Uge6, formiddag: Acceleratorteknologi. Arnd Baurichter Danfysik A/S

Transkript

1 Uge6, formiddag: Acceleratorteknologi Arnd Baurichter Danfysik A/S

2 InnovAcc Innovation inden for acceleratorudstyr til kræftbehandling Kræftbehandling via partikelterapi- InnovAcc Projektet Arnd Baurichter Danfysik A/S Samarbejdspartnere: Danfysik A/S B. Rustfrit Stål (Horsens) ISA, Aarhus Universitet Ingeniørhøjskolen i Århus

3 4 Behandlinger, konventionel Baggrund: Partikelterapi Tumorbehandling med høj lokal præcision 2 Behandlinger, protoner Uni Klin. Heidelberg, GSI, DKFZ, FZ Rossendorf Mette Vinter Riis, Aktuel Naturvidenskab 4, 20 (2005)

4 Siemens-Danfysik PT anlæg 20 m Siemens behandlingslokaler Danfysik accelerator (synkrotron) til behandling med protoner og tunge ioner (f.eks. kulstofioner)

5 InnovAcc projektet Løbetid Juli 2006 Juni 2009 Budget Støttet af Højteknologifonden med 10 Mio Kr. Totalt budget: 17 Mio Kr. Tre delprojekter - Udvikling af HTS dipolmagnet til acceleratorer - Strålprofilmonitor til højenergetiske ionstråler - Vakuumkamre til industriel serieproduktion Projektkontoret på Danfysik Technology Center, INCUBA Science Park Århus

6 Højtemperatur superledende Magnet Gantry magnet til patientbehandling med stråling fra mange forskellige vinkler Patient Jernmagnet (90 ton!) Mål: Udvikling, opbygning og test af kompakt prototype magnet under anvendelse af højtemperatur superledere (HTS) Status: Konceptuel design baseret på den nyeste 2. generation HTS teknologi afsluttes planmæssigt den 1. januar 2008.

7 Profildetektor Problemstilling: I dag anvendes Detektorer fra partikelfysik (Multiwire proportional chambers): Er dyre og unhandy Mål: Udvikling, opbygning og test af prototype til industriel anvendelig detektor til profilmåling af højenergetiske ionstråler i partikelterapi anlæg Status: Konceptuel design baseret på scintillerende glasfibre (SciFi) afsluttet. Kommerciel tilgængelige SciFi testet/testes på Rigshospitalets 32 MeV proton cyklotron. Nedskaleret testversion klar til demonstration i december 2007

8 Vakuumkamre til PT acceleratoranlæg Problemstilling: I dag færdiges vakuumkamre med dyre processer til specialanvendelser inden for forskning Mål: Udvikling, opbygning og test af vakuumkamre og fremstillingsporcesser til industriel serieproduktion Status: Udvikling af komercielt anvendelig produkt afsluttet. Første kamre leveres i starten af november. Specialeprojekt beskæftiger sig med produkt- og procesoptimering.

9 Forelæsning 3, uge 6 Acceleratorteknologi Vakuum Vakuum, hvorfor? Hvad er vakuum? Hvordan frembringer man vakuum? Vakuum systemlayout, systemkriterier Magneter Konventionelle magneter -typer - designkriterier -materialer Superledende magneter -introduktion - teknologier -designs

10 Vakuumsystemer: Integreret del af acceleratoranlæg

11 Vakuum Otto von Guericke, Magdeburg Magdeburg halvkugler (Deutsches Museum, München)

12 Demonstration i Magdeburg 1656:

13 Introduktion i vakuum teknologi Vacuum: Low medium high ultra high Flow: Viscous intermedium molecular Mean free path (m) 5*10-5 m 0.05 m 500 m 5*10 5 m (1atm=1013mbar=760Torr) Gas pressure (mbar=100pa) FY13 Spring 2004

14 Vakuum systemkomponenter Vakuumkamre Pumper Pressure gauges Restgas analysatorer Læksøgningsapparater FY13 Spring 2004

15 Diffusionspumpe (historisk...) Princip: Diffusion af gas ind i olie damp kompression Pumpning af udstødningssiden => kræver backing pumpe - Backstreaming af oliedamp! FY13 Spring 2004

16 Turbomolekylær pumpe ( turbopumpe ) Working principle: FY13 Spring 2004 rotation Rotor blades Gas molecule outlet - Light gases!

17 Ionpumpe Funktionsprincip: Sputtering (=forstøvning) af getter material feks. titanium Gas molekyler graver deres egen grav => Kemiske pumpe +H 2, +H 2 O, - ædelgasser - memory effect FY13 Spring 2004

18 Andre kemiske pumper: a) Ti sublimationspumpe Funktionsprincip: Fordampning af getter material (Ti) Gas molecyler bliver kemisk bundet på overfladen af getter materialet +H 2, +H 2 O, - noble gases + very high pumping speeds for light gasses! FY13 Spring 2004

19 Andre kemiske pumper: b) NEG pumpe NEG: Non-evaporable getters

20 Andre kemiske pumper: c) Kryopumpe Adsorption baffle Desorptionsrate: dθ = n E B ν θ exp dt kbt θ: coverage, ν: attempt frequency Lennard-Jones 1932:

21 Rotationspumper (mekaniske pumper) Suspenderet i olie: => isolering mod lufttryk, => smøring, => beskyttelse mod korrosion. Benyttes til: Udpumpning af vakuumsystemet, Sidste pumpetrin i flertrins højvakuumog UHV sytemer Endetryk: 10-3 torr pumping speed: typical 2 l/s FY13 Spring 2004

22 Rotationspumpe Funktionsprincip FY13 Spring 2004

23 Trykmåling Grov vakuum to højvacuum (fra lufttryk til 10-3 Torr) Pirani gauge (resistive) Thermocouple Funktionsprincip: Temperature of a electrically Heated wire depends on heat conductive cooling by rest- Gas. Limit: radiative cooling >> heat conduction of rest gas FY13 Spring 2004

24 UHV trykmåling Ion gauge eller Hot cathode ion gauge Højvakuum til ultrahøjvakuum (10-4 to Torr) Limit: x-rays induce secondary electrons -> mimic ion current FY13 Spring 2004

25 Læksøgning: He læksøgningsapparat FY13 Spring 2004

26 Restgasanalyse med kvadrupol massespektrometer (QMS) Ion trajectories Tuned mass Channeltron detector FY13 Spring 2004

27 Restgasspektrum

28 UHV restgasspektrum Total tryk omkring mbar

29 Forelæsning 3, uge 6 Acceleratorteknologi Vakuum Vakuum, hvorfor? Hvad er vakuum? Hvordan frembringer man vakuum? Vakuum systemlayout, systemkriterier Magneter Konventionelle magneter -typer - designkriterier -materialer Superledende magneter -introduktion - teknologier -designs

30 Acceleratormagneter

31 Acceleratormagneter Konventionelle magneter = Magneter med strømførende, normalledende spoler med eller uden jernåg C-type H-type

32 H-type, højfelt window frame

33 Elektromagneter med jernåg Dipol Kvadrupol g B gap R NI B gap = μ 0 g db dx y = db dy x = μ 0 2NI 2 R

34 Dipolmagneter Magnetisk rigidity (=stivhed): B ρ = p e Magnetisk afbøjning: θ sin = 2 hvisθ << π / 2 : θ lb Bρ l = 2ρ lb 2( Bρ)

35 Kvadrupol fokussering Fokusseringsevne (eng. focussing strength): k = 1 db Bρ dx z Δx = θ = Δx = f 1 = kl x f lb = Bρ l( dbz / dx) x Bρ = lkx

36 Shimning

37 Fokussering af dipoler Δl = x 0 tan Ψ Δl Δα = = x ρ 0 tan Ψ ρ

38 Begrænsning: magnetiseringsmætning af jern Mætning af jern magnetisering μ r -> 1 Rampning af magnetfelt: Hvirvelstrøm i spole og åg! => laminering af åg

39 Superledning Opdaget 1911 af Heike Kamerlingh Onnes i Leiden, NL. Nobels pris : K.A Müller and G. Bednorz opdager høj temperatur superledning på IBMs forskningslaboratorium i Rüschlikon, Schweiz. Nobels pris 1987.

40 Superledende faser Meissner Ochsenfeld effekt => Superledere er (næsten) Perfekt diagmagnetisk

41 Superledende magneter cos Θ magnet CERNs LHC dipolmagnet a I B z = μ0 2a 0

42 2D spolekonfigurationer

43 2D superledende spoledesign Dipol Kvadrupol

44 Superledende kabler

45 Spolegeometri

46 Example: CERN LHC magnet Specifikationer: B max 8.3 T ΔB/B < 10-4 T op 1.9T L 14.3 m Bρ 23.4 KTm # in machine: 1232

47

48

49 Nye teknologier: Højtemperatur superleder (HTS) 2. generations HTS

50 Højtemperatur superleder (HTS) Anvendes også i andre brancher: El forsyning: kabler and fejlstrømsrelaiser Maglev tog Generatorer og skibsmotorer