サイクロトロン
背景
最新のサイクロトロンは、電磁石の極の間に真空中に保持された2つの中空のD字型電極を使用します。次に、高周波AC電圧が各電極に印加されます。電極間のスペースでは、イオン源は構成に応じて正または負のイオンを生成します。これらのイオンは、静電引力によって一方の電極に加速され、交流電流が正から負にシフトすると、イオンはもう一方の電極に加速します。強い電磁場のため、イオンは円形の経路を移動します。イオンがある電極から別の電極に移動するたびに、イオンはエネルギーを獲得し、回転半径が大きくなり、らせん軌道を生成します。この加速は、電極から逃げるまで続きます。加速された粒子は、らせん状の加速経路の終わりに到達すると、サイクロトロンから抽出されます。加速された亜原子粒子のこのビームは、放射性同位元素を生成するためにさまざまなターゲット材料に衝撃を与えるために使用できます。
さまざまな同位体が、体内に注入されるトレーサーとして医学や特定の種類の癌の放射線治療に使用されています。サイクロトロンは、学術および産業環境での研究目的、および陽電子放出断層撮影（PET）にも使用されます。陽電子放出断層撮影（PET）は、生きている被験者の組織内の陽電子放出放射性同位元素の濃度を測定するための技術です。 PETの有用性は、制限内で、体内の生化学的変化を評価する能力を持っていることです。異常な生化学的変化を経験している体のあらゆる領域は、PETを通して見ることができます。 PETは、脳血管疾患、てんかん、脳腫瘍などの神経疾患の臨床応用に大きな影響を与えてきました。
歴史
カリフォルニア大学バークレー校のEOローレンスと彼の大学院生は、1929年に成功する前に、サイクロトロンのさまざまな構成を試しました。初期のサイクロトロンは非常に小さく、電極、10ワットを生成する無線周波数発振器、真空、水素を使用していました。イオン、および4インチ（10 cm）電磁石。最初のサイクロトロンの加速チャンバーは、直径5インチ（12.7 cm）で、設定に応じて水素イオンを5〜45MeVのエネルギーにブーストしました。 1メガ電子ボルト（MeV）は1.602×1013 Jです。（Jはエネルギーの標準単位であるジュールを表します。）ますます大きくなるサイクロトロンの設計、構築、および操作には、ますます多くの物理学者、エンジニア、化学者が関与しました。ローレンスは、彼の研究が核物理学と核化学のどちらに分類されるべきかについて確信が持てなかった。
原材料
サイクロトロンの磁石は、2つのニッケルメッキ極を備えた25トンの低炭素鋼でできています。物理的には、サイクロトロンの重量は55トンで、コンクリートの壁と厚さ約6.6フィート（2 m）のドアを備えた内部の金庫室の内側にあり、機械の稼働時に存在する核放射線から周囲を保護します。幸いなことに、この放射線のほとんどの半減期はわずか数秒から数分であるため、長期的な廃棄物処理の問題はありません。実際の寸法は約100×100.5×39フィート（30.5×30.6×11.9 m）です。コイルは焼きなましされた銅から製造され、グラスファイバーで絶縁され、エポキシ樹脂で覆われています。アルミニウム製の真空タンクは、ポリウレタン製のOリングで密閉されています。イオン源はタングステンフィラメントを使用して水素ガスにエネルギーを与え、ホウ化ポリエチレンパッキングを使用してサイクロトロンのコンポーネントの周りに熱中性子が蓄積するのを減らします。ターゲットチェンジャーを使用すると、サイクロトロンオペレーターは、照射するビームラインごとに異なるターゲットを選択できます。これらのターゲットは主にアルミニウムでできており、中性子活性化を最小限に抑えるために最小限のステンレス鋼で作られています。
デザイン
サイクロトロンの設計は、購入者の仕様によって異なります。 Ebco Technologies Inc.は、2種類の負イオンサイクロトロンを製造しています。1つは陽子を最大エネルギーレベル19 MeV（TR19）まで加速でき、もう1つは陽子を32 MeV（TR32）まで加速できます。 TR19サイクロトロンの標準構成は2つの外部ビームラインを備えていますが、1つのビームラインのオプションを備えた縮小バージョンがあります。 TR19の標準ターゲット構成は、2つの外部ビームラインと8つのターゲットを使用します。 1つのビームラインに2〜4つのターゲットの設計オプションがあり、後日最大8つのターゲットにアップグレードできます。 TR19は、自己シールドまたは非シールド構成でも利用できます。自己シールド機能により、サイクロトロン保管庫や既存の施設の大幅なアップグレードが不要になります。さらに、TR19のマグネットギャップは、スペースを最小限に抑えるために垂直になっています。
無線周波数（RF）システムは、RF増幅器、RF増幅器からサイクロトロンへの同軸伝送ライン、電源、計装およびリードバックデバイス、オシロスコープ、電流/電圧、電力計、およびコンピュータ化された制御システム。マスフローコントローラー、ニードルバルブ、空気圧バルブがガスの圧力と流量を調整します。
タングステンフィラメントがイオン源の内部に配置され、加熱されると水素ガスをイオン化します。プラズマフィルターは、マイナスイオン生成の条件を強化するためにイオン源の開口部に配置されます。
生成されたマイナスイオンは、X軸でサイクロトロンに注入されます。インジェクションシステムは、傾斜したスパイラルインフレクターによって負イオンを加速面に集束させるためのステアリングマグネットのセットから製造されています。
アーネストオーランドローレンス。
アーネストオーランドローレンスは1901年8月8日にサウスダコタ州で生まれました。彼は、サウスダコタ大学から1922年に物理学の学士号を取得しました。ローレンスはミネソタ大学大学院に入学し、1年で修士号を取得しました。彼は博士号を取得しました。 1925年にエール大学で、国立研究評議会のフェローとして、そして助教授として3年間そこに留まりました。 1928年に彼はカリフォルニア大学バークレー校の准教授になりました。 2年後、ローレンスはバークレー校で最年少の准教授になりました。
ローレンスは1929年に彼の最も有名な発明であるサイクロトロンを考案しました。核実験に必要な数MeV（百万電子ボルト）の粒子エネルギーを達成するために、磁場を重ね合わせることで粒子の線形軌道を円形に変換できることに気づきました。粒子の経路に対して直角に。ローレンスは、粒子の回転数が磁場の強さと粒子の電荷質量比にのみ依存し、その軌道の半径には依存しないことをすぐに証明しました。これがサイクロトロンの基本原理であり、ローレンスは1930年の秋に最初に移植しました。
1932年、ローレンスは結婚し、6人の子供をもうけました。彼は1934年に全米科学アカデミーに選出され、1939年にノーベル物理学賞を受賞し、1946年に功労賞を、1957年にフェルミ賞を受賞しました。ローレンスは1958年8月27日に腸から死ぬまでバークレーに留まりました。潰瘍。
製造
プロセス
- プロジェクトチームは、コンジット、ケーブルトレイ、フロアダクト、および関連機器を調整します
真空チャンバーをクローズアップした真空加速チャンバーの例。サイクロトロンとそのサブシステムの出荷、リギング、設置の前。 - 製造工程は25トンの鋼製磁石から始まります。それは10インチ（25.4cm）のスラブから機械加工され、磁場面積が正確に測定されるまで強力な電磁石の極の間に配置されます。
- 2つのニッケルメッキ磁極は低炭素鋼から鍛造されています。
- 2つのマグネットコイルアセンブリは、焼きなましされた中空銅から製造され、形に曲げられた後に硬化します。それらは磁石のヨークに取り付けられ、水冷ヘッダーに接続され、グラスファイバーで絶縁され、エポキシ樹脂でコーティングされています。
- アルミニウム製の真空タンクをニッケルメッキのポールの間に配置し、ボルトで固定します。真空タンクにはクライオポンプがあり、外部にボルトで固定されてタンクを-459°F（-273°C）近くまで冷却し、存在する可能性のあるガスを凍結します。
- 電極は、単一の0.06インチ（1.6 mm）の低抵抗銅シートから機械加工され（RFシステムから加速水素イオンへのエネルギー伝達を最適化するため）、切り出され、ボーリングツールとドリルビットを使用してエッチングされます。
- 次に、銅電極を内部に取り付けた後、タンクをポリウレタン0リングで密閉します。電極は、ナイロンネジとスペーサーを使用して、工業用リセックスナイロンの丸い部分にセットされます。ナイロンにいくつかの穴が開けられています。 2つは発振器配線用です。 3番目は真空ポンプ用です。このポートには真空計も取り付けられています。
- ナイロンの上と電極の周囲には、ポリ塩化ビニル（PVC）パイプのリングがあります。これにはいくつかの穴が開けられており、そのうち最大のものは検出器の貯蔵管です。また、この材料には、デフレクタープレートに電圧源を供給するのに十分な小さな穴、その位置を制御するために必要なセットスクリュー、および装置全体をセットに吊るすために使用される真ちゅう製の頑丈なフック用の取り付け穴があります。ヘルムホルツコイル。
- PVCパイプの上には、工業用強度の透明なプラスチックがあります。これは、何か問題が発生した場合に、メカニズムの内部の仕組みを確認できるようにするだけでなく、ケーシングの強度を高めるためでもあります。
- メインチャンバーの周りに十分なシールを維持するために、PVCの両側にシリコンゲルがあります。これは、真空が可能な限り効率的になるようにするためです。アルファ粒子はあらゆる種類の粒子、特に空気の影響を強く受けるため、真空が必要です。アルファ粒子がとても安全であると考えられているのはそのためです。彼らが何らかの媒体を介して人と接触する時までに、彼らのエネルギーは非常に深刻な影響を受けており、彼らはダメージを与えることができません。
- 壁は、上部シートと下部シートの両方の面にある薄いIカットによって所定の位置にガイドされ、両方の電極は2インチ（5.1 cm）のナイロンネジを使用して一緒に保持されます。内部チャンバーを可能な限り清潔で一定に保つために、これらの部品にははんだを使用していません。 1つの壁には、長さ約0.79インチ（2 cm）の窓があります。
- ナイロンネジで回転するのは、コンポーネントの残りの部分から電気的に分離されたわずかに小さい銅板（デフレクター）です。外側のセットネジはデフレクターの位置を制御でき、デフレクターと各電極の両方に電気接続があります。これは、発振器を電極に供給し、大きな負電荷をデフレクタープレートに置くことを可能にするためです。
- RFシステムは、19インチ（48 cm）の正方形、6フィート（1.8 m）の高さの金属製シャーシ内に組み立てられています。ここでは、抵抗器、送信機、スイッチ、調整回路、インダクター、およびコンデンサーが手作業で組み立てられています。
- 電源キャビネットは、水冷ターゲットと磁石、イオン源、クライオポンプ、および水回路用に購入および組み立てられています。
- サイクロトロンの組み立て後に、イオン源が注入されます。直径4インチ（10 cm）、長さ4.7インチ（12 cm）の磁気シリンダーがイオン源を構成します。水素ガスは毛細管から注入されます。
- 傾斜したスパイラルインフレクターは、接地されたらせん状の電極で囲まれています。電極は固定軸フライス盤で加工されます。
- 次に、ターゲットボディは高純度の銀、アルミニウム、チタンでできており、ヘリウムで冷却された薄いホイルウィンドウで設計されています。 2つのフォイルウィンドウは、サイクロトロン内の高真空からターゲット材料を分離します。
- 再循環閉ループ冷却システムがターゲットサービスの金属キャビネットに配置され、ヘリウムガスの高速ストリームでフォイルウィンドウを冷却します。
- チューブ接続、ソレノイドバルブ、水冷ビームストップ、および電気的に絶縁されたコリメータが組み立てられ、ターゲットアセンブリに取り付けられます。
- ターゲットアセンブリには、ターゲットコリメータとして機能する4インチ（10 cm）の穴が開けられた頑丈なアルミニウムプラグがあります。
- 溝はプラグの外側に機械加工され、Oリングが取り付けられて、ターゲット本体と4ポジションターゲットチェンジャーの間に真空シールを作成します。
- コリメートディスクは、プラグとターゲットボディの間に配置され、両側にウィンドウがあります。
- 最後に、システム全体が監視ソフトウェアと統合され、PLCハードウェアを制御および監視します。
品質管理
部品が標準品質であることを確認するために、製造プロセスの各ステップを監視する必要があります。コンポーネントのいずれかに亀裂や漏れがあると、放射線が環境に侵入する可能性があります。サイクロトロンの磁石に使用されている鋼は、それが望ましい特性を持っていることを確認するために注意深く監視されています。磁場は、核磁気共鳴（NMR）によって常にチェックされます。
副産物/廃棄物
製造工程では、製造中に2〜3トンの金属廃棄物が発生します。これは、将来の製造プロセスのためにリサイクルされます。部品点数が多いため、サイクロトロン製造の余剰材料が多い。欠陥のある部品が見つかった場合、それらは可能な限り回収されますが、大部分は廃棄されます。
未来
サイクロトロンユニットのシーリングの改善により、設置場所で提供されるコンクリートシールドを減らし、より安全でコンパクトなサイクロトロンユニットを提供する必要があります。より強力なサイクロトロンユニットは、商業的な同位体生産のために設計されています。最新のサイクロトロンシリーズは、最先端のコンパクトで強力な集束型の4セクター負イオンサイクロトロンで、外部イオン源、クライオポンプ、高精度の電力および制御システム、優れた製造品質を備えています。それらは現在、設計がモジュール式であり、サイクロトロンのサイズやタイプに関係なく、共通の技術を共有しています。
詳細情報
本
ローレンス、アーネスト0.、アーヴィングラングミュア。 分子フィルム：サイクロトロンと 新しい生物学。 ニューブランズウィック：Rutgers University Press、1942年。
定期刊行物
Burgerjon、J。J。、およびA. Strathdee編、 サイクロトロン — 1972。 ニューヨーク：米国物理学協会、1972年。
ボニー P. McClain
製造プロセス