Implementation of emittance and transmission measurement and analysis procedures along the MedAustron accelerator

Abstract

MedAustron ist ein Ionentherapieund Forschungszentrum mit Sitz in Wr. Neustadt, Niederösterreich. Die Anlage verfügt über einen Beschleuniger auf Synchrotronbasis, der es ermöglicht, Protonenstrahlen im Bereich von 62-800 MeV und Kohlenstoffionenstrahlen im Bereich von 120-400 MeV/n bereitzustellen. Ab 2018 ist die Kommissionierung von drei horizontalen Strahllinien (zwei für die Behandlung, eine für die Forschung) und der vertikalen Strahllinie für Protonen abgeschlossen, während der Kommissionierungsprozess für Kohlenstoffionen noch läuft. Das Volumen, das ein Strahl geladener Teilchen im Phasenraum einnimmt, kann durch seine Emittanz beschrieben werden. Die Messung und Regelung der Strahlemittanz ist entscheidend für eine erfolgreiche Ionentherapie, da die Emittanz ein wesentlicher Bestimmungsparameter für die Spotgröße des Strahls im Isozentrum ist. Durch die Definition der Betatron-Amplituden der Teilchen spielt sie auch eine wichtige Rolle beim Aufbau der bei MedAustron verwendeten Resonanz- Extraktion dritter Ordnung. Zusätzlich muss die Emittanz zwischen den verschiedenen Teilen des Beschleunigers und den Transferlinien abgestimmt werden. Sie hat daher einen starken Einfluss auf die Transmission der geladenen Teilchen, was wiederum eine wichtige Rolle bei der Effizienz der Dosisabgabe an den Patienten spielt. In dieser Arbeit wurden mehrere Messund Analyseverfahren zur Bestimmung der Emittanz und Transmission durch die verschiedenen Stufen des Beschleunigers implementiert. Die spezialisierten Analysetools wurden in Python geschrieben und im Rahmen des Messanalyse-Frameworks von MedAustron entwickelt. Ein besonderer Schwerpunkt wurde auf die Charakterisierung der entwickelten Analyseprogramme gelegt, um die erreichbare Genauigkeit bei der Emittanzrekonstruktion zu verstehen. Die verwendeten Verfahren für die Emittanzmessung sind: Slitgrid Verfahren im Injektor, Quadrupole tuning in den Mittelund Hochenergie- Strahlübertragungsleitungen und Emittanzrekonstruktion durch Einsetzen von Kupfer-scrapern im Synchrotron. Die Übertragung wird über mehrere Stromwandler für gepulsten und kontinuierlichen Strahl gemessen. Die Praxistauglichkeit der entwickelten Werkzeuge wurde bei der Inbetriebnahme des Kohlenstoffionenstrahls nachgewiesen, sowie für wiederholte Strahlparameter-Messungen des Protonenstrahls.

MedAustron is an ion therapy and research center situated in Wr. Neustadt, Lower Austria. The facility features a synchrotron based accelerator, which allows to provide proton beams in the range of 62-800 MeV and carbon ion beams in the range of 120-400 MeV/n. As of 2018 the commissioning of three horizontal beam lines (two for treatment, one for research) and the vertical beam line is finished for protons while the commissioning process for carbon ions is ongoing. The volume a beam of charged particles occupies in the phase space can be described by its emittance. Measurement and control of the beam emittance is crucial for successful particle therapy, since the emittance is a major defining parameter for the spot size of the beam at the isocenter. By defining the betatron amplitudes of the particles, it also plays an important role in the setup of the third order resonant extraction used at MedAustron. Additionally the emittance needs to be matched between the different parts of the accelerator and the transfer lines. It therefore has a strong influence on the transmission efficiency of the charged particles which in turn plays an important role in the efficiency of the dose delivery to the patient. In this thesis multiple measurement and analysis procedures to obtain the emittance and transmission through the various stages of the accelerator have been implemented. The specialized analysis tools were written in Python and developed inside MedAustrons dedicated measurement analysis framework. A special focus has been set on the characterization of the developed analysis tools to understand the achievable accuracy in emittance reconstruction. The used procedures for the emittance measurement are: slit-grid method in the Injector, quadrupole tuning in the medium and high energy beam transfer lines and emittance reconstruction via the insertion of copper scraper plates in the synchrotron. The transmission is measured via several current transformers for pulsed and continuous beam. The usability of the developed tools has been proven during the commissioning of the carbon ion beam, as well as for repetitive beam parameter measurements of the proton beam.