Ciclotrón clásico superconductor compacto.

Ciclotrón clásico superconductor compacto de focalización débil fundamentalmente orientado a la producción de isótopos.

Comprende al menos dos piezas de material magnético (1) que actúan como polos magnéticos y como circuito de retorno magnético, situadas de forma simétrica a ambos lados del plano medio (2) del ciclotrón, al menos dos bobinas (3) superconductoras situadas de forma simétrica a ambos lados del plano medio (2) del ciclotrón alojadas en las piezas de material magnético (1), una cámara de vacío (12) con una entrada de partículas a acelerar con al menos dos electrodos (17, 18), y una cavidad resonante de radiofrecuencia que comprende un conductor interior (15) conectado a uno de los electrodos (18) y un conductor exterior conectado al otro electrodo (17); y las bobinas (3) están rodeadas de al menos un criostato (10) de modo que solo las bobinas (3) trabajan a temperatura criogénica.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los ciclotrones. Concretamente describe una invención relacionada con los ciclotrones cásicos superconductores compactos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El número total de ciclotrones existentes está aumentando gradualmente en todo el mundo para poder satisfacer las necesidades crecientes de la medicina nuclear. Los ciclotrones son la herramienta principal para la producción de los radioisótopos empleados en técnicas de imagen médica avanzada, siendo el 18F y otros isótopos de vida más corta como el 11C los comúnmente utilizados en procedimientos de tomografía por emisión de positrones, PET. En los últimos tiempos, usuarios clínicos han expresado su interés en máquinas compactas y ligeras que les proporcionen mono-dosis y que puedan ser instaladas en hospitales sin necesidad de hacer arduas modificaciones en infraestructuras ya existentes. Sin embargo, los ciclotrones convencionales necesitan un yugo de hierro muy pesado. El diseño de un ciclotrón superconductor permite reducir considerablemente el tamaño y el peso de esta máquina.

Los ciclotrones son aceleradores de partículas cargadas. En el interior de los mismos actúa un campo magnético de valor casi constante que mantiene a los iones en trayectorias circulares de radio creciente con su energía. En ciertos lugares de la trayectoria de los iones, unos pares de electrodos generan un campo eléctrico que produce un incremento en la energía de los iones igual a la diferencia de potencial de los electrodos en el momento de paso de los mismos. Si la sintonía entre la frecuencia de giro de los iones y la oscilación del campo de los electrodos es la correcta, los iones experimentan un aumento progresivo de su energía y del radio de giro de su trayectoria hasta que alcanzan la energía deseada.

Los ciclotrones pueden dividirse en diferentes tipos en función de si son superconductores o no, en función del tipo de focalización (fuerte o débil) , de la frecuencia de oscilación de la cavidad (fija o variable) , del nivel de campo magnético utilizado (superconductor o no) , etc.

Los ciclotrones clásicos tienen una frecuencia de oscilación de los campos de aceleración constante. Su campo magnético presenta simetría de revolución y es ligeramente decreciente con el radio, lo que es necesario para la focalización de los iones (focalización débil) . La disminución radial del campo magnético y el incremento de masa relativista de los iones al aumentar su energía producen una ligera variación de la frecuencia de giro de los mismos en el interior del ciclotrón. La diferencia entre la frecuencia de giro de los iones (variable) y la del campo de aceleración (fija) reduce la energía máxima que pueden alcanzar los iones, o, a igual energía final deseada incrementa el voltaje mínimo que hay que aplicar a los electrodos de aceleración.

Los ciclotrones isócronos tienen un campo magnético variable en la dirección azimutal. Dicho campo magnético permite la focalización de las partículas incluso con un campo magnético de valor medio creciente con el radio (focalización fuerte) . Esto permite compensar el incremento de masa relativista de los iones con el crecimiento radial del campo magnético de forma que no se produzca desfase entre la frecuencia de giro de los iones y la de los campos de aceleración. La necesidad de aplicar un campo magnético con una variación suficiente en la dirección azimutal que permita una focalización correcta de las partículas limita el campo magnético máximo (y por tanto, el tamaño mínimo) que pueden tener estos ciclotrones, pues por debajo de cierto tamaño no es posible tener un término de focalización que proporcione estabilidad al sistema.

Los sincrociclotrones son ciclotrones de focalización débil. Su campo magnético, por tanto, presenta simetría de revolución y es decreciente con el radio. El campo de aceleración tiene una frecuencia variable que se adapta a la variación de la frecuencia de los iones a lo largo de su trayectoria, evitando así el desfase entre el giro de los iones y el campo de aceleración. Sus principales inconvenientes son que producen iones de modo pulsado, lo que reduce la corriente máxima que se puede obtener, y la complejidad del sistema de creación del campo de aceleración de frecuencia variable.

Algunos tipos de ciclotrones están destinados a la producción de radioisótopos, mientras que otros que trabajan con mayor energía se aplican para tratamientos de radioterapia.

Del estado de la técnica se conoce un ciclotrón superconductor compacto de focalización débil que comprende dos bobinas superconductoras situadas en lados opuestos de su plano medio, y comprende unos polos magnéticos que rodean a dichas bobinas y que contienen la cámara de aceleración de las partículas. Los polos magnéticos están en contacto térmico con las bobinas superconductoras y hay un refrigerador criogénico térmicamente acoplado con las bobinas superconductoras y los polos magnéticos. Como los polos magnéticos están en contacto con las bobinas, se enfrían debido a que éstas trabajan a temperatura criogénica. Para evitar pérdidas de calor desde los polos al ambiente, que harían que finalmente se calentaran también las bobinas, se utiliza un criostato que se dispone alrededor de los polos magnéticos.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención propone un ciclotrón clásico superconductor, compacto, de focalización débil que tiene la particularidad de que las bobinas están aisladas térmicamente del resto de los componentes del ciclotrón y funcionan a temperatura criogénica. El resto de los componentes del ciclotrón, incluido el material magnético del imán funcionan a temperatura ambiente.

El ciclotrón descrito en la presente invención comprende un sistema magnético que dispone de un electroimán con unas piezas de material magnético que actúan como polos magnéticos, siendo uno un polo superior y otro un polo inferior, y dispone al menos de dos bobinas superconductoras. Comprende asimismo una cámara de vacío independiente del circuito magnético, dentro de la que se crea el campo eléctrico de aceleración. Como se ha comentado, las bobinas están aisladas térmicamente del material magnético del imán y del resto de los componentes. Este aislamiento se consigue gracias a que las bobinas están dispuestas dentro de al menos un criostato, con vacío en su interior, destinado a evitar pérdidas térmicas.

Además, el ciclotrón dispone de sistemas auxiliares de criogenia, de vacío, de alimentación eléctrica, un sistema de diagnósticos de haz, un sistema de inyección de partículas y un sistema de extracción.

El ciclotrón de la presente invención puede emplearse en múltiples aplicaciones, destacando, entre ellas, su uso para la producción de radioisótopos para la producción de radiofármacos para pruebas de diagnosis.

La cámara de vacío está situada en el plano medio del ciclotrón y proporciona el vacío necesario para limitar las pérdidas del haz de partículas por colisiones. En su interior se disponen al menos dos electrodos que originan un campo eléctrico alternante, en los al menos dos huecos que hay entre ellas, un hueco a través del que las partículas pasan de uno de los electrodos a otro y otro hueco por el que las partículas vuelven hacia el primer electrodo. Por otra parte las piezas de material magnético generan un campo magnético perpendicular al campo eléctrico que generan los electrodos.

Las partículas son introducidas a baja energía en la zona central del ciclotrón, dentro de la cámara de vacío, mediante una fuente de partículas, que puede ser parte del ciclotrón o externa. En el interior de la cámara de vacío las partículas están expuestas al campo eléctrico y al campo magnético mencionados y describen una trayectoria en forma de espiral creciente.

El blanco sobre el que se hacen chocar los iones para obtener los isótopos deseados puede estar situado en el interior de la cámara de vacío del ciclotrón o bien fuera de ésta. En caso de que el blanco sea externo, el ciclotrón comprende un dispositivo de extracción de partículas que está situado en el radio de la trayectoria de las partículas correspondiente a una energía de extracción previamente definida. Este dispositivo de extracción desvía los iones de sus trayectorias y los dirige hacia el blanco externo.

Las bobinas trabajan a temperatura criogénica y están debidamente aisladas del resto del ciclotrón para evitar que las piezas de material magnético, que están a temperatura ambiente, cedan calor a las bobinas.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar...

1. Ciclotrón clásico superconductor compacto de focalización débil fundamentalmente orientado a la producción de isótopos que comprende: -al menos dos piezas de material magnético (1) que actúan como polos magnéticos y como circuito de retorno magnético, situadas de forma simétrica a ambos lados del plano medio (2) del ciclotrón, -al menos dos bobinas (3) superconductoras situadas de forma simétrica a ambos lados del plano medio (2) del ciclotrón alojadas en las piezas de material magnético (1) , -una cámara de vacío (12) con una entrada de partículas a acelerar, y en el interior de la cámara de vacío (12) se disponen:

-al menos dos electrodos (17, 18) , y -al menos dos huecos (14) dispuestos entre los dos electrodos (17, 18) a través de los que se aceleran las partículas,

-una cavidad resonante de radiofrecuencia que comprende un conductor interior (15) que está conectado a uno de los electrodos (18) y un conductor exterior que está conectado al otro electrodo (17) ,

y el ciclotrón está caracterizado por que las bobinas (3) están rodeadas de al menos un criostato (10) de modo que solo las bobinas (3) trabajan a temperatura criogénica.

2. Ciclotrón clásico superconductor compacto según la reivindicación 1 caracterizado por que la cámara de vacío (12) se inserta entre las piezas de material magnético (1) y es independiente de ellas.

3. Ciclotrón clásico superconductor compacto según la reivindicación 1 caracterizado por que la cámara de vacío (12) está formada por las superficies interiores (4) de las piezas de material magnético (1) y/o del criostato (10) .

4. Ciclotrón clásico superconductor compacto según la reivindicación 1 caracterizado por que las bobinas (3) están dispuestas en el interior de una carcasa (5) y dicha carcasa (5) está rodeada del criostato (10) .

5. Ciclotrón clásico superconductor compacto según la reivindicación 4 caracterizado por que el

criostato (10) comprende en su interior una pantalla de radiación (11) dispuesta entre la carcasa (5) y la pared del criostato (10) destinada a minimizar las pérdidas térmicas entre la carcasa (5) y el criostato (10) .

6. Ciclotrón clásico superconductor compacto según la reivindicación 1 caracterizado por que comprende adicionalmente un blanco interno situado en el interior de la cámara de vacío (12) .

7. Ciclotrón clásico superconductor compacto según la reivindicación 1 caracterizado por que comprende un dispositivo de extracción de partículas situado en el interior de la cámara de 10 vacío (12) destinado a desviar las partículas hacia un blanco externo.

8. Ciclotrón clásico superconductor compacto según una de las reivindicaciones 6 o 7 caracterizado por que el blanco se dispone en un recipiente con una entrada destinada al paso de una sustancia base para la producción de los isótopos, una salida destinada a la extracción 15 de los isótopos formados y una ventana de comunicación con el interior de la cámara de vacío (12) que está cerrada con una membrana de un material de alta resistencia a la temperatura y a los esfuerzos mecánicos.