Investigation on dual frequency heating on an ECR ion sdource

Abstract

The use of dual frequency heating in electron cyclotron resonance ion sources has proven to be an advanced method of plasma generation. By enabling higher energy transfer and better power coupling into the plasma, dual frequency heating allows for the creation of higher charge states as well as increased beam current generation and increased current stability. At MedAustron's test stand ion source the technique was first tested within this work for the creation of H3+ ion beams, used for proton beam irradiation. Initially an ion source operation set point in single frequency operation mode could be found by adapting the clinical source set point for the test stand ion source. The dual frequency heating setup could then be enabled by connecting a second signal generator to the existing setup via a power combiner. The dual frequency heating set point was found via a 3D parameter scan of frequency 1, frequency 2 and RF-tuner at same input power per frequency. In comparison to the single frequency operation mode, an overall beam current increase was achieved in the dual frequency heating mode. Moreover, an optimized set point could be found which produced similar beam currents as in single frequency heating mode while achieving both higher beam current stability and decreased beam emittance. In addition, this improvement had no negative impact on the beam optics. The technique was further tested on MedAustron's clinical proton source. Using the same setup a new operational set point in dual frequency heating mode could be found. This resulted, in comparison to the standard single frequency heating operational mode, in increased beam transmission throughout the accelerator. As a result, increased beam currents and extracted particle counts in the treatment room were measured. Again it could be shown that the use of dual frequency heating had no impact on the beam trajectory. Based on the increased particle count in the treatment room, treatment times could be simulated for a variety of benchmark treatment plans of various tumor sizes. By using the dual frequency heating method, an overall treatment time reduction could be achieved, giving the possibility of additional patient treatments per day.

Die Methode der Zwei-Frequenz-Anregung in Elektron-Zyklotron-Resonanz Ionenquellen hat sich als eine fortschrittliche Methode zur Plasmaerzeugung erwiesen. Durcheinen verbesserten Energieeintrag und eine verbesserte Leistungskopplung der Mikrowellenstrahlung an das Plasma, erlaubt die Methode höhere Ladungszustände, sowie einen höheren Strahlstrom und eine erhöhte Strahlstrom-Stabilität zu erreichen. Die Technik wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals an MedAustrons experimenteller Ionenquelle zur Erzeugung eines H3+-Ionenstrahls genutzt. Hierzu wurde zunächst, ausgehend von Einstellungen der klinisch genutzten Ionenquelle, unter Verwendung der Ein-Frequenz-Anregung, ein Arbeitspunkt für die Ionenquelle gefunden. Durch den Anschluss eines zweiten Signalgenerators, unter Zuhilfenahme eines Leistungskopplers, konnte dann die Zwei-Frequenz-Anregung realisiert werden. Im Weiteren wurde ein neuerlicher optimaler Arbeitspunkt, durch einen 3D Parameterscan von Frequenz 1, Frequenz 2 und RF-Tuner Position, für den Zwei-Frequenz-Betrieb gefunden. So konnte im Vergleich zum Ein-Frequenz-Betrieb, bei gleicher Eingangsleistung, ein höherer Strahlstrom gemessen werden. Ebenfalls wurde ein Arbeitspunkt bei geringerer Eingangsleistung gefunden, wobei darauf geachtetwurde, dass die Strahlströme von Ein-Frequenz-Betrieb und Zwei-Frequenz-Betrieb gleich sind. Dies resultierte in einer erhöhten Strahlstabilität sowie einer verringerten Stralemittanz, wobei zusätzlich kein negativer Einfluss auf die Strahloptik bemerkbar war. Die Technik wurde im Weiteren auch auf der klinisch genutzten Ionenquelle getestet. Dies führte, im Vergleich zum Ein-Frequenz-Betrieb, zu einer erhöhten Transmission durch die einzelnen Beschleunigerabschnitte, woraus auch ein erhöhter Strahlstrom im Synchrotron, als auch eine erhöhte Teilchenzahl im Bestrahlungsraum resultierte. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass dies ohne negative Auswirkungen auf die Strahloptik war. Ausgehend von der erhöhten Teilchenzahl im Bestrahlungsraum konnte für bekannte Bestrahlungspläne die Bestrahlungszeit simuliert werden. Im Vergleich zu Bestrahlungszeiten bei herkömmlichen Ionenquelleneinstellungen, konnte so eine allgemeine Reduktion der Bestrahlungszeiten simuliert werden. Durch die Verwendung der Zwei-Frequenz-Anregung der Ionenquelle können so zusätzliche Patientenbehandlungen pro Tag ermöglicht werden.