DISPOSITIVO PARA LA PRODUCCIÓN DE HACES MONOCROMÁTICOS DE ELECTRONES Y MÉTODOS PARA LA CALIBRACIÓN DE DETECTORES Y MEDIDA DEL PERFIL DE HACES DE ELECTRONES.

Dispositivo para la producción de haces monocromáticos de electrones y métodos para la calibración de detectores y medida del perfil de haces de electrones.

Se describe un dispositivo compacto para la producción de haces monocromáticos de electrones que hace posible un calibrado preciso de los detectores de radiación. El dispositivo objeto de la presente invención capta los electrones emitidos por una fuente de emisión β y los selecciona en función de su energía aplicando un campo magnético

, en donde este campo varía con la intensidad de corriente suministrada a los electroimanes que lo producen. También se describen un método para la calibración de los detectores y un método para medir el perfil de haces de electrones que emplean el dispositivo mencionado.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201230828.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE GRANADA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: RODRÍGUEZ RUBIALES,Daniel, LALLENA ROJO,Antonio Miguel, CORNEJO GARCÍA,Juan Manuel.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION A — NECESIDADES CORRIENTES DE LA VIDA > CIENCIAS MEDICAS O VETERINARIAS; HIGIENE > ELECTROTERAPIA; MAGNETOTERAPIA; RADIOTERAPIA; TERAPIA... > Radioterapia (dispositivos o aparatos aplicables... > A61N5/10 (Radioterapia; Tratamiento con rayos gamma; Tratamiento por irradiación de partículas (A61N 5/01 tiene prioridad))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > TUBOS DE DESCARGA ELECTRICA O LAMPARAS DE DESCARGA... > Espectrómetros de partículas o tubos separadores... > H01J49/44 (Espectrómetros de energía, p. ej. espectrómetros alfa, espectrómetros beta)
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DISPOSITIVO PARA LA PRODUCCIÓN DE HACES MONOCROMÁTICOS DE ELECTRONES Y MÉTODOS PARA LA CALIBRACIÓN DE DETECTORES Y MEDIDA DEL PERFIL DE HACES DE ELECTRONES.

Fragmento de la descripción:

Dispositivo para la producción de haces monocromáticos de electrones y métodos para la calibración de detectores y medida del perfil de haces de electrones

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención describe un dispositivo compacto para la producción de haces monocromáticos de electrones que se encuadra fundamentalmente en el sector de la física médica y de la tecnología física por cuanto que hace posible un calibrado preciso de los detectores de radiación. El dispositivo objeto de la presente invención capta los electrones emitidos por una fuente de emisión º y los selecciona en función de su energía aplicando un campo magnético, en donde este campo varía con la intensidad de corriente suministrada a los electroimanes que lo producen. También son objeto de la presente invención un método para la calibración de los detectores y un método para medir el perfil de haces de electrones que emplean el dispositivo mencionado

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La producción de haces de electrones monocromáticos en un rango de energías desde 1 a 20 MeV, a partir de campos magnéticos que puedan ser variables, es una cuestión de interés en el sector de la física médica y de la tecnología física.

La invención que se presenta en este documento mejora determinados aspectos de dispositivos realizados con anterioridad. Algunas de las limitaciones que presentan son: un tamaño y peso excesivo, que dificulta la portabilidad; un valor máximo de la intensidad de campo magnético, que limita el rango de energías alcanzable; y pobre resolución en energía, que viene determinada por el mecanismo de detección de los electrones y por el sistema de calibración del campo magnético utilizado.

Existen dos publicaciones de referencia para describir el estado de la técnica:

a) En [L. Ray and J. L. Rosen, An adjustable monochromatic beta source, Nucl. Instrum. Methods, A 273 (1988) 13-15] se describe un dispositivo de producción de campos magnéticos a partir de un conjunto de electroimanes con núcleos de hierro dulce. Cada bobina tiene 1000 espiras de hilo de cobre de 1 mm de espesor y una resistencia de 13 ohmios a temperatura ambiente, que permite operar el dispositivo a una corriente máxima de 3 amperios disipando 60 vatios de potencia y limitando el campo magnético a una intensidad de 2000 gauss, equivalente a 0.2 tesla. El dispositivo tiene unas dimensiones de aproximadamente 10 cm x 10 cm x 17 cm y ningún sistema de refrigeración. En la citada publicación se utiliza como fuente de electrones el radionúclido 106Ru (con una actividad de 0, 5 !Ci) que se desintegra a 106Rh, con una vida media de 1 año, y éste a su vez a 106Pd con una vida media de 30 s y un valor Q de 3, 54 MeV. De esta forma, con este dispositivo sería posible crear haces de electrones de energías que pudieran llegar hasta 3, 54 MeV siempre que la fuente de emisión º (105Ru) fuese suficientemente intensa y el campo magnético suficientemente alto. En tal caso habría que recoger una muestra muy amplia debido a las características de un espectro beta y en la práctica estaría limitado por esta razón a energías de 1-2 MeV. Los espectros presentados tienen baja resolución debido al sistema de detección utilizado. Además, no existe ningún dispositivo que permita la calibración precisa del campo magnético y con ella la determinación de la energía de los electrones. Todo esto implica las limitaciones antes mencionadas, a excepción de la portabilidad.

b) En [J. O. Deasy et al, A simple magnetic spectrometer for radiotherapy electron beams, Med. Phys. 21 (1994) 1703-1714] se describe un sistema que no es compacto, pero que ha sido concebido y construido para su utilización con haces generados en aceleradores clínicos, más concretamente para caracterizar haces de electrones para radioterapia. Por tanto, permite trabajar con electrones de hasta 16 MeV. Este dispositivo tiene dimensiones de 31 cm x 17 cm x 28 cm y un peso de 50 kg, por lo que no es fácilmente transportable. Además, el máximo campo magnético que se puede producir es de 0, 6 T lo que sólo permite acceder a los electrones de hasta 16 MeV debido al gran radio de curvatura de sus trayectorias. El dispositivo se encuentra inmerso en un volumen de helio y no en vacío, y está debidamente apantallado para evitar cualquier tipo de radiación no deseada, esto es, fotones originados por bremstrahlung que son generados en exceso debido a las altas corrientes que proporciona el acelerador. Además, no se realiza una calibración precisa del campo magnético: Sólo se mide utilizando una sonda que funciona por efecto Hall, y se utilizan dos sistemas de detección: un detector de centelleo y una película radiográfica. Con el primer sistema sólo puede conocerse la energía, previa calibración del dispositivo, sirviendo el segundo para que el dispositivo sea utilizado sólo como espectrógrafo. Un sistema de detección basado en detectores de centelleo proporciona sólo una resolución del 10%. La ventaja de utilizar este tipo de detectores es que pueden funcionar a presión atmosférica.

Además de los artículos mencionados, es importante mencionar que la compañía OXFORD (http://www.oxfordinstruments.com) suministra un conjunto de electroimanes (catalogado como modelo E6-101) que permite obtener campos magnéticos de hasta 1, 7 T cuando el espaciado de los núcleos de hierro de las bobinas es de 5 mm. El dispositivo pesa 27 kg y pueden aplicarse corrientes de hasta 5 A cuando se refrigera con agua, sin embargo para producir el campo magnético al que se hace referencia, el núcleo de hierro tiene un diámetro de sólo 2 cm, lo que indica que el radio de curvatura de los electrones es de 1 cm cuando se quiere desviar el haz 90 grados. Este radio es muy pequeño y hace imposible poder desviar un ángulo de 90 grados las trayectorias de electrones de energías por encima de 5 MeV cuando el campo magnético que se aplica es el máximo. Además de las limitaciones mencionadas, este dispositivo necesitaría un elemento adicional para calibrar el campo magnético con independencia a los valores de éste que pueden ser suministrados con las especificaciones, un sistema de detección apropiado y el acoplamiento a la fuente beta o al acelerador de electrones.

Además de los aspectos técnicos que se han descrito, es importante mencionar:

- El procedimiento utilizado en aceleradores de uso clínico para la caracterización del haz de electrones (determinación de la calidad del haz) , y

- El procedimiento para obtener la función respuesta de detectores de radiación.

Para caracterizar el perfil del haz de electrones en un acelerador de uso clínico se utiliza el protocolo TRS398. En este tipo de aceleradores, los electrones salen del acelerador en forma de pulso bien definido con anchuras temporales de varios microsegundos (!s) en ciclos de varios milisegundos. Estos pulsos se dirigen en aire sobre una lámina para aumentar su distribución espacial, lo que provoca que la energía media de las partículas se reduzca y la anchura espectral aumente. Haciendo uso del protocolo TRS398, el haz de electrones se caracteriza a partir de lo que se conoce como profundidad de hemiabsorción, o profundidad a la que la dosis suministrada por el haz de electrones en un maniquí de agua se reduce a la mitad de su valor máximo. Viene representada por R50 y está relacionada con la energía media del haz, en un tamaño de campo (aplicación sobre el paciente) que puede variar entre 10 cm x 10 cm y 20 cm x 20 cm. R50 se obtiene a partir de medidas realizadas con una cámara de ionización. El parámetro que se recoge es la carga generada como consecuencia de la interacción de los electrones con el maniquí de agua y su variación con la profundidad. Cuando el valor de la carga medida sea la mitad...

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo para la producción de haces monocromáticos de electrones que capta los electrones emitidos por una fuente de emisión º o un acelerador de uso clínico y los selecciona utilizando un detector en función de su energía aplicando un campo magnético, en donde este campo varía con la intensidad de corriente suministrada a las bobinas que lo producen, que comprende al menos dos bobinas de hilo de cobre, dispuestas cada una de ellas sobre una estructura de cobre que a su vez está fijada a un núcleo de hierro; y donde dichos núcleos de hierro están enfrentados entre sí y fijados a una estructura en forma de herradura configurada para cerrar el circuito magnético y

que se caracteriza

• Porque las bobinas están dispuestas en el mismo eje, separadas de forma que el campo magnético resultante es la suma de ambos y están compuestas por una pluralidad de espiras distribuidas en capas uniformes, y donde cada capa comprende una lámina de material diamagnético con una conductividad térmica A>100 W/ (K·m) que está en contacto con la estructura de cobre;

• porque la estructura de cobre contiene un circuito de refrigeración por el que circula un líquido refrigerante;

• porque el núcleo de hierro está fijado a una brida de una cámara de vacío y montado en una cámara de vacío con una pluralidad de puertos;

• y porque los detectores que seleccionan los electrones están montados sobre los puertos, de forma que los electrones se desvían según su energía y el valor de campo magnético.

2. Dispositivo según reivindicación 1, caracterizado porque las láminas situadas entre cada capa de espiras de las bobinas están fabricadas en plata, oro, aluminio, cobre, sus mezclas o aleaciones con otros materiales.

3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende una fuente de iones y donde el campo magnético se calibra utilizando dicha fuente de iones en combinación con el detector.

4. Dispositivo según reivindicaciones 1 a 3, que además comprende una fuente de iones; una pluralidad de electrodos cilíndricos centrados en la dirección axial de dicho campo, desplazados respecto al centro del eje para permitir el paso del haz de electrones y realizar la calibración del campo magnético; y un circuito electrónico de medida que permite registrar las corrientes inducidas de los electrodos tras su amplificación; donde los electrodos cilíndricos en combinación con el campo magnético están dispuestos de manera que conforman una trampa magnética que permite confinar los iones de la fuente, moviéndose éstos con una frecuencia característica e induciendo corrientes en los electrodos,

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los detectores son tazas de Faraday de dimensiones reducidas.

6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los detectores son detectores de micro-canales.

7. Método de medida para la calibración de un detector de radiación que utiliza un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6 que comprende las etapas de

(i) acoplar el dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 mecánicamente a una línea de haz de producción de radionúclidos o a una fuente radioactiva a través de uno de los puertos;

(ii) sustituir uno de los detectores por el detector que se quiere calibrar con el sistema de apantallamiento apropiado para radiación gamma;

(iii) realizar el vacío en la cámara del monocromador;

(iv) conectar las bobinas al sistema de refrigeración y la fuente de tensión para la alimentación de éstas;

(v) poner en funcionamiento una fuente de iones;

(vi) medir la frecuencia de oscilación de los iones a partir de las corrientes inducidas de éstos en los electrodos de una trampa para diferentes valores de intensidad de corriente en las bobinas resultando en los distintos valores de campo magnético o alternativamente, obtener el campo magnético a partir de la corriente de la fuente de iones medida en el detector para distintos valores de la energía de éstos; y

(vii) medir la señal con un detector y con dos detectores para diferentes valores de campo magnético, registrándose las señales.

8. Método de medida del perfil de electrones en aceleradores de uso clínico que utiliza un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6 y que se caracteriza porque comprende las etapas de

(i) colocar al monocromador en la mesa junto con un motor;

(ii) conectar las bobinas al refrigerador la fuente de tensión para la alimentación de éstas;

(iii) hacer vacío en la cámara del monocromador;

(iv) poner en funcionamiento una fuente de iones;

(v) medir la frecuencia de oscilación de los iones a partir de las corrientes inducidas de éstos en los electrodos de una trampa para diferentes valores de intensidad de corriente en las bobinas resultando en los distintos valores de campo magnético;

(vi) medir la señal con detectores para diferentes valores del campo magnético; y

(vii) cambiar de posición y repetir el punto anterior hasta cubrir todo el campo de radiación del acelerador.

Figura 1

Figura 3

Figura 4 Figura 5 Figura 6