Ciclotrón

Ciclotrón

El ciclotrón es un tipo de acelerador de partículas ideado en 1931 por Ernest O. Lawrence y M. Stanley Livingstone, en la Universidad de Berkley (California), como acelerador de partículas cargadas. El método directo de acelerar iones utilizando la diferencia de potencial presentaba grandes dificultades experimentales asociados a los campos eléctricos intensos, Lawrence y Livingstone idearon el ciclotrón que evita estas dificultades por medio de la aceleración múltiple de los iones hasta alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de altos voltajes.

Los aceleradores de mayor potencia que se construyen actualmente son muy costosos, invirtiéndose más de la mitad de los gastos en la construcción de grandiosos imanes para aceleradores: son los imanes más grandes y costosos del mundo. Son los elementos imprescindibles de la mayoría de los aceleradores de partículas cargadas (ciclotrones). Y aunque el campo magnético en los aceleradores no supera los 15-17 mil Oe, los aceleradores ostentan los récords dentro de las máquinas más grandes que se utilizan en las investigaciones físicas y en la técnica.

Un ciclotrón es básicamente una cámara cilíndrica de alto vacío en la que mediante un campo magnético paralelo al eje del cilindro y un sistema de radiofrecuencia para generar un campo eléctrico alternante, es posible acelerar a energías muy elevadas (~10 MeV) partículas elementales (como protones y deuterones) producidas mediante una fuente de iones situada en el centro de la cavidad. Estas partículas se hacen chocar con los blancos, en los que tienen lugar reacciones nucleares que llevan a la obtención de los isótopos emisores de positrones, que serán finalmente utilizados para sintetizar los diferentes radiofármacos. Existen una gran variedad de ellos dependiendo de la potencia (intensidad del haz), la energía hasta la cual se pueden acelerar las partículas-proyectil, los blancos a utilizar, etc..

La creacion de los aceleradores se realizo bajo dos fines principales: para descubrir partículas nuevas o investigar la estructura de los objetos del micromundo. Las partículas desconocidas anteriormente pueden obtenerse en el acelerador durante la interacción de las partículas aceleradas con los núcleos de diversos elementos. El estudio de las pequeñísimas estructuras del micromundo en los aceleradores se funda en que el flujo de partículas aceleradas, de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, se puede presentar como ondas de determinada longitud. Cuanto mayor es la energía de la partícula acelerada, tanto menor es la longitud de la onda. De la física se conoce que son visibles solamente los objetos, cuyas dimensiones lineales superan la longitud de la onda (las ondas luminosas tienen una longitud relativamente grande y, por eso, las posibilidades del microscopio corriente de observar objetos pequeños son muy limitadas.

D1 y D2 son dos cámaras metálicas de forma semicilíndrica huecas llamadas “dees”,por su similitud con la letra D. El punto S es dónde se encuentra la fuente de iones situada en el centro de la des. Las dos des se hallan separadas una de la otra y las dos están en el seno de un campo magnético uniforme y perpendicular (normal) al plano de las “dees”. Las dos des están conectadas a los bornes de un circuito eléctrico que crea una diferencia de potencial alterna de frecuencia w.

Inicialmente la partícula cargada q entra en D2 con velocidad v1 debido a la aceleración que le produce al campo eléctrico existente entre las dos des. Bajo la acción de el campo magnético describe una circunferencia de radio r1 y frecuencia w (1) y (2). Cuando q sale de D2 se ha invertido al campo eléctrico siendo la partícula acelerada entre las dos des, por lo cual entra en D1 con una velocidad v2 > v1 describiendo una circunferencia de radio r2>r1 (3). Siendo R el radio de las des, la velocidad máxima con que sale la partícula es (4). Su energía cinética final será tantas veces mayor que la que corresponde al voltaje aplicado a los electrodos multiplicado por el número de veces que el ion ha pasado por la región intermedia entre las “dees”.

Partes

Los principales componentes y sistemas de un ciclotrón son:

El imán

Normalmente de tipo resistivo. Un polo sobre las “D” (Norte) y otro debajo (Sur), generando un campo magnético, perpendicular a la partícula y uniforme, para confinar el haz de partículas. A medida que ganan energía el campo les obliga a describir una trayectoria espiral creciente.

Electrodos huecos

Tienen forma de “D”, se encuentran ligeramente separados y están conectados a un oscilador de alto voltaje. Alternando la carga positiva y negativa a estas “des” conseguimos acelerar la partícula.

La fuente de iones

Está formada por cátodos para la producción de protones ydeuterones. Estos iones son insertados radialmente en la zona central del imán.

Sistema de extracción del haz

Se encarga de dirigir el haz de iones hacia el blanco utilizando una placa con voltaje negativo una vez que las partículas han llegado al borde externo de las D.

Blancos

Es el lugar donde las partículas impactan.

Detectores

Registran la emisión de energía de la sustancia radiactiva, el tipo de partícula, así como los niveles de radiactividad.

Sistema de vacío

Su finalidad es la de evitar que los iones acelerados colisionen con átomos de gases residuales, con el fin de evitar la creación de neutrones que dejarían de ser acelerados.

Sistema de refrigeración

Su finalidad es controlar y mantener la temperatura correcta, así como llevar a cabo la desionización del agua utilizada para dicha función.

FUNCIONAMIENTO

El ciclotrón es un acelerador de partículas circular que mediante la acción de un campo eléctrico oscilante y otro magnético consigue acelerar los iones haciéndolos girar en órbitas de radio y energía crecientes. Se podría decir que el ciclotrón se trata de un acelerador Winderöe en forma circular y provisto de dos electrones en lugar de muchos de ellos. El ciclotrón consta de de dos cajas planas semicirculares, denominadas “des” (D1 y D2).

Las “des” se encuentran encerradas en un compartimento estanco, y el conjunto se halla colocado entre los polos de un electroimán lo bastante grande para proporcionar un campo magnético suficientemente constante sobre la superficie total de las “des”.

Continuando con el funcionamiento, estas "des" se encuentran conectadas a un generador de alta frecuencia, capaz de de desarrollar, a través de las “des”, un voltaje muy alto (unos 30000 V más o menos), a varios millones de hercios. Un filamento eléctrico incandescente, produce una corriente de electrones que ioniza el gas de hidrógeno deuterio y helio existente en el sistema, para producir protones, deuterones o partículas alfa respectivamente.

El éxito del ciclotrón depende del hecho de que el tiempo exigido por un ion de una carga-masa dada para completar una revolución en el campo magnético, no se altera al aumentar la energía del ion. Así, con tal que la frecuencia y el campo magnético estén en su justa proporción, un ion que haya partido de la fuente, y sea captado por el campo eléctrico en su fase correcta en la abertura entre las “des", experimentará sincrónicamente una aceleración cada vez que cruce la abertura.

El hecho de que la frecuencia sea variable es debido a que los primeros ciclotrones (de frecuencia fija) tenían en la práctica un límite de energía máxima resultante del aumento de la masa de las partículas cuando alcanzan energías entre 20 y 30 MeV. A estas energías, las partículas empiezan a girar más despacio y no se puede mantener por más tiempo su sincronismo con el voltaje de radiofrecuencia de las “des”.

Esta pérdida de sincronismo puede ser neutralizada disponiendo que el campo magnético crezca en la medida en que lo hace la distancia radial al centro. A su vez, este tipo de campo provoca un desenfoque vertical y hace que las partículas golpeen las superficies superiores e inferiores de las “des”. Para evitarlo y mantener las partículas próximas al plano mediano del campo magnético se hace decrecer ligeramente el campo magnético mientras aumenta el radio.

El espacio hueco del interior de las “des” está esencialmente libre de campo eléctrico. El ion, una vez en este espacio, se mueve a velocidad constante en la trayectoria circular prescrita por el campo magnético. Dado que la energía del ion aumenta en las sucesivas aceleraciones que sufre en la abertura, cada vez describe círculos más amplios, pero con velocidad creciente.

La sincronización es tal que, a cada sucesivo cruce por la abertura, el voltaje de radiofrecuencia cambia su polaridad cambia su polaridad en el sentido correcto para proporcionar una aceleración adicional.Por último, cuando el ion alcanza un determinado radio máximo, que depende del tamaño del imán, alcanza también su máximo de energía. En este punto puede ser utilizado para incidir en un blanco o puede usarse un sistemadeflector especial para dirigirlo fuera de la máquina.

APLICACIÓN CLÍNICA

El ciclotrón es usado en el mundo en la Producción de Radioisótopos necesarios para aplicaciones clínicas en tomógrafos por emisión de positrones (PET). Es también objetivo del ciclotrón el desarrollo de otros radioisótopos y aplicaciones propias de la tecnología de aceleradores en el ámbito de la investigación básica y aplicada.

Los ciclotrones se clasifican en función del tipo de partícula utilizada (positiva o negativa) o bien en función de la energía a la que éstas pueden ser aceleradas. La utilización de los ciclotrones PET actuales es muy sencilla, puesto que son sistemas muy automatizados. Aunque se pueden manejar de forma manual (con lo que se pueden controlar todos los parámetros de funcionamiento) lo habitual es fijar únicamente la corriente requerida en el blanco, que va a condicionar la actividad que se obtendrá.

La tomografía de emisión de positrones (PET, del inglés Positron Emission Tomography) es una técnica de diagnóstico clínico no-invasivo que permite la imagen funcional “in vivo” del metabolismo celular. Su importancia en especialidades como la Oncología, Neurología o Cardiología está bien avalada por la literatura científica donde gran cantidad de datos sugieren que la PET es superior a las técnicas convencionales de imagen (TAC y RM) en determinadas situaciones clínicas. La PET permite obtener imágenes usando compuestos biológicamente activos, sustratos, ligandos o fármacos marcados con emisores de positrones. Estos agentes marcados se administran normalmente vía intravenosa, distribuyéndose según el flujo sanguíneo y siendo asimila-dos independientemente de su carácter radiactivo.

Los positrones se forman durante la desintegración radiactiva de un núcleo que tiene un número excesivo de protones para alcanzar la estabilidad nuclear. Tras sucesivas colisiones, el positrón pierde su energía y cuando está prácticamente en reposo se combina (aniquila) con un electrón orbital convirtiéndose la masa de ambas partículas (electrón y positrón en reposo) en energía generándose de dos fotones de 511 KeV cada uno, los cuales serán emitidos simultáneamente y en sentidos opuestos, pudiendo salir del organismo y ser detectados en el exterior.

Los radionucleidos emisores de positrones son isótopos de elementos comunes en el organismo y, en consecuencia, los más apropiados para marcar moléculas y realizar estudios in vivo. La desintegración de un radionucleido emisor de positrones ocurre según el. La emisión del positrón conlleva la estabilización del nucleido generado, ya que éste está más cerca de la línea de estabilidad. La emisión concomitante de un neutrino (ν ) en cada desintegración hace que la energía de la emisión del positrón (β + ) sea variable, al contrario de lo que ocurre con las emisiones gamma, que tienen una energía fija para un radionucleido dado debido a que se deben a transiciones entre dos estados energéticos con valores definidos. Se habla por lo tanto de energía máxima y de energía media de emisión del positrón para cada radionucleido. Tras la emisión del positrón, éste recorre una distancia (que será mayor cuanto mayor sea la energía de emisión del mismo) antes de chocar con un electrón y producirse la aniquilación. En este fenómeno la masa de ambas partículas se transforma en energía según la ecuación E = mc2 . La distancia recorrida por el positrón (rango del positrón) hasta su aniquilación es de unos pocos mm (en un medio acuoso, asimilable básicamente a un tejido) y ocurre en un tiempo muy corto desde la desintegración (en torno a 10 -9 segundos).las partículas aceleradas son protones, la energía máximaes de 18 millones de electrón volts ( MeV ), mientras que los deuterones, con el doble de la masa de los protones, alcanzan una energía máxima de 9 MeV.

REFERENCIAS 

Ciclotrón Perú. Primer ciclotrón médico en Lima, Perú