Резонаторы ускоряющих систем изохронных циклотронов для протонной терапии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Гурский Семен Владимирович

• Гурский Семен Владимирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Гурский Семен Владимирович

Введение

Глава 1. Ускорители для протонной терапии и особенности их ускоряющих систем

1.1 Протонная терапия в России и мире

1.2 Методы облучения в протонной терапии

Глава 2. Медицинский циклотрон ОИЯИ-IBA C235-V3

2.1 Общее описание ускорителя

2.1.1 Магнитная система

2.1.2 Источник ионов

2.1.3 Система вывода пучка

2.1.4 Градиент-корректор

2.1.5 Вакуумная система

2.1.6 Система водяного охлаждения

2.1.7 ВЧ система

2.1.8 Центральная область

2.1.9 ВЧ резонаторы

2.1.10 Стойка LLRF

2.1.11 Модулятор

2.1.12 Регулировка напряжения на дуанте

2.1.13 Измерение мощности конечного усилителя мощности (FPA)

2.1.14 Настройка резонатора

2.1.15 Низкоуровневый усилитель мощностью 1 Вт

2.1.16 Предусилитель на 100 Вт (SSA)

2.1.17 Усилитель промежуточной мощности на 5 кВт (1МРА)

2.1.18 Конечный усилитель мощности ^РА)

2.1.19 Источник питания анода мощностью 100 кВт

2.2 Расчет высокочастотной системы С235-У3

2.3 Выводы

Глава 3. Циклотрон SC200 со сверхпроводящей обмоткой

3.1 Общее описание ускорителя SC200

3.2 Обзор ВЧ системы ускорителя SC200

3.2.1 Система LLRF

3.3 Расчет высокочастотной системы SC200

3.3.1 Потери

3.3.2 Тепловая деформация

3.3.3 Подстройка частоты

3.4 "Холодное тестирование"

3.5 Тестирование на полной мощности

3.6 Выводы

Глава 4. Медицинский Изохронный Циклотрон MSC-230 со сверхпроводящей обмоткой

4.1 Общее описание ускорителя

4.2 Описание высокочастотной системы MSC-230

4.2.1 Ввод ВЧ сигнала в резонатор

4.2.2 Описание системы КЬКР и предъявляемые требования

4.2.3 Настройка резонатора

4.2.4 ВЧ генератор

4.2.5 Система охлаждения, описание и параметры:

4.2.6 Система контроля

4.3 Базовый расчет резонатора MSC230

4.4 Расчет системы водяного охлаждения

4.5 Параметрическое моделирование резонатора

4.6 Параметрический расчет резонатора

4.7 Индуктивная петля связи

4.8 Выводы к главе

Заключение

Благодарности

Список литературы

Публикации Автора

Список сокращений и условных обозначений

Термины и определения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Резонаторы ускоряющих систем изохронных циклотронов для протонной терапии»

Введение

Актуальность работы. В современной клинической практике успешно используется метод адронной лучевой терапии, представляющий собой эффективное направление в рамках радиационной онкологии. Данная методика применяется для лечения пациентов, страдающих от онкологических заболеваний различных локализаций. В России годовой спрос на данное лечение составляет около пятидесяти тысяч пациентов. В мире функционирует приблизительно семьдесят центров адронной лучевой терапии, оснащенных протонными и ионными ускорителями, как в рамках медицинских, так и исследовательских учреждений. По состоянию на настоящий момент, более 150 тысяч пациентов прошли лечение с использованием данного метода, что способствовало накоплению значительного объема клинического опыта в применении адронной лучевой терапии [1].

Изохронный циклотрон обладает постоянным магнитным полем и неизменной частотой высокочастотного ускоряющего электрического поля, что обеспечивает его высокую надежность — важное преимущество при использовании в протонной терапии. Основным достоинством циклотрона является генерация квазинепрерывного пучка, состоящего из микроимпульсов, что позволяет достигать высокой интенсивности пучка.

Последние исследования нового многообещающего метода флэш-терапии [4] показали его огромные перспективы для расширения применения протонной терапии на опухоли, ранее не поддающиеся лечению протонами, а также для существенного улучшения качества лечения. Флэш-метод приводит к снижению количества процедур облучения, а, следовательно, к снижению цены лечения, делая его доступным для рядового больного. Для исследования метода имеется необходимое оборудование медицинского пучка МТК ЛЯП, обеспечивающее возможность конформного облучения опухолей. Задача исследования флэш-метода определяет актуальность создания научно-исследовательского инновационного центра, оснащенного современным протонным ускорителем,

системой доставки пучка и лабораторным оборудованием для медико-биологических исследований. Новый циклотрон MSC230 будет использоваться для дальнейших исследований и лечения методом протонной терапии.

На основе ускорителя протонов MSC230 будет создан международный медико-биологический инновационный центр в ЛЯП ОИЯИ для:

1. Проведения фундаментальных и прикладных разработок в области радиационной биологии и медицины, прежде всего методики флэш-терапии на базе методик конформного облучения медицинского пучка МТК ЛЯП;

2. Подготовки и повышения квалификации специалистов в области радиационной биологии и медицины;

3. Создания условий для внедрения новейших технологий в области протонной терапии онкологических заболеваний в клиническую практику [5].

На ближайшие годы планируется выполнить первую задачу, а именно создать циклотрон и разработать оборудование для изучения методики флэш-облучения. Создание проекта циклотрона требует проведения расчетно-теоретических работ как всего ускорителя, так и отдельных систем. Проектированию ускоряющей системе - важнейшей системе циклотрона и посвящена диссертация.

В разработке систем циклотрона MSC230 авторы проекта опирались на опыт, приобретенный при проведении расчетно-теоретических и пусконаладочных работ циклотрона С235 бельгийской компании IBA [7], работы осуществлялись в 20092011 годах. Опыт работ по проектированию циклотрона SC200 [8], совместно с ASIPP (Институт Физики Плазмы китайской Академии Наук) оказался особенно ценным, поскольку ускоритель обладает чрезвычайно высоким магнитным полем. Сектора с высокой спиральностью вызвали сложности для всех систем ускорителя, включая ускоряющую. Для успешного решения этих проблем потребовалось проведение масштабного теоретического и экспериментального моделирования.

Цели и задачи. Целью работы является проектирование и создание высокочастотных систем ускорителей (С235, SC200, MSC230). Эти цели охватывали следующие направления работы автора:

1) Компьютерное моделирование ВЧ резонатора С235

2) Расчет ВЧ резонатора C235

3) Сборка, настройка и запуск ВЧ системы циклотрона C235 в процессе пуско-наладочных работ

4) Компьютерное моделирование ВЧ резонатора SС200

5) Расчет ВЧ резонатора SС200 - поиск рабочих характеристик и сравнение с результатами измерений

6) Создание трехмерной параметрической модели резонатора MSC230

7) Оптимизация расчетной сетки

8) Создание новой методики расчета поиска рабочих характеристик резонатора MSC230 на основе перебора переменных параметрической модели

9) Расчет, проектирование и оптимизация системы охлаждения ускоряющей системы MSC230

10) Расчет индуктивной петли связи

11) Подготовка технического задания на производство ускоряющей системы циклотрона MSC230

Научная новизна работы. На основе разработанной автором оптимизированной трехмерной модели резонатора циклотрона SC200 изготовлена его физическая модель.

Разработана новая комплексная методика проектирования резонаторов на основе метода перебора переменных параметризированной трехмерной модели.

Результаты работы. В представленной диссертационной работе подробно описываются результаты работы автора над ускоряющими системами трёх изохронных циклотронов, каждая из которых обладает своими особенностями и преимуществами:

1. Изохронный циклотрон C235-V3 (IBA-Дубна):

Создана трехмерная модель резонатора и произведен компьютерный расчет по поиску собственных частот, добротности и распределения напряжения вдоль радиуса. Результат компьютерной симуляции показал соответствие результатов как с расчетом бельгийских коллег, так и с характеристиками резонатора серийной

машины: получена рабочая частоты 106.2 МГц, рост ускоряющего напряжения вдоль радиуса от 60 до 120 кВ, величина добротности составила 10852.

Получена карта распределения напряженности электрического поля, вклад которой необходимо было учесть при моделировании динамики пучка в процессе усовершенствования магнитной структуры циклотрона.

2. Изохронный циклотрон со сверхпроводящей обмоткой SC200 (China-JINR):

Впервые создана трехмерная компьютерная модель с оптимизированными рабочими параметрами: собственной частотой, максимально возможным значением добротности и требуемым распределением напряжения вдоль радиуса. Результаты расчета согласуются с результатами расчета китайских коллег, что подтверждено рекомендательным письмом, ознакомиться с которым можно в приложении.

На основе трехмерной компьютерной модели были определены характерные параметры радиочастотного резонатора (собственный режим на рабочей частоте 91.5 МГц, значение добротности составило около 6200, что соответствует проектным требованиям) и создана физическая модель резонатора. Были достигнуты значения напряжения 60 кВ в центре и 120 кВ в зоне вывода.

Основные параметры ВЧ-резонатора были проверены при холодном испытании: ВЧ-резонатор достигал добротности 5200 при резонансной частоте 91,5 МГц, и ускоряющем напряжении величиной 65 кВ (центр) и ~ 115 кВ (вывод), и состоянием связи Sn<-20 дБ. Результаты тестов хорошо согласуются с результатами компьютерного расчета.

Проведен компьютерный анализ системы подстройки для покрытия резонансной частоты 91.5 МГц с полосой пропускания ± 1 МГц, а диапазон регулировки частоты составляет 88,8 МГц ~ 91,8 МГц.

На момент написания диссертации на циклотроне SC200 в Хефее (Китай) пучок был выведен, циклотрон находился в режиме стабильной работы в течение 600 часов. Ускоряющая система работает при параметрах, близких к проектным, создавая расчетное ускоряющее напряжение.

3. Циклотрон MSC230 (ЛЩ):

Автор разработал новую методику моделирования и расчета резонаторов. Создал трехмерную параметрическую модель резонатора, оптимизировал его геометрию и провел компьютерную симуляцию при помощи новой методики расчета.

Спроектировал систему охлаждения: используя результаты расчетов электромагнитного поля внутри резонатора, произвел оценку нагрева его узлов, смоделировал контуры охлаждения и провел термический компьютерный анализ. Это позволило оптимизировать процесс распределения тепла и значительно снизить результирующий нагрев, что, в свою очередь, обеспечит стабильность работы ускоряющей системы.

Провел компьютерный расчет индуктивной петли связи: определил ее геометрические размеры (площадь) с возможностью подстройки для согласованной передачи полной мощности в резонатор.

Результаты работы демонстрируют значительный прогресс в разработке компактных и эффективных ускорительных систем, способных обеспечить ускорение пучка до требуемой энергии.

Практическая значимость. Циклотрон С235 успешно функционирует в городе Димитровграде: только за восемь месяцев 2021 года высокотехнологичную помощь в рамках одного медицинского центра получило более тысячи онкологических пациентов [6]. Сборка, настройка и запуск циклотрона проводились в Дубне, при тестах с пучком ускоритель показал корректную работу.

Циклотрон SC200 изготовлен, получен выведенный пучок. Интенсивность внутреннего пучка около 400 нА. При создании ускорителя были оттестированы все основные системы, а также линия транспортировки пучка и гантри. Запуск опытного образца SC200 положил начало серийному производству циклотронов с энергией 240 МэВ.

Циклотрон MSC230 находится на стадии проектирования и будет работать в инновационном центре ЛЯП ОИЯИ для медико-биологических исследований.

Достоверность. Автор участвовал в сборочных и пуско-наладочных работах, и при этом лично убедился в том, что реальные характеристики резонатора соответствуют проведенным расчетам. Опираясь на опыт расчета резонатора С235-У3 и С400 [10] проводилось моделирование резонаторов SC200 и MSC230 с использованием тех же методик. Достоверность расчетов подтверждена успешной работой ускорителя С235 в Димитровграде и пуском SC200. Положения, выносимые на защиту:

• Оптимизированная компьютерная модель резонатора циклотрона SC200, на основе которой были изготовлены ускоряющие резонаторы. При расчете автор получил рабочие параметры: собственную частоту, максимально возможное значение добротности и требуемое распределение напряжения вдоль радиуса.

• Новая методика проектирования резонаторов: применен метод расчета характеристик резонаторов, основанный на переборе переменных, заданных в параметрической модели. Этот метод отличается от традиционных подходов, обеспечивая более быстрое и точное определение характеристик.

• Модель резонатора MSC230, обладающего необходимыми для ускорения пучка характеристиками: рабочей частотой 106,5 МГц, высокой добротностью 11200 и напряжением, растущим от центра к радиусу вывода с коэффициентом порядка двух.

• Спроектирована система охлаждения резонатора циклотрона MSC230, основанная на результатах расчета прямого импорта распределения потерь на поверхности резонатора в тепловой расчетчик CST. Это позволило оптимизировать процесс распределения тепла и значительно снизить результирующий нагрев, что, в свою очередь, обеспечит стабильность работы ускоряющей системы.

• Результат расчета индуктивной петли связи резонатора циклотрона MSC230 с оптимизированными размерами и положением, обеспечивающими хорошее согласование.

В каждом из этих пунктов новизна заключается в использовании современных методов, подходов и расчетов, которые позволили получить новые данные и улучшить характеристики исследуемых объектов.

Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались автором на молодежных конференциях ОМУС, семинарах ЛЯП, международных семинарах по проблемам ускорителей заряженных частиц, посвященных памяти В.П. Саранцева, а также международных совещаниях в рамках проектов.

Данные работы, были поддержаны грантами ОИЯИ для молодых ученых и специалистов в 2015 и 2018 годах. В 2008 г. на конференции ОМУС и на V ежегодной научной конференции молодых ученых и специалистов Алушта-2016 доклад автора был выделен, как лучший доклад в секции ускорителей.

Публикации. По результатам диссертации в соавторстве оформлен 1 патент [13] на изобретение, опубликовано 4 статьи в реферируемых журналах [3][13][15][16], и двенадцать статей в трудах международных конференций.

Личный вклад автора. Все результаты, приведенные в работе, получены самим автором или при его непосредственном участии. Автор принимал участие в сборке, настройке, отладке и запуске ускорителя С235, предназначенного для Федерального высокотехнологичного центра медицинской радиологии ФМБА России города Димитровград [11]. Автор занимался созданием компьютерных моделей ВЧ резонаторов изохронных циклотронов С235, SC200, MSC230, их симуляцией и анализом результатов для достижения требуемых условий для успешного ускорения и вывода пучка с необходимыми характеристиками. В соавторстве было подготовлено ТЗ по ускоряющей системе циклотрона MSC230.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, списка сокращений и условных обозначений. Общий объем диссертации - 147 страниц, включая 105 рисунков и 12 таблиц. Список литературы содержит 52 наименования.

Во Введении обоснована актуальность работы, новизна и ее практическая значимость, а также достоверность и личный вклад автора.

В первой главе описываются принципы лечения протонами и актуальность протонной терапии в современном мире, обзор действующих протонных центров в мире и в России и особенности ускоряющих систем изохронных циклотронов.

Во второй главе дано общее описание изохронного циклотрона C235, приведены общие параметры основных систем ускорителя. Более детально представлена высокочастотная система, приведены компьютерные расчеты резонатора в программе CST MWS [12].

В третьей главе представлено описание изохронного циклотрона SC200, приведены общие параметры основных систем ускорителя. Детально описана высокочастотная система, приведены компьютерные расчеты резонатора в программе CST MWS, результаты сравнения с экспериментально измеренными параметрами показали хорошее соответствие с расчетными данными.

В четвертой главе дано общее описание изохронного циклотрона MSC-230, приведены общие параметры основных систем ускорителя. Более детально описана высокочастотная система, описаны требования к высокочастотной системе для ее производства в НИИЭФА, приведены результаты компьютерных расчетов резонатора в программе CST Studio Suite и Solidworks.

В заключении сформулированы основные результаты.

Глава 1. Ускорители для протонной терапии и особенности их ускоряющих

систем

Для проведения протонной терапии требуется ускорение пучка протонов до энергий в диапазоне 60-230 МэВ. На сегодняшний день ускорение до этих энергий возможно посредством следующих ускорителей: циклотрона, синхроциклотрона и синхротрона. Также ведутся разработки линейных ускорителей для протонной терапии. Каждый из этих типов ускорителей имеет свои преимущества и недостатки.

Циклотрон отличается высокой надежностью и простотой конструкции, благодаря использованию постоянного магнитного поля и ускоряющей системы с постоянной частотой, высоким током пучка, а также возможностью точной и быстрой модуляции интенсивности пучка. Однако его недостатком является возможность вывода пучка только с фиксированной энергией. Для получения более низких энергий применяется система выбора энергии, ухудшающая параметры пучка.

Синхротрон обеспечивает высокое качество пучка, но при этом имеет значительно меньший ток. Необходимость использования бустера делает синхротрон более габаритным и дорогостоящим по сравнению с другими типами ускорителей.

Синхроциклотрон обладает теми же недостатками, что и циклотрон, при этом импульсный характер ускорения приводит к невысокой средней интенсивности пучка [9].

1.1 Протонная терапия в России и мире

Несмотря на то, что протонная терапия начала разрабатываться для медицинских целей в середине ХХ века, изначально этот метод использовался исключительно в научных экспериментах. Первый медицинский центр,

специализирующийся на применении протонов для лечения раковых заболеваний, был создан в 1990 году в Лома Линде, Калифорния, США. Согласно данным Particle Therapy Co-Operative Group (PTCOG), в настоящее время по всему миру существует порядка 100 ускорителей протонов, используемых для медицинских нужд, включая как клинические центры, так и исследовательские институты. Большинство из них расположены в США (19), Японии (12) и Германии (6) [14] [ 15].

Синхротрон Hitachi

Компания Hitachi предложила и разработала систему протонной терапии, в основе которой лежит синхротрон с максимальной энергией пучка 250 МэВ, системой транспортировки пучка и вращающихся гантри. Настоящая система обладает рядом функций, необходимых для ежедневных процедур, одной из которых является высокостабильный протонный пучок с простой системой управления. Например, изменение положения пучка в облучающем сопле поддерживается на уровне 0,5 мм без контроля обратной связи при ежедневных процедурах. Эта характеристика, которая особенно важна для облучения за счет двойного рассеяния или сканирования карандашным пучком, реализуется благодаря новой технологии Hitachi медленного вывода пучка, стабильного источника питания и магнитов и т.д. Еще одной особенностью является гибкая работа при лечении: синхронизация с дыханием пациента, то есть время работы синхротрона и вывод пучка варьируется в соответствии с сигналами дыхания пациента. Эти функции необходимы для надежной, точной и экономичной работы при протонной терапии рака [16].

Синхротрон Mitsubishi

В 2001 году компанией Mitsubishi Electric был разработан компактный протонный синхротрон, оснащенный четырьмя поворотными магнитами. Линейный ускоритель с энергией 3 МэВ и высокочастотной фокусировкой служит

инжектором, а сам синхротрон способен ускорять протоны до энергии в диапазоне от 70 до 235 МэВ, обеспечивая поток около 3х1010 протонов в секунду [17].

Синхроциклотрон Mevion

Синхроциклотрон Mevion Medical Systems: MEVION S250i — это система протонно-лучевой терапии, которая предназначена для доставки протонного пучка с предписанной дозой и распределением в месте нахождения опухоли. Ускоритель представляет собой синхроциклотрон со сверхпроводящей обмоткой с энергией протонов 230 МэВ и высокоточную вращаемую систему гантри. Роботизированная кушетка обеспечивает высокоточное позиционирование пациента с 6 степенями свободы [21].

Высокочастотные системы синхротронов и синхроциклотронов сложнее, чем у циклотрона, из-за необходимости динамически менять частоту ускоряющего поля в процессе работы. Это требует сложных систем управления, синхронизации с изменяющейся энергией частиц или магнитным полем, тогда как в циклотроне частота фиксирована, что упрощает конструкцию и эксплуатацию.

Ускорители IBA

IBA, основанная в 1986 году, является международной компанией в области медицинских технологий, специализирующейся на разработке комплексных инновационных решений для диагностики и лечения онкологии.

S2C2 — компактный синхроциклотрон, неизохронный ускоритель, предназначенный для одной процедурной комнаты. Разработан с учетом снижения затрат и компактности с целью сделать протонную терапию более доступной (для сравнения его диаметр примерно в 2 раза меньше, чем у С235, который описан ниже). Существуют важные различия между обычным изохронным циклотроном и синхроциклотроном. В синхроциклотроне сила магнитного поля не увеличивается с радиусом для компенсации релятивистского увеличения массы со скоростью, а остается азимутально-симметричной. Частота ВЧ-поля становится периодически

модулированной, в отличие от постоянной, и ускоритель производит импульсный пучок, а не непрерывный. Извлеченный пучок имеет относительно низкую интенсивность, обычно порядка нескольких сотен наноампер, однако этого более чем достаточно для применения в протонной терапии. Как и во всех синхроциклотронах, частота ВЧ-поля изменяется во время ускорения: частота варьируется от 92 МГц до 62 МГц. Это реализовано благодаря инновационной и запатентованной конструкции вращающегося конденсатора (КОсо). Мощность ВЧ-поля обеспечивается генератором на основе триода, емкостно связанным с резонатором. ВЧ-система синхроциклотрона ускоряет частицы на первой гармонике и обеспечивает частоту ВЧ-поля 87,5 МГц в центре ускорителя и 63,3 МГц на радиусе вывода. Принцип работы ВЧ-резонатора основан на полуволновой линии передачи, к одному концу которой подключен дуант с угловой протяженностью 180°, а к противоположному концу подключен вращающийся конденсатор. Вращение происходит со скоростью 7500 об/мин с частотой повторения 1 кГц [18].

Циклотрон С235, описываемый в работе автора, является серийной машиной. Это изохронный циклотрон на основе магнита броневого типа. Вариация магнитного поля циклотрона создается четырьмя парами спиральных секторов. Ускоряющая высокочастотная система состоит из двух высокодобротных резонаторов, расположенными в противоположных долинах полюсов электромагнита, системами ВЧ-питания, стабилизации и управления. Система вывода состоит из электростатического дефлектора, корректора градиента магнитного поля и фокусирующего квадрупольного дублета на основе постоянных магнитов. Циклотрон имеет диаметр 4.3 м, его вес составляет 220 тонн, максимальный вес неразборной конструкции циклотрона 108 тонн. Циклотрон имеет профилированный по высоте (эллиптический) зазор в холмах, уменьшающийся от центра к радиусу вывода с 9.6 до 0.9 см. Вертикальная апертура дуанта составляет 2 см [19]. Потребляемая мощность электроэнергии циклотрона составляет 450 кВт. Максимальная энергия ускоренных протонов в циклотроне составляет 235 МэВ. Внутренний ионный источник расположен в центре (щель

источника находится на радиусе~1.5 см) и вводится в циклотрон вертикально. Ток внутреннего протонного пучка равен около 400 нА [19].

Циклотрон Varian Medical Systems: изохронный циклотрон компании Varian имеет компактные размеры и сверхпроводящую обмотку магнита. Он стал первым доступным на рынке изохронным циклотроном с сверхпроводящим электромагнитом для использования в медицинским целях и работает уже с 2007 года. Непрерывный и стабильный пучок протонов способен выполнять лечение протонной терапией с модулированной интенсивностью за более короткое время и с более конформной дозой, чем при доставке пассивным рассеиванием. Его энергетические возможности позволяют осуществлять доставку доз радиации к опухолям, залегающим на глубине 4-30 см, обеспечивая широчайший энергетический диапазон для лечения - без использования переключателей диапазона действия [14][17]. Особенностью ускоряющей системы циклотрона является 4 резонатора, работающие на 2 кратности ускорения в противофазной (push-pull) моде. К недостаткам стоит отнести большую потребляемую мощность.

В настоящее время ведущими направлениями развития протонной терапии являются: уменьшение габаритов и веса протонных установок, использование активного сканирования [17] карандашным пучком, сокращение времени пребывания пациентов в процедурных комнатах, модулирование интенсивности пучка.

Несмотря на активное развитие протонной терапии, в следствие дороговизны лечения, происходит переход от многокабинных центров к малогабаритным однокабинным комплексам [17].

1.2 Методы облучения в протонной терапии

На выходе из ускорителя обычно получают узкий пучок, порядка 7-8 мм в диаметре. Для доставки пучка в опухоль используются следующие методы: пассивное рассеяние, равномерное сканирование, сканирование карандашным

пучком и метод флеш-терапии. Метод пассивного рассеяния является самым простым и быстрым способом формирования протонных пучков, при котором пучку протонов придается форма опухоли при помощи электромеханических приспособлений (рассеивателей, модуляторов, гребенчатых фильтров, коллиматоров, деградеров, компенсаторов), часть из которых индивидуально изготавливается для конкретного пациента.

При равномерном сканировании применяют специальные магниты для расширения пучка и коллиматоры для подстройки пучка к размерам лечебного поля.

Метод карандашного пучка, более точный метод импульсного сканирования, используется в современных системах оптимизированной протонной терапии. Фактически, протонный пучок "раскрашивает" опухоль, как карандаш, от края до края, при этом на разной глубине. То есть происходит послойное облучение опухоли, где каждый новый слой повторяет форму новообразования. В данном случае нет необходимости использовать коллиматоры, так как перед тем, как выйти из сопла, пучок проходит ряд отклоняющих его магнитов.

Описанные методы не требуют высокой интенсивности пучка и могут быть реализованы на ускорителях разных типов.

Флэш-терапия: одной из новых парадигм в лучевой терапии является метод облучения с мгновенной доставкой дозы. Методология флэш-терапии заключается в подаче миллисекундных импульсов облучения (общее время работы пучка < 100500 мс) с высокой средней мощностью дозы (> 40-100 Гр/с) и амплитудой импульса (> 106 Гр/с), что более чем в 2000 раз быстрее, чем при обычной радиотерапии [4][9]. Подобная чрезвычайно высокая доза излучения не затрагивает здоровые ткани, повреждая только раковые клетки. При этом число сеансов лечения может сократиться до 1-3. Однако, следует иметь ввиду, что данный метод выставляет требование к ускорителю - средний ток пучка по разным оценкам должен составлять порядка 0,5-2 мкА для всего диапазона применяемых в лечении энергий [9] . В связи с такими высокими требованиями к интенсивности был разработан специализированный циклотрон, отличающийся сравнительно невысоким уровнем

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гурский Семен Владимирович, 2025 год

- //

R . mm

mean

Рис. 4.42 Влияние диаметра внутренней стемы на напряжение

Анализ расположения внутренней стемы

Проведем аналогичный расчет с расположением внутренней стемы. Будет рассчитано влияние ее расположения на радиусах 460 мм, 480 мм, 500 мм. Толщина стемы имеет фиксированный размер. Графики зависимости частоты, добротности, потерь от ее положения показаны на Рис. 4.43 - Рис. 4.45.

| —*— Frequency (Mode 2) |

Рис. 4.43 Зависимость частоты от радиуса расположения внутренней стемы

1------- | —То1а10_Е1дептос1е_2 |

Рис. 4.44 Зависимость добротности от радиуса расположения внутренней стемы

| |

Рис. 4.45 Зависимость потерь от радиуса расположения внутренней стемы

Как и в случае с внешней стемой рассмотрим влияния ее расположения на распределение напряжения в ускоряющем зазоре (Рис. 4.46). На Рис. 4.47 отображены рассчитанные значения частоты, добротности и потерь.

1st and 2nd gap voltage.

-1 st gap stem 1 position 460 ШШ

— 2nd gap stem 1 position 500 mm 1 si gap stem 1 position 500 mm

0 200 400 600 800 1000 1200

Рис. 4.46 Влияние расположения первой стемы на напряжение

? 3D Run ID D1 M_mesh V_rnesh Frequency (Mode 2) Total Lo en m ode_2 Total Q_Ei gennnode_2

-H 5 54U BU lUbjittrt) iya/2

-H 6 460 80 20 106.77 61232.3 10972

-H 7 500 80 20 106.015 60569 11013.5

-Д 3 480 80 20 106.416 60868.1 11000.8

Рис. 4.47 Рассчитанные значения частоты, добротности, потерь от расположения внутренней стемы

При текущих вариантах размещения стемы наблюдается, что она не оказывает значительного влияния на распределение напряжения вдоль радиуса. Поэтому требуется найти оптимальное соотношение толщины первой и второй стемы для достижения проектной частоты. При этом следует учитывать, что внутри стемы расположены охлаждающие трубки, и по конструктивным причинам диаметр стемы не может быть меньше 60 мм.

Анализ диаметра внешней стемы

Аналогичную работу проведем и с внешней стемой. Оценим влияние ее толщину на напряжение в зазоре (Рис. 4.48) и влияние на частоту (Рис. 4.49).

Рис. 4.48 Влияние диаметра внешней стемы на распределение напряжения в зазоре

Произведем анализ диаметра внешней стемы. Диаметр внутренней стемы равен 60 мм.

| —•— Ргеяиепсу (Мос1е 2) |

Рис. 4.49 Зависимость частоты от диаметра внутренней стемы

Анализ расположения внешней стемы

Оценим влияние расположения внешней стемы на частоту (Рис. 4.50), добротность (Рис. 4.51) и потери (Рис. 4.52). Как видно на Рис. 4.53 расчеты велись при монтаже стемы на радиусах 1695 мм, 1735 и 1775 мм. Влияние расположения второй стемы на распределение напряжения в зазоре показано на Рис. 4.54.

| —*— Ргеяиепсу (Мос1е 2) |

Рис. 4.50 Зависимость частоты от радиуса расположения внешней стемы

11200 11150 11100 11050 11000 10950 10900 10850 10800 10750 10700

10650 1690

| —Т<Ла10_Е1дептос1е_2 |

Рис. 4.51 Зависимость добротности от радиуса расположения внешней стемы

59500 41690

I I

Рис. 4.52 Зависимость потерь от радиуса расположения внешней стемы

3D Run ID D2 0: Current...

1 1695

2 1735

3 1775

Frequency [Mode 2) TotalLoE£_Eigenmode_2 TotalCLEigennnode_2

105.992 106.878 107.462

59740,7 61645.2 6B2B3

11162,4 109 OS, 6 10684.7

Рис. 4.53 Рассчитанные значения частоты, добротности, потерь от расположения

внешней стемы

Рис. 4.54 Влияние расположения второй стемы на распределение напряжения в зазоре

Анализ ширины ускоряющего зазора

Ширина ускоряющего зазора в резонаторе оказывает значительное влияние на динамику пучка. В частности, она влияет на следующие аспекты:

1. Напряженность электрического поля: более широкий зазор обычно приводит к уменьшению напряженности электрического поля в зазоре, что может снизить эффективность ускорения пучка. Узкий зазор, наоборот, увеличивает напряженность поля и может повысить эффективность ускорения.

2. Распределение напряжения: Ширина зазора влияет на распределение напряжения вдоль радиуса. Широкий зазор может привести к менее равномерному распределению напряжения, в то время как узкий зазор способствует более сосредоточенному распределению поля, что может улучшить динамику пучка.

3. Потери энергии: Ширина зазора также влияет на потери энергии в пучке. Узкий зазор может увеличивать потери из-за большего градиента напряжения, тогда как широкий зазор может снижать потери, но также уменьшать эффективность ускорения.

4. Эффект фазовой компрессии: В широком зазоре пучок может испытывать меньшую фазовую компрессию, что может негативно сказаться на его динамике. Узкий зазор может усилить фазовую компрессию, улучшая фокусировку пучка и повышая его энергию.

Таким образом, правильный выбор ширины ускоряющего зазора важен для оптимизации характеристик резонатора и достижения желаемой динамики пучка. Внешний вид параметризации ускоряющего зазора показан на Рис. 4.55. При расчете ширина зазора на радиусе вывода была задана в диапазоне от 110 мм до 140 мм с шагом 10 мм. Влияние ширины ускоряющего зазора на распределение напряжения в зазоре показано на Рис. 4.56. Значение частоты, потерь и добротности можно увидеть в Таблице 11 .

1st and 2nd gap voltage.

0 200 400 600 boo 1000 1200

Рис. 4.56 Влияние ширины ускоряющего зазора на распределение напряжения в зазоре

Таблица 11 Рассчитанные значения частоты, добротности, потерь от ширины

ускоряющего зазора

Ширина зазора на конечном радиусе Частота Потери Добротность

140 мм 110,541 МГц 71082 9790

130 мм 108,53 МГц 69468 9835

120 мм 107,186 МГц 67802 9952

4.7 Индуктивная петля связи

Индуктивная петля связи представляет собой электрический компонент в виде изогнутой пластины из меди, которая применяется в создания и передачи переменного магнитного поля без прямого электрического контакта. Внешний вид показан на Рис. 4. 57. Площадь индуктивной петли оказывает значительное влияние на согласование и эффективность передачи сигнала между генератором и резонатором. Увеличение площади увеличивает поток магнитного поля, что приводит к увеличению взаимной индуктивности и улучшению передачи энергии, но может потребовать соответствующего изменения емкости контура для сохранения резонансной частоты.

Петля устанавливается в пучности тока, как показано на Рис. 4.58, а площадь витка связи (петли) перпендикулярна линиям магнитного поля резонатора, Рис. 4.59. Очень часто индуктивным сопротивлением витка связи пренебрегать нельзя, так как часть наведенной в витке э.д.с. падает на индуктивном сопротивлении витка и, как следствие, в нагрузку невозможно передать заданную мощность. Для компенсации этого приходится увеличивать площадь петли. Резонансное сопротивление нагруженного резонатора при фиксированном положении витка связи уменьшается с укорочением длины волны. Для повышения резонансного сопротивления нагруженного резонатора в коротковолновом участке диапазона

следует уменьшить величину связи резонатора с нагрузкой. Наиболее просто это делается поворотом витка связи. Задачей расчета индуктивной связи является определение размеров витка связи [52].

Расчет петли проводился при помощи CST Studio Suite, модуля frequency domain solver: вычислитель выполняет расчет трехмерной электродинамической задачи методом конечных элементов (FEM). Моделирование осуществляется на определенных частотных точках, а для получения полного спектра используется свипирование по частоте (периодическое изменение частоты колебаний). Дискретизация расчетной области может выполняться как гексагональными, так и тетрагональными элементами объемного разбиения. Внешний вид расчетной локальной сетки показан на Рис. 4.60. В результате проведения моделирования в частотной области получим параметры матрицы рассеяния (S-параметры).

Рис. 4.57 Внешний вид индуктивной петли связи

Рис. 4.58 Место установки петли, распределение векторов магнитного поля в плоскости сечения Ъ

Рис. 4.59 Место установки петли, распределение векторов магнитного поля в плоскости сечения У

S-Parameters [Magnitude]

Sl,l : -29.189382

105 106 106.68 107 108

Frequency / MHz

Рис. 4.61 Рассчитанное значение коэффициента отражения S11

Разработкой петли связи занимаются сотрудники НТЦ «ЛУЦ», АО «НИИЭФА». После обсуждения дизайна петли с автором была передана трехмерная модель петли, и автор произвел ее компьютерный расчет. Расчет показал, что площадь петли хорошо оптимизирована: величина -29 db соответствует КСВ=1,07 - табличное значение) и удовлетворяет рабочим характеристикам. Расчет S11 показан на Рис. 4.61.

4.8 Выводы к главе 4

• Разработана трехмерная параметрическая модель резонатора, обладающего необходимыми для ускорения пучка характеристиками.

• Предложен новый метод расчета в CST на основе перебора переменных, заданных в трехмерной параметрической модели.

• Произведена оценка влияния толщины пластины дуанта на частоту, добротность и распределение напряжения вдоль ускоряющего зазора

• Произведена оценка влияния диаметра внутренней стемы на частоту, добротность и распределение напряжения вдоль ускоряющего зазора

• Произведена оценка влияния расположения внутренней стемы на частоту, добротность и распределение напряжения вдоль ускоряющего зазора

• Произведена оценка влияния диаметра внешней стемы на частоту, добротность и распределение напряжения вдоль ускоряющего зазора

• Произведена оценка влияния расположения внешней стемы на частоту, добротность и распределение напряжения вдоль ускоряющего зазора

• Произведена оценка влияния ширины ускоряющего зазора на частоту, добротность и распределение напряжения вдоль ускоряющего зазора

• Произведен расчет системы охлаждения

• Произведен расчет потерь давления в трубках охлаждения

• Предложен способ подстройки резонатора под необходимую частоту посредством обточки внешней стемы.

• Произведен поверочный расчет индуктивной петли связи

• Подготовлено техническое задание для производства ускоряющей системы В результате расчетов определены следующие параметры резонатора,

указанные в Таблице 12:

Таблица 12 Проектные параметры резонатора

Параметр значение

Высота резонатора, мм 561

Расстояние между пластинами дуантов, мм 21

Радиус вывода, мм 1070

Радиус внутренней стемы, мм 66

Радиус внешней стемы, мм 66

Положение внутренней стемы, мм 460

Положение внешней стемы, мм 1760

Толщина пластины дуанта, мм 14

Ширина ускоряющего зазора на радиусе вывода, мм 130

Угловая протяженность резонатора, град 45/27

Заключение

В работе представлены результаты проектирования и наладки полуволновых резонаторов ускоряющих систем циклотронов для протонной терапии. Показаны особенности проектирования, позволяющие создание эффективных высокодобротных резонаторов. В ходе исследования:

1. Впервые при разработке высокочастотного резонатора циклотрона SC200 был применён новый подход, включающий создание трёхмерной компьютерной модели с последующей оптимизацией рабочих параметров (собственной частоты, добротности, распределения напряжения вдоль радиуса). В результате:

• Определены основные характеристики резонатора (собственная частота — 91,5 МГц, добротность — около 6200, напряжение 60 кВ в центре и 120 кВ в зоне вывода).

• Разработана и реализована система подстройки резонансной частоты (закорачивающие устройства) в диапазоне 88,8-91,8 МГц.

Изготовленная физическая модель резонатора, подтвердила правильность компьютерного моделирования ускоряющего резонатора.

2. В процессе дальнейшего развития методики проектирования резонаторов для циклотрона MSC230 достигнуты следующие результаты:

• Оптимизирована геометрия резонатора, обеспечивающая требуемые параметры: собственная частота — 106,5 МГц, расчетная добротность — около 11 000, распределение напряжения вдоль радиуса — от 50 до 90 кВ.

• Выполнен анализ нагрева узлов резонатора.

• Рассчитаны рабочие параметры потока и потери давления в системе охлаждения.

• Определены геометрические размеры (площадь) индуктивной петли связи с возможностью подстройки для эффективной передачи мощности в резонатор.

• Разработанная ускоряющая система будет изготовлена в соответствии с оптимизированной компьютерной моделью.

Сравнительный анализ показал, что при схожих характеристиках резонатора MSC230 и резонатора серийного циклотрона С235 оптимизация конструкции позволила увеличить расчетную ненагруженную добротность на 10%. Верификация метода расчёта резонатора циклотрона С235 была выполнена путём сопоставления с экспериментальными и теоретическими результатами бельгийских коллег, что подтвердило корректность полученных данных.

Полученные результаты демонстрируют значительный прогресс в разработке компактных и энергоэффективных ускорительных систем изохронных циклотронов. Разработанные системы обеспечивают высокий темп ускорения пучка (500 оборотов в MSC230 против 800 оборотов в С235-У3), что имеет важное значение для повышения эффективности ускорителей.

Кроме того, накопленный объем расчетных данных послужит основой для дальнейшего использования в машинном обучении моделей, что позволит усовершенствовать проектирование и оптимизацию ускорительных систем в будущих циклотронах.

Благодарности

Выражаю глубокую благодарность директору ОИЯИ, академику РАН Трубникову Григорию Владимировичу за организацию работы по созданию циклотрона MSC230, член-корреспонденту РАН Ширкову Григорию Дмитриевичу за организацию сотрудничеств с Бельгийской фирмой и Институтом физики плазмы г. Хэфэй (Китай), профессору, доктору физико-математических наук Сыресину Евгению Михайловичу за руководство при работе над проектом C235-V3, начальнику отдела НЭОНУ ЛЯП доктору физико-математических наук Карамышевой Г.А. за внимательное критическое прочтение диссертационной работы. Так же хотелось бы особо поблагодарить Карамышева О.В. за научное руководство и постановку задачи, Долю С.Н. за помощь в работе над текстом, Романова В.М., Синицу А.А. и других сотрудников отдела за поддержку и ряд полезных советов.

Список литературы

1. Агапов А.В. 50 лет со дня облучения первого пациента протонным пучком в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна) / А.В. Агапов и др. // Медицинская физика. - 2017. - N 4 (76). - Сс. 121-125. ISSN: 1810-200X.

2. Савченко О.В. 40 лет протонной терапии на синхроциклотроне и фазотроне ЛЯП ОИЯИ / О.В. Савченко // Медицинская физика. - 2007. - N 3-4.

3. Агапов А.В. Опыт использования протонной лучевой терапии в Объединенном Институте Ядерных Исследований, г. Дубна / А.В. Агапов и др. // Медицинская радиология и радиационная безопасность. - 2019. - Т. 64. - N 2. - Сс. 61-69.

4. Patriarca A. FLASH Radiation Therapy: Accelerator Aspects // 11th Intern. Part. Accel. Conf. "IPAC 2020", Caen, France. - 2020.

5. Концепция разработки и создания научно-клинического центра протонной терапии на основе сверхпроводящего протонного циклотрона MSC-230 в г. Дубте [Электронный ресурс] / А.В. Агапов и др. - 2023. - Режим доступа: http://www1.iinr.ru/Books/Proton terap.pdf

6. Вероника Скворцова посетила с рабочим визитом г. Димитровград [Электронный ресурс] - 2021. - Режим доступа: https://fnkcrio.ru/news/veronika-skvortsova-posetila-s-rabochim-vizitom-g-dimitrovgrad

7. Kostromin S.A. Cyclotron C235-V3 for Dimitrovgrad Hospital Center of the Proton Therapy / SA. Kostromin, ..., S.V. Gurskiy et al. // JACoW, Geneva, Switzerland. - 01 Jan 2014. http://accelconf.web.cern.ch/IPAC2014/doi/JACoW-IPAC2014-WEPRI090.html?n=IPAC2014/doi/JACoW-IPAC2014WEPRI090.html

8. Gurskiy S.V. Research and development of a compact superconducting cyclotron SC200 for proton therapy TUPMR016 / S.V. Gurskiy, G.A. Karamysheva, O.V. Karamyshev, S.A. Kostromin, N.A. Morozov, E.V. Samsonov, G.D. Shirkov, Y. Bi, Y. Song, K. Ding, G. Chen // Proceedings of IPAC2016, Busan, Korea. - 2016. - Гр. 1262 - 1264.

9. Карамышев О.В. Исследования и разработка сверхпроводящего циклотрона SC230 для протонной терапии / О.В. Карамышев, ..., С.В. Гурский и др. // Письма в ЭЧАЯ. - 2021. - Т. 18. - N 1(233). - Сс. 73-85.

10. Yves Jongen, ... , Semion Gurskiy et al. RF cavity design for superconducting C400 cyclotron / Yves Jongen, ... , Semion Gurskiy et al. // Physics of Elementary Particles and Atomic Nuclei Letters. - 2012. - Vol. 8. - N 4 (167). - Pp. 647-654. ISSN:1814-5957, eISSN:1814-5973, Изд:ЛШ, Publishing Department.

11. Syresin E. M. C235V3 Cyclotron for a Proton Therapy Center to be Installed in the Hospital Complex of Radiation Medicine / E.M. Syresin, ..., S.V. Gurskii et al. // Technical Physics. The Russian journal of applied physics. - 2014. - Vol. 84. - N 6. -Pp. 132-139. ISSN:1063-7842.

12.CST Studio Suite [electronic resource]: Electromagnetic Field Simulation Software. https://www.3ds.com/products-services/simulia/products/cst-studio-

suite/?utm source=cst.com&utm medium=301&utm campaign=cst

13. Сверхпроводящий компактный изохронный циклотрон: Patent 2702140(RU), BIPM № 28 / K.S. Bunyatov, ... O. V. Karamyshev et al. // 04.10.2019

14. Мухина И.Г. Современное состояние адронной терапии в России и в мире: география и оснащенность / И.Г. Мухина, А.А. Жеравин, // International Journal of medicine and psychology. - 2021. - T. 4. - N 3. - Сс. 124-132.

15. Центры протонной терапии в мире [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https: //protherapy.ru/centry-protonnoi -terapii-v-mire

16. Kiyomitsu Kawachi Current Status of Particle Therapy Facilities in Japan // PTCOG meeting, Nov. Tsukuba, Japan. - 2001.

17. Черняев А.П. Ускорители протонов в лучевой терапии / А.П. Черняев и др. // Медицинская радиология и радиационная безопасность. - 2019. - Т. 64. - N 2. -Сс. 11-22.

18. E. Pearson, ..., et al The new IBA superconducting synchrocyclotron (S2C2): from modeling to reality // Eleventh International topical meeting on nuclear applications of accelerators, Bruges, Belgium, 2013

19. Ширков С.Г. Циклотрон C235-V3 для центра протонной терапии госпитального комплекса медицинской радиологии в Димитровграде / С.Г. Ширков, С.В. Гурский и др. // Журнал технической физики. - 2014. - Т. 84. - N 6. - Сс. 132139.

20. Карамышева Г.А. Динамика пучка в циклотроне C235-V3 для протонной терапии / Г.А. Карамышева и др. // Журнал технической физики. - 2012. - Т. 82. - N 1.

21. Mevion s250i with hyperscan and adaptive aperture™ [electronic resource]: cyclotron description. https://www.mevion.com/products/mevion-s250i-hyperscan-adaptive-aperturetm

22. Пряничников А.А. Введение в физику и технику протонной терапии: учебное пособие. / А.А. Пряничников, А.П. Черняев, В.С. Хорошков. -Москва: Отдел оперативной печати физического факультета МГУ, 2019. -104 с.

23. Мицын Г.В. Совершенствование методов, технологий, режимов планирования и проведения лучевой терапии на период 2020-2022 / Г.В. Мицын, К.Ш. Восканян // Аннотация проекта. - 2022.

24. Лебедева Ж.С. Выбор системы коллимации и рассеяния протонной офтальмологии с целью гарантии ее качества / Ж.С. Лебедева, Ю.Б. Шуракова // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. -2013. - N 4-1(182). - Сс. 66-71.

25. Протонная терапия при онкологии - новые возможности лечения [Электронный ресурс]: описание протонной терапии. https://tomo-pet.ru/protonnaya-terapiya-pri-onkologii/

26. Ширков С.Г. Формирование медицинского пучка в циклотроне C235-V3 для новых методов протонной терапии и роль дельта-электронов при ее реализации: дис. ... канд. физ.-мат. наук: 03.01.01/ Ширков Степан Григорьевич. - Дубна, 2013. - 123 с.

27. Biomedical Research Center for Proton Therapy of Oncological Diseases in Dubna [electronic resource]

https: //indico .i inr. ru/event/1075/attachments/6781/9134/10. _Biomedical_center_in Dubna 200218.pdf

28. Костромин С.А. Формирование пучков для адронной терапии в циклотронах с профилированным по вертикали межполюсным зазором: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.20 / Костромин Сергей Александрович. - Дубна, 2013. - 223 с.

29. Замалтдинов Р.Р. Исследование параметров протонного пучка медицинского циклотрона / Р.Р. Замалтдинов, А.Р. Варламов // Вестник димитровградского инженерно-технологического института. - 2019. - N 1 (18). - Сс. 52-58.

30. Тактаева Н.В. Тестирование источника ионов медиинского циклотрона / Н.В. Тактаева, А.Р. Варламов // Вестник димитровградского инженерно-технологического института. - 2019. - N 1 (18). - Сс. 47-51.

31. Solidworks [electronic resource]: Modeling and simulation software. https://www. solidworks.com/

32. Muller R.W. Phase compression and Phase dilatation in the isochronous cyclotron / R.W. Muller and R. Mahrt // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. - 1970. - N 86. - Pp. 241-244.

33. Малинин В. А. CORD (Closed Orbit Dynamics): программа для анализа карт магнитного и ускоряющего полей в расчетах динамики пучка / В.А. Малинин и др. // Письма в журнал физики элементарных частиц и атомного ядра. - 2021. -Т. 18. - N 4 (236). - C. 393.

34. Matlab [electronic resource]: Programming and numeric computing platform. https ://www. mathworks. com/products/matlab. html

35. Kostromin S.A. Effects of the magnetic field from the accelerating system on the beam dynamics in the cyclotron / S.A. Kostromin et al. // Physics of particles and nuclei letters. - 2012. - Vol. 9. - N 4-5, - Pp. 384-387.

36.Gurskiy S.V. Research and development of a compact superconducting cyclotron SC200 for proton therapy TUPMR016 / S.V. Gurskiy, G.A. Karamysheva, O.V. Karamyshev, S.A. Kostromin, N.A. Morozov, E.V. Samsonov, G.D. Shirkov, Y. Bi, Y. Song, K. Ding, G. Chen // Proceedings of IPAC2016, Busan, Korea. - 2016. - Pp. 1262 - 1264.

37. Chen G. Research and development of Rf system for SC200 cyclotron / G. Chen et al. // 9th International Particle Accelerator Conference. - 2018. ISBN: 978-3-95450184-7, D0I:10.18429/JACoW-IPAC2018-THPAL004.

38. Chen Gen Preliminary design of RF system for SC200 superconducting cyclotron / Gen Chen et al. // TUP17, Proceedings of Cyclotrons 2016, Zurich, Switzerland. -2016.

39. Chen G. Design and commissioning of Rf system for SC200 cyclotron / G. Chen et al. // 22nd Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications. - 2019. ISBN: 978-395450-205-9, DOI: 10.18429/JACoW-Cyclotrons2019-M0P001.

40. B&R ИФП(Хэфэй) [видеозапись]: Рабочее совещание / Chen Gen, С. Гурский, О. Карамышев // ОИЯИ, конференц-зал ЛЯП. - 2023.

41. Design of SC230 - the new cyclotron for proton therapy [Электронный ресурс]: постер / D. Popov, O. Karamyshev, G. Karamysheva, S. Gurskiy, V. Malinin, G. Shirkov, S. Shirkov, V. Smirnov, S. Vorozhtsov. - Режим доступа: https://indico.cern.ch/event/803528/sessions/318999/attachments/1903846/3159517 /Poster DPopov SC230.pdf

42. Smirnov V. The R&D of a K230 Superconducting Cyclotron for Proton Therapy / V. Smirnov et al. // ECPM 2018, Dubna. - 2018.

43. Tsutsui H. Status of Sumitomo's Superconducting Isochronous Cyclotron Development for Proton Therapy / H. Tsutsui et al. // AccApp' 17, Quebec, Canada. July 31-Aug. 4. - 2017. - P. 419.

44. Schippers J. The SC Cyclotron and Beam Lines of PSI's New Proton Therapy Facility PROSCAN / J. Schippers et al. // Nucl. Instr. Meth. B. - 2007. - Vol. 261. - P. 773.

45. Vandeplasche D. Extracted Beams from IBA's C235 / D. Vandeplasche et al. // Proc. of Part. Accel. Conf. - 1997. - Vol. 1.

46. Совершенствование фазотрона ляп и разработка циклотронов для физических и прикладных исследований [Электронный ресурс]: Проект / Г.А. Карамышева, С.Л Яковенко. - Режим доступа: https://indico.iinr.ru/event/1332/attachments/7216/10113/Karamysheva report rus. pdf

47.Karamyshev O.V. Research and Development of the SC230 Superconducting Cyclotron for Proton Therapy / O.V. Karamyshev, ..., S.V. Gurskiy et al. // Physics of Particles and Nuclei Letters. - 2021. - Vol. 18. - N 1. - Pp. 63-74. ISSN:1547-4771.

48. Autodesk Fusion [electronic resource]: platform for 3D CAD, modeling. https: //www. autodesk. com/products/fusion-360/overview?term= 1 -YEAR&tab=subscription

49. Гикал Б.Н. Новое поколение циклотронов тяжелых ионов для прикладных исследований и промышленного применения: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.20 / Гикал Борис Николаевич. - Дубна, - 2013. -166 с.

50. Карамышева Г.А. Разработка и оптимизация циклотронов для медицинских применений: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.20 / Карамышева Галина Анатольевна. - Дубна, - 2013. - 246 с.

51. Остренко С. А. Гидравлика, гидравлический привод и газовая динамика: Учебное пособие / С.А. Остренко, В.В. Пермяков. - Владивосток: Издательство ВГУЭС, 2003.

52. Орлов С.И. Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов / С.И. Орлов. - Москва: Издательство "Советское радио", 1970.

Публикации Автора

1. Karamysheva G.A. Динамика пучка в изохронном циклотроне для медико-биологических исследований MSC230 / G.A. Karamysheva, ..., S.V. Gurskij et al., // XXVIII International Conference. - 2023. https://indico.inp.nsk. su/event/ 114/contributions/2810/

2. Karamysheva G.A. Progress in Design of MSC230 Superconducting Cyclotron for Proton Therapy / G.A. Karamysheva, ..., S.V. Gurskiy et al., // CYC2022 Proceedings of the 23rd International Conference on Cyclotrons and their Applications, , Beijing, China. - 2022.

3. Karamyshev O.V. Research and Development of the SC230 Superconducting Cyclotron for Proton Therapy / O.V. Karamyshev, ..., S.V. Gurskiy et al. // Physics of Particles and Nuclei Letters. - 2021. - Vol. 18. - N 1. - Pp. 63-74. ISSN:1547-4771

4. Karamyshev O.V. JINR projects of cyclotron for proton therapy / O.V. Karamyshev, ..., S.V. Gurskiy et al. // JACoW Publishing, Geneva, Switzerland. - 2020. http://accelconf.web.cern.ch/cyclotrons2019/doi/JACoW-Cyclotrons2019-TUB02.html

5. Karamysheva G.A. JINR PROJECTS of CYCLOTRON FOR PROTON THERAPY / G.A. Karamysheva, ..., S.V. Gurskiy et al., // International Conference on Cyclotrons and their Applications (22nd), CYC 2019, Cape Town, South Africa. - 2019. - Pp. 141-144.

6. Karamysheva G.A. Design of SC230 - the new cyclotron for proton therapy / G.A. Karamysheva, ..., S.V. Gurskiy et al., // International Conference on Medical Accelerators and Particle Therapy, OMA consortium, Seville, Spain. - 2019. https://indico.cern.ch/event/803528/

7. Karamyshev O.V. Conceptual Design of the SC230 Superconducting Cyclotron for Proton Therapy / O.V. Karamyshev, ..., S.V. Gurskiy et al. // JACoW

Publishing, Geneva, Switzerland. - 2019.

http://accelconf.web.cern.ch/ipac2019/doi/JACoW-IPAC2019-TUPTS059.html

8. Karamysheva G.A. Beam Dynamics Simulations in the Dubna SC230 Superconducting Cyclotron for Proton Therapy / G.A. Karamysheva, ..., S.V. Gurskiy et al. // JACoW Publishing, Geneva, Switzerland. - 2019. http://accelconf.web.cern.ch/ipac2019/doi/JACoW-IPAC2019-TUPTS060.html

9. Karamysheva G.A. Compact Superconducting Cyclotron SC200 for Proton Therapy / G.A. Karamysheva, ..., S.V. Gurskiy et al. // JACoW Publishing, Geneva, Switzerland. - 2017. https://dx.doi.org/10.18429/jacow-cyclotrons2016-thc03

10.Karamysheva G.A. Present Status of the SC202 Superconducting Cyclotron Project / G.A. Karamysheva, ..., S.V. Gurskiy et al. // JACoW, Geneva, Switzerland. - 2017. https: //dx.doi. org/10.18429/j acow-ipac2017-thpva 120

11.Karamysheva G.A. Research and Development of a Compact Superconducting Cyclotron SC200 for Proton Therapy / G.A. Karamysheva, S.V. Gurskiy et al. // JACoW, Geneva, Switzerland. - 2017. https://dx.doi.org/10.18429/jacow-ipac2016-tupmr016

12.Shirkov G.D. Hadron Therapy Research and Applications at JINR / G.D. Shirkov, S.V. Gurskiy et al. // XXV Russian Particle Accelerator Conference, Russian Academy of Science, Scientific Council on Charged Particle Accelerators, Peterhof, St. Petersburg, Russia. - 2016.

http://accelconf.web.cern.ch/rupac2016/doi/JACoW-RuPAC2016-THYMH02.html

13. Syresin E. M. C235V3 Cyclotron for a Proton Therapy Center to be Installed in the Hospital Complex of Radiation Medicine / E.M. Syresin, ..., S.V. Gurskii et al. // Technical Physics. The Russian journal of applied physics. - 2014. - Vol. 84. - N 6. - Pp. 132-139. ISSN: 1063-7842

14.Kostromin S.A. Cyclotron C235-V3 for Dimitrovgrad Hospital Center of the Proton Therapy / S.A. Kostromin, ..., S.V. Gurskiy et al. // JACoW, Geneva, Switzerland. - 2014. http://accelconf.web.cern.ch/IPAC2014/doi/JACoW-

IPAC2014-WEPRI090.html?n=IPAC2014/doi/JACoW-IPAC2014-WEPRI090.html

15.Jongen Yves RF cavity design for superconducting C400 cyclotron / Yves Jongen, ... , Semion Gurskiy et al. // Physics of Elementary Particles and Atomic Nuclei Letters. - 2012. - Vol.8. - N 4 (167). - Pp. 647-654. ISSN:1814-5957, eISSN:1814-5973

16.Jongen Yves Compact superconducting cyclotron C400 for hadron therapy / Yves Jongen, ... , Semion Gurskiy et al. // Nuclear Instruments and Methods. - 2010. -Vol. 624. - N 1, - Pp. 47-53.

Список сокращений и условных обозначений

МТК

Медико-технический комплекс Penning Ion Gauge Final Power Amplifier Low-Level Radio Frequency Solid State Amplifier Intermediate Power Amplifier

PIG

FPA

LLRF

SSA

IMPA

Термины и определения

Стема: опора, поддерживающая дуант в резонаторе

Пуллер: устройство, используемое в ионных или протонных источниках для формирования и ускорения пучка протонов, чья основная функция — вытягивать протоны из области плазмы и направлять их в ускоритель Каплер: устройство, которое используется для передачи энергии от генератора к резонатору в высокочастотных системах, таких как циклотрон. Его основная функция заключается в эффективном введении ВЧ-мощности в резонатор и обеспечении согласования импедансов между источником (генератором) и резонатором

Тюнер: Подвижный конденастор для регулировки частоты внутри резонатора Квенч: Внезапная потеря сверхпроводимости

Пик-ап: Датчик вч-сигнала, обратная связь с системой LLRF по амплитуде, фазе и частоте.