Cyclotron

Achtergrond

De moderne cyclotron gebruikt twee holle D-vormige elektroden die in een vacuüm tussen de polen van een elektromagneet worden gehouden. Vervolgens wordt op elke elektrode een hoogfrequente wisselspanning aangelegd. In de ruimte tussen de elektroden produceert een ionenbron, afhankelijk van de configuratie, positieve of negatieve ionen. Deze ionen worden versneld in een van de elektroden door een elektrostatische aantrekking, en wanneer de wisselstroom van positief naar negatief verschuift, versnellen de ionen naar de andere elektrode. Vanwege het sterke elektromagnetische veld reizen de ionen in een cirkelvormig pad. Elke keer dat de ionen van de ene elektrode naar de andere gaan, winnen ze aan energie, neemt hun rotatiestraal toe en produceren ze een spiraalvormige baan. Deze versnelling gaat door totdat ze uit de elektrode ontsnappen. De versnelde deeltjes worden uit het cyclotron gehaald wanneer ze het einde van het spiraalvormige versnellingspad bereiken. Deze bundel van versnelde subatomaire deeltjes kan worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan doelmaterialen te bombarderen om radioactieve isotopen te produceren.

Verschillende isotopen worden in de geneeskunde gebruikt als tracers die in het lichaam worden geïnjecteerd en bij bestralingsbehandelingen voor bepaalde soorten kankers. Cyclotrons worden ook gebruikt voor onderzoeksdoeleinden in academische en industriële omgevingen, en voor positronemissietomografie (PET). Positronemissietomografie (PET) is een techniek voor het meten van de concentraties van positron-emitterende radio-isotopen in het weefsel van levende proefpersonen. Het nut van PET is dat het, binnen bepaalde grenzen, het vermogen heeft om biochemische veranderingen in het lichaam te beoordelen. Elk deel van het lichaam dat abnormale biochemische veranderingen ervaart, kan door PET worden gezien. PET heeft een enorme impact gehad op de klinische toepassingen van neurologische ziekten, waaronder cerebrale vasculaire aandoeningen, epilepsie en hersentumoren.

Geschiedenis

EO Lawrence en zijn afgestudeerde studenten aan de University of California, Berkley probeerden veel verschillende configuraties van de cyclotron voordat ze in 1929 succes hadden. De vroegste cyclotron was erg klein en maakte gebruik van elektroden, een radiofrequentie-oscillator die 10 watt produceerde, een vacuüm, waterstof ionen, en een 4 in (10 cm) elektromagneet. De versnellingskamer van het eerste cyclotron had een diameter van 5 in (12,7 cm) en verhoogde waterstofionen tot een energie van 5-45 MeV, afhankelijk van de instellingen. Eén mega-elektronvolt (MeV) is 1,602 × 1013 J. (J staat voor Joule, de standaardeenheid voor energie.) Bij het ontwerp, de constructie en de werking van steeds grotere cyclotrons was een groeiend aantal natuurkundigen, ingenieurs en chemici betrokken. Lawrence was er nooit zeker van of zijn onderzoek geclassificeerd moest worden als kernfysica of kernchemie.

Grondstoffen

De magneten in de cyclotron zijn gemaakt van 25 ton koolstofarm staal met twee vernikkelde polen. Fysiek weegt de cyclotron 55 ton en bevindt hij zich in een binnengewelf met betonnen muren en deuren van ongeveer 2 m (6,6 ft) dik om de omgeving te beschermen tegen de nucleaire straling die aanwezig is wanneer de machine draait. Gelukkig heeft de meeste van deze straling een halfwaardetijd van slechts enkele seconden tot minuten, dus er zijn geen problemen met de afvalverwijdering op de lange termijn. Werkelijke afmetingen zijn ongeveer 100 × 100,5 × 39 ft (30,5 × 30,6 × 11,9 m). De spoelen zijn vervaardigd uit gegloeid koper, geïsoleerd met glasvezel en bedekt met een epoxyhars. De aluminium vacuümtank is afgedicht met o-ringen van polyurethaan. De ionenbron gebruikt een wolfraamgloeidraad om het waterstofgas te activeren en een pakking van geboreerd polyethyleen wordt gebruikt om de opeenhoping van thermische neutronen rond componenten van het cyclotron te verminderen. De doelwisselaar stelt de cyclotron-operator in staat verschillende doelen te selecteren op elk van de te bestralen bundellijnen en is voornamelijk gemaakt van aluminium, met een minimum aan roestvrij staal om neutronenactivering te minimaliseren.

Ontwerp

Het ontwerp van de cyclotron is afhankelijk van de specificaties van de koper. Ebco Technologies Inc. bouwt twee verschillende typen cyclotrons met negatieve ionen, één die protonen kan versnellen tot een maximaal energieniveau van 19 MeV (TR19) en de andere die protonen kan versnellen tot 32 MeV (TR32). De standaardconfiguratie van de TR19-cyclotron is met twee externe bundellijnen, maar er is een verkleinde versie met een optie van één bundellijn. De TR19 standaard doelconfiguratie is met twee externe bundellijnen en acht doelen. Er is een ontwerpoptie van twee tot vier doelen op één bundellijn, met de upgrade naar maximaal acht doelen op een later tijdstip. De TR19 is ook verkrijgbaar in een zelf-afgeschermde of niet-afgeschermde configuratie. De zelfbeschermde functie elimineert de noodzaak van een cyclotron-kluis of grote upgrades van bestaande faciliteiten. Bovendien is de magneetopening in de TR19 verticaal om ruimte te minimaliseren.

Het radiofrequentiesysteem (RF) bestaat uit een RF-versterker, een coaxiale transmissielijn van de RF-versterker naar de cyclotron, een voeding en instrumentatie- en terugleesapparatuur, een oscilloscoop, stroom/spanning, vermogensmeters en interfaces met het geautomatiseerde controlesysteem. Een massastroomregelaar, naaldventiel en pneumatisch ventiel regelen de gasdruk en -stroom.

Een wolfraamfilament wordt in de ionenbron geplaatst en bij verhitting zal het waterstofgas ioniseren. Een plasmafilter wordt op de opening van de ionenbron geplaatst om de omstandigheden voor de productie van negatieve ionen te verbeteren.

De gegenereerde negatieve ionen zullen op de X-as in het cyclotron worden geïnjecteerd. Het injectiesysteem is vervaardigd uit een set stuurmagneten om de negatieve ionen te concentreren op het versnellingsvlak door de gekantelde spiraalvormige inflector.

Ernest Orlando Lawrence.

Ernest Orlando Lawrence werd geboren in South Dakota op 8 augustus 1901. Hij behaalde zijn bachelor in natuurkunde in 1922 aan de Universiteit van South Dakota. Lawrence ging naar de graduate school van de Universiteit van Minnesota en voltooide zijn master in één jaar. Hij behaalde zijn Ph.D. aan Yale in 1925, waar hij drie jaar verbleef als fellow van de National Research Council en vervolgens als assistent-professor. In 1928 werd hij universitair hoofddocent aan de University of California in Berkeley. Twee jaar later werd Lawrence de jongste hoogleraar aan Berkeley.

Lawrence bedacht zijn beroemdste uitvinding, de cyclotron, in 1929. Hij realiseerde zich dat om deeltjesenergieën van een paar MeV (miljoen elektronvolt) te bereiken die nodig zijn voor nucleaire experimenten, hij de lineaire baan van het deeltje kon omzetten in een cirkelvormige baan door een magnetisch veld te superponeren loodrecht op de baan van het deeltje. Lawrence bewees onmiddellijk dat de omwentelingsfrequentie van een deeltje alleen afhangt van de sterkte van het magnetische veld en de lading-massaverhouding van het deeltje, niet van de straal van zijn baan. Dit was het basisprincipe van het cyclotron, waarover Lawrence voor het eerst rapporteerde in de herfst van 1930.

In 1932 trouwde Lawrence en kreeg zes kinderen. Hij werd verkozen tot lid van de National Academy of Sciences in 1934, ontving de Nobelprijs voor natuurkunde in 1939 en ontving de Medal of Merit in 1946 en de Fermi Award in 1957. Lawrence bleef in Berkeley tot zijn dood op 27 augustus 1958 door een darminfectie. zweer.

Het fabricageproces

1. Projectteams coördineren leiding, kabelgoot, vloergoot en aanverwante apparatuur Een voorbeeld van een geëvacueerde versnellingskamer met een close-up van de vacuümkamer. voorafgaand aan de verzending, tuigage en installatie van de cyclotron en zijn subsystemen.
2. Het fabricageproces begint met de 25-tons stalen magneet. Het is vervaardigd uit platen van 25,4 cm (10 inch) en tussen de polen van een krachtige elektromagneet geplaatst totdat het magnetische veldgebied nauwkeurig is gemeten.
3. Twee vernikkelde magnetische polen zijn gesmeed uit koolstofarm staal.
4. Twee magneetspoelassemblages zijn vervaardigd uit gegloeid hol koper en harden uit nadat ze in vorm zijn gebogen. Ze zijn gemonteerd in het juk van de magneet, verbonden met waterkoelingskoppen, geïsoleerd met glasvezel en gecoat met een epoxyhars.
5. De aluminium vacuümtank wordt tussen de vernikkelde palen geplaatst en vastgeschroefd. De vacuümtank heeft cryopompen die extern zijn vastgeschroefd om de tank tot bijna -459 ° F (-273 ° C) te koelen om eventuele aanwezige gassen te bevriezen.
6. De elektroden zijn vervaardigd uit een enkele 0,06 inch (1,6 mm) laag resistieve koperen plaat (om de energieoverdracht van het RF-systeem naar de versnellende waterstofionen te optimaliseren), uitgesneden en geëtst met behulp van boorgereedschap en boren .
7. Vervolgens wordt de tank afgedicht met 0-ringen van polyurethaan nadat de koperen elektroden erin zijn gemonteerd. De elektroden worden met nylon schroeven en afstandhouders in een rond stuk industrieel lisex-nylon geplaatst. In het nylon zijn een paar gaatjes geboord. Twee zijn voor de bedrading van de oscillator. De derde is bedoeld voor de vacuümpomp; er is ook een vacuümmeter aan deze poort bevestigd.
8. Bovenop het nylon en rondom de elektroden zit een ring van polyvinylchloride (PVC) buis. Hierin zijn verschillende gaten geboord, waarvan de grootste de detectoropslagbuis is. In dit materiaal bevinden zich ook kleinere gaten die voldoende zijn voor het leveren van een spanningsbron aan de deflectorplaat, voor de stelschroeven die nodig zijn om de positie te regelen, en bevestigingsgaten voor de massief koperen haak die zal worden gebruikt om het complete apparaat op te hangen aan een set van Helmholtz spoelen.
9. Bovenop de PVC-buis zit een stuk doorzichtig plastic van industriële sterkte. Dit is zowel om mensen de binnenkant van het mechanisme te laten zien, mocht er iets mis gaan, als om de sterkte van de behuizing te vergroten.
10. Aan weerszijden van het PVC zit siliconengel, om een ​​voldoende afdichting rond de hoofdkamer te behouden. Dit is zodat het vacuüm zo efficiënt mogelijk zal zijn. Het vacuüm is nodig omdat de alfadeeltjes sterk worden beïnvloed door alle soorten deeltjes, vooral lucht. Daarom worden alfadeeltjes als zo veilig beschouwd; tegen de tijd dat ze via een medium contact met een persoon opnemen, is hun energie zo ernstig aangetast dat ze geen schade kunnen aanrichten.
11. De wanden worden op hun plaats geleid door een dunne I-snede in het oppervlak van zowel de boven- als de onderplaat en beide elektroden worden bij elkaar gehouden met behulp van 2 inch (5,1 cm) nylon schroeven. In deze stukken werd geen soldeer gebruikt om de binnenkamer zo schoon en constant mogelijk te houden. In een muur is een raam uitgesneden, ongeveer 0,79 inch (2 cm) lang.
12. Op een nylon schroef draait een iets kleinere koperen plaat (de deflector) die elektrisch is gescheiden van de rest van het onderdeel. Buitenliggende stelschroeven kunnen de deflectorpositie regelen en zowel deze als elke elektrode hebben een elektrische verbinding. Dit is om de oscillator toe te laten aan de elektroden en een grote negatieve lading op de deflectorplaat te leggen.
13. Het RF-systeem is gemonteerd in een 19 inch (48 cm) vierkant, 6 ft (1,8 m) hoog metalen chassis. Hier worden de weerstanden, zenders, schakelaars, afstemcircuits, inductoren en condensatoren met de hand geassembleerd.
14. Er worden voedingskasten gekocht en geassembleerd voor de watergekoelde doelen en magneten, ionenbronnen, cryopomp en het watercircuit.
15. De ionenbron wordt na montage van het cyclotron geïnjecteerd. Een magnetische cilinder met een diameter van 4 inch (10 cm) en een lengte van 4,7 inch (12 cm) omvat de ionenbron. Via een capillair wordt waterstofgas geïnjecteerd.
16. De gekantelde spiraalvormige inflector is omsloten door een geaarde spiraalvormige elektrode. De elektrode wordt bewerkt op een freesmachine met vaste as.
17. Vervolgens zijn de doellichamen gemaakt van zeer zuiver zilver, aluminium en titanium en ontworpen met heliumgekoelde dunne folievensters. De twee folievensters scheiden het doelmateriaal van het hoogvacuüm in de cyclotron.
18. Een recirculerend koelsysteem met gesloten lus wordt in de metalen kast van de doelservice geplaatst om de folievensters te koelen met hogesnelheidsstromen heliumgas.
19. De slangaansluitingen, magneetventielen, watergekoelde bundelstops en elektrisch geïsoleerde collimators worden geassembleerd en bevestigd aan het doelsamenstel.
20. Het doelsamenstel heeft een stevige aluminium plug die is doorboord met een gat van 10 cm dat als doelcollimator zal dienen.
21. Groeven zijn aan de buitenkant van de plug gefreesd en de o-ring is gemonteerd om de vacuümafdichting te creëren tussen het doellichaam en de doelwisselaar met vier standen.
22. Een collimatieschijf wordt tussen de plug en het doellichaam geplaatst met aan beide zijden een venster.
23. Ten slotte is het hele systeem geïntegreerd met toezichtsoftware om de PLC-hardware te besturen en te bewaken.

Kwaliteitscontrole

Elke stap van het productieproces moet worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de onderdelen van standaardkwaliteit zijn. Als een van de componenten een barst of lek heeft, kan er straling in de omgeving komen. Het staal dat wordt gebruikt in de magneten van de cyclotron wordt zorgvuldig gecontroleerd om ervoor te zorgen dat het de gewenste eigenschappen heeft. Magnetische velden worden constant gecontroleerd door Nuclear Magnetic Resonance (NMR).

Bijproducten/afval

Het productieproces levert tijdens de productie 2-3 ton metaalafval op. Dit wordt gerecycled voor toekomstige productieprocessen. Door het aantal onderdelen is het overtollige materiaal bij de fabricage van de cyclotron groot. Als er defecte onderdelen worden gevonden, worden deze zo goed mogelijk geborgen, maar de meeste worden gesloopt.

De Toekomst

De verbeteringen in het afdichten van de cyclotron-eenheid vereisen dat er minder betonnen afscherming wordt aangebracht op de installatieplaats en zorgen voor een veiligere en compactere cyclotron-eenheid. Er worden krachtigere cyclotron-eenheden ontworpen voor commerciële isotopenproductie. De nieuwste serie cyclotrons zijn state-of-the-art, compacte, sterke focusserende, vier sector negatieve ionen cyclotrons, met externe ionenbronnen, cryopompen, zeer nauwkeurige stroom- en controlesystemen en een uitstekende fabricagekwaliteit. Ze zijn nu modulair van ontwerp en delen een gemeenschappelijke technologie, ongeacht de grootte en het type cyclotron.

Waar meer te leren

Boeken

Lawrence, Ernest 0. en Irving Langmuir. Moleculaire films:de cyclotron en de Nieuwe biologie. New Brunswick:Rutgers University Press, 1942.

Tijdschriften

Burgerjon, J.J., en A. Strathdee, eds. Cyclotronen — 1972. New York:Amerikaans Instituut voor Natuurkunde, 1972.

Bonny P. McClain