نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی انرژی و فیزیک دانشگاه امیرکبیر

2 دانشکده مهندسی هسته‌ای، دانشگاه شهید بهشتی، ولنجک، تهران

چکیده

پروتون درمانی با سامانه‌های شتاب‌دهنده در ۳۰ سال گذشته مورد استفاده بوده تا تومورها را با تولید پرتوهای یونی بسیار پرانرژی از بین ببرد. اگر چه سامانه‌های مختلفی برای شتاب دادن به یون‌ها معرفی و طراحی شده است، شتاب دهندۀ سیکلوترون ابررسانا یکی از کارامدترین تجهیزات درمانی در مقایسه با سایر سامانه‌ها است. در این پژوهش، مطالعه طراحی سیکلوترون ابررسانای پروتون پزشکی ایران (IMSIC-250) مورد بررسی قرار گرفته شد. سامانۀ IMSIC-250 یک سیکلوترون با بسامد ثابت با چهار آهنربای مُقَطّع مارپیچی است که برای شتاب دادن به پروتون‌ها به شکل ذرات H2+ تا MeV/amu ۲۵۰ طراحی شده است. در مطالعۀ حاضر، فرایند طراحی آهنربای ابررسانا و ساختار سیم‌پیچ گزارش شده است. مدل سه بعدی آهنربای قطبی مارپیچی در کنار سیم‌پیچ ابررسانا مدل‌سازی شد. ویژگی‌های اصلی آهنربای سیکلوترون و ساختار سیم‌پیچ نیز مورد مطالعه قرار گرفت. نشان داده شد که آهنربای طراحی شده قادر است میدان مغناطیسی هم‌فاصله (isochronous) مورد نیاز برای شتاب بخشیدن به پروتون ها تا ۲۵۰ مگا‌ولت را تولید کند. پایداری فرایند شتاب با یک مقدار غیرمنفی فلاتر روی شتاب ذرات به‌دست آمد. برای ساختار سیم پیچ، چگالی جریان بر روی دورهای پیچه و نیروی اعمال شده مدل شده است. مفهوم فلاتر نیز برای بررسی پایداری فرایند شتابدهی استفاده شد. این موضوع آشکار شد که فلاتر در مقایسه با شتاب ذرات مقداری غیرمنفی دارد. در نهایت، پایداری یک سیم‌پیچ مغناطیسی در برابر نیروی مغناطیسی (لورنتز) اعمال شده، مورد بررسی قرار گرفت و نشان داده شد که میدان مغناطیسی اعمال شده روی ‌پیچه تأثیر مخربی بر ساختار ابررسانای سیم‌پیچ نخواهد داشت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Conceptual model of IMSIC-250 cyclotron magnet

نویسندگان [English]

  • Kamran Farhoodi 1
  • Saeed Setayeshi 1
  • Amir Hossein Feghhi 2

1 Department of Energy Engineering and Physics, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran

2 Deparment of Radiation Application, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Proton therapy with accelerator systems has been used in the last 30 years to destroy tumors by producing highly energetic ion beams. Although different systems have been introduced and designed to accelerate ions, the superconductive cyclotron accelerator is one of the most efficient treatment equipment compared to other systems. In this research, the design study of Iranian Medical Proton Superconducting Cyclotron (IMSIC-250) was considered. The IMSIC-250 system is a fixed frequency cyclotron with four spiral sector magnets designed to accelerate protons in the form of H2+ particles up to 250 MeV/amu. In the current study, the design process of the superconducting magnet and coil structure was reported. The 3D model of the spiral pole magnet alongside the superconducting coil was modeled. The main characteristics of the cyclotron magnet and coil structure were also studied. It was demonstrated that the designed magnet is capable of producing the desired isochronous magnetic field in order to accelerate protons up to 250 MeV. The stability of the acceleration process was achieved by a nonnegative value of flutter over the acceleration of particles. For coil structure, the current density over coil turns and the applied force was modeled. The flutter concept was also used to investigate the stability of the acceleration process. It was discovered that flutter has a nonnegative value when compared to particle acceleration. Finally, the stability of a magnetic coil against applied magnetics (Lorentz) force was investigated and it was demonstrated that the applied magnetic field on the coil would not have a destructive influence on the superconducting structure of the coil.

کلیدواژه‌ها [English]

  • proton therapy
  • superconducting cyclotron
  • cyclotron magnet
  • superconducting coil
  1. H Sung, et al., “CA Cancer J Clin” Global Cancer Statistics (2020).
  2. R Mohan and D Grosshans, Drug Deliv. Rev. 109 (2017) 26.
  3. B Qin, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 28, 3 (2018) 1.
  4. K Farhoodi, S Setayeshi, and S A Feghhi, Instrum. 16, 11 (2021) T11002.
  5. T Zhang, et al., Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms 406 (2017) 244.
  6. K Strijckmans, Med. Imaging Graph. 25, 2 (2001) 69.
  7. H G Blosser and D A Johnson, Instruments Methods 121, 2 (1974) 301.
  8. W Kleeven, “Injection and extraction for cyclotrons” IBA, Louvain La Neuve, Belgium (2006).
  9. J L Ristić Djurović, Rev. Spec. Top. Beams 4, 12 (2001)123501.
  10. G H Mackenzie, et al., “Plans for the Extraction of Intense Beams of H-Ions from the TRIUMF Cyclotron” (1984).
  11. D Winklehner, et al., New J. Phys. 24, 2 (2022) 23038.
  12. M Seidel, Cern Yellow Reports Sch. Proc. 5 (2018) 151.
  13. C Baumgarten, Rev. Spec. Top. Beams 16, 10 (2013) 100101.
  14. Y Jongen, et al., “IBA C400 Cyclotron Project for hadron therapy” (2007).
  15. COMSOL Multiphysics® v. 5.3. www.comsol.com. COMSOL AB, Stockholm, Sweden.
  16. CST Studio Suite®. www.cst.com. Darmstadt, Germany.

 

 

ارتقاء امنیت وب با وف بومی