Compact extraction and matching system for high current accelerator applications

Abstract

In the context of advancing accelerator technologies for societal applications, and within the framework of the European Organization for Nuclear Research (CERN) Knowledge Transfer (KT) initiative, a novel compact beam extraction and matching system (CEMS-02) has been developed. This system aims to enhance the performance and reduce the footprint of injector linac designs for high-current applications. The concept builds on the first version of the Compact Extraction and Matching System (CEMS-01), which was developed for low-current applications, specifically focusing on the extraction of the beam from the plasma and its matching to the first stage of acceleration. CEMS-02 reimagines conventional Low-Energy Beam Transport (LEBT) lines by replacing them with a set of carefully engineered electrodes, thereby achieving significant space savings while improving beam quality. Specifically designed for the Linac4 RF ion source operating in proton mode (IS04), CEMS-02 capitalizes on the source’s capability to deliver beam currents exceeding 60 mA, as well as on the availability of a dedicated test stand replicating Linac4’s LEBT section and providing comprehensive diagnostics. The system consists of five electrodes, including the plasma electrode, within a total length of only 2 cm. This extreme compactness introduces unique challenges, particularly regarding thermal stability and mechanical integrity, since temperature-induced displacements in the extraction region can critically degrade the beam quality. The lossless electrostatic design fulfils three key objectives: efficient extraction of high-current proton beams (> 60 mA), compatibility with the transverse acceptance of the Linac4 Radio Frequency Quadrupole (RFQ), and initial beam acceleration to 45 keV to meet the RFQ injection requirements. This work presents both experimental measurements and simulation studies that partially validate the performance of the CEMS-02 prototype. The demonstrated functionality confirms its potential as a compact, high-efficiency extraction solution and paves the way for its adaptation to other ion sources in a wide range of high-current accelerator applications.

Ο καρκίνος αποτελεί διαχρονικά μία από τις μεγαλύτερες απειλές για την ανθρώπινη υγεία, κατατάσσοντας τον ως δεύτερη αιτία θανάτου στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης μετά τις καρδιαγγειακές νόσους με ετήσιο μέσο όρο 2,6 εκατομμυρίων διαγνώσεων και περίπου 1,2 εκατομμύρια θανάτους. Η νόσος ασκεί σοβαρή πίεση στα εθνικά συστήματα υγείας και κοινωνικής πρόνοιας, επηρεάζει τους κρατικούς προϋπολογισμούς και πλήττει την παραγωγικότητα και την οικονομική ανάπτυξη. Συνεπώς, η προσπάθεια για την αντιμετώπισή της νόσου εστιάζει στην ανάπτυξη τεχνολογικού εξοπλισμού ικανoύ να συμβάλει στην καταπολέμηση της. Μία από αυτές τις προσπάθειες είναι η εξέλιξη των γραμμικών επιταχυντών, δηλαδή συστημάτων που επιταχύνουν δέσμες σωματιδίων σε υψηλές ενέργειες ακολουθώντας ευθύγραμμη πορεία, αξιοποιώντας την ικανότητά τους να εναποθέτουν την ενέργεια σε καλά καθορισμένες αποστάσεις εντός του ανθρώπινου σώματος με στόχο την καταστροφή του καρκινικού ιστού. Ένας γραμμικός επιταχυντής (linac) αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης αλυσίδας επιταχυντικών διατάξεων, η οποία συγκροτεί ένα εξειδικευμένο κέντρο ιατρικής θεραπείας. Ο ρόλος του έγκειται στην παραγωγή και μεταφορά δεσμών σωματιδίων υψηλής έντασης και καλής ποιότητας, με ποικίλα σωματίδια, που χρησιμοποιούνται κυρίως για ιατρική θεραπεία. Παράλληλα, ένας linac μπορεί να αξιοποιηθεί για την κατεύθυνση της δέσμης σε στόχους για την παραγωγή ραδιοϊσοτόπων, τα οποία αποτελούν βασική πρώτη ύλη για τη σύνθεση ραδιοφαρμάκων που χρησιμοποιούνται τόσο σε διαγνωστικές όσο και σε θεραπευτικές εφαρμογές. Ωστόσο, η χρησιμότητά του δεν περιορίζεται αποκλειστικά σε ιατρικούς σκοπούς. Σε ευρύτερο πλαίσιο, οι γραμμικοί επιταχυντές βρίσκουν εφαρμογές στη βιομηχανία (π.χ. αποστείρωση ιατρικών υλικών, τροποποίηση πολυμερών, έλεγχο ποιότητας μέσω μη καταστρεπτικών μεθόδων), στον πολιτισμό (ανάλυση και συντήρηση έργων τέχνης, ανίχνευση πλαστογραφιών, χρονολόγηση υλικών), αλλά και στο περιβάλλον (επεξεργασία λυμάτων, μείωση τοξικών ρύπων, ανάλυση δειγμάτων εδάφους και ατμόσφαιρας). Κατά συνέπεια, ένας linac αποτελεί κομβικό σημείο για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συνδυάζοντας την επιστημονική έρευνα με την πρακτική αξιοποίηση σε πολλούς διαφορετικούς τομείς. Η διδακτορική διατριβή με τίτλο «Συμπαγές Σύστημα Εξαγωγής και Προσαρμογής Δέσμης Σωματιδίων για Εφαρμογές Υψηλού Ρεύματος» εστιάζει στην ανάπτυξη ενός συμπτυγμένου και εκπλεπτυσμένου συστήματος ηλεκτροδίων μήκους μικρότερου των δύο εκατοστών, το οποίο μπορεί να προσαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα πηγών ιόντων. Στόχος του είναι να αυξήσει τον αριθμό των εξαγόμενων σωματιδίων, να βελτιώσει την ποιότητα της εξαγόμενης δέσμης σωματιδίων και να την εστιάσει στην επόμενη επιταχυντική διάταξη χωρίς απώλειες. Με αυτόν τον τρόπο συμβάλλει στη μείωση του συνολικού μεγέθους του γραμμικού επιταχυντή, σε σύγκριση με τα συμβατικά συστήματα που συνήθως απαιτούν τον συνδυασμό μεγάλου αριθμού διαγνωστικών μηχανημάτων και μαγνητικών στοιχείων για να επιτύχουν τον ίδιο σκοπό. Παράλληλα, η διατριβή εξετάζει την ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία του συστήματος σε απαιτητικά εργασιακά περιβάλλοντα, όπου η υψηλή αξιοπιστία, η χαμηλή κατανάλωση ισχύος και το μειωμένο κόστος συντήρησης αποτελούν καίρια πλεονεκτήματα. Η μελέτη και υλοποίηση του συστήματος εξαγωγής, με την ονομασία CEMS (Compact Extraction and Matching System), πραγματοποιήθηκε στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικών Ερευνών (CERN). Το σύστημα σχεδιάστηκε αρχικά σε δύο και στη συνέχεια σε τρεις διαστάσεις με χρήση εξειδικευμένου λογισμικού (Superfish, CATΙA) για τη κατανομής του ηλεκτροστατικού πεδίου σε υψηλό δυναμικό (>40 kV) εντός μικρών αποστάσεων. Παράλληλα, υπήρξε συνεχής συνεργασία με το μηχανολογικό τμήμα του CERN, για τη μελέτη θερμικών απωλειών (με χρήση COMSOL), τη θερμική/μηχανική διαστολή/συστολή των υλικών καθώς και τη συναρμολόγησή στην πηγή όπου επρόκειτο να μελετηθεί πειραματικά. Εκτενείς προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν για τη μελέτη της δυναμικής της δέσμης του συστήματος, με στόχο την πλήρη κατανόηση της λειτουργικής συμπεριφοράς του και της επίδρασής του στην ποιότητα της δέσμης. Για τις μελέτες αυτές αξιοποιήθηκε ένα ευρύ φάσμα λογισμικού (Path/Travel, IBSimu, TraceWin, TRAK). Η επιτυχής λειτουργία του CEMS επαληθεύτηκε πειραματικά στο πλαίσιο μιας εκστρατείας διάρκειας πέντε εβδομάδων. Για την πειραματική εξακρίβωση χρησιμοποιήθηκε μια εξειδικευμένη πειραματική εγκατάσταση, πανομοιότυπη με τον κύριο γραμμικό επιταχυντή του CERN, τον Linac4, ο οποίος τροφοδοτεί τον μεγάλο κυκλικό επιταχυντή αδρονίων (LHC). Η πηγή ιόντων, γνωστή ως IS04, ήταν η μοναδική διαθέσιμη και ικανή να παράγει δέσμες πρωτονίων μεγαλύτερες των 60 mA, προκειμένου να επιβεβαιωθεί πειραματικά η λειτουργία του συστήματος. Παράλληλα, αξιοποιήθηκε η υπάρχουσα γραμμή μεταφοράς της πηγής, μήκους περίπου 2 μέτρων, ώστε να πραγματοποιηθούν διαγνωστικές μετρήσεις με εξειδικευμένα όργανα (profile monitor, Faraday Cup). Το σύστημα CEMS συναρμολογήθηκε επιτυχώς στην πηγή IS04 και μέσα στις τρεις πρώτες ημέρες πειραμάτων επιβεβαίωσε την ικανότητά του να αντέχει το υψηλό δυναμικό για το οποίο είχε σχεδιαστεί. Στη συνέχεια επιτεύχθηκε η εξαγωγή της πρώτης δέσμης πρωτονίων και μετά από μία εβδομάδα βελτιστοποιήσεων, περισσότερα από 60 mA εξήχθησαν σε απόσταση ενός μέτρου από την έξοδο της πηγής, στο σημείο όπου βρισκόταν το διαγνωστικό όργανο (Beam Current Transformer). Από αυτό το ρεύμα, ποσοστό μεγαλύτερο του 80% κατέληξε στην είσοδο της επόμενης επιταχυντικής διάταξης (Radio-Frequency Quadrupole), δύο μέτρα μετά την έξοδο της πηγής, αποδεικνύοντας βελτιωμένη ποιότητα δέσμης σε σχέση με άλλα ήδη υπάρχοντα συστήματα εξαγωγής και μεταφοράς της δέσμης. Ο περιορισμός στο όριο των 60 mA δεν οφειλόταν στο ίδιο το σύστημα εξαγωγής αλλά σε μηχανολογικό περιορισμό του διαγνωστικού οργάνου, το οποίο δεν επέτρεπε την μέτρηση υψηλότερων τιμών. Το αποτέλεσμα αυτό αποτελεί ιδιαίτερα θετική ένδειξη και ανοίγει σημαντικές προοπτικές για μελλοντικές διαγνωστικές μελέτες. Τέλος, πραγματοποιήθηκε ακτινοβόληση στόχου στο τέλος της γραμμής μεταφοράς των 2 μέτρων, στη θέση όπου ξεκινάει το επόμενο στάδιο επιτάχυνσης, προκειμένου να γίνει οπτικοποίηση της δέσμης. Ο σχεδιασμός και τα πειράματα του CEMS ολοκληρώθηκαν με επιτυχία, οδηγώντας σε ικανοποιητική επαλήθευση των θεωρητικών μελετών και σε επικείμενη δημοσίευση σε έγκριτο διεθνές επιστημονικό περιοδικό. Τα αποτελέσματα έχουν ήδη ανοίξει τον δρόμο για μελλοντικές ερευνητικές δραστηριότητες, όπως η βελτιστοποίηση του υφιστάμενου συστήματος εξαγωγής της πηγής IS04, με στόχο την αύξηση της δέσμης αρνητικών ιόντων υδρογόνου για χρήση στον LHC. Παράλληλα, το σχέδιο έχει προσαρμοστεί σε διαφορετική πηγή ιόντων για παραγωγή σωματιδίων άλφα με βλέψεις εφαρμογής του στον ιατρικό τομέα, και βρίσκεται ήδη σε στάδιο κατασκευής. Οι προοπτικές εφαρμογής του συστήματος είναι ευρείες και ξεπερνούν τις αρχικές απαιτήσεις, ενώ το κόστος του παραμένει εξαιρετικά χαμηλό συγκριτικά με αντίστοιχα συστήματα που χρησιμοποιούνται σε άλλα εργαστήρια. Επιπλέον, έχει αποδειχθεί ότι λειτουργεί με αξιοπιστία υπό συνθήκες συνεχούς και μακροχρόνιας λειτουργίας. Αναμφίβολα, υπάρχει περιθώριο περαιτέρω βελτιστοποίησης, η οποία αποτελεί ήδη αντικείμενο εξελικτικής έρευνας. Συνοψίζοντας, το CEMS αποτελεί νέο πρότυπο συμπαγούς, οικονομικής και αξιόπιστης τεχνολογίας με εφαρμογές από τη βασική έρευνα έως την αντικαρκινική θεραπεία, τη βιομηχανία και τον πολιτισμό. Ο ευέλικτος σχεδιασμός του επιτρέπει την παραγωγή υψηλής ποιότητας δεσμών με αυξημένο ρεύμα και ακριβή εστίαση, μειώνοντας παράλληλα μέγεθος και κόστος σε σχέση με συμβατικά συστήματα. Η επιτυχής λειτουργία του CEMS στο CERN δείχνει ότι μικρά και ευέλικτα συστήματα μπορούν να ξεπερνούν τις παραδοσιακές προσεγγίσεις, ανοίγοντας τον δρόμο για μια νέα γενιά αποδοτικών επιταχυντικών τεχνολογιών με πραγματικό κοινωνικό αντίκτυπο.