Ciclotrón (1) destinado a la aceleración de un haz (26) de partículas cargadas que circulan en el plano mediano (10) que se presenta esencialmente en forma de dos polos que inducen un campo magnético y que presenta un inyector (100) denominado axial,

es decir, un inyector dispuesto en el exterior del ciclotrón esencialmente según el eje principal (22) del ciclotrón y, por tanto, perpendicularmente al plano mediano de éste y que está combinado con unos medios de inflexión (30 ó 40) que permiten desviar el haz de partículas hasta posicionarlo en el plano mediano, caracterizado porque los medios de inflexión están constituidos por un inflector magnético

Ciclotrón provisto de nuevos medios de inflexión del haz de partículas.

5 Objeto de la invención

La presente invención prevé proponer un ciclotrón provisto de un nuevo tipo de inflector utilizado para “desviar” un haz de partículas cargadas inyectadas axialmente por un dispositivo de inyección o inyector hacia el plano mediano del ciclotrón.

Estado de la técnica

Los ciclotrones son unos aceleradores de partículas cargadas utilizados en particular para la producción de isótopos radiactivos. Estos ciclotrones están basados en los principios elementales de la fuerza de Lorenz: F = qv x B, que induce el hecho de que una partícula cargada describe esencialmente un arco de círculo en un campo magnético uniforme perpendicular al plano en el que se desplaza la partícula cargada.

Los ciclotrones se componen de varios conjuntos principales distintos, tales como el electroimán que asegura el guiado de las partículas cargadas, el resonador de alta frecuencia que asegura la aceleración de dichas partículas y, por último, el sistema de inyección de dichas partículas en el ciclotrón.

La combinación de los diferentes medios permite realizar una aceleración de las partículas cargadas que describirán en el plano mediano del ciclotrón (perpendicular al campo magnético) una trayectoria que presenta aproximadamente una forma de espiral de radio creciente alrededor del eje central (vertical) del ciclotrón, que es perpendicular al plano mediano.

En los ciclotrones modernos de tipo isócrono, los polos del electroimán están divididos en sectores que presentan alternativamente un entrehierro reducido y un entrehierro más grande. La variación acimutal del campo magnético resultante tiene como efecto asegurar el enfocado vertical y horizontal del haz en el curso de la aceleración.

Entre los ciclotrones isócronos conviene distinguir los ciclotrones de tipo compacto, que son energizados por un par de bobinas circulares principales, y los ciclotrones denominados de sectores separados, en los que la estructura magnética está dividida en unidades separadas completamente autónomas.

El resonador de alta frecuencia está constituido a su vez por los electrodos aceleradores, denominados frecuentemente “des” por razones históricas. Se aplica así a los electrodos una tensión alternativa de varias decenas de kilovoltios a la frecuencia de rotación de las partículas en el imán.

Estas partículas cargadas aceleradas por un ciclotrón pueden ser unas partículas positivas, tales como unos 40 protones, o unas partículas negativas, tales como unos iones H -.

Estas últimas partículas (los iones H - en este caso) son extraídas efectuando una conversión de los iones negativos en iones positivos haciéndolos pasar a través de una hoja, por ejemplo de carbono, que tiene como función despojar los iones negativos de sus electrones.

45 Sin embargo, la aceleración de dichas partículas negativas adolece de dificultades importantes.

El principal inconveniente reside en el hecho de que los iones negativos son frágiles y, por tanto, se disocian fácilmente mediante unas moléculas de gas residual o mediante los campos magnéticos importantes atravesados 50 con energía elevada y presentes en el ciclotrón.

Por tanto, es imperativo que el vacío presente en el ciclotrón sea muy elevado.

Asimismo, por estas razones, el dispositivo de inyección y la fuente están situados en el exterior del ciclotrón. Esto 55 permite evitar cualquier contaminación del entrehierro del ciclotrón.

Otra razón por la cual los dispositivos de inyección y la fuente están dispuestos en el exterior del ciclotrón reside en la exigüidad del espacio disponible en el seno mismo del ciclotrón.

60 Habitualmente, los dispositivos de inyección y la fuente están dispuestos directamente por encima del eje central del ciclotrón con el fin de inyectar las partículas generadas según una dirección esencialmente vertical hacia el centro del ciclotrón, en el que serán desviadas progresivamente con el fin de dirigirse al plano mediano (horizontal) del ciclotrón, en el que experimentarán las diversas aceleraciones.

65 Es por esta razón por la cual los ciclotrones se denominan ciclotrones de inyector axial.

Conviene observar que, dado que el diseño natural del campo magnético que reina en el ciclotrón es a su vez vertical, la inyección del haz de partículas se realizará, por tanto, según las líneas del campo magnético y las partículas no serán desviadas si no se perturba dicho campo magnético.

Según el estado de la técnica, para dirigir el haz de partículas de manera adecuada en el plano mediano, es decir, perpendicularmente a la dirección de inyección, se propone disponer en el ciclotrón unos inflectores que desvíen progresivamente el haz.

Según el estado de la técnica, los inflectores conocidos son unos inflectores electrostáticos que están constituidos esencialmente por un electrodo negativo y por un electrodo positivo, entre los cuales se crea un campo eléctrico mediante una diferencia de potencial. Éste desviará progresivamente el haz de partículas hasta posicionarlo correctamente de manera tangencial en el plano mediano del ciclotrón y, por tanto, perpendicularmente con respecto a su dirección de llegada.

En realidad, el haz de partículas efectúa un movimiento en hélice espiralizada.

En efecto, en cuanto, bajo el efecto del campo eléctrico esencialmente horizontal que reina entre los electrodos a la entrada del inflector electrostático, las partículas cargadas adquieren una componente de velocidad en el plano horizontal, se someten a la fuerza de Lorentz.

La combinación de las dos componentes genera un movimiento en espiral del haz de partículas en el seno de la parte central del ciclotrón.

En la bibliografía se describen abundantemente ejemplos de dichos dispositivos. En particular, el documento NL-A-9302257 describe este tipo de inflector.

La presencia de dicho inflector destinado a permitir la introducción del haz de partículas por el eje central (vertical) genera la presencia de un orificio en el entrehierro y perturba por ello el campo magnético vertical.

Los otros inconvenientes residen en el hecho de que estos electrodos deben someterse a una diferencia de potencial tanto más importante cuanto mayor sea la importancia de la intensidad del haz de partículas.

Ahora bien, la tendencia actual es desear aumentar la intensidad de los haces, que, por el momento, está comprendida entre 300 y 500 !A, hasta unos valores que pueden alcanzar algunos mA.

Otro problema importante reside en el hecho de que, para aumentar la intensidad del haz de partículas, se aumenta la carga de espacio, es decir, la densidad de carga eléctrica, provocando así la repulsión electrostática de las cargas y, de este modo, un ensanchamiento del haz (cargas eléctricas provocadas por la presencia de numerosas partículas cargadas que se repelen mutuamente en un espacio, provocando así un aumento de tamaño del haz) . Evidentemente, esta carga de espacio depende de la intensidad y de la velocidad del haz. Por tanto, para disminuir la carga de espacio, es necesario aumentar la velocidad de las partículas cargadas a partir del dispositivo de inyección y, por tanto, la tensión de inyección.

Esto significa que sería necesario asimismo aumentar las tensiones de los electrodos del inflector, que son del orden de 5 kV por el momento, a unos valores próximos a 15 kV, incluso más, por ejemplo algunas decenas de kilovoltios.

Evidentemente, esto sería la causa de toda una serie de problemas inherentes a los electrodos, como particularmente problemas de aislamiento insuficiente o de ruptura de dichos electrodos.

Un último problema procede del hecho de la simetría de revolución del ciclotrón isócrono, que comprende una alternancia de colinas y valles.

Para este tipo de ciclotrones, el enfocado se efectúa por gradientes alternos y es particularmente delicada en el centro del ciclotrón a causa de que el efecto de modulación del campo debido a las colinas y valles desaparece en el centro del ciclotrón. Para remediar esta falta de enfoque, se desea colocar una protuberancia de campo en este lugar. La presencia del orificio axial requerido... [Seguir leyendo]

1. Ciclotrón (1) destinado a la aceleración de un haz (26) de partículas cargadas que circulan en el plano mediano (10) que se presenta esencialmente en forma de dos polos que inducen un campo magnético y que presenta un inyector (100) denominado axial, es decir, un inyector dispuesto en el exterior del ciclotrón esencialmente según el eje principal (22) del ciclotrón y, por tanto, perpendicularmente al plano mediano de éste y que está combinado con unos medios de inflexión (30 ó 40) que permiten desviar el haz de partículas hasta posicionarlo en el plano mediano, caracterizado porque los medios de inflexión están constituidos por un inflector magnético.

2. Ciclotrón según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de inflexión dan una componente horizontal o radial al campo magnético a nivel del centro del ciclotrón, permitiendo así guiar el haz de partículas cargadas de manera que se desvíe progresivamente hacia el plano mediano.

3. Ciclotrón según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los medios de inflexión están constituidos por unos 15 elementos ferromagnéticos (31 y 33) , preferentemente solidarios a los dos polos.

4. Ciclotrón según la reivindicación 3, caracterizado porque dichos medios de inflexión comprenden un primer elemento en forma de cono (31) y un segundo elemento en forma de anillo (33) que rodea una parte de dicho cono.

5. Ciclotrón según la reivindicación 4, en el que los ejes de simetría de dichos elementos coinciden con el eje de simetría del ciclotrón.

6. Ciclotrón según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque comprende además, corriente arriba de los medios de inflexión, unos elementos de guiado (28) de dicho haz. 25

7. Ciclotrón según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los medios de inflexión están constituidos por unos anillos o arandelas (40) ensamblados a partir de elementos individuales que son unos imanes permanentes.

8. Ciclotrón según la reivindicación 7, en el que dichos imanes permanentes están realizados en una aleación tal 30 como una aleación de samario-cobalto o neodimio-hierro-boro.

9. Ciclotrón según la reivindicación 8, en el que dichos medios de inflexión están constituidos por una serie de anillos cuyos puntos centrales definen una trayectoria en forma de hélice espiralizada.