ЦИКЛОТРОН С ЭНЕРГИЕЙ ИОНОВ ВОДОРОДА 12 МЭВ

Область техники
Заявленное техническое решение относится к области ускорительной техники, в частности, к изохронным циклотронам для получения ускоренного пучка протонов с энергией 12 МэВ, оптимальной для наработки ряда ультракороткоживущих радионуклидов, используемых в медицинской диагностике, а именно, позитронно-эмиссионной томографии (PET).
Уровень техники
Из уровня техники известен циклотрон Eclipse компании Siemens (США), рассчитанный на ускорение ионов водорода до энергии 11 МэВ (Eclipse Cyclotron Systems Technical Description, http://www.siemens.com).
Циклотрон имеет броневой цилиндрический электромагнит с горизонтально расположенной медианной плоскостью, с обмоткой, представляющей собой одну цилиндрическую катушку, намотанную медной лентой (U.S. Patent No 5,463,291), имеющей весьма низкое энергопотребление (3 кВт). В медианной плоскости катушка имеет отверстия для прохода пучка. Магнитная структура радиальносекторная. На каждом полюсе магнита имеется четыре сектора с угловой протяженностью 56°. Отношение величин магнитного поля в холме и в долине - 1.9 Тл/0.1 Тл. Полюса электромагнита играют роль крышек вакуумной камеры. Цилиндрическая обечайка вакуумной камеры выполнена из немагнитного материала. В каждом полюсе в области долин имеются четыре отверстия, используемые для вакуумной откачки, а также для крепления водоохлаждаемых заземленных дуантных штоков. Плакированная медью поверхность полюсов в области долин, в которых размещены ВЧ-дуанты, играет роль внешнего проводника резонансной системы. Ускорение отрицательных ионов водорода осуществляется четырехдуантной системой на четвертой гармонике частоты обращения. Такое решение позволяет обеспечить высокий прирост энергии ионов (140 кэВ) за оборот.
-6
Циклотрон имеет один источник отрицательных ионов водорода (с газоразрядной ячейкой Пеннинга и холодными катодами), расположенный внутри циклотрона аксиально. Ионный источник установлен в камере дифференциальной откачки, так называемой колонне, откачиваемой дополнительным насосом. Извлечение источника для обслуживания осуществляется без нарушения вакуума в циклотроне. Корпус источника имеет потенциал смещения (-15кВ) относительно земли для извлечения и предускорения пучка отрицательных ионов. Рабочий вакуум, создаваемый тремя диффузионными насосами, характеризуется величиной остаточного давления 5-10 Торр. Вывод ускоренных частиц из циклотрона осуществляется методом перезарядки отрицательных ионов в положительные на тонкой углеродной фольге. Имеется два порта для вывода протонного пучка к внешним мишеням. К каждому из портов присоединяется карусель, несущая четыре или восемь мишеней.
Такая схема построения циклотрона имеет следующие недостатки:
- Наличие паров рабочей жидкости диффузионного насоса в вакуумной камере снижает срок службы ионного источника.
- Потери ускоренных отрицательных ионов из-за обдирки на молекулах газа, поступающего из ионного источника, вызывают радиационное загрязнение деталей, размещенных в вакуумной камере циклотрона.
- Часть резонансной системы закреплена на подвижной балке электромагнита, что создает вероятность нарушения юстировки резонансной системы.
- Неудобство обслуживания элементов расположенных внутри вакуумной камеры циклотрона.
Известен циклотрон MiniTrace компании GE (Великобритания), рассчитанный на ускорение ионов водорода до энергии 9.6 МэВ (M. Haji-Saeid et al - Cyclotron produced radionuclides: Principles and practice, Technical reports series No. 465, 2008, International Atomic Energy Agency, Vienna, p.199-206).
Циклотрон имеет Ш-образный электромагнит с вертикально расположенной медианной плоскостью, с обмоткой, состоящей из двух катушек. Магнитная структура радиальносекторная. На каждом полюсе магнита имеется четыре сектора. Отношение величин магнитного поля в холме и в долине - 2.2 Тл/0.9 Тл.
Полюса электромагнита с прикрепленными дисками из магнитного материала, играют роль крышек вакуумной камеры. Цилиндрическая обечайка вакуумной камеры также выполнена из немагнитного материала. В обечайке имеется один порт для присоединения вакуумного насоса. Плакированная медью поверхность полюсов в области долин, в которых размещены ВЧ-дуанты, играет роль внешнего проводника резонансной системы. Ускорение отрицательных ионов водорода осуществляется на четвертой гармонике частоты обращения. Дуантные штоки (по одному на каждый из двух дуантов) неподвижно крепятся к обечайке вакуумной камеры циклотрона.
-5
Циклотрон имеет один источник отрицательных ионов водорода (с газоразрядной ячейкой Пеннинга, холодными катодами, с радиально размещенными токоподводами), расположенный внутри вакуумной камеры циклотрона. Рабочий вакуум, создаваемый одним диффузионным насосом, характеризуется величиной остаточного давления 1·10 Торр. Вывод ускоренных частиц из циклотрона осуществляется методом перезарядки отрицательных ионов в положительные на тонкой углеродной фольге.
Внутри вакуумной камеры размещены два обдирочных устройства с перезарядными фольгами, перемещаемые в азимутальном направлении. Шесть мишенных устройств прикреплены к шести соответствующим портам вакуумной камеры с одной стороны циклотрона (вне корпуса электромагнита). Циклотрон имеет интегрированную локальную защиту.
Такая схема построения циклотрона имеет следующие недостатки:
- Неудобство обслуживания ионного источника, связанное с необходимостью открывать циклотрон.
- Наличие паров рабочей жидкости диффузионного насоса в вакуумной камере снижает срок службы ионного источника.
- Бомбардировка и распыление пулера положительными ионами, извлекаемыми отрицательной полуволной ВЧ-напряжения, снижает срок его службы.
- Потери до 20% ускоренных отрицательных ионов из-за обдирки на молекулах газа, поступающего из ионного источника, вызывают радиационное загрязнение деталей, размещенных в вакуумной камере циклотрона.
- Мощность, потребляемая электромагнитом, сравнительно высокая - 10.8 кВт.
Известны циклотроны, рассчитанные на ускорение ионов водорода до энергии 19 МэВ и более (TR-19/9, TR-30/15, Cyclone 30 и др.), предназначенные для наработки широкого диапазона радиунуклидов (М. Haji-Saeid et al - Cyclotron produced radionuclides: Principles and practice, Technical reports series No. 465, 2008, International Atomic Energy Agency, Vienna, p. 199-206). Указанные циклотроны отличаются использованием системы внешней инжекции отрицательных ионов водорода, позволяющей существенно повысить ток ускоренного пучка и снизить потери ионов при ускорении.
В качестве прототипа был выбран циклотрон Cyclone 10/5 бельгийской компании IBA, рассчитанный на ускорение ионов водорода/дейтерия до энергии 10/5 МэВ (Е. Conard, M. Abs, С. Dom, L. Hardy, Y. Jongen., M. Ladeuze, S. Laycock and T. Vanderlinden: Current status and nature of Cyclotron Development in IBA, Proceedings ЕР AC, 1990, р. 419-421).
Циклотрон имеет броневой цилиндрический электромагнит с горизонтально расположенной медианной плоскостью, с обмоткой, состоящей из двух катушек (U.S. Patent No 4,771,208). Магнитная структура радиальносекторная. На каждом полюсе магнита имеется четыре сектора с угловой протяженностью 54°. Отношение величин магнитного поля в холме и в долине - 1.95 Тл/0.35 Тл. Полюса электромагнита играют роль крышек вакуумной камеры. Цилиндрическая обечайка вакуумной камеры выполнена из немагнитного материала. В каждом полюсе в области долин имеются четыре отверстия, используемые для вакуумной откачки, также для прохода дуантных штоков. Плакированная медью поверхность полюсов в области долин, в которых размещены ВЧ-дуанты, играет роль внешнего проводника резонансной системы. Ускорение отрицательных ионов водорода/дейтерия осуществляется на второй/четвертой гармонике частоты обращения соответствующей частицы.
-5
Циклотрон имеет два источника отрицательных ионов водорода и дейтерия (с газоразрядной ячейкой Пеннинга и холодными катодами), расположенными внутри вакуумной камеры циклотрона (S. Zaremba et al. - Beam Dynamics in Newly Designed Cyclotrons at Ion Beam Applications; Proceedings EPAC 1990, p. 1774-1776). Рабочий вакуум, создаваемый одним диффузионным насосом, характеризуется величиной остаточного давления 1·10 Торр. Вывод ускоренных частиц из циклотрона осуществляется методом перезарядки отрицательных ионов в положительные на тонкой углеродной фольге. Внутри вакуумной камеры размещены восемь обдирочных устройств с перезарядными фольгами. Восемь мишенных устройств прикреплены к восьми соответствующим портам вакуумной камеры и целиком размещаются внутри корпуса электромагнита.
Такая схема построения циклотрона имеет следующие недостатки:
- Неудобство обслуживания ионного источника и мишеней, связанное с необходимостью открывать циклотрон.
- Наличие паров рабочей жидкости диффузионного насоса в вакуумной камере снижает срок службы ионного источника.
- Бомбардировка и распыление пулера положительными ионами, извлекаемыми отрицательной полуволной ВЧ-напряжения, снижает срок его службы.
- Потери до 20% ускоренных отрицательных ионов из-за обдирки на молекулах газа, поступающего из ионного источника, вызывают радиационное загрязнение деталей, размещенных в вакуумной камере циклотрона.
- Часть резонансной системы закреплена на подвижной балке электромагнита, что создает вероятность нарушения юстировки резонансной системы.
- Мощность, потребляемая электромагнитом, сравнительно высокая - 13 кВт
Раскрытие полезной модели
Задача
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего ускорение ионов водорода до энергии 12 МэВ и их вывод для одновременного облучения двух высокопроизводительных мишеней, нарабатывающих РЕТ-радионуклиды, при условии удобства обслуживания циклотрона, низкой радиационной нагрузки на обслуживающий персонал, низких эксплуатационных расходов.
Данная задача решается в заявляемом изохронном циклотроне, содержащем электромагнит, вакуумную камеру и ускоряющие электроды - дуанты, следующим образом. Циклотрон имеет броневой электромагнит с вертикально расположенной медианной плоскостью, с обмоткой, состоящей из двух катушек. Магнитная структура радиальносекторная. На каждом полюсе магнита имеется четыре сектора с угловой протяженностью 48.5°. Отношение величин магнитного поля в холме и в долине - 1.9 Тл/0.5 Тл. Мощность, потребляемая электромагнитом составляет 8 кВт. Полюсные наконечники с приваренными к ним кольцевыми пластинами из немагнитной стали одновременно выполняют роль крышек вакуумной камеры (Богданов П.В. Ускорительная камера циклотрона // Описание изобретения к авторскому свидетельству №633167. Бюллетень открытий и изобретений, №42, 1978). Средняя часть магнитопровода (стойка) выполняет также функцию корпуса (обечайки) вакуумной камеры (Богданов П.В., Малышев И.Ф. Ускорительная камера циклотрона // Описание изобретения к авторскому свидетельству №749359. Бюллетень открытий и изобретений, №21 от 07/06/81). Для обеспечения доступа к оборудованию, размещенному в вакуумной камере, магнитопровод разделен на неподвижную и подвижную части. Максимальное смещение между неподвижной и подвижной частями магнита составляет 800 мм.
В обечайке имеется один порт для присоединения вакуумного насоса. Резонансная система, состоящая из двух коаксиальных четвертьволновых резонаторов прямоугольного сечения, полностью размещена внутри вакуумной камеры циклотрона в неподвижной части магнита. Дуантные штоки радиально крепятся к обечайке вакуумной камеры. Внешние проводники резонансной системы, выполненные из листовой меди, имеют принудительное охлаждение. Ускорение отрицательных ионов водорода осуществляется на четвертой гармонике частоты обращения.
-7
Циклотрон имеет внешний мультипольный источник отрицательных ионов водорода, смонтированный на камере дифференциальной откачки. Практически весь рабочий газ, поступающий из ионного источника, откачивается двумя турбомолекулярными насосами, установленными на этой камере. Рабочий вакуум, создаваемый в циклотроне одним криогенным насосом, характеризуется величиной остаточного давления 2·10 Торр. Обслуживание ионного источника осуществляется без нарушения вакуума в циклотроне.
Вывод ускоренных частиц из циклотрона осуществляется методом перезарядки отрицательных ионов в положительные на тонкой углеродной фольге. На корпусе камеры размещены два обдирочных устройства с перезарядными фольгами, перемещаемые в радиальном и азимутальном направлениях, а также имеются два порта для размещения мишенных устройств, расположенные диаметрально противоположно. В циклотроне предусмотрена возможность одновременного вывода двух пучков протонов с общим средним током свыше 100 мкА.
Технический результат
Технический результат применения данной полезной модели заключатся в том, что существенно снижается энергопотребление электромагнита циклотрона; обслуживание циклотрона становится более удобным, поскольку обеспечивается свободный доступ к деталям, расположенным в вакуумной камере циклотрона, уменьшается количество труднодоступных вакуумных уплотнений, обслуживание ионного источника осуществляется без нарушения вакуума в циклотроне; благодаря использованию внешней инжекции существенно повышается ток ускоренного пучка и снижаются потери ионов при ускорении, увеличивается срок жизни пуллера; существенно снижается активация деталей, расположенных в вакуумной камере циклотрона и, как следствие, уменьшается радиационная нагрузка на обслуживающий персонал; стационарное размещение резонатора в неподвижной части электромагнита и принудительное водяное охлаждение обеспечивают стабильность геометрии и, следовательно, стабильность работы резонансной системы.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 приведено схематическое изображение оборудования, размещенного в вакуумной (ускорительной) камере циклотрона (1). Ускоряющая резонансная система (2) размещена внутри вакуумной камеры циклотрона в неподвижной части магнита. К обечайке вакуумной камеры крепятся пробники (3), (4), (5), обдирочные устройства (6). Возбуждение резонатора производится при помощи индуктивного ВЧ-ввода (7). Автоподстройка частоты осуществляется при помощи триммера 8. Сигнал с ВЧ - пробника используется для стабилизации амплитуды ВЧ-напряжения. Мишенные устройства крепятся к двум портам (10). Вакуумная откачка циклотрона осуществляется одним криогенным насосом, присоединенным к порту (И) вакуумной камеры. Роль крышек вакуумной камеры (фиг. 2) выполняют полюсные наконечники (1) с приваренными к ним кольцевыми пластинами из немагнитной стали 3. Неподвижные шиммы (2), выполненные в виде накладок к боковым поверхностям секторов, используются для формирования изохронного распределения магнитного поля. Сектора, изготовленные из монолитных поковок, являются нераздельным продолжением полюсов.
На общем виде циклотрона (фиг. 3) показаны элементы системы внешней инжекции отрицательных ионов водорода. Мультипольный ионный источник (2) крепится к камере дифференциальной откачки (3), откачиваемой двумя турбомолекулярными насосами (4). Ионный пучок инжектируется в циклотрон (1) аксиально. Транспортировка пучка обеспечивается двумя электростатическими линзами (не показаны) и двумя электромагнитными корректорами. Поворот пучка в медианную плоскость циклотрона обеспечивается электростатическим инфлектором (не показан). Оборудование системы внешней инжекции пучка расположено со стороны неподвижной части электромагнита на подставке. Такая компоновка обеспечивает удобство обслуживания оборудования данной системы.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано расположение оборудования в ускорительной камере циклотрона: 1 - корпус вакуумной камеры; 2 - ускоряющая система; 3, 4, 5 - пробник; 6 - обдирочное устройство; 7 - устройство ввода ВЧ-мощности; 8 - триммер автоматической подстройки частоты; 9 - высокочастотный пробник; 10 - порт мишенного устройства; 11 - порт крионасоса.
На фиг. 2 показана крышка вакуумной камеры: 1 - полюсный наконечник электромагнита; 2 - неподвижные шиммы; 3 - кольцевая пластина из немагнитной стали.
На фиг. 3 показан общий вид циклотрона с системой внешней инжекции отрицательных ионов водорода: 1 - электромагнит циклотрона; 2 - мультипольный ионный источник; 3 - камера дифференциальной откачки; 5 - турбомолекулярный насос.