη του RFPS εμφανίζει κάποιους περιορισμούς, στην περίπτωση που κάποιο από τα μέρη της σταματήσει να λειτουργεί, είτε πρόκειται για το οδηγό (G1) ή το προστατευτικό (G2) πλέγμα, είτε για την τροφοδοσία του νήματος, είτε για κάποιο μέλος της κοιλότητας στην οποία τοποθετείται η τέτροδος, είτε γενικότερα για την ίδια την τέτροδο. Σε αυτή την περίπτωση, ο συγκεκριμένος κλάδος του RFPS, αδυνατεί να παράγει την απαιτούμενη ισχύ και έτσι ο υβριδικός συζευκτής, λαμβάνει ως είσοδο 200 kW μόνο στη μια θύρα του από τον λειτουργικό κλάδο του RFPS. Ως αποτέλεσμα, αντί να συνδυάσει τα σήματα στην θύρα εξόδου, όπως θα έκανε υπό κανονικές συνθήκες, μοιράζει εξίσου το εισερχόμενο σήμα στη θύρα εξόδου (100 kW) και στη θύρα όπου βρίσκεται το φορτίο για την απόρριψη του σήματος (100 kW). Ισχύς της τάξης των 100 kW όμως, δεν αρκεί για να επιταχυνθεί η δέσμη καθώς θα διασχίζει τα spokes, αφού αποτελεί το 25% της απαιτούμενης ισχύος και αναγκαστικά θα πρέπει να διακοπεί η διάδοση της δέσμης, επηρεάζοντας άμεσα τα πειράματα με τα παραγόμενα νετρόνια. Ωστόσο, υπάρχει η δυνατότητα προσαρμογής κάποιων παραμέτρων της δέσμης προσωρινά, ώστε να μπορεί να επιταχυνθεί, όταν τα spokes θα τροφοδοτούνται με 50% της αρχικής τους ισχύος, δηλαδή 200 kW, έως ότου επιδιορθωθεί το πρόβλημα. Για να πραγματοποιηθεί αυτό, θα πρέπει ολόκληρη η ισχύς από τον λειτουργικό κλάδο του RFPS να μεταφέρεται στα spokes, μέσω ενός προγραμματιζόμενου συστήματος υβριδικών συζευκτών (VPC). H παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την ανάπτυξη του παραπάνω συστήματος, ώστε να βελτιωθεί η απόδοση των RFPS και να ελαχιστοποιηθεί ο χρόνος διακοπής της διάδοσης της δέσμης. Αρχικά, μελετήθηκαν και προσομοιώθηκαν με το λογισμικό CST τρεις διαφορετικές υποψήφιες τοπολογίες. Η πρώτη αφορούσε τη χρήσης ενός υβριδικού συζευκτή και δύο μηχανικών ομοαξονικών διακοπτών, που θα παρακάμπτουν τον συζευκτή όταν ένας κλάδος δεν είναι λειτουργικός και θα κατευθύνουν το σήμα στα spokes. Η δεύτερη επιλογή ήταν να χρησιμοποιηθούν δύο υβριδικοί συζευκτές και ανάμεσά τους να τοποθετηθεί μια ομοαξονική γραμμή μεταβλητού μήκους, ώστε να μπορεί να προσαρμοστεί αναλόγως η διαφορά φάσης των σημάτων εισόδου στον δεύτερο συζευκτή. Η τελευταία επιλογή που εξετάστηκε ήταν η χρήση τριών υβριδικών συζευκτών, ένας από τους οποίους θα αντικαθιστούσε τη μεταβλητού μήκους ομοαξονική γραμμή και θα λειτουργούσε ως μεταβολέας φάσης βασιζόμενος στην ανάκλαση των σημάτων στις θύρες εξόδου του, οι οποίες θα ήταν συνδεδεμένες με γειωμένες ομοαξονικές γραμμές μεταβλητού μήκους, ώστε να παράγουν την απαραίτητη μεταβολή φάσης. Μετά από εκτενή ανάλυση, επιλέχθηκε η τοπολογία με την καλύτερη απόδοση. Ακολούθησε ο τρισδιάστατος σχεδιασμός και έλεγχος του υβριδικού συζευκτή με το λογισμικό CST και στη συνέχεια η βελτιστοποίηση του αρχικού σχεδίου. Σε συνεργασία με εξωτερική εταιρία, κατασκευάστηκε ένα πρωτότυπο, στον χώρο της οποίας πραγματοποιήθηκαν και οι πρώτοι έλεγχοι λειτουργικότητας του συστήματος. Αφού κατέφθασε στο εργαστήριο του ESS, πραγματοποιήθηκαν έλεγχοι με χαμηλή ισχύ και ολοκληρώθηκε η σύνδεσή του με το RFPS. Στη συνέχεια, για να εξεταστεί η αντοχή και η λειτουργία του σε υψηλότερες τιμές ισχύος, πραγματοποιήθηκαν έλεγχοι με σταδιακή αύξηση του σήματος εισόδου στο RFPS και καταγράφηκαν τα αποτελέσματα. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διπλωματικής, εξετάστηκε αν τα χαρακτηριστικά της δέσμης του ESS θα μπορούσαν να προσομοιώσουν τις συνθήκες για την εφαρμογή της FLASH ακτινοθεραπείας πρωτονίων, μιας καινοτόμου μεθόδου θεραπείας καρκίνου. Η μέθοδος αυτή, που βασίζεται στην ταχεία χορήγηση εξαιρετικά υψηλών δόσεων ακτινοβολίας, στοχεύει στη μείωση των βλαβών στους υγιείς ιστούς διατηρώντας παράλληλα τον έλεγχο του όγκου, χάρη στο φαινόμενο "flash effect." Παρά τα πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα αυτής της μεθόδου, υπάρχουν ακόμα σημαντικές προκλήσεις, καθώς δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως οι βιολογικοί μηχανισμοί πίσω από το φαινόμενο flash. Επιπλέον, απαιτείται περαιτέρω έρευνα για τη βελτιστοποίηση των συστημάτων παράδοσης της δέσμης και τη ρύθμιση της ακριβούς δόσης. Για την προσομοίωση της δέσμης μέχρι το σημείο των spokes του επιταχυντή (216 MeV), χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό OpenXAL. Εκτός από τα αποτελέσματα από το λογισμικό που μελετήθηκαν, όπως το φορτίο του παλμού, η διάμετρος της δέσμης, και τα χαρακτηριστικά της δέσμης στον χώρο των φάσεων, υπολογίσθηκε το εκτιμώμενο βάθος διείσδυσης των πρωτονίων με αυτή την ενέργεια στον ανθρώπινο ιστό. Τέλος, υπολογίσθηκε η δόση σε Gy που αντιστοιχεί στα χαρακτηριστικά του παλμού του ESS. Η εργασία αυτή συμβάλλει στην περαιτέρω κατανόηση των δυνατοτήτων της ακτινοθεραπείας Flash και ανοίγει το δρόμο για νέες καινοτομίες στον τομέα αυτό.	el
heal.abstract	The European Spallation Source (ESS) is designed to produce a high-intensity proton beam, accelerated through various sections of the linear accelerator to energies suitable for neutron production and potential medical applications. One critical section of the accelerator is the spoke section, which consists of 26 superconducting spoke cavities, each powered by an independent RF power station (RFPS). These stations are responsible for accelerating the proton beam from 90 MeV to 220 MeV, with each cavity requiring up to 400 kW of RF peak power. The RFPS utilizes a combination of solid-state pre-amplification and tetrode-based amplification to ensure reliable power delivery. In the current RFPS setup, a failure in any of the amplification branches, such as G1, G2, filament power supplies, the tetrode tube, or components within the tetrode cavity, results in only 100 kW of power reaching the output port, while the other 100 kW is dissipated in a reject load. To address this unreliability and reduce the beam down-time, a variable hybrid combiner (VPC) is developed. The VPC dynamically manages power splitting, ensuring that in case of a branch failure, all 200 kW of power from the operating branch is delivered to the output. Three potential topologies for this combiner were evaluated through simulations using CST, leading to the selection of the optimal topology. The development process involved detailed 3D modeling and optimization, followed by factory acceptance tests at the supplier premises. The final prototype was installed at Test Stand 3 (TS-3), where low-power and high-power tests were performed to validate the system under operational conditions. This work enhances the reliability and efficiency of the RF power distribution system, ensuring that the spoke cavities receive sufficient power to reduce the beam downtime. The second part of this thesis explores the potential of utilizing the ESS proton beam for Proton Flash Radiotherapy (RT), a cutting-edge cancer treatment method that delivers ultra-high dose rates in a fraction of the time compared to conventional therapies. The spoke section, where the beam reaches an energy of approximately 216 MeV, offers promising conditions for simulating Flash RT parameters. Given the well-studied RF power delivery system at ESS, it was evaluated whether this beam could achieve the ultra-high dose rates required for Flash RT. The investigation focused on calculating the penetration depth of the proton beam in tissue and estimating the dose delivered by both a single bunch and a full pulse. These calculations are crucial for determining whether the ESS beam can meet the stringent requirements for Flash RT, particularly in terms of dose control and beam dynamics. The results of this study provide valuable insights into the feasibility of using a similar proton beam as the one in ESS, for medical applications, while addressing the technical challenges involved in adapting the system for such a purpose.	en
heal.advisorName	Γαζής, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Γεωργακίλας, Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Κοψαλής, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών. Τομέας Φυσικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	128 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false