Evolution of a beam dynamics model for the transport lines in a proton therapy facility
尽管事实上，一阶束流动力学模型允许近似评价的束流特性，其贡献是必不可少的概念设计过程中的加速器或束线。然而，在试运行期间，在与测量值的比较中出现了一些局限性。因此，需要将线性模型扩展到高阶效应。在本文中，粒子-物质相互作用的影响已被列入模型的质子治疗设施在瑞士保罗Scherrer研究所（PSI）的传输线。为了提高性能的设施，需要一个更精确的模型，并已开发的多粒子开源束动力学代码称为OPAL（面向对象的粒子加速器库）。在OPAL中，库仑散射和能量损失的蒙特卡罗模拟与粒子跟踪无缝地进行。在新模型中，除了线性光学元件外，还可以分析无源元件（如降能器、准直器、散射箔和气隙）对束流发射度和能量扩散的影响。这允许显著提高射束传输和射束特性的预测精度。OPAL模型的准确性已经被大量的测量所证实。
2017-11-14 physics.acc-ph
Medical Physics Commissioning
医学调试是将粒子扫描架用于肿瘤治疗的重要步骤。这涉及所有相关系统的参数化和表征，包括射束输送、患者扫描床、成像系统以及与所有所需软件组件的连接。本文仅限于笔形波束扫描系统的波束传输系统的必要任务。通常，调试开始于未扫描光束的表征和光束能量的校准。以下步骤是扫描系统的参数化、光束位置监控系统的调试和光斑尺寸的表征，所有这些都需要优于1 mm的精度。这些任务的调试工作也取决于机架拓扑结构。最后，剂量测量系统的校准确保可以以优于1%的绝对精度输送任何剂量分布。
2018-04-24 physics.acc-ph physics.med-ph
Ion Sources for Medical Applications
离子源是加速器的关键组成部分，用于不同类型的医疗应用：强子治疗设施（加速质子或碳离子），硼中子捕获治疗的高强度加速器（使用强质子束）和同位素生产设施（使用不同的离子种类）。这三种类型的应用在离子束质量、再现性和束可用性方面提出了不同的要求。将描述离子源的不同特性，以及它们特别令人感兴趣或大量使用的原因。
2018-04-23 physics.acc-ph physics.med-ph
A Variable-Energy CW Compact Accelerator for Ion Cancer Therapy
本文报告了2013年DOE/NCI联合研讨会的结论，并将临床加速器设施要求转化为加速器和束流传输技术规范。现有的或可行的加速器技术进行比较，包括一个紧凑的，CW，和可变能量的轻离子加速器目前正在开发的新概念。这种新的轻离子加速器是基于非缩放固定场交变梯度（FFAG）加速器设计的进步。新的设计概念将等离子体轨道与长（高达4米）直线段结合在一起，采用紧凑的跑道形式，允许内循环轨道被选择用于低损耗CW提取，有效地消除了传统CW回旋加速器设计中的高损耗能量降能器。
2017-04-13 physics.acc-ph
Motivation and Development of a Compact Superconducting Accelerator for X-ray Medical Device Sterilization
费米实验室正在开发一种紧凑型超导CSRF加速器，作为高功率、高能量电子束的来源，以产生与钴-60的$\geq$ 2 MCi相当的X射线束。作为这项开发的一部分，我们目前正在组装一个20千瓦，1.6兆电子伏的原型，其中包括四个使能技术如下所述。这些技术支持的热预算在市售低温制冷机的能力范围内，并消除了对液体制冷剂的需求。超导技术的使用保证了80%或更高的效率，从墙上插头到光束。将提供迄今为止的设计和进度摘要。此外，我们还将对医疗器械灭菌行业的发展进行回顾，这些发展推动了该技术的发展。
2022-09-08 physics.acc-ph physics.med-ph
A double multi-turn injection scheme for generating mixed helium and carbon ion beams at medical synchrotron facilities
EBG MedAustron GmbH（EBG MedAustron有限公司）；Institute of High Energy Physics of the Austrian Academy of Sciences（奥地利科学院高能物理研究所）；Medical University of Vienna（维也纳医科大学）；GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH（GSI亥姆霍兹重离子研究中心有限公司）
针对强子治疗中碳离子束在线射程验证需求，提出双多圈注入方案在医用同步加速器中产生混合氦碳离子束，首次在MedAustron设施实现并验证其可行性，为临床应用提供技术基础。
2025-10-13 physics.acc-ph physics.med-ph
Medipix3 proton and carbon ion measurements across full energy ranges and at clinical flux rates in MedAustron IR1
Medipix 3是一种带有硅传感器的混合像素探测器，已在MedAustron离子治疗中心的非临床研究室（IR 1）中作为质子和碳离子测量的束流仪器设备进行了评估。质子能量从62.4到800 MeV变化，每秒有$10^{4}$到$10^{8}$质子撞击探测器表面。对于碳离子，能量在120至400 MeV/amu之间变化，$10^{7}$至$10^{8}$碳离子每秒。测量包括同步高分辨率、光束轮廓和光束强度以及高达1000 FPS（每秒帧数）的各种光束参数、计数率线性和测量日之后使用X射线管进行的辐射损伤评估，以提供均匀的辐射测量。计数率线性被发现是线性的不确定性内（主要由加速器相关的来源，由于特殊的设置）的测量没有降级。随着时间的推移，在射束强度内识别各种频率分量，首先包括具有标准偏差的49.98 Hz，$σ=0.29$，其次是30.55 Hz $σ=0.55$，第三是252.51 Hz $σ=0.83$。在具有最高通量的测量中观察到零计数和噪声像素的数量之间的直接相关性。在一天的测量中，没有发现长期辐射损伤的确凿证据。
2021-10-14 physics.acc-ph physics.ins-det physics.med-ph
A Spatial-Resolved Proton Energy Spectrometer Based on a Scintillation-Fiber Cube
State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, School of Physics, Peking University（北京大学物理学院核物理与技术国家重点实验室）；Beijing Laser Acceleration Innovation Center（北京激光加速创新中心）；National Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect, Northwest Institute of Nuclear Technology（西北核技术研究所强脉冲辐射模拟与效应国家重点实验室）；Institute of Guangdong Laser Plasma Technology（广东激光等离子体技术研究所）
本文提出一种基于闪烁纤维立方体的新型能谱仪，用于高能脉冲离子束的在线诊断，实现了宽能谱和复杂空间分布的测量。
2026-04-22 physics.acc-ph physics.plasm-ph
SHARP: A compact focusing system for medical applications using a diverging plasma lens
University of Oslo（奥斯陆大学）；Paul Scherrer Institute (PSI)（保罗谢尔研究所）；Aarhus University（奥胡斯大学）；Aarhus University Hospital（奥胡斯大学医院）
SHARP项目利用发散等离子体透镜和四极子透镜结合，实现紧凑的高精度放疗系统，有望提升放疗效率并减少基础设施需求。
2026-02-23 physics.acc-ph physics.med-ph
Intense high-quality medical proton beams via laser fields
在过去的十年中，高强度激光与固体靶的相互作用引起了人们的极大兴趣，因为它在加速带电粒子方面具有潜力。尽管在基于激光等离子体的加速方面取得了巨大的进展，但仍然不清楚在即将到来的多拍瓦（1 PW = 10 $^{15}$ W）激光产生中哪种粒子束质量将是可获得的。在这里，我们显示与耦合的相对论运动方程的基础上，质子产生的激光等离子体过程可以有效地后加速使用交叉激光束聚焦到几个激光波长的光斑半径的模拟。我们表明，交叉光束产生单能加速质子的动能$> 200$ MeV，小的能量扩散（$\approx$ 1 $%$）和强子癌症治疗所需的高密度。据我们所知，这是第一个允许基于全光设置的重要应用的方案。
2010-10-18 physics.acc-ph
Magnet design optimization of a 100 MeV separated sector medical cyclotron and its injection line
本文介绍了100 MeV分离扇区医用回旋加速器（SSMC）的磁场设计以及用于从方位变场（AVF）回旋加速器向SSMC输送14 MeV质子束流的注入线磁体的优化设计。研究表明，通过在极尖放置三组校正微调线圈，可以获得公差约为10-4 T的等幅磁场。Betatron振荡的结果足以验证磁场的聚焦力可以将粒子保持在磁体的中平面附近。为了使14 MeV回旋加速器的束流以最小的损失注入SSMC，束流必须符合分离扇形回旋加速器的接收椭圆。利用Trace-3D束流动力学程序对束流注入系统的特性进行了计算和优化。
2021-01-06 physics.acc-ph
Development of a Proton Therapy Research Beamline with FLASH and Minibeam Capabilities at the 18 MeV Bern Medical Cyclotron
University of Napoli Federico II（那不勒斯费德里科二世大学）；Università degli Studi dell'Insubria（因苏布里亚大学）
本文介绍了在18 MeV伯恩医疗回旋加速器上开发具有FLASH和微束能力的质子治疗研究光束线，以支持放射生物学研究，通过灵活的时间和空间剂量输送平台，实现质子FLASH和空间分数化放射治疗的优化。
2026-07-20 physics.acc-ph physics.ins-det physics.med-ph
Orbit Error Correction on the High Energy Beam Transport Line at the KHIMA Accelerator System
为了治疗各种癌症和医学研究，韩国重离子医疗加速器（KHIMA）项目下的同步加速器医疗机器已经进行，并将于2018年初治疗患者。KHIMA同步加速器旨在加速和提取各种能量范围的碳离子（质子）束，110至430 MeV/u（60至230 MeV）。利用WinAgile和MAD-X程序对KHIMA加速器系统的高能束流输运线进行了晶格设计和束流光学研究。由于磁场误差和不对中引入了与设计参数的偏差，因此应明确地处理这些误差源，并考虑机器晶格对不同单个误差源的敏感性。利用MAD-X程序，考虑了静态和动态的各种误差，并采用专用的校正算法进行了相应的校正。因此，已经针对整个HBT线中的专用晶格组件规定了不同误差贡献的容限。
2016-06-09 physics.acc-ph
Optimization of the Multi-turn Injection Efficiency for Medical Synchrotron
本文提出了一种医用同步加速器多圈注入效率的优化方法。我们表明，对于给定的注入能量，注入效率可以大大提高通过适当地选择横向调谐以及优化注入凸块和束注入所需的匝数。我们验证了我们的研究通过应用该方法的韩国重离子医疗加速器（KHIMA）同步加速器，这是目前建在校园的Dongnam放射和医学科学研究所（DIRAMS）在韩国釜山。首先，在ELEGANT和ACCSIM代码的帮助下进行频率图分析。然后选择产生良好喷射效率的调谐。通过这些调谐，然后通过在注入之后跟踪多达一千圈的粒子数量来优化注入凸块和注入所需的圈数，超过一千圈就没有进一步的光束损失。给出了质子离子注入效率的优化结果。
2016-06-15 physics.acc-ph
Cyclinac Medical Accelerators Using Pulsed C6+/H2+ Ion Sources
带电粒子疗法，或所谓的强子疗法，发展非常迅速。科学界面临着巨大的压力，需要提供专用的加速器，以最低的成本提供最好的治疗方式。在这种情况下，意大利研究基金会TERA正在开发快速循环加速器，称为“cyclinacs”。这些是回旋加速器（将离子加速到固定的初始能量）和随后的高梯度直线加速器的组合，所述高梯度直线加速器将离子能量提升到医学治疗所需的最大值。直线加速器由许多独立控制的速调管供电，以改变从一个脉冲到下一个脉冲的束能量。该加速器最适合使用4D多点扫描技术治疗活动器官。本文介绍了一种质子/碳离子双回旋加速器。它由电子束离子源、超导等离子体回旋加速器和高梯度直线加速器组成。所有这些机器都以高重复率（100-400 Hz）脉冲。该源应在短脉冲（1.5 μs平顶）中提供C6+和H2+离子，并具有足够的强度（在300 Hz下至少108个完全剥离的碳离子）。回旋加速器将离子加速到120 MeV/u。它具有紧凑的设计（超导线圈）和低功耗。该直线加速器具有新颖的C波段高梯度结构，并将离子加速到高达400 MeV/u的可变能量。对于相同的离子提取能量，高RF频率导致比同步加速器低得多的功率消耗。这项工作是与CLIC小组合作的一部分，该小组正在欧洲核子研究中心研究高梯度电子-正电子对撞机。
2010-08-11 physics.acc-ph physics.med-ph
Order-of-Magnitude Beam Current Improvement in Compact Cyclotrons
在粒子物理、医用同位素生产、材料和能源研究等领域，对小型粒子加速器产生的高强度质子束有着巨大的需求。为了满足这一需求，我们首次提出了一种紧凑型等离子体回旋加速器的设计，该回旋加速器将能够提供10 mA的60 MeV质子-比市场上的紧凑型回旋加速器高出一个数量级，比研究机器高出四倍。一个关键的突破是，涡流运动被纳入设计的回旋加速器，导致清洁提取。静电引出通道的隔板上的射束损失保持在50 W以下（比所需的安全极限低四倍），同时保持良好的射束质量。我们提出了一组高度精确的粒子模拟，和一个不确定性量化的选择束输入参数，使用机器学习，显示的鲁棒性的设计。这种设计可用于粒子和核物理、材料科学和医学物理实验以及工业应用中的束流。
2021-05-11 physics.acc-ph
Design and commissioning of a high-level control system for a medical isochronous cyclotron
本文介绍了为应对MEDICYC医用等时性回旋加速器子系统老化问题，于2021-2024年开发并调试的新型高级控制系统，其负责束流产生输送的协调及数据监测与故障检测，并阐述了软件架构与部署基础设施。
2024-09-25 physics.acc-ph physics.ins-det
Fast Output Energy Regulation in a Medical Proton Linac
针对质子治疗中深度扫描的能量调节需求，提出利用非惯性行波加速段在单个射频脉冲内改变加速场相位以快速调节医用质子直线加速器输出能量的方法，经计算和模拟验证可将深度扫描速度提升数个数量级。
2023-10-06 physics.acc-ph physics.med-ph
Non-Destructive Beam Monitoring via Secondary Radiation Detection with Ce-Doped Silica Fibers
University of Bern（伯尔尼大学）；University of Napoli Federico II（那不勒斯费德里科二世大学）
研究利用掺铈硅酸盐纤维开发外部纤维监测器，用于监测医疗回旋加速器束流，评估其在不同应用场景下的性能和贡献。
2026-01-26 physics.acc-ph physics.ins-det
Medical Applications -- Instrumentation and Diagnostics
这个CAS演讲描述了粒子治疗加速器中束流仪器和诊断的作用。它提出了一个扩展的观点，仪器，反馈，检测器技术，质量保证（QA）及其相互依赖性。此外，一些基本知识，例子和挑战，在不久的将来有关诊断和仪器技术用于粒子治疗的报告。
2020-05-15 physics.acc-ph physics.ins-det
Cyclotrons: Magnetic Design and Beam Dynamics
介绍了经典、等离子和同步回旋加速器。在这些加速器的横向和纵向束动力学覆盖。本文较详细地讨论了紧凑型等电子回旋加速器的垂直聚焦和等时性问题。讨论了回旋加速器磁场等时化的不同方法。解释了经典回旋加速器的局限性。同步回旋加速器的典型特征，如束流捕获问题，稳定的相位运动，和提取问题进行了讨论。束注入的主要设计目标的解释和特殊的问题与内部离子源的中心区域被认为是。介绍了潘宁离子规源的工作原理。简要讨论了回旋加速器中心的垂直聚焦问题。给出了几个数值模拟的例子。简要概述了（轴向）注射的不同方法。描述了用于光束提取的不同解决方案。这些包括内部目标、剥离提取、使用偏转器的共振提取、再生提取和自提取。解释了创建转弯间隔的不同方法。不同类型的提取设备，如谐波线圈，偏转器，和梯度校正通道，概述。给出了回旋加速器磁设计的一些一般性考虑，并讨论了现代磁建模工具的使用，以及一些说明性的例子。选择一种方法，其中重点不在于完整性和严格性（因为这已经完成），而更多地在于解释和说明医用回旋加速器中使用的主要原理。有时候会采取更工业化的观点。复杂公式的使用是有限的。
2018-04-24 physics.acc-ph physics.med-ph
Geant4 simulation of the ELIMED transport and dosimetry beam line for high-energy laser-driven ion beam multidisciplinary applications
ELIMED（ELI Beamlines的医学和多学科应用）束线正在INFN-LNS开发，目的是在布拉格ELI Beamlines传输和选择通过激光-物质相互作用加速的能量质子和离子束。它将是ELIMAIA（激光离子加速的ELI多学科应用）束线的一部分，专用于激光加速离子束的应用，包括医学应用[1，2]。已经开发了一个蒙特卡罗模型，以支持粒子传输效率方面的束线的设计，优化在空气中的照射点的传输参数，此外，预测束参数，以提供临床相关的剂量分布。该应用程序是使用Geant 4 [3] Monte Carlo工具包开发的，并以模块化的方式设计，以便根据不同的实验设置和用户要求轻松打开/关闭几何组件，如[4]中所述，描述了早期代码和模拟。该应用程序已交付给ELI Beamlines，并将提供给未来ELIMAIA的用户，作为在实验准备和分析过程中有用的即用型工具。开发的应用程序的最终版本将详细描述在这方面的贡献，连同最终结果，在能量谱和传输效率沿真空光束线，通过执行端到端的模拟。
2018-02-11 physics.acc-ph physics.app-ph
A Prototype Compact Accelerator Driven Neutron Source for Canada Supporting Medical and Scientific Applications
加拿大最近失去了其主要的中子束供应，于2018年3月关闭了Chalk River实验室的国家研究通用反应堆。这一问题因国外其他反应堆的关闭而进一步加剧，这些反应堆也是中子研究中心。因此，随着全球供应的萎缩，加拿大和国际上都需要新的能源。紧凑的加速器驱动的中子源提供了一种实现脉冲中子束的强源的途径，其资本成本显著低于散斑源。为了缩小加拿大的中子缺口，加拿大紧凑型加速器驱动中子源原型（PC-CANS）被提议安装在温莎大学。根据设想，PC-CANS将为两个中子科学仪器服务，一个是硼中子俘获治疗站，另一个是用于正发射断层摄影的氟-18放射性同位素生产的光束线。为了满足中子束的这些不同应用，选择了直线加速器解决方案，以在5%的占空比内提供峰值电流为10 mA的10 MeV质子。该加速器是基于一个前置放大器和一个DTL与后DTL脉冲冲击系统，同时提供宏脉冲到每个终端站。中子科学和BNCT的中子生产靶将由铍制成，并设计成能够处理高束流功率密度。本文介绍了加速器的概念性研究以及用FLUKA和MCNP进行的中子产生和慢化的基准研究，以支持靶-慢化剂-反射体的设计
2022-05-03 physics.acc-ph physics.ins-det
Design of the ELIMAIA ion collection system
利用INFNLNS实现了一个永磁体四极子系统，该系统将作为一个收集系统，用于在基于四个电阻偶极子的能量选择器中注入高达60 AMeV的激光驱动离子束。该系统是ELIMED（ELI-Beamlines医学和多学科应用）光束传输，剂量测定和辐照线的第一个元素，将由INFN-LNS（It）开发并安装在布拉格（Cz）的ELI-Beamlines设施。ELIMED将是第一个用户开放式传输束线，其中受控激光驱动离子束将用于多学科研究。磁透镜在性能和场质量方面的良好指定特性的定义对于系统实现、束流动力学的准确研究以及与将在接下来的几个月内设计的磁选择系统的适当匹配至关重要。在这里，我们报告的收集系统的设计和所采用的解决方案，以实现一个强大的系统形式的磁性的观点。此外，还描述了第一次初步的输运模拟。
2022-01-01 physics.acc-ph physics.app-ph physics.med-ph
Initial Design of a High-Power Ka-Band Klystron
预计在Ka波段运行的加速结构将实现约150 MV/m的梯度。在Ka波段加速结构的可能应用中，我们指的是紧凑型光XLS项目的束相空间操纵以及医疗和工业应用。本文对Ka波段速调管放大器进行了研究，以满足Ka波段加速结构的需要。初步设计了大功率直流电子枪和束流聚焦通道。
2020-02-12 physics.acc-ph
Beam Energy Measurement using a Bayesian Approach with the Stacked Foil Method
University of Bern（伯尔尼大学）；Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC)（阿尔伯特·爱因斯坦基础物理中心）；Laboratory for High Energy Physics (LHEP)（高能物理实验室）；Department of Nuclear Medicine, Inselspital, Bern University Hospital（伯尔尼大学医院因塞尔斯皮塔尔核医学科）；ARTORG Center for Biomedical Engineering Research（ARTORG生物医学工程研究中心）
利用贝叶斯方法和堆叠箔技术，实现无需直接电流或电荷测量的质子束能测量，适用于低真空环境，并验证了方法在不同实验设置中的准确性。
2025-12-17 hep-ex nucl-ex physics.acc-ph
Design of a high-power compact SRF linac for industrial applications of e-beam irradiation
费米实验室开发了一种新的概念，用于工业电子直线加速器使用Nb3Sn涂层技术和传导冷却。这些传导冷却直线加速器可以在连续波操作中产生高达10 MeV的电子束能量，并通过组合几个模块来达到更高的功率（>=1 MW）。我们的机器结构紧凑，重量轻，可安装在移动平台上，有望实现新的现场环境修复应用，如城市地区的废水处理、X射线医疗设备灭菌和创新的路面应用。在本文中，我们突出了这样一台机器的1兆瓦设计的几个方面。详细计划见Dhuley等人（2022）Phys.Rev.Accel.梁25，041601。
2022-08-02 physics.acc-ph physics.ins-det
Third interger resonance slow extraction scheme for a mu->e experiment at Fermilab
费米实验室提出的μ->e转换实验的束流准备的当前设计是基于从去聚束器中缓慢共振提取质子。去聚束器环必须在3 x 10**12粒子的光束强度下工作，大约比其当前值大四个数量级。对光束质量最具挑战性的要求是在存在大空间电荷和动量扩散的情况下的溢出均匀性和低损耗。我们目前的结果从模拟的第三整数共振提取辅助RF敲除（RFKO），一种技术开发的医疗加速器。已考虑高达0.05的调谐扩展。
2012-07-27 physics.acc-ph
Design of a large energy acceptance beamline using Fixed Field Accelerator optics
针对带电粒子治疗束流配送系统动量接受度小的瓶颈，提出固定场加速器光学的大动量接受度偏转弧设计方法，应用于TURBO项目质子演示系统，验证了可行性并规划后续研发方向。
2024-02-02 physics.acc-ph
Ultrarelativistic electron beams accelerated by terawatt scalable kHz laser
本研究利用太瓦级可扩展千赫兹激光器驱动OPCPA系统，加速产生能量达50 MeV、准直且准单能的电子束，为高亮度X射线源和脑癌治疗设备及千赫兹GeV电子束线的发展奠定基础。
2024-05-29 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Racetrack Fixed Field Accelerator with pulsed quadrupoles for variable energy extraction
本文提出了一种将固定场交变梯度加速器与时变四极杆相结合的新概念，它解决了传统固定场加速器的一些主要问题。这个概念结合了一个稳定的跑道固定场配置与色散自由直线部分，使连续可变的能量提取。在长直线段中，时变同步加速器式交替梯度聚焦结构使得第一次能够校正FFA加速器的束流光学，以便通过最小化调谐偏移和避免有害的电子感应加速器共振的交叉来最大化束传输。该加速器使得设计紧凑的可变能量提取机成为可能，该能量提取机特别适用于研究和医疗应用，例如重离子治疗。
2019-05-14 physics.acc-ph
