Field control of dynamically operated synchrotron magnets for a medical application

Abstract

MedAustron in Wiener Neustadt, Oesterreich, betreibt einen Teilchenbeschleuniger auf Synchrotronbasis für Forschung und medizinische Anwendungen. Während der Beschleunigungsphase müssen die Magnetfelder der Biegedipolmagnete im Synchrotron dynamisch betrieben werden, um die beschleunigten Teilchen auf einer geschlossenen horizontalen Umlaufbahn zu halten. Die Stromregelung der Magnete hält sich streng an die Vorgaben und erreicht die höchstmögliche Präzision, um Strahlverluste zu minimieren und die Strahlqualität zu maximieren. Diese Regelmethodik erfordert jedoch spezielle, zeitaufwändige Prozeduren als Reproduzierbarkeits- und Zuverlässigkeitsmaßnahmen für die B-Felder. Dieser Umstand stellt eine Möglichkeit dar, die Performance des Beschleunigers zu verbessern. Ziel dieser Arbeit ist die Konzeption und Inbetriebnahme der Magnetfeldmessung sowie die Verbesserung und Optimierung des Regelungsansatzes unter Verwendung des Strahls als Sonde. Zu diesem Zweck wurde eine Hallsonde für den Regelkreis gewählt, was zu einer punktförmigen Messung innerhalb eines Referenzmagneten des Synchrotrons führt. Die implementierte Methode basiert folglich auf einer Schätzung des durchschnittlichen B-Feldes, das vom Strahl im Hauptring aufintegriert wird. In diesem Zusammenhang wurde eine spezielle Mess- und Regelhardware, für Stromversorgungen der Beschleunigermagnete bei MedAustron, in Bezug auf Elektronik und Firmware aufgerüstet. Im Wesentlichen integriert das entwickelte System die gesamte Messkette, beginnend mit der Signalkonditionierung und gipfelnd in einem maßgeschneiderten Zwei-Freiheitsgrad-Feldsteuerungsalgorithmus. Das Gesamtsystem muss einen maximalen Gesamtfehler von 2 units (2·10−4) für das Magnetfeld einhalten. Schließlich wurde das Mess- und Regelsystem validiert und optimiert, wobei die Strahleigenschaften im Ring und in den Behandlungsräumen als Benchmarks dienten. Diese Kampagnen haben gezeigt, dass parasitäre Einflüsse auf das B-Feld, die in erster Linie von den verwendeten eisendominierten Magneten herrühren, kompensiert werden können, so dass spezielle Reproduzierbarkeitsmaßnahmen überflüssig werden.Mit dieser Entwicklung ist MedAustron das erste Synchrotron-basierte Krebstherapiezentrum weltweit, dass das vorgestellte B-Feld-Regelsystem in Betrieb nimmt. Letztendlich konnte gezeigt werden, dass die entwickelte Messmethodik, Hardware und Firmware einen verbesserten Synchrotronbetrieb ermöglichen, indem sie zeitaufwändige Magnetkonditionierungen eliminieren, damit den Patientendurchsatz erhöhen und den Weg für weitere Verbesserungen im Beschleunigerbetrieb bei MedAustron und potenziell für etablierte und zukünftige Synchrotronprojekte weltweit ebnen können.

At MedAustron in Wiener Neustadt, Austria, a synchrotron-based particle accelerator is utilised for research and medical applications. During the acceleration phase, the magnetic fields (B-Fields) of the bending dipole magnets in the synchrotron must be dynamically operated to keep the accelerated particles on a closed horizontal orbit. The magnets’ current control adheres strictly to specifications and achieves the highest possible precision to minimise beam losses and maximise beam quality. However, this control methodology necessitates dedicated, time-consuming procedures as a reproducibility and reliability measure for the corresponding B-Fields. This circumstance presents an opportunity to enhance the accelerator’s performance. The presented work addresses the limitations by introducing a novel technique to estimate the average magnetic bending field within the ring, in addition to the implementation of a tailored control approach.The aim of this thesis is the design and commissioning of the magnetic field measurement as well as improving and optimising the control approach using the beam as a probe. In order to do so, a Hall probe is selected for feedback to the control loop, resulting in a point-like measurement within a reference magnet of the synchrotron. Consequently, the implemented method is based on an accurate prediction of the average B-Field integrated by the beam in the ring. In this regard, a specialised control board, controlling most power converters for accelerator magnets at MedAustron, was upgraded in terms of electronics and firmware. Essentially, the developed board integrates the entire measurement chain, commencing with signal conditioning and culminating in a tailored two-degree-of-freedom field control algorithm from a processing perspective. The over-all system must adhere to a maximum total error of 2 units (2·10−4) for the magnetic field. Finally, the measurement and control system was validated and optimised using beam properties in the ring and in the treatment rooms as benchmarks. These campaigns demonstrated that parasitic influences on the B-Field, primarily originating from the utilised iron-dominated magnets, can be compensated, rendering dedicated reproducibility and reliability measures obsolete.With this development, MedAustron has become the first synchrotron-based cancer therapy centre worldwide, commissioning the implementation of the presented B-Field control system. Ultimately, it could be shown that the developed measurement, hardware, and firmware enable improved synchrotron performance by reducing time-consuming magnet cycling procedures, enhancing patient throughput, and paving the way for fur-ther improvements in the accelerator operation at MedAustron and potentially for established and future synchrotron-based projects globally.