Ciclotrón

Antecedentes

El ciclotrón moderno utiliza dos electrodos huecos en forma de D que se mantienen al vacío entre los polos de un electroimán. A continuación, se aplica un voltaje de CA de alta frecuencia a cada electrodo. En el espacio entre los electrodos, una fuente de iones produce iones positivos o negativos dependiendo de la configuración. Estos iones se aceleran hacia uno de los electrodos por una atracción electrostática, y cuando la corriente alterna cambia de positivo a negativo, los iones se aceleran hacia el otro electrodo. Debido al fuerte campo electromagnético, los iones viajan en una trayectoria circular. Cada vez que los iones se mueven de un electrodo a otro, ganan energía, su radio de rotación aumenta y producen una órbita en espiral. Esta aceleración continúa hasta que escapan del electrodo. Las partículas aceleradas se extraen del ciclotrón cuando llegan al final de la trayectoria de aceleración en espiral. Este haz de partículas subatómicas aceleradas se puede utilizar para bombardear una variedad de materiales objetivo para producir isótopos radiactivos.

Varios isótopos se utilizan en medicina como trazadores que se inyectan en el cuerpo y en tratamientos de radiación para ciertos tipos de cánceres. Los ciclotrones también se utilizan con fines de investigación en entornos académicos e industriales y para la tomografía por emisión de positrones (PET). La tomografía por emisión de positrones (PET) es una técnica para medir las concentraciones de radioisótopos emisores de positrones dentro del tejido de sujetos vivos. La utilidad de la PET es que, dentro de ciertos límites, tiene la capacidad de evaluar los cambios bioquímicos en el cuerpo. Cualquier región del cuerpo que experimente cambios bioquímicos anormales se puede ver a través de PET. La PET ha tenido un gran impacto en las aplicaciones clínicas de las enfermedades neurológicas, incluidas la enfermedad vascular cerebral, la epilepsia y los tumores cerebrales.

Historial

EO Lawrence y sus estudiantes graduados en la Universidad de California, Berkley probaron muchas configuraciones diferentes del ciclotrón antes de tener éxito en 1929. El primer ciclotrón era muy pequeño, usaba electrodos, un oscilador de radiofrecuencia que producía 10 vatios, vacío, hidrógeno iones y un electroimán de 4 pulgadas (10 cm). La cámara de aceleración del primer ciclotrón medía 5 pulgadas (12,7 cm) de diámetro e impulsaba los iones de hidrógeno a una energía de 5-45 MeV, según la configuración. Un mega electronvoltio (MeV) es 1.602 × 1013 J. (J significa Joule, la unidad estándar de energía). El diseño, construcción y operación de ciclotrones cada vez más grandes involucró a un número creciente de físicos, ingenieros y químicos. Lawrence nunca estuvo seguro de si su investigación debería clasificarse como física nuclear o química nuclear.

Materias primas

Los imanes del ciclotrón están hechos de 25 toneladas de acero con bajo contenido de carbono con dos polos niquelados. Físicamente, el ciclotrón pesa 55 toneladas y está ubicado dentro de una bóveda interior con paredes y puertas de hormigón de aproximadamente 2 m (6,6 pies) de espesor para proteger los alrededores de la radiación nuclear presente cuando la máquina funciona. Afortunadamente, la mayor parte de esta radiación tiene una vida media de solo segundos a minutos, por lo que no hay problemas de eliminación de desechos a largo plazo. Las dimensiones reales son aproximadamente 100 × 100,5 × 39 pies (30,5 × 30,6 × 11,9 m). Las bobinas están fabricadas en cobre recocido, aisladas con fibra de vidrio y cubiertas con una resina epoxi. El tanque de vacío de aluminio está sellado con juntas tóricas de poliuretano. La fuente de iones usa un filamento de tungsteno para energizar el gas hidrógeno y se usa un empaque de polietileno borado para reducir la acumulación de neutrones térmicos alrededor de los componentes del ciclotrón. El cambiador de objetivos permite al operador del ciclotrón seleccionar diferentes objetivos en cada una de las líneas de luz a irradiar y están hechos principalmente de aluminio, con un mínimo de acero inoxidable para minimizar la activación de neutrones.

Diseño

El diseño del ciclotrón varía según las especificaciones del comprador. Ebco Technologies Inc. construye dos tipos diferentes de ciclotrones de iones negativos, uno capaz de acelerar protones a un nivel máximo de energía de 19 MeV (TR19) y el otro capaz de acelerar protones a 32 MeV (TR32). La configuración estándar del ciclotrón TR19 es con dos líneas de luz externas, pero hay una versión reducida con la opción de una línea de luz. La configuración estándar del objetivo TR19 es con dos líneas de luz externas y ocho objetivos. Hay una opción de diseño de dos a cuatro objetivos en una línea de luz, con la actualización hasta ocho objetivos en una fecha posterior. El TR19 también está disponible en una configuración con o sin blindaje. La función de autoprotección elimina la necesidad de una bóveda de ciclotrón o mejoras importantes en las instalaciones existentes. Además, el espacio del imán en el TR19 es vertical para minimizar el espacio.

El sistema de radiofrecuencia (RF) consta de un amplificador de RF, una línea de transmisión coaxial desde el amplificador de RF al ciclotrón, una fuente de alimentación y dispositivos de instrumentación y lectura, un osciloscopio, corriente / voltaje, medidores de potencia e interfaces con el sistema de control computarizado. Un controlador de flujo másico, una válvula de aguja y una válvula neumática regulan la presión y el flujo del gas.

Se coloca un filamento de tungsteno dentro de la fuente de iones y cuando se calienta ionizará el gas hidrógeno. Se coloca un filtro de plasma en la abertura de la fuente de iones para mejorar las condiciones de producción de iones negativos.

Los iones negativos generados se inyectarán en el ciclotrón en su eje X. El sistema de inyección se fabrica a partir de un conjunto de imanes de dirección para enfocar los iones negativos en el plano de aceleración mediante el inflector en espiral inclinado.

Ernest Orlando Lawrence.

Ernest Orlando Lawrence nació en Dakota del Sur el 8 de agosto de 1901. Recibió su licenciatura en física en 1922 de la Universidad de Dakota del Sur. Lawrence ingresó a la escuela de posgrado de la Universidad de Minnesota y completó su maestría en un año. Recibió su Ph.D. en Yale en 1925, permaneciendo allí durante tres años como miembro del Consejo Nacional de Investigación y luego como profesor asistente. En 1928 se convirtió en profesor asociado en la Universidad de California en Berkeley. Dos años más tarde, Lawrence se convirtió en el profesor titular más joven de Berkeley.

Lawrence concibió su invento más famoso, el ciclotrón, en 1929. Se dio cuenta de que para lograr energías de partículas de unos pocos MeV (millones de electronvoltios) requeridas para experimentos nucleares, podía convertir la trayectoria lineal de la partícula en circular superponiendo un campo magnético. en ángulos rectos a la trayectoria de la partícula. Lawrence demostró inmediatamente que la frecuencia de revolución de una partícula depende únicamente de la fuerza del campo magnético y de la relación carga-masa de la partícula, no del radio de su órbita. Este fue el principio básico del ciclotrón, que Lawrence informó por primera vez en el otoño de 1930.

En 1932, Lawrence se casó y tuvo seis hijos. Fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias en 1934, recibió el Premio Nobel de Física en 1939 y recibió la Medalla al Mérito en 1946 y el Premio Fermi en 1957. Lawrence permaneció en Berkeley hasta su muerte el 27 de agosto de 1958 de un intestino úlcera.

El
proceso de fabricación

1. Los equipos del proyecto coordinan el conducto, la bandeja de cables, el conducto del piso y el equipo relacionado Un ejemplo de una cámara de aceleración evacuada con un primer plano de la cámara de vacío. antes del envío, montaje e instalación del ciclotrón y sus subsistemas.
2. El proceso de fabricación comienza con el imán de acero de 25 toneladas. Se mecaniza a partir de placas de 25,4 cm (10 pulgadas) y se coloca entre los polos de un potente electroimán hasta que se mide con precisión el área del campo magnético.
3. Dos polos magnéticos niquelados están forjados en acero con bajo contenido de carbono.
4. Se fabrican dos conjuntos de bobina magnética de cobre hueco recocido y se endurecen después de doblarlos para darle forma. Se montan en el yugo del imán, se conectan a los cabezales de refrigeración por agua, se aíslan con fibra de vidrio y se recubren con una resina epoxi.
5. El tanque de vacío de aluminio se coloca entre los postes niquelados y se atornilla en su lugar. El tanque de vacío tiene bombas criogénicas que están atornilladas externamente para enfriar el tanque cerca de -459 ° F (-273 ° C) para congelar cualquier gas que pueda estar presente.
6. Los electrodos se mecanizan a partir de una sola hoja de cobre de baja resistividad de 0,06 pulgadas (1,6 mm) (para optimizar la transferencia de energía del sistema de RF a los iones de hidrógeno en aceleración), se cortan y se graban con herramientas de perforación y brocas. .
7. Luego, el tanque se sella con juntas tóricas de poliuretano después de que los electrodos de cobre se montan en el interior. Los electrodos se colocan, utilizando tornillos y espaciadores de nailon, en una pieza redonda de nailon lisex industrial. Se perforan algunos agujeros en el nailon. Dos son para el cableado del oscilador. El tercero está destinado a la bomba de vacío; También hay un medidor de vacío conectado a este puerto.
8. Encima del nailon y alrededor de los electrodos hay un anillo de tubería de cloruro de polivinilo (PVC). Tiene varios orificios perforados, el mayor de los cuales es el tubo de almacenamiento del detector. También se encuentran en este material orificios más pequeños suficientes para suministrar una fuente de voltaje a la placa deflectora, para los tornillos de ajuste necesarios para controlar su posición, y orificios de fijación para el gancho de latón macizo que se utilizará para colgar el aparato completo en un conjunto de Bobinas de Helmholtz.
9. Encima de la tubería de PVC hay una pieza de plástico transparente de resistencia industrial. Esto es tanto para permitir que las personas vean el funcionamiento interno del mecanismo, en caso de que algo salga mal, como para aumentar la resistencia de la carcasa.
10. A cada lado del PVC hay gel de silicona para mantener un sello suficiente alrededor de la cámara principal. Esto es para que el vacío sea lo más eficiente posible. El vacío es necesario porque las partículas alfa están fuertemente influenciadas por partículas de cualquier tipo, especialmente el aire. Por eso las partículas alfa se consideran tan seguras; en el momento en que contactan a una persona a través de cualquier medio, su energía se ha visto tan gravemente afectada que no pueden hacer daño.
11. Las paredes se guían en su lugar mediante un corte delgado en I en la cara de la hoja superior e inferior y ambos electrodos se mantienen unidos con el uso de tornillos de nailon de 5,1 cm (2 pulgadas). No se utilizó soldadura en estas piezas para mantener la cámara interior lo más limpia y constante posible. En una pared se corta una ventana de aproximadamente 2 cm (0,79 pulgadas) de largo.
12. Girada sobre un tornillo de nailon hay una placa de cobre ligeramente más pequeña (el deflector) separada eléctricamente del resto del componente. Los tornillos de fijación externos pueden controlar la posición del deflector y tanto él como cada electrodo tienen una conexión eléctrica. Esto es para permitir que el oscilador se suministre a los electrodos y que se coloque una gran carga negativa en la placa deflectora.
13. El sistema de RF está ensamblado dentro de un chasis metálico de 19 pulgadas (48 cm) cuadrado y 6 pies (1,8 m) de altura. Aquí, las resistencias, transmisores, interruptores, circuitos de sintonización, inductores y condensadores se ensamblan a mano.
14. Los gabinetes de suministro de energía se compran y ensamblan para los objetivos e imanes enfriados por agua, las fuentes de iones, la criobomba y el circuito de agua.
15. La fuente de iones se inyectará después del montaje del ciclotrón. Un cilindro magnético, de 4 pulgadas (10 cm) de diámetro y 4,7 pulgadas (12 cm) de largo, comprende la fuente de iones. Se inyectará hidrógeno gaseoso a través de un tubo capilar.
16. El inflector en espiral inclinado está encerrado por un electrodo de forma helicoidal conectado a tierra. El electrodo se mecaniza en una fresadora de eje fijo.
17. A continuación, los cuerpos objetivo están hechos de plata, aluminio y titanio de alta pureza y están diseñados con ventanas de lámina delgada enfriadas con helio. Las dos ventanas de lámina separan el material objetivo del alto vacío dentro del ciclotrón.
18. Se coloca un sistema de enfriamiento de circuito cerrado recirculante en el gabinete metálico de servicios de destino para enfriar las ventanas de aluminio con corrientes de gas helio de alta velocidad.
19. Las conexiones de los tubos, las válvulas solenoides, los topes de viga refrigerados por agua y los colimadores aislados eléctricamente se ensamblan y se unen al conjunto del objetivo.
20. El conjunto del objetivo tiene un tapón de aluminio sólido que está perforado por un orificio de 10 cm (4 pulgadas) que actuará como colimador del objetivo.
21. Se mecanizan ranuras en el exterior del obturador y se monta la junta tórica para crear el sello de vacío entre el cuerpo del objetivo y el cambiador de objetivo de cuatro posiciones.
22. Se coloca un disco de colimación entre el tapón y el cuerpo del objetivo con una ventana en ambos lados.
23. Finalmente, todo el sistema está integrado con software de supervisión para controlar y monitorear el hardware del PLC.

Control de calidad

Cada paso del proceso de fabricación debe supervisarse para garantizar que las piezas sean de calidad estándar. Si alguno de los componentes tiene una grieta o una fuga, la radiación puede llegar al medio ambiente. El acero utilizado en los imanes del ciclotrón se controla cuidadosamente para garantizar que tenga las propiedades deseadas. Los campos magnéticos se controlan constantemente mediante resonancia magnética nuclear (RMN).

Subproductos / Residuos

El proceso de fabricación produce 2-3 toneladas de desechos metálicos durante la producción. Esto se recicla para futuros procesos de fabricación. Debido al número de piezas, el exceso de material de la fabricación del ciclotrón es grande. Si se encuentran piezas defectuosas, se recuperan lo mejor que pueden, pero la mayoría se desechan.

El futuro

Las mejoras en el sellado de la unidad de ciclotrón requieren que se proporcione menos protección de hormigón en el sitio de instalación y proporcionen una unidad de ciclotrón más segura y compacta. Se están diseñando unidades de ciclotrón más potentes para la producción comercial de isótopos. La última serie de ciclotrones son ciclotrones de iones negativos de cuatro sectores, compactos, de enfoque fuerte y de última generación, con fuentes de iones externos, criobombas, sistemas de control y potencia de alta precisión, y una calidad de fabricación excelente. Ahora son de diseño modular y comparten una tecnología común independientemente del tamaño y tipo de ciclotrón.

Dónde obtener más información

Libros

Lawrence, Ernest 0. e Irving Langmuir. Películas moleculares:el ciclotrón y el Nueva biología. Nuevo Brunswick:Rutgers University Press, 1942.

Publicaciones periódicas

Burgerjon, J. J. y A. Strathdee, eds. Ciclotrones - 1972. Nueva York:Instituto Americano de Física, 1972.

Bonny P. McClain