Computational design of a magnetic system for the energy selection of laser-driven proton beams, aimed at investigating the feasibility of the Flash therapy

This thesis project was developed at the University of Santiago de Compostela (USC) and concerns the design of an energy selection system, based on permanent magnet dipoles, for proton beams with large energy spread delivered via Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) by the laser system at the Laser Laboratory for Acceleration and Applications (L2A2) of the Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE). The final aim consists in the selection of an arbitrary central energy of the proton beam with a small energy spread, such as to obtain suitable beams for investigating the feasibility of the FLASH therapy through cell culture irradiation. The general concept of the energy selector includes the utilization of four permanent magnet dipoles, able to separate protons with different energies due to the energy dispersion phenomenon. Furthermore, the system includes two selecting slits, one fixed and the other movable, respectively used for reducing the beam angular divergence and selecting protons with arbitrary energy. The design of the energy selection system has been achieved with the employment of three particle tracking codes: WinAgile, Elegant and CST STUDIO SUITE, which allowed to fully characterize the dynamics of realistic TNSA proton beams through the system. Simulation results, such as the beam orbit and the 3D proton distribution along the lattice system, have been used to optimize the lattice design of the energy selector, that is the geometry and physical parameters of the dipoles and drifts that constitute the energy selector. In addition, the possibility of including an array of quadrupoles has been assessed, in order to enhance the beam selection, and the optimized system configurations were tested through a qualitative graphical comparison and a quantitative analysis, based on the computation of intensity and energy spread of selected beams, in order to establish the selection efficiency for different slit apertures and selected central energies.

Questo progetto di tesi è stato sviluppato presso l'Università di Santiago de Compostela (USC) e concerne il progetto di un sistema di selezione di energia, basato su dipoli con magneti permanenti, per fasci di protoni con alto spread energetico prodotti tramite Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) dal sistema laser del Laser Laboratory for Acceleration and Applications (L2A2) dell'Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE). Lo scopo finale consiste nella selezione di un’energia arbitraria del fascio di protoni con un basso spread energetico, in modo tale da ottenere fasci di protoni idonei per investigare l’efficacia della terapia FLASH mediante l’irradiazione di colture cellulari. Il concept generale del selettore energetico comprende l'utilizzo di quattro dipoli con magneti permanenti, in grado di separare protoni con diverse energie mediante il fenomeno della dispersione energetica. Inoltre, il sistema include due fessure di selezione, una fissa e l'altra mobile, utilizzate rispettivamente per ridurre la divergenza angolare del fascio e selezionare protoni con energia arbitraria. Il progetto del sistema di selezione di energia è stato realizzato mediante l'impiego di tre codici di tracciamento di particelle: WinAgile, Elegant e CST STUDIO SUITE, i quali hanno permesso di caratterizzare interamente la dinamica di realistici fasci di protoni, prodotti mediante TNSA, attraverso il sistema. I risultati delle simulazioni, quali l’orbita del fascio e la distribuzione tridimensionale dei protoni lungo il sistema, sono stati utilizzati per ottimizzare il design della lattice del selettore energetico, cioè la geometria e i parametri fisici dei dipoli e dei drift che costituiscono il selettore energetico. Inoltre, è stata valutata la possibilità di includere una serie di quadrupoli, al fine di migliorare la selezione del fascio, e le configurazioni ottimizzate del sistema sono state testate mediante una comparazione grafica qualitativa e un'analisi quantitativa, basata sul calcolo dell'intensità e dello spread energetico dei fasci selezionati, al fine di stabilire l'efficienza di selezione per diverse aperture delle fessure e diverse energie selezionate.