Циклотрон: конструкция, история и современные применения в медицине и науке

Основы

Современный циклотрон использует два полых D-образных электрода в высоковакуумной камере между полюсами мощного электромагнита. Высокочастотное переменное напряжение питает каждый электród, ионный источник генерирует положительные или отрицательные ионы в зависимости от конфигурации. Ионы ускоряются к одному электроду электростатическим притяжением; при смене полярности переменного тока их притягивает к другому. Этот чередующийся процесс в сочетании с сильным магнитным полем заставляет ионы двигаться по круговой траектории. Каждый переход между электродами добавляет энергию, расширяя орбиту в спираль, пока ионы не достигают внешнего края ускорительной области. В этот момент ускоренные частицы извлекают, формируя пучок, бомбардирующий мишени для получения радиоактивных изотопов.

Циклотронные изотопы незаменимы в медицине: как маркеры для диагностической визуализации и терапевтические агенты при раке. Пучок также используется для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) — мощной визуализации, измеряющей концентрацию позитронно-излучающих радиоизотопов в живой ткани, позволяя раннее выявление неврологических расстройств, цереброваскулярных заболеваний, эпилепсии, опухолей.

История

В 1929 г. Эрнест О. Лоуренс и его аспиранты в UC Berkeley добились первого успешного циклотрона. Начальная машина была скромной — 10-ваттовый ВЧ-генератор, 4-дюймовый электромагнит, 5-дюймовака камера, ускоряющая водородные ионы до 5–45 МэВ. (1 МэВ = 1,602×10⁻¹³ Дж.) За последующие десятилетия циклотрон рос в размере и сложности, вовлекая физиков, инженеров, химиков. Работа Лоуренса заложила основу современной ядерной физики и химии, принеся Нобелевскую премию по физике (1939) и Национальную медаль науки (1958).

Сырьё

Основной магнит циклотрона — 25 тонн низкоуглеродистой стали с никелированными полюсами, образуя 55-тонный аппарат. Размещается в камере с 2-метровыми бетонными стенами для экранирования от кратковременного излучения. Габариты ~30,5×30,6×11,9 м. Катушки из отожженной меди, изолированные стекловолокном, эпоксидной смолой. Алюминиевая вакуумная камера герметизируется полиуретановыми O-кольцами, вольфрамовая нить ионизирует водород. Боратированный полиэтилен снижает накопление тепловых нейтронов, мишенный ченджер — преимущественно алюминий с минимумом нержавейки — уменьшает нейтронную активацию.

Конструкция

Кастомные циклотроны проектируются под заказчика. Ebco Technologies Inc. предлагает две модели с отрицательными ионами: TR19 (макс 19 МэВ) и TR32 (макс 32 МэВ). TR19 принимает два внешних пучковых канала и до 8 мишеней, с опциональной масштабируемостью. Доступен в самоэкранируемой или безэкранированной конфигурации; самоэкранируемая исключает нужду в выделенном бункере. ВЧ-система включает усилитель, коаксиальную линию, БП, диагностику, интегрированные в компьютеризированный контроль. Ионная инъекция через 10-см магнитный цилиндр, гелиевое охлаждение мишенной сборки из высокочистого серебра, алюминия, титана.

Эрнест Орландо Лоуренс

Родился в Южной Дакоте 8 августа 1901 г., получил B.S. в физике в Университете Южной Дакоты (1922), M.S. в Миннесотском университете (1923), Ph.D. в Йеле (1925). Стал доцентом в UC Berkeley в 1928 г., через два года — самым молодым проф. Циклотрон 1929 г. перевернул ядерную науку. Избран в НАН (1934), Нобелевская премия (1939), Медаль заслуг (1946), премия Ферми (1957). Остался в Беркли до смерти 27 августа 1958 г.

Производственный процесс

1. Проектные команды координируют кабель-каналы, лотки, напольные каналы и смежное оборудование до отгрузки, риггинга и установки циклотрона и подсистем.
2. 25-тонный стальной магнит механически обрабатывают из 25-см плит и позиционируют между полюсами электромагнита, обеспечивая точный замер магнитного поля.
3. Никелированные магнитные полюса куют из низкоуглеродистой стали.
4. Катушечные сборки из отожженной полой меди гнут, закаляют, монтируют в йок, водяное охлаждение, изоляция стекловолокном, эпоксидное покрытие.
5. Алюминиевая вакуумная емкость между полюсами, приболчивают, оснащают крионасосами, охлаждают камеру до −273 °C для заморозки остаточных газов.
6. Электроды из 1,5-мм низкоомной меди, режут, травят для оптимизации передачи ВЧ-энергии.
7. После монтажа электродов в бак, полиуретановые O-кольца герметизируют сборку; нейлоновые винты и 스페йсеры фиксируют электроды в промышленном корпусе Lisex нейлона с портами для ВЧ-проводки, вакуумного насоса, манометра.
8. PVC-кольцо вокруг электродов содержит детекторную трубку и каналы для питания, регулировочных винтов, точек крепления латунного крючка.
9. Прозрачный промышленный пластик закрывает PVC для видимости и жёсткости.
10. Кремнезель поддерживает вакуумную герметичность главной камеры, критично для предотвращения затухания альфа-частиц.
11. Нейлоновые винты держат медную дефлекторную пластину, электрически изолированную; регулировочные винты корректируют позицию.
12. ВЧ-система собирают в 19-дюймовом квадратном 1,8-метровом металлическом шасси, с резисторами, передатчиками, коммутаторами, контурами настройки, индуктивностями, конденсаторами — ручная проводка.
13. Блоки питания для водяных мишеней, магнитов, ионных источников, крионасосов, схем.
14. Ионный источник — 10-см диаметром, 11,9 см длиной магнитный цилиндр — инъецирует водород через капиллярную трубку.
15. Наклонный спиралевидный инфлектор монтируют на заземлённый спиралевидный электрод, обрабатывают на фрезерном станке с фиксированной осью.
16. Тела мишеней (высокочистое серебро, алюминий, титан) с гелиевыми тонкофольговыми окнами для разделения материала мишени от вакуума циклотрона.
17. Замкнутая система рециркуляции гелия охлаждает фольговые окна.
18. Трубопроводы, соленоидные клапаны, водяные пучковые стопы, электрически изолированные коллиматоры интегрируют в мишенную сборку.
19. Сборка включает твёрдый алюминиевый штырь с 10-см отверстием как коллиматор.
20. Внешние канавки на штыре и O-кольцо создают вакуумную прокладку между телом мишени и 4-позиционным ченджером.
21. Коллиматорный диск с окнами по обе стороны между штырем и телом мишени.
22. Полная система интегрируют с супервизорным ПО для контроля и мониторинга ПЛК-аппаратуры.

Контроль качества

Каждый этап строго инспектируют для целостности компонентов. Дефекты (трещины, утечки) выявляют оперативно для предотвращения утечек излучения. Свойства магнитной стали верифицируют, магнитные поля непрерывно мониторят ядерным магнитным резонансом (ЯМР).

Побочные продукты/отходы

Производство даёт 2–3 тонны металлолома, утилизируют когда возможно. Излишки материалов спасают или утилизируют по условию.

Будущее

Прогресс в герметизирующих технологиях позволяет новым циклотронам требовать меньше бетонного экранирования, давая безопасные и компактные единицы. Современные четырёхсекторные отрицательно-ионные циклотроны с внешними ионными источниками, крионасосами, высокоточными системами питания и контроля, модульным дизайном обеспечивают масштабируемость под разные размеры и применения.

Где узнать больше

Книги

Лоуренс, Э. О., Лэнгмьюир, А. (1942). Молекулярные пленки: Циклотрон и новая биология. Нью-Брансуик: Rutgers University Press.

Периодика

Бургерйон, Й. Й., Стратди, А. (ред.). (1972). Циклотроны. Нью-Йорк: American Institute of Physics.