Caracterización de las pérdidas del haz para el diseño de los monitores de pérdidas (BLMs) para la primera etapa del acelerador médico de hadronterapia LincDOS6+ (BLMs-LincDOS6+)

Abstract

Gran parte del trabajo en física de aceleradores consiste en optimizar el funcionamiento de las máquinas, para obtener haces de partículas de alta calidad, especialmente si hablamos de los aceleradores que se usan en tratamiento médicos, como aceleradores de hadronterapia. En este sentido, la monitorización del estado de los componentes del acelerador juega un papel fundamental, por lo que disponer de una instrumentación adecuada al tipo de acelerador que se opere es necesario para asegurar el buen funcionamiento de este. Los BLMs (Beam Lost Monitors) son una parte básica del sistema de protección de los aceleradores de partículas, ya que están diseñados para medir interacciones indeseadas del haz con los componentes del acelerador. Cuando se trata de partículas cargadas aceleradas, estas interacciones son especialmente peligrosas porque pueden dañar la máquina permanentemente. Dichas interacciones producen incrementos locales de radiación que los sensores del BLM deben ser capaces de medir, además es crucial que los BLMs respondan rápidamente para poder detener el funcionamiento del acelerador y minimizar los daños a los componentes. En la actualidad se pueden conseguir BLMs comerciales, para diferentes tipos de aceleradores y rangos de energía, pero, principalmente, están diseñados para haces con una energía media-alta, por lo que en general son menos sensibles en zonas del acelerador donde la energía es más baja, por ejemplo, en la zona de inyección. Por este motivo se propone el desarrollo de BLMs para la zona de baja energía de un inyector de hadrones para estudios de física médica. En el trabajo se caracterizan las pérdidas del haz en el acelerador lineal para posteriormente diseñar y dimensionar los detectores de radiación para los BLMs, valorando las diferentes tecnologías de detección, como cámaras de ionización o centelladores con fotomultiplicadores de silicio. Se tendrá en consideración los parámetros del inyector de hadrones para estudios de física médica, que se va a construir y operar en el IFIC. Se consideran los diferentes tipos partículas que se usaran en el inyector, concretamente protones e iones de carbono, y los rangos de energía de las diferentes fases de la máquina, aunque principalmente se han simulado haces de 10 MeV por nucleón. Para estudiar los diferentes escenarios, los cálculos se han realizado a través de simulaciones Montecarlo, usando Geant4. Se ha analizado tanto el efecto del grosor del tubo del acelerador como la distribución de la radiación dispersada y la energía de esta.

Much of the work in accelerator physics involves optimizing the operation of machines to obtain high-quality particle beams, especially when talking about accelerators used in medical treatment, such as hadrontherapy accelerators. In this sense, the monitoring of the status of the accelerator components plays a fundamental role, so having adequate instrumentation to the type of accelerator that is operated is necessary to ensure the proper functioning of this. BLMs (Beam Lost Monitors) are a basic part of the particle accelerator protection system, as they are designed to measure unwanted beam interactions with accelerator components. When dealing with accelerated charged particles, these interactions are especially dangerous because they can permanently damage the machine. Such interactions produce local radiation increases that BLM sensors must be able to measure, and it is crucial that BLMs respond quickly in order to stop accelerator operation and minimize damage to components. Currently commercial BLMs can be obtained, for different types of accelerators and power ranges, but, mainly, they are designed for beams with a medium-energyhigh, so they are generally less sensitive in areas of the accelerator where energy is lower, for example, in the injection zone. For this reason it has been proposed to develop BLMs for the low energy zone of a hadron injector for medical physics studies. During the proyect, the beam losses in the linear accelerator are characterized, in order to design and size the radiation detectors for the BLMs, evaluating the different detection technologies, as ionization chambers or scintillators with silicon photomultipliers. Consideration will be given to the parameters of the hadron injector for medical physics studies, which will be built and operated at the IFIC. The different types of particles used in the injector, namely protons and carbon ions, and the energy ranges of the different phases of the machine are considered, although mainly 10 MeV beams per nucleon have been simulated. To study the different scenarios, calculations have been performed through Monte Carlo simulations, using Geant4. Both the effect of the thickness of the accelerator tube and the distribution of dispersed radiation and the energy of the accelerator have been analysed.