Ciclotron

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Antecedentes

O ciclotron moderno usa dois eletrodos ocos em forma de D mantidos em um vácuo entre os pólos de um eletroímã. Uma tensão CA de alta frequência é então aplicada a cada eletrodo. No espaço entre os eletrodos, uma fonte de íons produz íons positivos ou negativos, dependendo da configuração. Esses íons são acelerados em um dos eletrodos por uma atração eletrostática e, quando a corrente alternada muda de positiva para negativa, os íons aceleram para o outro eletrodo. Por causa do forte campo eletromagnético, os íons viajam em um caminho circular. Cada vez que os íons se movem de um eletrodo para outro, eles ganham energia, seu raio de rotação aumenta e eles produzem uma órbita em espiral. Essa aceleração continua até que escapem do eletrodo. As partículas aceleradas são extraídas do cíclotron quando atingem o final do caminho de aceleração espiral. Este feixe de partículas subatômicas aceleradas pode ser usado para bombardear uma variedade de materiais alvo para produzir isótopos radioativos.

Vários isótopos são usados ​​na medicina como marcadores que são injetados no corpo e em tratamentos de radiação para certos tipos de câncer. Os ciclotrons também são usados ​​para fins de pesquisa em ambientes acadêmicos e industriais e para tomografia por emissão de pósitrons (PET). A tomografia por emissão de pósitrons (PET) é uma técnica para medir as concentrações de radioisótopos emissores de pósitrons no tecido de indivíduos vivos. A utilidade do PET é que, dentro de certos limites, ele tem a capacidade de avaliar as alterações bioquímicas do corpo. Qualquer região do corpo que esteja passando por alterações bioquímicas anormais pode ser vista por meio de PET. PET teve um grande impacto nas aplicações clínicas de doenças neurológicas, incluindo doenças vasculares cerebrais, epilepsia e tumores cerebrais.

História

EO Lawrence e seus alunos de graduação na Universidade da Califórnia, Berkley tentaram muitas configurações diferentes do cíclotron antes de terem sucesso em 1929. O primeiro cíclotron era muito pequeno, usando eletrodos, um oscilador de radiofrequência produzindo 10 watts, um vácuo, hidrogênio íons e um eletroímã de 10 cm. A câmara de aceleração do primeiro ciclotron media 5 pol. (12,7 cm) de diâmetro e aumentava os íons de hidrogênio para uma energia de 5-45 MeV, dependendo das configurações. Um mega elétron volt (MeV) é 1,602 × 1013 J. (J significa Joule, a unidade padrão para energia.) O projeto, a construção e a operação de ciclotrons cada vez maiores envolveram um número crescente de físicos, engenheiros e químicos. Lawrence nunca teve certeza se sua pesquisa deveria ser classificada como física nuclear ou química nuclear.

Matérias-primas

Os ímãs do ciclotron são feitos de 25 toneladas de aço de baixo carbono com dois pólos niquelados. Fisicamente, o ciclotron pesa 55 toneladas e está localizado dentro de uma abóbada interna com paredes de concreto e portas de cerca de 6,6 pés (2 m) de espessura para proteger os arredores da radiação nuclear presente quando a máquina funciona. Felizmente, a maior parte dessa radiação tem meia-vida de apenas segundos a minutos, portanto, não há problemas de eliminação de resíduos de longo prazo. As dimensões reais são aproximadamente 100 × 100,5 × 39 pés (30,5 × 30,6 × 11,9 m). As bobinas são fabricadas em cobre recozido, isoladas com fibra de vidro e revestidas com resina epóxi. O tanque de vácuo de alumínio é selado por anéis de vedação de poliuretano. A fonte de íons usa um filamento de tungstênio para energizar o gás hidrogênio e o empacotamento de polietileno borado é usado para reduzir o acúmulo de nêutrons térmicos em torno dos componentes do ciclotron. O trocador de alvo permite que o operador do ciclotron selecione diferentes alvos em cada uma das linhas de luz a serem irradiadas e são feitos principalmente de alumínio, com um mínimo de aço inoxidável para minimizar a ativação de nêutrons.

Design

O design do ciclotron varia de acordo com as especificações do comprador. A Ebco Technologies Inc. constrói dois tipos diferentes de ciclotrons de íons negativos, um capaz de acelerar prótons a um nível máximo de energia de 19 MeV (TR19) e o outro capaz de acelerar prótons a 32 MeV (TR32). A configuração padrão do ciclotron TR19 é com duas linhas de luz externas, mas há uma versão reduzida com a opção de uma linha de luz. A configuração do alvo padrão TR19 é com duas linhas de luz externas e oito alvos. Há uma opção de projeto de dois a quatro alvos em uma linha de luz, com a atualização para até oito alvos em uma data posterior. O TR19 também está disponível em uma configuração com ou sem blindagem. O recurso autoprotegido elimina a necessidade de uma abóbada de ciclotron ou grandes atualizações nas instalações existentes. Além disso, a lacuna do ímã no TR19 é vertical para minimizar o espaço.

O sistema de radiofrequência (RF) consiste em um amplificador de RF, uma linha de transmissão coaxial do amplificador de RF para o ciclotron, uma fonte de alimentação e dispositivos de instrumentação e leitura, um osciloscópio, corrente / tensão, medidores de energia e interfaces com o sistema de controle computadorizado. Um controlador de fluxo de massa, válvula de agulha e válvula pneumática regulam a pressão e o fluxo do gás.

Um filamento de tungstênio é colocado dentro da fonte de íons e, quando aquecido, ioniza o gás hidrogênio. Um filtro de plasma é colocado na abertura da fonte de íons para melhorar as condições de produção de íons negativos.

Os íons negativos gerados serão injetados no ciclotron em seu eixo X. O sistema de injeção é fabricado a partir de um conjunto de ímãs de direção para focar os íons negativos no plano de aceleração pelo infletor espiral inclinado.

Ernest Orlando Lawrence.

Ernest Orlando Lawrence nasceu na Dakota do Sul em 8 de agosto de 1901. Ele recebeu seu diploma de bacharel em física em 1922 pela University of South Dakota. Lawrence entrou na escola de pós-graduação da Universidade de Minnesota, concluindo seu mestrado em um ano. Ele recebeu seu Ph.D. em Yale em 1925, onde permaneceu por três anos como membro do National Research Council, depois como professor assistente. Em 1928, ele se tornou professor associado da Universidade da Califórnia em Berkeley. Dois anos depois, Lawrence tornou-se o mais jovem professor titular de Berkeley.

Lawrence concebeu sua invenção mais famosa, o cíclotron, em 1929. Ele percebeu que, para atingir as energias das partículas de alguns MeV (milhões de elétron-volts) necessárias para experimentos nucleares, ele poderia converter a trajetória linear da partícula em circular sobrepondo um campo magnético em ângulos retos com o caminho da partícula. Lawrence provou imediatamente que a frequência de revolução de uma partícula depende apenas da força do campo magnético e da razão carga-massa da partícula, não do raio de sua órbita. Esse era o princípio básico do ciclotron, que Lawrence relatou pela primeira vez no outono de 1930.

Em 1932, Lawrence se casou e teve seis filhos. Ele foi eleito para a Academia Nacional de Ciências em 1934, recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1939 e recebeu a Medalha de Mérito em 1946 e o ​​Prêmio Fermi em 1957. Lawrence permaneceu em Berkeley até sua morte em 27 de agosto de 1958 de um intestino úlcera.

O processo de fabricação

1. As equipes de projeto coordenam conduíte, bandeja de cabos, duto de piso e equipamentos relacionados Um exemplo de uma câmara de aceleração evacuada com um close-up da câmara de vácuo. antes do embarque, aparelhamento e instalação do ciclotron e seus subsistemas.
2. O processo de fabricação começa com o ímã de aço de 25 toneladas. Ele é usinado a partir de placas de 10 pol. (25,4 cm) e colocado entre os pólos de um poderoso eletroímã até que a área do campo magnético seja medida com precisão.
3. Dois pólos magnéticos niquelados são forjados em aço de baixo carbono.
4. Dois conjuntos de bobinas magnéticas são fabricados em cobre oco recozido e endurecem após serem dobrados na forma. Eles são montados na culatra do ímã, conectados a coletores de resfriamento de água, isolados com fibra de vidro e revestidos com resina epóxi.
5. O tanque de vácuo de alumínio é colocado entre os postes niquelados e aparafusado no lugar. O tanque de vácuo tem bombas criogênicas que são parafusadas externamente para resfriar o tanque próximo a −459 ° F (−273 ° C) a fim de congelar quaisquer gases que possam estar presentes.
6. Os eletrodos são usinados a partir de uma única folha de cobre resistivamente baixa de 0,06 pol. (1,6 mm) (para otimizar a transferência de energia do sistema de RF para os íons de hidrogênio em aceleração), cortados e gravados usando ferramentas de varrimento e brocas .
7. Em seguida, o tanque é selado com anéis 0 de poliuretano após os eletrodos de cobre serem montados em seu interior. Os eletrodos são colocados, usando parafusos de náilon e espaçadores, em uma peça redonda de náilon lisex industrial. Alguns orifícios são feitos no náilon. Dois são para a fiação do oscilador. O terceiro é destinado à bomba de vácuo; há também um medidor de vácuo conectado a esta porta.
8. Em cima do náilon e ao redor dos eletrodos há um anel de tubo de policloreto de vinila (PVC). Ele tem vários orifícios perfurados, o maior dos quais é o tubo de armazenamento do detector. Também localizados neste material estão orifícios menores suficientes para fornecer uma fonte de tensão para a placa defletora, para os parafusos de fixação necessários para controlar sua posição, e orifícios de fixação para o gancho de latão sólido que será usado para pendurar o aparelho completo em um conjunto de Bobinas de Helmholtz.
9. No topo do tubo de PVC está um pedaço de plástico transparente de resistência industrial. Isso permite que as pessoas vejam o funcionamento interno do mecanismo, caso algo dê errado, e também aumenta a resistência da caixa.
10. Em ambos os lados do PVC está o gel de silicone, a fim de manter uma vedação suficiente ao redor da câmara principal. Isso é para que o vácuo seja o mais eficiente possível. O vácuo é necessário porque as partículas alfa são fortemente influenciadas por partículas de qualquer tipo, especialmente o ar. É por isso que as partículas alfa são consideradas tão seguras; no momento em que entram em contato com uma pessoa por qualquer meio, sua energia foi tão gravemente afetada que eles não são capazes de causar danos.
11. As paredes são guiadas no lugar por um corte fino na face da folha superior e inferior e ambos os eletrodos são mantidos juntos com o uso de parafusos de náilon de 2 pol. (5,1 cm). Nenhuma solda foi usada nessas peças para manter a câmara interna o mais limpa e constante possível. Em uma parede é cortada uma janela, com cerca de 0,79 pol (2 cm) de comprimento.
12. Girada em um parafuso de náilon está uma placa de cobre um pouco menor (o defletor) separada eletricamente do resto do componente. Os parafusos de fixação remotos podem controlar a posição do defletor e tanto ele quanto cada eletrodo têm uma conexão elétrica. Isso permite que o oscilador seja fornecido aos eletrodos e que uma grande carga negativa seja colocada na placa defletora.
13. O sistema RF é montado dentro de um chassi de metal quadrado de 19 pol. (48 cm) e 6 pés (1,8 m) de altura. Aqui, os resistores, transmissores, interruptores, circuitos de sintonia, indutores e capacitores são montados manualmente.
14. Gabinetes de fonte de alimentação são adquiridos e montados para alvos e ímãs resfriados por água, fontes de íons, crioscopia e circuitos de água.
15. A fonte de íons será injetada após a montagem do ciclotron. Um cilindro magnético de 4 pol. (10 cm) de diâmetro e 4,7 pol. (12 cm) de comprimento compreende a fonte de íons. O gás hidrogênio será injetado por meio de um tubo capilar.
16. O infletor espiral inclinado é colocado J por um eletrodo helicoidal aterrado. O eletrodo é usinado em uma fresadora de eixo fixo.
17. Em seguida, os corpos-alvo são feitos de prata, alumínio e titânio de alta pureza e projetados com janelas de folha fina resfriadas com hélio. As duas janelas de alumínio separam o material alvo do alto vácuo dentro do ciclotron.
18. Um sistema de resfriamento de circuito fechado recirculante é colocado no gabinete de metal dos serviços de destino para resfriar as janelas de alumínio com fluxos de gás hélio em alta velocidade.
19. As conexões de tubos, válvulas solenóides, travas de feixe resfriadas a água e colimadores isolados eletricamente são montados e fixados ao conjunto alvo.
20. O conjunto alvo tem um plugue de alumínio sólido que é perfurado por um orifício de 4 pol. (10 cm) que atuará como o colimador alvo.
21. As ranhuras são usinadas na parte externa do plugue e o anel de vedação é montado para criar a vedação a vácuo entre o corpo alvo e o trocador alvo de quatro posições.
22. Um disco de colimação é colocado entre o tampão e o corpo alvo com uma janela em ambos os lados.
23. Finalmente, todo o sistema é integrado com software de supervisão para controlar e monitorar o hardware do PLC.

Controle de qualidade

Cada etapa do processo de fabricação deve ser monitorada para garantir que as peças sejam de qualidade padrão. Se algum dos componentes apresentar rachadura ou vazamento, a radiação pode atingir o meio ambiente. O aço usado nos ímãs do cíclotron é cuidadosamente monitorado para garantir que tenha as propriedades desejadas. Os campos magnéticos são constantemente verificados por Ressonância Magnética Nuclear (NMR).

Subprodutos / resíduos

O processo de fabricação rende 2 a 3 toneladas de resíduos de metal durante a produção. Isso é reciclado para processos de fabricação futuros. Devido ao número de peças, o excesso de material da fabricação do cíclotron é grande. Se alguma peça defeituosa for encontrada, ela será recuperada da melhor maneira possível, mas a maioria será descartada.

O Futuro

As melhorias na vedação da unidade de ciclotron exigem que menos blindagem de concreto seja fornecida no local de instalação e forneça uma unidade de ciclotron mais segura e mais compacta. Unidades de ciclotron mais potentes estão sendo projetadas para a produção comercial de isótopos. As últimas séries de cíclotrons são de última geração, compactas, com foco forte, cíclotrons de íons negativos de quatro setores, com fontes externas de íons, bombas criogênicas, sistemas de energia e controle de alta precisão e excelente qualidade de fabricação. Eles agora são modulares em design e compartilham uma tecnologia comum, independentemente do tamanho e tipo do ciclotron.

Onde aprender mais

Livros

Lawrence, Ernest 0. e Irving Langmuir. Filmes moleculares:o ciclotron e o Nova Biologia. New Brunswick:Rutgers University Press, 1942.

Periódicos

Burgerjon, J. J. e A. Strathdee, eds. Ciclotrons - 1972. Nova York:American Institute of Physics, 1972.

Bonny P. McClain