High-gradient accelerating structure studies and their application in hadrontherapy

Este proyecto de tesis doctoral tiene como objetivo el estudio de las cavidades de aceleración de alto gradiente y su aplicación al campo de la hadronterapia, en particular, al desarrollo de un acelerador lineal (linac) para hadronterapia. Las reducidas dimensiones de los linacs que usan estructuras de Radio-Frecuencia (RF) de alto gradiente contribuyen a su menor coste y los hacen muy atractivos para su aplicación en una amplia variedad de campos, desde los láseres a electrones libres(Free-Electron Lasers - FELs) hasta los aceleradores para hadronterapia. Sin embargo, el funcionamiento de las estructuras de RF de alto gradiente está limitado por la aparición de arcos eléctricos (RF breakdowns), que pueden provocar pérdidas de partículas del haz. Estas pérdidas pueden a su vez ocasionar graves daños en la superficie de la estructura de aceleración, emisión de radiación, activación de la estructura y pérdida del vacío, que finalmente repercutirán en el funcionamiento de la estructura. Los estudios realizados con motivo del desarrollo de los colisionadores lineares CLIC (Compact Linear International Collider) y NLC (Next Linear Collider) investigaron el funcionamiento de estructuras de RF de alto gradiente operando entre 12 y 30 GHz. Recientemente una estructura de aceleración de CLIC a 12 GHz alcanzó un gradiente de aceleración de 100 MV/m. Este hecho, junto con una mayor comprensión del fenómeno de RF breakdown, ha estimulado el uso de estructuras de RF de alto gradiente en otros campos. La existencia de aceleradores compactos y de bajo consumo energético que proporcionasen haces con las características apropiadas para su uso en hadronterapia contribuiría enormemente a la difusión y el desarrollo de esta técnica de tratamiento de tumores. La tecnología de alto gradiente puede ayudar en la realización de una máquina compacta y de bajo consumo energético. El cyclinac, la combinación de un ciclotrón y un linac de alto gradiente, es un concepto propuesto por la fundación Fondazione per la Adroterapia Oncologica (TERA) y ha sido especialmente diseñado para la hadronterapia. Su alta frecuencia de repetición y la posibilidad de variar la energía del haz en pocos milisegundos, pulso a pulso, actuando en la potencia de RF que alimenta la estructura, lo hacen apropiado para tratar órganos en movimiento. El primer prototipo de un módulo de un linac para tratamiento de tumores con protones, o protonterapia, conocido como LInac BOoster (LIBO), ha sido construido y testeado por TERA. Este prototipo opera a la frecuencia de 3 GHz. Esta frecuencia no se había utilizado nunca en la aceleración de protones, aunque es común en los linacs de electrones de hasta 20 MeV utilizados ampliamente en el medio hospitalario. Una evolución interesante del concepto de LIBO es la estructura llamada CABOTO: Carbon Booster for Therapy in Oncology, que es una adaptación de LIBO para hadronterapia. CABOTO permite acelerar moléculas de hidrógeno e iones de carbono hasta unos 400 MeV/u provenientes de un acelerador de rango de energía limitado como podría ser un ciclotrón. Las dimensiones de CABOTO podrían reducirse si se pudiesen conseguir altos gradientes de aceleración en sus celdas sin comprometer el buen funcionamiento del acelerador. Por otra parte, aumentar la frecuencia de resonancia de las celdas podría permitir conseguir aceleradores más cortos que consumiesen menos energía. Las frecuencias estudiadas por los colisionadores lineales tales como CLIC, entre 12 y 30 GHz, conducen a celdas de dimensiones muy reducidas, que complican su producción y manipulación, y consecuentemente encarecen la fabricación del acelerador. A este respecto, la frecuencia de 5.7 GHz podría ser una solución de compromiso. En este contexto, varios tests de alta potencia de cavidades de aceleración operando entre 3 y 5.7 GHz han sido proyectados y realizados en el marco del programa de alto gradiente de TERA para entender el comportamiento, y especialmente, evaluar los límites de funcionamiento de dichas cavidades a altos gradientes de campo. Además estos tests han permitido la comprobación de la validez de los modelos de operación a altos gradientes de estructuras de RF recientemente propuestos: el modelo de flujo de potencia (power flow model), que asocia la limitación de alto gradiente a una cantidad electromagnética acuñada con el nombre de vector de Poynting modificado, porque tiene en cuenta no sólo el flujo de potencia real sino también el imaginario, y el modelo de estrés (stress model), que cuantifica la dependencia de la tasa de RF breakdowns en función del campo eléctrico aplicado a la superficie de una estructura cristalina. A tal efecto, una colaboración entre la fundación TERA y el grupo de diseño de estructuras de RF de CLIC en el CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucleaire) ha sido establecida. Dicho programa comprende el diseño, realización y test de RF de: - Una cavidad de 3 GHz con una única celda de aceleración. - Tres cavidades de 5.7 GHz con una única celda de aceleración cada una de ellas. - Una sección de una estructura de aceleración de CABOTO, con múltiples celdas, cuya frecuencia vendrá determinada de acuerdo a la experiencia adquirida en la realización y test de alta potencia de RF de las cavidades anteriores. La primera parte de este trabajo de investigación se centra en el programa de alto gradiente de TERA. En particular, describe el diseño y realización de las cavidades con una única celda de 3 y 5.7 GHz. La geometría de las celdas fue determinada en un estudio previo a este trabajo con el programa de simulación de campos electromagnéticos Superfish. La geometría final de la cavidad, incluyendo el diseño de la apertura de acoplamiento, fue estudiada en este trabajo con el programa de simulación de campos electromagnéticos HFSS. Este trabajo de investigación se ocupa asimismo de los tests de RF de la cavidad de 3 GHz realizados en las instalaciones de la CLIC Test Facility (CTF3) en el CERN y también del test de RF del prototipo de una estructura de aceleración de 5.7 GHz diseñada para aumentar la energía final del haz de electrones del FEL SPARC (Sorgente Pulsata e Amplificata di Radiazione Coerente) del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - Laboratori Nazionali di Frascati (INFN - LNF), realizado en KEK (High Energy Accelerator Research Organization). Los resultados obtenidos para las estructuras operando entre 3 y 5.7 GHz fueron confrontados con los datos recogidos por los estudios de alto gradiente realizados en el marco del desarrollo de los colisionadores lineales CLIC y NLC, correspondientes a un rango de frecuencias entre 12 y 30 GHz. Este trabajo permitió extender el rango de frecuencias de datos experimentales de 3 a 30 GHz. Los datos recabados sirvieron para verificar la validez del modelo de flujo de potencia (power flow model) y del modelo de estrés (stress model). Ambos modelos se ajustaban bien a los datos experimentales recogidos en este trabajo, por lo que los modelos parecen válidos para describir el funcionamiento de estructuras de RF de alto gradiente operando en el rango de frecuencias estudiado. El programa de alto gradiente de TERA aún no ha finalizado: el test de alta potencia de RF de las cavidades de una única celda operando a 5.7 GHz será realizado próximamente en las dependencias de ADAM S.A., de forma similar a los tests de alta potencia de RF descritos en este trabajo. La segunda parte de este trabajo presenta el diseño y funcionamiento de un linac compacto y de bajo consumo expresamente diseñado para hadronterapia, CABOTO. La alta frecuencia de resonancia del linac, 5.7 GHz, permite el uso de altos gradientes de aceleración (entre 32 y 34 MV/m, correspondientes a un campo eléctrico máximo de pico de unos 170 MV/m) y un consumo reducido. La geometría de las celdas de CABOTO fue optimizada con el objeto de maximizar la effective shunt impedance (entre 100 y 130 MOhms/m) y así reducir el consumo del linac a partir de simulaciones realizadas con Superfish y gestionadas por el código Superfisherman, en cuyo desarrollo la autora de este trabajo fue partícipe. Iones de carbono completamente ionizados, 12C+6, son acelerados hasta una energía de 150 MeV/u en un ciclotrón isócrono y luego vienen inyectados en CABOTO, donde a lo largo de sus 24 metros de longitud pueden alcanzar una energía de 410 MeV/u. El linac está dividido en 16 unidades, cada una de las cuales viene alimentada por su propio klystron de 12 MW, por lo que en total CABOTO necesita 192 MW de potencia instalada. La división del linac en unidades independientemente alimentadas permite variar la energía final del haz cambiando la potencia que alimenta a las diferentes unidades. De esta forma, el alcance del haz de iones de carbono proporcionado por CABOTO puede variarse con un paso de 2 milímetros. El estudio de las características del haz de CABOTO se realizó con los programas de simulación de dinámica del haz DESIGN, LINAC y TRAVEL. La alta frecuencia de repetición de CABOTO, 300 Hz, combinada con un sistema de retroalimentación en 3D, permite el tratamiento de órganos en movimiento. Los resultados de los test de RF se pueden usar también para estimar el funcionamiento de otras estructuras de RF a alto gradiente, como las estructuras de aceleración de CABOTO, asumiendo que los resultados obtenidos para una estructura operando a cierta frecuencia pueden ser reescalados a otra estructura operando en la misma frecuencia pero con diferente geometría a la de la primera estructura simplemente en función de cantidades electromagnéticas como el campo eléctrico o el vector de Poynting modificado. De acuerdo con este razonamiento, y en base a los datos experimentales recabados en este trabajo, la tasa de RF breakdowns que se podría esperar durante la operación a alto gradiente de CABOTO satisfacería los requisitos clínicos. CABOTO se perfila así como un plausible candidato para liderar la nueva generación de aceleradores para hadronterapia, que debería ofrecer la posibilidad de utilizar las mejores técnicas de irradiación y facilitar el acceso de este tratamiento de tumores a una mayor parte de la población

Electron-Hadron Colliders: EIC, LHeC and FCC-eh

Electron-hadron colliders are the ultimate tool for high-precision quantum chromodynamics studies and provide the ultimate microscope for probing the internal structure of hadrons. The electron is an ideal probe of the proton structure because it provides the unmatched precision of the electromagnetic interaction, as the virtual photon or vector bosons probe the proton structure in a clean environment, the kinematics of which is uniquely determined by the electron beam and the scattered lepton, or the hadronic final state accounting appropriately for radiation. The Hadron Electron Ring Accelerator HERA (DESY, Hamburg, Germany) was the only electron-hadron collider ever operated (1991 – 2007) and advanced the knowledge of quantum chromodynamics and the proton structure, with implications for the physics studied in RHIC (BNL, Upton, NY) and the LHC (CERN, Geneva, Switzerland). Recent technological advances in the field of particle accelerators pave the way to realize next-generation electron-hadron colliders that deliver higher luminosity and enable collisions in a much broader range of energies and beam types than HERA. Electron-hadron colliders combine challenges from both electron and hadron machines besides facing their own distinct challenges derived from their intrinsic asymmetry. This review paper will discuss the major features and milestones of HERA and will examine the electron-hadron collider designs of the Electron-Ion Collider (EIC) currently under construction at BNL, the CERN's Large Hadron electron Collider (LHeC), at an advanced stage of design and awaiting approval, and the Future Circular lepton-hadron Collider (FCC-eh)

Crab Cavity Systems for Future Colliders

KEKB was the first facility to implement the crab crossing technique in 2007, for the interaction of electron and positron beams. The High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) project envisages the use of crab cavities for increasing and levelling the luminosity of proton-proton collisions in LHC. Crab cavities have also been proposed and studied for future colliders like CLIC, ILC and eRHIC. This contribution will focus on the near and far future of crab cavities for particle colliders

DQW HOM Coupler Design for the HL-LHC

HOMs in the DQW crab cavity can produce large heat loads and beam instabilities as a result of the high current HL-LHC beams. The DQW crab cavity has on-cavity, coaxial HOM couplers to damp the HOMs whilst providing a stop-band response to the fundamental mode. Manufacturing experience and further simulations give rise to a set of desirable coupler improvements. This paper will assess the performance of the current HOM coupler design, present operational improvements and propose an evolved design for HL-LHC

Design of LHC Crab Cavities Based on DQW Cryomodule Test Experience

A cryomodule with two Double-Quarter Wave (DQW) cavities was designed, built and tested with the SPS beam in 2018. Each cavity was equipped with an rf pickup antenna to monitor field amplitude and phase. The pickup antenna also included a section expressly designed to couple and extract one of the Higher-Order Modes (HOM) at 1.754 GHz. The SPS beam tests evidenced direct coupling of the beam to this pickup antenna, in a similar way that a beam position monitor pickup couples to the passing beam. This undesired coupling had an impact on the RF feedback system responsible to regulate the cavity field and frequency. The present paper proposes a new DQW cavity design with improved antennae which provides adequate fundamental mode extraction while providing a reduction of both direct coupling to the beam and heat dissipation

Crab cavities for colliders: past, present and future

The numerous parasitic encounters near interaction points of some particle colliders can be mitigated by introducing a crossing angle between beams. However, the crossing angle lowers the luminosity due to reduced geometric overlap of the bunches. Crab cavities allow restoring head-on collisions at the interaction point, thus increasing the geometric luminosity. Crab cavities also offer a mechanism for luminosity leveling. KEKB was the first facility to implement the crab crossing technique in 2007, for the interaction of electron and positron beams. The High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) project envisages the use of crab cavities for increasing and leveling the luminosity of proton-proton collisions in LHC. And crab cavities have been proposed and studied for future colliders like CLIC, ILC and eRHIC. This paper will review the past, present and future of crab cavities for particle colliders

HOM Coupler Alterations for the LHC DQW Crab Cavity

As part of the High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) project, 16 crab cavities are to be installed in the LHC in 2025. The two crab cavity designs are the Double Quarter Wave (DQW) and Radio Frequency Dipole (RFD). Preliminary beam tests in the Super Proton Synchrotron (SPS) are planned for both cavity types, with the DQW scheduled for testing in 2018. In reference to to Higher Order Mode (HOM) damping, the DQW has three identical on-cell HOM couplers. These HOM couplers provide a band-stop response at the frequency of the fundamental mode and act as a transmission path for the cavity HOMs. For the SPS cavity design, several geometric constraints exist. These give rise to dimensional limitations which in-turn impose limitations on the RF performance of the HOM couplers. As such, for the LHC assembly, the HOM coupler design is re-visited to take into account the relaxed geometric limitations, hence allowing the feasibility of an increased RF performance to be investigated. In addition to the RF performance, several geometric alterations were incorporated to ease manufacturing processes, tolerances and costs

Determining BCP Etch Rate and Uniformity in High Luminosity LHC Crab Cavities

The compact SRF Crab Cavities required for HL-LHC have complex geometries making prediction of average and local BCP etch rates a difficult task. This paper describes a series of experiments and simulations used to determine the etch uniformity and rate within these structures. An initial experiment was conducted to determine the correlation between etch rate and flow rate in a Nb tube. These results were then incorporated into Computational Fluid Dynamics simulations of acid flow in the Double Quarter Wave (DQW) cavity to predict etch rates across the surface and allow optimisation of the BCP setup. There were several important findings from the work; one of which is that the flow rate in the relatively large body of the cavity is predominantly driven by natural convection due to the exothermic reaction. During BCP processing of the DQW cavity a significant difference in etching was observed between upper and lower horizontal surfaces which was mitigated by etching in several orientations. Two DQW cavities manufactured by CERN have received a heavy BCP of 200μm followed by 2 light BCPs of 30μm each with subsequent vertical cold tests showing performance exceeding specification.The compact SRF Crab Cavities required for HL-LHC have complex geometries making prediction of average and local BCP etch rates a difficult task. This paper describes a series of experiments and simulations used to determine the etch uniformity and rate within these structures. An initial experiment was conducted to determine the correlation between etch rate and flow rate in a simple Nb tube. These results were then incorporated into Computational Fluid Dynamics simulations of acid flow in the Double Quarter Wave (DQW) cavity to predict etch rates across the surface and allow optimisation of the BCP setup. There were several important findings from the work; one of which is that the flow rate in the relatively large body of the cavity is predominantly driven by natural convection due to the exothermic reaction. During BCP processing of the DQW cavity a significant difference in etching was observed between upper and lower horizontal surfaces which was mitigated by etching in several orientations. Two DQW cavities manufactured by CERN have received a heavy BCP of 200 µm followed by 2 light BCPs of 20 µm each. Subsequent testing has shown performance exceeding required accelerating gradient and Q factor

Frequency Tuning for a DQW Crab Cavity

The nominal operating frequency for the HL-LHC crab cavities is 400.79 MHz within a bandwidth of ±60kHz. Attaining the required cavity tune implies a good understanding of all the processes that influence the cavity frequency from the moment when the cavity parts are being fabricated until the cavity is installed and under operation. Different tuning options will be available for the DQW crab cavity of LHC. This paper details the different steps in the cavity fabrication and preparation that may introduce a shift in the cavity frequency and introduces the different tuning methods foreseen to bring the cavity frequency to meet the specifications