Slow extraction optimisation for the MedAustron synchrotron

Abstract

Das Ionenthrapiezentrum MedAustron verwendet langsame Resonanzextraktion dritter Ordnung, um den Strahl aus dem Synchrotron mit Strahllängen zwischen einer und zehn Sekunden zu extrahieren. Im Rahmen des aktuellen klinischen Betriebes erfolgt diese Extraktion über die Beschleunigung der Teilchen durch einen Betatron Core. Alternative Extraktionsmethoden versprechen jedoch erweiterte Möglichkeiten, die Strahlparameter während der Extraktion zu verändern und die Behandlung zu optimieren. Die vorliegende Dissertation liefert einen umfassenden Überblick über diese alternativen Extraktionsmethoden, deren potenzielle Implementierung bei MedAustron sowohl mit Simulationen als auch mit Messungen erforscht wurde. Im Fokus stehen dabei die Vorteile dieser Extraktionsmethoden zur Optimierung der Effizienz der Behandlung sowie die Kompatibilität mit komplexen Bestrahlungstechniken wie der dynamischen Intensitätsregulierung und der Extraktion von mehreren Energien innerhalb eines Spills. Im Rahmen der Arbeit wird ein Überblick über den Beschleunigerkomplex von MedAustron unter besonderer Berücksichtigung der Extraktion, sowie eine Einführung in für diese Arbeit relevanten Aspekte der theoretischen Grundlagen der transversalen und longitudinalen Strahldynamik gegeben. Eine der erforschten alternativen Extraktionsmethoden ist Radio Frequency Knock Out, bei der die Extraktion durch Anregung des Strahls mit einer hochfrequenten Wechselspannung erfolgt. Eine mehrdimensionale Optimierung der Strahl- und Beschleuniger-Parameter wird mithilfe von Simulationen durchgeführt, wofür ein detailliertes Verständnis der komplexen Strahldynamik während der Extraktion vorausgesetzt ist. Verschiedene Anregungssignale werden in der Praxis getestet und ihre Auswirkungen auf die Effizienz der Extraktion sowie die Schwankungen der Intensität des extrahierten Strahles untersucht .Weitere Extraktionsmethoden wie Constant Optics Slow Extraction oder Phase Displacement Extraction werden untersucht und mögliche Vorteile, aber auch Limitierungen, aufgezeigt. Ein Vergleich der verfügbaren Extraktionsmethoden bezüglich Qualität des extrahierten Strahles wird durchgeführt. Besonderes Augenmerk liegt auf der Unterdrückung von Schwankungen in der Intensität des extrahierten Strahles durch Methoden wie Empty Bucket Channeling. Alle genannten Extraktionsmethoden werden im Rahmen dieser Dissertation erfolgreich getestet und können durch die Ergebnisse dieser Arbeit mit der bestehenden Hardware- und Software-Infrastruktur bei MedAustron durchgeführt werden.

The ion therapy facility MedAustron employs third-order resonant slow extraction to extract the beam from the synchrotron with beam lengths ranging from one to ten seconds. Currently, this extraction process relies on accelerating the particles via a betatron core. However, alternative extraction methods offer improved flexibility in adjusting the beam parameters during extraction, thus optimising the treatment. This dissertation comprehensively examines these alternative extraction methods, utilising simulations and measurements to assess their potential implementation at MedAustron. The focus is on their capacity to enhance treatment efficiency and compatibility with advanced irradiation techniques, including dynamic intensity control and the extraction of multiple energies within a single spill. The thesis offers an overview of the MedAustron accelerator complex, with a particular emphasis on the extraction, alongside with an introduction to the theoretical principles of transverse and longitudinal beam dynamics relevant to this work. One such alternative extraction method explored is Radio Frequency Knock Out, wherein extraction is achieved by exciting the beam with a high-frequency alternating voltage. A multi-dimensional optimisation of the beam and lattice parameters is conducted through simulations, requiring a detailed understanding of the complex beam dynamics during extraction. Various excitation signals are examined, and their impact on extraction efficiency and beam intensity fluctuations is analysed. Furthermore, other extraction methods such as Constant Optics Slow Extraction and Phase Displacement Extraction are investigated, highlighting their potential advantages and limitations. A comparative analysis of available extraction methods is conducted, considering the quality of the extracted beam. Special attention is given to the suppression of intensity ripples in the extracted beam through techniques such as Empty Bucket Channelling. All alternative extraction methods discussed in this dissertation are successfully tested and can be implemented at MedAustron with the existing hardware and software infrastructure. This research furnishes the requisite findings to facilitate such implementation.