Gantry Rotator Beam Commissioning

Abstract

MedAustron ist ein Ionentherapiezentrum welches mit Hilfe von Ionen Tumorbestrahlungen von Krebspatienten durchführt. Hierfür beliefert ein Synchrotron einen von vier Bestrahlungsräumen mit den benötigten Teilchenstrahlen. Die maximale Energie für Protonen liegt bei 252.7 MeV, für Kohlenstoff-Ionen bei 400 MeV pro Nukleon (klinisch). Im vierten Bestrahlungsraum der Anlage ist eine Protonen-Gantry installiert - ein rotierendes Strahlführungssystem am Ende des Beschleunigungskomplexes. Die Gantry ist die Krönung der modernen Strahlenführung für viele medizinische Einrichtungen, so auch für MedAustron. Mit Hilfe der Gantry ist es möglich, anders als bei fix installierten Strahllinien, die Bestrahlungsrichtung des Patienten individuell einzustellen. Diese Technologie bringt jedoch auch technische Herausforderungen mit sich. Im Allgemeinen sind Strahleneigenschaften wie z.B. Strahlengröße und Strahlenposition Gantry-Winkel abhängig. Im Idealfall würde man diese Eigenschaften jedoch gerne entkoppeln, sodass die Strahlengeometrie unabhängig für alle Bestrahlungswinkel eingestellt werden kann. Eine mögliche Lösung, die zur Entkoppelung dieses Systems gedacht ist, bietet das Konzept des Rotators. Der Rotator ist ein ebenfalls rotierendes Element in der Hochenergie-Strahllinie. Er besteht aus sieben, teilweise gekoppelten Quadrupolen, deren Aufgabe die Vorbereitung des Strahls für die Gantry ist. Diese Vorbereitung kann als "Vorrotation" interpretiert werden. Der Strahl wird also im transversalen Phasenraum derart "gedreht", dass im Referenzsystem der Gantry, der Strahl immer mit derselben Orientierung zur Gantry übergeben wird. Dieses Konzept bietet mathematisch eine klare, analytische Lösung, wurde jedoch experimentell noch nicht getestet. Ziel dieser Arbeit ist die Verifikation der Funktion des weltweit ersten Rotators via Strahlenmessungen. Das erwartete Verhalten des Rotators wird mit Hilfe von MAD-X Simulationen gestützt. Die erforderlichen Toleranzen der Strahleneigenschaften nach dem Rotator sind durch die medizinischen Anforderungen gegeben. Simulationen zeigen, dass aufgrund der gewählten Optik, der Strahl am Kopplungspunkt zwischen Hochenergie-Strahllinie und Rotator horizontal sehr klein ist (etwa 35 μm FWHM). Messungen des realen Strahles ergaben eine horizontale Strahlengröße von etwa 200 μm FWHM. Um die Positionen und Größen dieser Strahlen genau genug messen zu können wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei unabhängige Mess-Algorithmen entwickelt. Mit Hilfe dieser Algorithmen können Qualitätskontrollen durchgeführt werden, welche die geforderte Genauigkeit für den medizinischen Betrieb gewährleisten.

MedAustron is an ion-therapy center, which uses Ions to irradiate tumour cells of cancer patients. The heart of the center is a Synchrotron, which provides ion beams of different energies and intensities to one of the four irradiation rooms. Currently MedAustron works with protons and carbon-ions, helium-ions are planned to be added in the near future. The maximum energy for clinical treatment is 252.7 MeV for protons and 400 MeV per nucleon for carbon-ions. The fourth irradiation room is equipped with a proton-Gantry - a rotating beam line section at the end of the accelerator beam-transfer-line. Unlike fixed beam lines, the Gantry is capable of sending the ion-beam in various angles to the patient. This can be advantageous for some tumours. Rotating the patient instead of the beam line can result in a small shift of internal organs and also tumours due to gravity. The technology of the Gantry also adds new challenges for beam commissioners. In general, the beam properties after the Gantry, like beam size and beam position, are angular dependent. Ideally these dependencies shall be decoupled, to provide the same beam geometry for every Gantry angle. One possible solution to decouple the beam properties and the Gantry-angle is the use of a Rotator. The Rotator is also a rotating element and part of the high-energy beam-transfer line (short HEBT). The structure consists of seven quadrupoles, which are "pre-rotating" the beam for the Gantry. The goal of this rotation of the beam in the transversal phase space is, that the beam always enters the Gantry with the same orientation, in the reference system of the Gantry. This concept shows a clean mathematical solution, but was never experimentally proven. Goal of this thesis is the verification of the functionality of the first Rotator worldwide. The expected behaviour of the Rotator will be simulated with the support of MAD-X multi particle simulations. The necessary tolerances of the beam parameters are set via the medical requirements for treatment. Simulations suggest that, due to the chosen optics, the beam is very small at the coupling point of the Rotator in the horizontal plane (approximately 35 μm FWHM). Measurements have shown a real beam size in the horizontal plane in the order of 200 μm FWHM. To measure the position and size of the beam at this particular spot, two independent analysis algorithms have been developed. These algorithms are mandatory for quality assurance, as the beam properties after the Rotator showed to be sensitive to drifts.