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Optimization of special magnets for the MedAustron accelerator

Florian Hinterschuster

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Physik

Betreuer*in

Robin Golser

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DOI

10.25365/thesis.61641

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-21517.16376.284452-4

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

MedAustron ist eine medizinische Einrichtung für Ionentherapie und Forschung mit Hauptsitz in Wr. Neustadt, Österreich, in der Tumorpatienten mit Kohlenstoff Ionen oder Protonen bestrahlt werden können. Um Teilchen in den Synchrotron-Beschleuniger zu injizieren und extrahieren werden verschiedene Magnete benötigt, welche in Kooperation mit CERN designet und produziert werden. Um das bisherige Design der Magnete zu verifizieren und zu verbessern wurden 2d und 3d FEM Simulationen erstellt. Als Basis für MedAustron dienen dabei die Konstruktionszeichnungen von CNAO, einer ähnlichen Einrichtung in Italien. Injection Bumpers (Injektions Bumper) Zwei identische Injection Bumper befinden sich um den Injektionsbereich und werden benötigt, um den Teilchenstrahl um 10 mrad vom Sollorbit auszulenken. Dadurch wird der Teilchenstrahl innerhalb des Phasenraums geschiftet und es    ist möglich neue Teilchenpakete in den Beschleunigerring zu injizieren. Messungen der CNAO Injection Bumper zeigten jedoch einerseits ein inhomogenes Magnetfeld sowie eine ungenügende Ablenkung der schwereren Kohlenstoff Ionen. Verbesserungen Das Ferrit im inneren des Magneten zeigte beginnende Sättigungserscheinungen. Daher wurde der Querschnitt des Eisenkerns um  4 mm vergrößert. Damit ist es außerdem möglich den Strom zu erhöhen, ohne in den Sättigungsbereich zu kommen. Der für CNAO spezifizierte Strom wurde von 454 A auf 600 A erhöht, womit auch höhere Ablenkungswinkel erzielt werden können. Die Injektionsenergie kann somit von 7 MeV/[A] auf 10 MeV/[A] für Protonen erhöht werden. Der Ablenkwinkel für Kohlenstoff Ionen von 10 mrad wird bei Injektionsenergien von 10 MeV/[A] um  0.9 mrad verfehlt. Das inhomogene Feld der CNAO Magneten, welches von DanFysik gemessen wurde, scheint in den Simulationen nicht auf. Die Inhomogenitäten können jedoch auf verschiedene Materialien, die für die Produktion des Eisenkerns verwendet wurden, zurück geführt werden. Dump Bumpers (Strahlfänger) Um den Strahl zu dumpen werden im Beschleunigerring zwei Dump Bumper installiert. Die beiden Magnete bilden einen geschlossenen Orbit-Bump und werden daher in Serie geschalten. Aufgrund der verschiedenen Strahloptik Funktionen  (β-Funktionen) an den beiden Positionen, hat der Ablenkwinkel ein Verhältnis von 1:2. Um dies zu erreichen werden die beiden Magnete identisch gebaut, besitzen jedoch eine unterschiedliche Windungszahl (6 bzw. 12 Windungen), um die benötigten Ablenkwinkel von 2.7 und 5.4 mrad zu erreichen. Messungen der CNAO Dump Bumpers zeigten, dass die Magnete (im Speziellen mr0300mkd mit 12 Windungen), die spezifizierten integrierten magnetischen Längen nicht erreichten. Verbesserungen Bei CNAO basieren beide Magnet-Designs auf dem Dump Bumper mit 6 Windungen. Dies führte zu Sättigungseffekten für den Magneten mit 12 Windungen. Um Sättigung zu vermeiden wurde für beide Magnete der Ferrit-Querschnitt verdoppelt und zusätzlich der Strom erhöht um die benötigten Spezifikationen zu erreichen. Die Veränderungen im Detail sind: Verdoppelung des Ferrit-Querschnitts. Erhöhung der totalen physikalischen Länge des Magneten um 60 mm. Reduktion der Dicke der Aluminium Endplatten um  3 mm auf beiden Seiten. Dafür werden Ferrit und Spulen um 6 mm verlängert. Verlängerung der Spulenlänge und des Ferrits um 12 mm. Erhöhung der Ferritlänge um weitere 12 mm. Erhöhung des Stroms von 1265 A auf 1350 A. Chopper Dipoles (Chopper Dipol) Vier identische und in Serie geschaltete Chopper Dipole befinden sich in der Extraktionslinie des Beschleunigers und bilden einen geschlossenen Orbit Bump, der einen Dump-Block in der Mitte der Vakuumkammer umgeht. Der Chopper dient als Sicherheitselement um den Strahl vor den Behandlungsräumen abzubrechen. Aufgrund der Kopplung zwischen den Magneten haben diese eine hohe Induktanz und mit der kurzen Schaltzeit wird eine hohe Spannung benötigt, was die Stromversorgungsquelle stark verteuert. Verbesserungen Die Chopper Dipole wurden ursprünglich am CERN designet mit einer Windungszahl von 16 Windungen pro Magnet, einer Schaltzeit von 90 μs, einem Strom von 644 A und einer abgeschätzten Induktanz von 250 μH. Die maximale gepulste Spannung beträgt damit knappe 7.5 kV. Um die Induktanz zu reduzieren, wurde ein neues Spulendesign mit 12 Windungen pro Spule und Magnet entworfen. Um die Randfelder besser zu kontrollieren wurden die Windungen stiegen förmig gestaltet und die Aluminium Endplatten wurden durch CMD 5005 ersetzt. Zusätzlich wurden die Dimensionen des Ferrits und des Magneten als Ganzes verändert. Wegen der Reduktion der Windungszahl, musste der Strom auf 710 A erhöht werden. Die Gesamtinduktanz sank im Gegenzug auf abgeschätzte 118 μH. Durch sämtliche Änderungen benötigt der Chopper nun etwas weniger als 3.5 kV gepulste Spannung bei einer Schaltzeit von 90 μs. Damit kann eine neue Stromversorgungsquelle entworfen werden, ohne kostspielige Komponenten für Hochspannung zu verwenden.

Abstract

(Englisch)

Introduction MedAustron, a facility for ion therapy and research headquartered in Wiener Neustadt, Austria radiates patients with protons or carbon ions. For injection, acceleration in the synchrotron and extraction of particles a variety of magnets is needed, which are designed and produced in cooperation with CERN. 2d und 3d FEM simulations are applied to improve and verify the magnets. As a baseline for the MedAustron accelerator the construction drawings of CNAO, a similar facility in Italy, have been used. Injection Bumpers The two identical injection bumpers are located around the injection line and are used to deflect the beam by 10 mrad to bump it from its reference trajectory. Hence the position of the beam is shifted within the phase-space and it is possible to inject new particle bunches in the main ring of the accelerator. Measurements of the CNAO injection bumpers showed an inhomogeneous field and simulations showed that the required deflection angle of 10 mrad is only achieved for protons but not for carbon ions. Improvements Since the ferrite showed beginning saturation effects, the cross-section of the yoke has been increased by 4 mm, which also allows using a higher current. For CNAO a current of 454 A has been specified, which is now increased to 600 A. This provides higher deflection angles so that the injection energy of 7 MeV/[A] can be raised to 10 MeV/[A] for protons. For carbon ions the deflection angle of 10 mrad is missed by 0.9 mrad for injection energies of  10 MeV/[A]. The inhomogeneous field measured by DanFysik for the CNAO magnets does not appear in the simulations. This is clarified by the use of different materials in the yoke by DanFysik. Dump Bumpers To dump the beam in the main ring, two dump bumpers are installed. As the two magnets are used to create a closed orbit bump, it seems preferable to power the magnets in series. In order to account for the different optics (β) functions at the two locations, the integrated kick strengths have a ratio of 1:2. This is implemented by using the same magnet yoke design but with a different number of windings i.e. 6 turns for the start beam dump and 12 turns for the end beam dump to provide deflection angles of 2.7 mrad and 5.4 mrad respectively. Measurements of the CNAO dump bumpers showed that both magnets - especially mr0300mkd (12 turns) - did not meet the required integrated magnetic lengths. Improvements Both magnet designs were based on the 6-turn dump bumper, which led to saturation effects in the 12-turn dump bumper. To avoid saturation the cross-section of the ferrite has been doubled in both magnets. In addition the current had to be increased and the physical dimensions of the magnet had to be changed to reach the required specifications. The changes in detail are: Double the cross-section of the ferrite. Increase the total physical length of each magnet by  60 mm. Reduce the thickness of the aluminium end plates by  3 mm each. Therefore ferrite and coil length can be increased by 6 mm. Increase the coil length and the ferrite length by additional 12 mm. Increase the ferrite length by further 12 mm. Increase the current from 1265 A to 1350 A. Chopper Dipoles The four identical and coupled chopper dipoles are located in the extraction line of the accelerator and work as a closed orbit bump bypassing a dump block, which is mounted inside of the vacuum chamber. Hence the chopper works as a safety device to dump the beam before reaching the treatment rooms. Due the magnets are coupled, they have a high overall inductance and because of the fast ramp time a high voltage is needed, which makes the power supply a very costly device. Improvements The chopper dipoles were originally designed at CERN with coils of 16 turns per magnet, a ramp time of 90 μs, a current of 644 A per magnet and an estimated total inductance of 250 μH. This leads to a needed pulsed voltage of almost 7.5 kV. To reduce the inductance a new coil design has been proposed, which foresees only 12 turns per coil and magnet. To control the fringe fields the coils have a stair-design and CMD 5005 has replaced the aluminium endplates. Also the ferrite dimensions as well as the dimensions of the magnet have been slightly changed. Due to the reduction of turns of the coil, the current had to be increased to 710 A. The overall inductance is reduced too estimated 118 μH and the field quality could be maintained. Hence the needed pulsed voltage for the chopper dipoles could be reduced to less than 3.5 kV for a ramp time of 90 μs. The power supply therefore can be redesigned saving expensive components in production.

Autor*innen

Florian Hinterschuster

Haupttitel (Englisch)

Optimization of special magnets for the MedAustron accelerator

Paralleltitel (Deutsch)

Optimierung von Spezialmagneten für den MedAustron Beschleuniger

Publikationsjahr

2020

Umfangsangabe

128 Seiten

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Robin Golser

Klassifikation

33 Physik > 33.16 Elektrizität, Magnetismus

AC Nummer

AC16100107

Utheses ID

54482

Studienkennzahl

UA | 066 | 876 | |

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