BRPI1107184B1 - Acelerador de prótons recircular e seus arranjos - Google Patents

Abstract

acelerador de prótons recircular e seus arranjos. a matéria tratada (figuras 1, 2, 3a, 3b, e 6) é compreendida por um dispositivo acelerador de prótons recircular e seus arranjos, contendo uma cavidade de aceleração de partículas (3) (figura 1) preferencialmente positivas, um conjunto de lentes quadrupolos (8) (figuras 3), dois magnetos (4), substancialmente na forma de "dês" separados (13), com campo magnético constante, mas possuindo regiões (10) com campo magnético nulo nas projeções laterais, definidas pelos contornos (9) e (11); um par de bobinas (2) (figura 2), uma cavidade de aceleração (3) (figura 6) alimentada por radiofrequência constante, e uma região (14) (figura 1) possível de receber outro arranjo acelerador, útil para aceleração de prótons ou íons pesados na faixa não relativística, na faixa de 0,01 a 30% da energia de massa em repouso da partícula; útil como pré-acelerador para outros aceleradores , ou pós-acelerador, para ampliar a energia de prótons providos de cíclotrons ou isocrônico cíclotrons. o dispositivo (figura 1, 2, 3a, 3b, e 6) pode ser utilizado, por exemplo, na produção de radioisótopos, ou mesmo, na produção de nêutrons, na geração de imagens ou em tratamentos clínicos por exposição a íons, preferencialmente íons pesados.

Description

[01] A matéria tratada (Figuras 1, 2, 3a, 3b, e 6) é compreendida por um dispositivo acelerador de prótons recircular e seus arranjos, contendo uma cavidade de aceleração de partículas (3) (Figura 1) preferencialmente positivas, um conjunto de lentes quadrupolos (8) (Figura 3), dois magnetos (4), substancialmente na forma de “Dês” separados (13), com campo magnético constante, mas possuindo regiões (10) com campo magnético nulo nas projeções laterais, definidas pelos contornos (9) e (11); um par de bobinas (2) (Figura 2), uma cavidade de aceleração (3) (Figura 6) alimentada por radiofrequência constante (Figura 1), útil para aceleração de prótons ou íons pesados na faixa não relativística, na faixa de 0,01 a energia de massa em repouso da partícula; útil como pré-acelerador para outros aceleradores, ou pós-acelerador, para ampliar a energia de prótons providos de Cíclotrons ou Isocrônico Cíclotrons. O dispositivo (Figuras 1, 2, 3a e 3b, e 6) pode ser utilizado, por exemplo, na produção de radioisótopos, ou mesmo, na produção de nêutrons, na geração de imagens ou em tratamentos clínicos por exposição a íons, preferencialmente íons pesados.

[02] Atualmente, são conhecidos vários tipos de aceleradores de partículas comerciais para elétrons, prótons, subpartículas carregadas e íons pesados. A maioria dos modelos de aceleradores de partículas foi desenvolvida na década de 1930. A partir desse período, tem-se observado que apenas inovações incrementais têm sido incorporadas a estes aceleradores. Estes, por sua vez, podem ser lineares ou recirculares. Os recirculares utilizam múltiplas cavidades de aceleração e de magnetos para recircular as partículas com carga. Os magnetos geram campos magnéticos de recirculação e, por sua vez, as cavidades de aceleração geram campos elétricos (Krane, K.S.; Introdução a Fisica Nuclear, Wiley, 1988; Scharf, W.H.; Aceleradores de Partículas Biomédicas, Instituto de Física Americano, Nova Iorque, 1993). Quando essas partículas são prótons, os aceleradores recirculares mais utilizados são o Cíclotron tradicionala Isocrônico Cíclotron (Figura 5, b), e o Síncrotron (Figura 5, c) (Scharf, 1993). Todos estes aparelhos produzem um movimento aspiral para o feixe de prótons, mantendo um campo magnético e frequência de cavidades constantes. Os Isocrônicos (Figura 5, b) apresentam um par de cavidades de aceleração triangular, e conjunto de magnetos na forma de disco com diferenças de campo magnético divididos de forma azimutal. Os Síncrotrons mantêm um movimento recircular das partículas em trajetória de recirculação com raio constante, preservando a mesma trajetória. Entretanto, neste caso, o campo magnético e a frequência variam com o tempo de recirculação. Os prótons ou os íons têm que ser pré-carregados no acelerador antes da aceleração e durante o momento de aceleração o mesmo não permite a entrada de novos íons de baixa energia cinética (Humphries, Jr., S.; Princípios de Aceleração de Partículas Carregada, John Wiley & Sons Publicação, Nova Iorque, 1986).

[03] Os aceleradores recirculares de elétrons, por sua vez, obedecem a uma trajetória recircular, mantendo seus movimentos circulares, tangentes a um ponto, onde é introduzida uma cavidade que opera a uma radiofrequência ressonante. Para os elétrons, é possível encontrar uma cavidade e frequência de ressonância que atenda a um amplo espectro energético de elétrons. Assim, a frequência de oscilação da cavidade e a frequência angular de movimento dos elétrons se mantêm sincronizadas; isto é, o tempo de reentrada dos elétrons em seu movimento recircular coincide com o tempo de oscilação da cavidade ressonante de forma tal que as partículas sempre entram, tendo uma fase da onda do campo elétrico favorável à aceleração, permitindo receber energia da cavidade de aceleração (Karzmark, C.J.; Nunan, C.S.; Tanabe, E.; Aceleradores de Elétrons Médicos, McGraw-Hill, Nova Iorque, 1992; Humphries, 1986).

[04] Uma cavidade de ressonância pode ser definida também para os prótons; mas somente para energias relativísticas. Em energias cinéticas próximas a energia de massa de repouso do próton (moc2 próxima de 938 MeV), o próton tem velocidade relativística próxima à velocidade da luz, c; e sua trajetória circular em um campo magnético assume um raio quase constante. O tempo gasto na recirculação e na cavidade ressonante são muito próximos; e é muito fácil adequar o período da onda de ressonância da cavidade com o tempo de percurso das partículas de maior e de menor energias. Este comportamento, dito relativístico, predomina em energias cinéticas elevadas. Isso não ocorre a baixas energias cinéticas dos prótons. Para energias cinéticas inferiores a 70 ou 100 MeV, a diferença na velocidade das partículas inicial com a final dentro do acelerador é muito alta. Muitas vezes, a velocidade final é duas vezes ou mais a velocidade inicial. Consequentemente, o tempo da recirculação da partícula com menor velocidade passando pela cavidade de aceleração é, no mínimo, o dobro do tempo da partícula com maior velocidade. Devido a esta diferença de tempo, não se consegue atingir um sincronismo de entrada na cavidade de aceleração de forma que a fase da onda do campo elétrico nem sempre é favorável para aceleração da partícula em recirculação.

[05] Assim, não é possível definir adequadamente uma cavidade de aceleração ressonante para prótons de baixas energias em movimento recircular em um campo magnético na ordem de 0,1 a 6,0 Teslas. O próton, ao dar a volta no magneto e ao passar pela cavidade de aceleração, necessita fazê-lo em um tempo elevado. Se este tempo é considerado como o período de oscilação da cavidade, a frequência encontrada não se correlaciona com as dimensões práticas de uma cavidade ressonante. Na verdade, o comprimento da cavidade está na ordem de metros e não se torna prático. Em adição, o mesmo gasta muito tempo em passar pela cavidade de aceleração. A diferença de tempo gasto entre o próton de menor energia e o de maior energia é considerável comparativamente, pois suas velocidades estão muito inferiores à velocidade da luz. Este atraso impede o sincronismo de fase entre o período de recirculação das partículas de baixa e de alta energia do acelerador com a fase de oscilação da frequência na cavidade de aceleração. Este comportamento limita, então, o emprego do Mícrotron para prótons a baixas energias, isto é, até 100 MeV. Isso então justifica um dos motivos de aceleradores de prótons seguindo o modelo do Mícrotron não estarem, ainda, disponíveis no mercado (Karzmark et al., 1992).

[06] Como o problema de reentrada na fase de prótons de baixa energia em cavidade do Mícrotron não existe em Isocrônicos Cíclotrons, cuja trajetória é aspiral, adotou-se este último para aceleração de prótons de baixas energias, cuja massa relativística é muito inferior à energia da massa de próton em repouso. O par de cavidades de aceleração nos Isocrônicos Cíclotrons é feito de cobre na forma triangular, e ocupam grande parte do disco magnético, pois são postas em pares sobre os magnetos. Devido a sua forma não simétrica, correntes de elétrons em direções R, θ e Z são geradas nas paredes da cavidade quando elas oscilam com a onda de radiofrequência. Entretanto, algumas correntes transversais ao movimento aspiral das partículas não geram campos elétricos favoráveis à aceleração dos prótons. Assim, perdas por calor são consideráveis. Adicionalmente, a densidade de campo elétrico é baixa, se comparada à potência de entrada da radiofrequência, devido ao elevado volume da cavidade (Krane, 1988).

[07] Observa-se que, em um Isocrônico Cíclotron, o próton que tem maior energia cinética tem maior velocidade e, para manter o mesmo tempo de passagem na cavidade ressonante, a distância de percurso dentro da cavidade de aceleração aumenta. Assim, é de esperar uma cavidade de aceleração com distâncias entre faces crescentes para cada feixe de prótons que entra nesta cavidade, gerando uma forma triangular ou uma forma torcida, equivalente a um triângulo (Scharf, 1993). Assim, no equipamento Isocrônico Cíclotron, para corrigir rotas não propriamente circulares, de trajetórias de partículas próximas a 1% da massa relativística são introduzidas alterações azimutais da intensidade de campo magnético nos magnetos. As trajetórias, então, são corrigidas pela passagem dos prótons em magnetos com variação do campo magnético, gerado a partir do distanciamento dos pólos, criando vales e montanhas; isto é, com distintos magnetos azimutais. Por sua vez, a correção de defasagem de tempo no movimento dos prótons nos Isocrônicos Cíclotrons é feita na geometria da cavidade de aceleração (Scharf, 1993).

[08] Assim, a principal limitação verificada no estado da técnica é a dificuldade de aceleração de prótons a energias cinéticas na interface de relativísticas e não relativísticas. Além disso, os equipamentos Isocrônico Cíclotron apresentam cavidades triangulares que ocupam grande parte do disco de aceleração, perdem energia por calor, tem baixa densidade de campo elétrico comparativo à potência da radiofreqüência de alimentação, necessitam de correção do movimento aspiral através de alterações azimutais do campo magnético. Por sua vez, é também limitante o estado da técnica dos Mícrotrons, que não atendem a prótons ou a íons pesados na interface de relativísticos e não relativísticos, sendo aplicados apenas para elétrons relativísticos. Da mesma forma, é limitante o emprego dos Síncrotrons que atende a prótons relativísticos, mas necessitam da alteração dos valores de freqüência e do campo magnético durante o processo de aceleração.

[09] Alguns documentos de patentes relativos a aceleradores de partículas são descritos no estado da técnica.

[010] O pedido de patente US561697A, intitulado “Mícrotron electron accelerator” descreve um dispositivo acelerador de elétrons, que possui uma cavidade de aceleração de microondas, onde esta gera um campo elétrico de alta frequência. Esta cavidade é disposta dentro de um campo magnético uniforme B. Os elétrons são acelerados e movem se em uma trajetória circular sob a ação do campo magnético B e do campo elétrico E. Este aparelho somente pode ser utilizado para elétrons relativísticos, não sendo possível acelerar íons pesados não relativísticos, como proposto nesta patente.

[011] A patente US466085B2, intitulada “Cyclotron having permanent magnets cíclotron” descreve um Cíclotron gerador de radioisótopos, especialmente para o uso na associação com imagens médicas. O Cíclotron é configurado sem uma bobina eletromagnética convencional. Uma pluralidade de “Des” e uma pluralidade de ímãs permanentes são dispostas alternadamente em uma disposição circular. O movimento das partículas é aspiral. A cavidade de aceleração é triangular e ocupa grande parte do disco do magneto. Da mesma forma, magnetos divididos em setores são necessários.

[012] A patente US6683426B1, intitulada “Isochronous cyclotron and method of extraction of charged particles from such cyclotron” descreve um supercondutor ou um Cíclotron com setor-focalizado isocrônico não supercondutor, compreendendo um eletroímã com um pólo superior e um pólo mais baixo que constituem o circuito magnético. Os pólos são feitos de, pelo menos, três pares de “montes” divididos em setores (onde a abertura vertical entre setores ditos é pequena). Estes montes são separados pelos espaços de setor na forma de “vales” onde a abertura vertical é grande. O Cíclotron é energizado por, pelo menos, um par das bobinas. Observa-se nesta patente, que o mesmo princípio de divisão azimutal dos magnetos é empregado e, da mesma forma, uma cavidade de aceleração triangular é aplicada.

[013] A patente US7446490B2, intitulada “Cyclotron” descreve um dispositivo não supercondutor que compreende um magneto dividido pelo menos em três setores, chamados “montes”. A divisão azimutal do magneto forma regiões definidas, como montes e vales. Nos vales, o fluxo magnético é menor ou zero. Nos montes o fluxo magnético é concentrado. O circuito magnético é gerado por mais de um único par circular de bobinas, que cercam os montes e os vales. Da mesma forma, este é um Isocrônico Cíclotron que tem cavidade de aceleração triangular que ocupa grande parte do disco do cíclotron, além de necessitar de magnetos com variação de campo magnético azimutal, caracterizado por vales e montes.

[014] A patente US2943265, intitulada “Electron Cyclotron” apresenta um cíclotron de elétrons com duplo processo de aceleração: um acelerador com cavidade ressoante com movimento recircular tangente à cavidade, como forma de pré-acelerador de elétrons até atingir velocidades relativísticas; e, um acelerador para acelerar elétrons relativísticos, similar a um Síncrotron. Neste pedido, é mencionada a aceleração de prótons não relativísticos, nem os problemas de assincronismo da frequência da cavidade com o tempo gasto de recirculação de partículas não relativísticas, como prótons. Desta forma, a patente não se aplica a prótons e se limita a elétrons relativísticos.

[015] A patente US31175131, “Magnet construction for a variable energy cyclotron” preserva a configuração em setores dos magnetos. Esta introduz um campo gradiente radial de várias intensidades, que auxilia a aceleração de prótons de maior energia. A órbita aspiral curvilínea é preservada. Entretanto, vales, montes e cavidade de aceleração triangular são empregados, preservando a configuração original de um Isocrônico Cíclotron. Não há correção de órbitas para prótons próximos à velocidade relativística.

[016] Entretanto, tais patentes mantêm a configuração tradicional dos Cíclotrons Isocrônicos ou mesmo dos Mícrotrons de elétrons. Nos Mícrotrons, não há possibilidade para aceleração de prótons de baixa energia - íons não relativísticos ou na interface entre os não relativísticos e relativísticos. Nos Isocrônicos Cíclotrons mantém-se a condição aspiral do movimento, a presença de cavidades triangulares que ocupam grande parte do acelerador, e magnetos divididos em setores de vales e de montes, com campos magnéticos distintos.

[017] A matéria tratada (Figuras 1, 2, 3 e 6), por sua vez, visa sanar esta dificuldade na aceleração de prótons de energias na interface de relativísticas e não relativísticas. Principalmente, apresenta uma forma diferente da apresentada pelos Isocrônico Cíclotrons, dispensando o uso de cavidades de aceleração triangulares e magnetos com vales e com montes. A matéria tratada permite especialmente acelerar prótons de uma velocidade inicial a final mesmo em condições na interface de relativísticas e não relativísticas, mantendo constante o campo magnético e frequência de oscilação da cavidade de aceleração. Da mesma forma, a matéria tratada atende a prótons na interface de relativísticos e não relativísticos, e se distingue dos Mícrotrons convencionais, devido ao fato de estes somente acelerarem elétrons relativísticos.

[018] Assim, com o objetivo de sanar as deficiências, a matéria tratada incorpora avanços nos aceleradores recirculares, de forma específica, a partir de uma nova forma de magnetos (4) que produz uma peculiar trajetória de prótons (5) preferencialmente, ou íons pesados, permitindo que estes produzam trajetórias com tangente comum (5) com tempo de percurso constante (isocronismo), sincronizadas com a freqüência da cavidade de aceleração (3), em condições de energia cinética relativísticas, tendo incorporado uma cavidade de aceleração (3) cilíndrica única em uma tangente comum a estas trajetórias (5) de tamanho e volume reduzido, contendo tubo oco interno (15), com eletromagnetos (8) na entrada e saída do feixe, que de forma especifica permite acelerar íons em faixas de energia no intervalo de 0,01% à energia de massa em repouso da partícula a ser acelerada. Além de que mantém o campo magnético e a frequência de alimentação da cavidade, constantes; caracterizando um acelerador de íons negativos ou positivos, propiciando o uso destes em faixas de energia de partículas na interface de relativísticos e não relativísticas.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[019] A Figura 1 ilustra a projeção planar do dispositivo acelerador de prótons recircular, onde: (1) é o magneto; (3) é a cavidade de aceleração; (5) é a trajetória das partículas em aceleração; e (4) é o magneto deformado pela presença de uma região com campo magnético nulo (10), definida por contornos específicos (9 e 11), sendo que (9) é a linha geradora do contorno superior definida pela função f(r(Er)), (11) é a linha base, cujos magnetos são separados por (13), onde também estão representadas as entrada (20) e saída (21) do feixe.

[020] A Figura 2 ilustra a seção transversal no plano horizontal do dispositivo acelerador de prótons recircular, onde: (1) é o contorno externo do magneto (mantendo continuo o fluxo magnético); (3) é a cavidade de aceleração; (4) é o magneto deformado na forma de “Dê”; (5) é a trajetória das partículas em aceleração; e (9) é a linha geradora pela função f(r(Er)).

[021] As Figura 3a e 3b ilustram as seções transversais no plano vertical do dispositivo sendo tomadas perpendicular uma a outra, onde: (Fig. 3a)(1) são os contornos externos do magneto; (Fig. 3a), (2) são as bobinas; (Fig. 3b) (3) é a cavidade de aceleração; (6 ou 13) é o espaçamento entre os magnetos; (Fig. 3a), (7) é a blindagem externa; e (Fig. 3b), (8) é a lente quadrupolo na entrada da cavidade de aceleração.

[022] A Figura 4 ilustra um gráfico da função f(r(Er)) para um acelerador com energia inicial e final pré-definidas, de modo que a Ermin é igual a 15 MeV, a Ermax é igual a 64 MeV; e a frequência de aceleração é igual a 33,5MHz. O período desta freqüência é igual ao tempo gasto para as partículas percorrerem o acelerador, sendo a f(r(Er)) calculada para que as partículas no intervalo 15 a 64 MeV mantenham o mesmo tempo de circulação igual ao período da radiofreqüência.

[023] A Figura 5 ilustra, na forma de esboço, alguns tipos de aceleradores recirculares conhecidos no estado da técnica e a trajetória (5) das partículas nestes, mostrando a diferença geométrica dos magnetos entre estes e a geometria do magneto proposto nesta patente, onde: Isocrônico Cíclotron (b), Mícrotron de elétrons (a), Race-Track Mícrotron de elétrons (c) e Síncrotron (d).

[024] A Figura 6 ilustra a seção longitudinal de uma cavidade de aceleração cilíndrica (3) constituída de um tubo tipo “drift” oco (15) no seu interior, suportado por uma haste metálica (16) onde este recebe um potencial elétrico obedecendo a uma função senoidal. Nesta, pode-se aplicar a variação do potencial elétrico gerando um campo magnético na mesma direção do movimento das partículas (17) nas com alternância de fases de 0° a 360°. O cilindro externo (3) é aterrado. Nesta figura também é apresentado, de forma alternativa, a mesma cavidade (3), podendo ser esta resonante, sem presença do tubo oco (15) e haste (16). Na saída e entrada da cavidade de aceleração existem os eletromagnetos (8), compostos de quatro bobinas eletroímãs (18) acoplados a um suporte de metal ferromagnético (19).

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[025] O acelerador de prótons recircular e seus arranjos (Figuras 1, 2, 3a e 3b) é caracterizado por compreender dois magnetos (4), separados, simétricos, espelhados, com seus respectivos polos magnéticos, deformados, na forma de “Dês”, separados pela região (13), tendo nas laterais uma área (10) internalizada em cada Dê (4), definida pelas contornos (9) e (11) cuja região interna apresente campo magnético próximo a zero; pelo menos, um par de bobinas (2); uma cavidade de aceleração (3), de geometria substancialmente cilíndrica e alimentada com frequência constante, podendo ter um tubo oco central (15), suportado por uma haste metálica (16);, com bobinas de eletroímãs (18) suportada por base de metal ferromagnético (19), posicionadas na entrada e saída da cavidade de aceleração (3); um espaçamento entre os magnetos (6) ou (13); e uma blindagem externa (7); de modo que todas as partes (1 a 13) estão associadas umas com as outras, conforme mostrado nas Figuras 1 e 2; e, que produzem uma trajetória de partículas (5) recircular isocrônicas características, contidas nos magnetos (5), e na tangente, segmento linear na direção (17) na cavidade de aceleração (Figuras 1 a 3).

[026] Os magnetos (1) ou (4) são substancialmente na forma de “Dês” contendo regiões internas (10) com um campo magnético quase nulo; definido por contornos laterais (9) e (11) cuja distância obedece a uma função radial específica (Figura 4), esta dependente da energia inicial e final da partícula a ser acelerada, cuja partícula com carga tem nessa região um movimento linear com velocidade constante. O campo magnético nos magnetos pode ser induzido por imãs permanentes ou bobinas (2).

[027] A cavidade de aceleração (3) pode ser posicionada na tangente comum das trajetórias das partículas em recirculação, na região de separação entre os magnetos (13), tendo a forma substancialmente cilíndrica ou substancialmente esférica. Esta cavidade de aceleração (3) pode possuir múltiplas cavidades (Figura 6) em série, sendo alimentada por um gerador de radiofrequência do tipo Klystron ou Magnetron; ou ainda, constituída ou não de um cilindro com um ou mais “drift tubes” alimentada por uma diferença de potencial na frequência requerida.

[028] A bobina (2) e cavidade de aceleração (3) podem ser constituídos de material supercondutor; e a blindagem externa (7) pode revestir todo o dispositivo (Figura 3) podendo ser composta de composições de materiais tendo um material impermeável ao campo magnético, e também outro de alto peso molecular para blindagem das radiações ionizantes emitidas pelo acelerador, como chumbo, de forma não limitante.

[029] O dispositivo (Figuras 1, 2, 3a e 3b, e 6) pode incorporar um conjunto de lentes quadrupolos (8) na entrada ou saída da cavidade de aceleração (3); ou no espaço entre a separação dos magnetos (4), sendo estas constituídas de uma base de metal ferromagnético (19) e quatro bobinas eletroímãs (18), mantendo o centro livre para o percurso das partículas na direção (17).

[030] O dispositivo (Figuras 1, 2, 3a e 3b, e 6) pode acelerar íons, preferencialmente íons de hidrogênio, ou deutério, hélio e carbono, não limitante a esses; com energias não relativísticas, ou na interface de relativísticos e não relativísticos.

[031] O dispositivo (Figuras 1, 2, 3a e 3b, e 6) pode ser empregado na produção de radioisótopos, ou na geração de íons prótons ou íons pesados para tratamento médico, ou na geração de nêutrons rápidos, ou na geração de imagens médicas. O tratamento médico pode ser a radioterapia ocular ou o tratamento da retinoblastoma.

[032] A matéria tratada (Figuras 1, 2, 3a e 3b, e 6) compreende meios de acelerar íons, preferencialmente íons de hidrogênio.

[033] A matéria tratada (Figuras 1, 2, 3a e 3b, e 6) se caracteriza por ser um dispositivo composto por, pelo menos, uma cavidade de aceleração (3) de geometria substancialmente cilíndrica ou substancialmente esférica; por ter um conjunto de lentes quadrupolos (8) alinhadas com a trajetória linear das partículas (17), posicionadas na entrada e saída da cavidade cavidade (3); por manter trajetórias recirculares (5) entre os “Dês” (4); dois magnetos na forma de “Dês” (4) separados, tendo duas regiões (10) com campo magnético quase nulo, incorporadas dentro dos Dês, com contornos definidos por uma função f (.) e r; onde r é o raio do íon no campo magnético adotado para o magneto em sua respectiva energia cinética; pelo menos um par de bobinas (2), (Figura 3a e 3b) para a geração do campo magnético; tendo a cavidade de aceleração (3) alimentada por radiofrequência constante. Esta cavidade de aceleração (3) é posicionada na tangente comum da trajetória das partículas (17). Apesar de ser única, a cavidade de aceleração (3) pode ser divida internamente em uma ou em múltiplas cavidades conjuntas em série, seguindo um projeto de acelerador linear de cavidades SW (“steady wave”) ou TW (“travelling wave”) sendo alimentada por um gerador de radiofrequência do tipo Klystron ou Magnetron. Entretanto, também pode ser produzida por “drift tubes”, seguindo os princípios básicos do acelerador linear definido por Alvarez e Wideroe, cujos “drif tubes” são alimentados por uma diferença de potencial elétrico com a frequência requerida (Scharf, 1993).

[034] A matéria tratada (Figuras 1, 2, 3a e 3b, e 6) pode acelerar prótons de 0.01 à energia da partícula em repouso, preferencialmente entre uma energia inicial e final pré-definidas.

[035] A defasagem de tempo na trajetória recircular dos prótons de mais baixa e alta energia é corrigida com a introdução de uma região de campo magnético próximo a zero incorporado no interior dos magnetos. Esta alteração permite ampliar ou reduzir o tempo de recirculação, permitindo o sincronismo de fase (isocronismo) entre o movimento do próton e a frequência de oscilação do campo elétrico na cavidade de aceleração. Para tal, também a cavidade de aceleração tem que apresentar características especificas para atender ao isocronismo das partículas em aceleração. Este tipo de acelerador é bastante atrativo, pois permite agregar características bastante positivas dos Cíclotrons e dos Mícrotrons, inexistentes em um e no outro. A principal delas é a possibilidade de incorporar apenas uma cavidade de aceleração de geometria reduzida (presente nos Mícrotrons de elétrons), entretanto totalmente distinta das grandes cavidades triangulares dos Isocrônicos Cíclotrons (Scharf, 1993).

[036] A cavidade (3) atende a uma maior densidade de campo elétrico com a mesma potência de radiofrequência, e produz menores perdas por calor, pois devido à simetria cilíndrica ou esférica, as correntes produzidas são as essenciais para geração do campo elétrico, e as correntes estão na mesma direção da trajetória das partículas a serem aceleradas. Esta afirmação se confirma pela simetria radial da cavidade. Esta cavidade (3) tem dimensões longitudinal e transversal reduzidas, sendo separada dos magnetos (4). Esta cavidade (3) encontra-se separada dos magnetos (1 e 4) e apresenta alta densidade de campo elétrico, comparada com uma cavidade triangular de um isocrônico cíclotron, na mesma potência de alimentação. Sua geometria é constituída de um cilindro compacto (3) com aberturas de entrada e saída ao longo do seu eixo (17). Sua geometria é bastante distinta da dupla cavidade triangular dos Isocrônicos Cíclotrons.

[037] Outra vantagem relevante está na geometria dos magnetos (1) e (4). Estes magnetos podem possuir a forma de dois “Dês”, sendo separados (13) por uma distância “d”, o que permite introduzir dentro deste acelerador um conjunto de lentes quadrupolos em cada linha de trajeto das partículas iônicas, preferencialmente, prótons. Tais lentes quadrupolos não podem ser incorporadas nos Isocrônicos Cíclotrons de prótons; pois, devido ao movimento aspiral do feixe de partículas, estes não passam sempre por um único ponto. Nesta patente, duas lentes quadrupolos (8) podem ser incorporadas na entrada e saída da cavidade de aceleração (3), pois todas as partículas passam por este segmento que é uma reta tangente (17) comum a todas as trajetórias recirculares das partículas. Entre as vantagens, os magnetos estão espacialmente separados (13) da cavidade de aceleração (3), de modo a manter um campo magnético constante, não necessitando possuir regiões de “vales” e “montanhas”, necessários nos Isocrônicos Cíclotrons.

[038] A matéria tratada (Figuras 1, 2, 3a e 3b, e 6) corrige defasagens de tempo das trajetórias entre os íons devido a proximidade a um estado relativístico. Estas defasagens são computadas e convertidas em uma distância linear (dx = dt / v, onde dx é a soma das distâncias lineares que devem ser acrescidas ou decrescidas no percurso da partícula, dt é o tempo de atraso ou adiantamento necessário para preservar o tempo de percurso de recirculação da partícula constante; e, v é a velocidade cinética relativística da partícula na sua volta de recirculação. Esta distância é incorporada na geometria do magneto na forma de “Dê”, distorcendo a forma geométrica de meio-disco ou “Dê” tal que seja criada uma área geométrica não linear de forma radial, mantendo nesta área uma ausência de campo magnético.

[039] Considerando que, cada conjunto de partículas do feixe (5) com energia cinética específica necessita de uma correção de distância para atender ao sincronismo, é gerada uma função radial f (r(Er)), onde r é a posição radial deste conjunto de partículas, Er é a energia cinética relativística das partículas neste raio, e f (.) é a função que descreve a distância linear interna de distorção a ser aplicada ao raio r, isto é a trajetória da partícula de energia Er , sendo esta distância incorporada (10) em cada “Dê”. Cria-se então para cada raio r um afastamento (Figura 4). Este afastamento permite a correção do tempo de percurso da partícula, garantindo um isocronismo, isto é um sincronismo das partículas de diferentes velocidades cinéticas com a oscilação da cavidade de aceleração (3). Esta região de distorção interna onde o campo magnético é próximo à zero é chamada “gap”. Nesta região, a partícula tem trajetória linear devido ao campo magnético nulo. Como são dois “Dês”, esta alteração é feita de forma simétrica nos dois, dividindo o valor da função f (.) por 2. Este se inicia na posição (r, -r) e (r, +r) onde a origem é considerada no centro da cavidade de aceleração. A Figura 2 ilustra um exemplo da função f (r(Er))/2 para a posição (r,+r), onde Er inicia em 15 MeV e atinge 64 MeV. Este modelo gera uma peculiar forma geométrica para os “Dês”, que obedece especificamente aos valores da energia máxima e mínima presente dos prótons, isto é, Ermax e Ermin das partículas a serem aceleradas. A correção da defasagem de tempo presente no Isocrônico Cíclotron, por sua vez, é feita na cavidade de aceleração triangular e no magneto, alterando a forma deste, de forma azimutal (Humphries, 1986). No caso desta correção para a matéria tratada (Figuras 1, 2, 3a e 3b) isso não ocorre, pois a defasagem de tempo é incorporada unicamente na geometria dos “Dês”, preservando a cavidade de aceleração com dimensões reduzidas, alta densidade de potência, e possivelmente resonante.

[040] A matéria tratada (Figuras 1, 2, 3a e 3b) permite a caracterização de arranjos de aceleradores de prótons especificamente definidos para o domínio energético de Ermax e Ermin dos íons a serem acelerados, não relativísticas ou na interface relativística-não relativísticas. De forma aproximada, este domínio energético atinge 0,01% a próximo à energia da massa em repouso do íon a ser acelerado.

[041] No caso da matéria tratada (Figuras 1, 2, 3a e 3b), a frequência de oscilação do campo elétrico na cavidade de aceleração é definida como aquela cujo período T é igual à soma dos tempos que o próton gasta para percorrer na sua referente velocidade relativística as regiões da cavidade de aceleração (3), o magneto (4), a região (13) entre os “Dês” (oposta à cavidade de aceleração), e os gaps (10) introduzidos entre os “Dês”, cujo contorno segue a função f (.). O tempo Tt (tempo total), deve ser igual para todas as partículas de energia no intervalo Ermin e Ermax. Dessa forma, a frequência do campo elétrico é dada pelo inverso do tempo total que a partícula gasta em uma recirculação, que é constante para todas as partículas que atende ao intervalo energético Ermax e Ermin.

[042] A matéria tratada (Figuras 1, 2, 3a e 3b, e 6) é caracterizada por compreender meios de acelerar partículas iônicas, preferencialmente, positivas.

[043] A mudança de carga do íon apenas muda o sentido da direção do movimento do mesmo, devido ao fato da carga negativa mudar o sentido de movimento da partícula nos campos magnético, obedecendo a lei de Lorentz. Outros íons, por exemplo, de hélio, deutério, trítio, carbono ou íons com número atômico com valor maior do que a unidade também pode ser acelerados. Para cada partícula existirá um domínio definido pelo intervalo energético máximo e mínimo, uma frequência de oscilação de cavidade e uma função f (.) que atenda a material tratada.

[044] O dispositivo (Figura 1) pode ser aplicado em:i) radioterapia de íons pesados para tumores oculares, entre outros;ii) produção de radioisótopos, atendendo a reações nucleares especificas;iii) geração de nêutrons rápidos; e,iv) geração de imagens por prótons.

[045] A matéria tratada (Figuras 1, 2, 3a, 3b, e 6) pode ser mais bem compreendida através dos seguintes exemplos, não limitantes.Exemplo 1 - Acelerador de prótons de 15 a 64 MeV.

[046] Considere o acelerador (Figura 1) que tem a função de pós- acelerador, proposto com base nesta patente. Este recebe um feixe de prótons de 15 MeV de um outro acelerador, por exemplo um Isocrônico Cíclotron, de modo que o pós-acelerador continue a acelerar o feixe até 64 MeV. O pós-acelerador possui uma cavidade de aceleração (3) aterrada, composta por um cilindro de 20 cm contendo um tubo central oco (15), do tipo “drift tube” com 18 cm, alimentado diretamente por uma diferença de potencial elétrico senoidal de 200 kV, na frequência de 33,5MHz, tendo potencial oscilante. Além disso, existem dois magnetos (4) ou (1) na forma deformada, conforme apresentado na Figura 1 e Figura 3, com raio interno de 17 cm e raio externo de 55 cm. Estes magnetos (4) mantêm as trajetórias recirculares (5) dos prótons cujos raios variam entre 18 e 38 cm. Os magnetos são alimentados com duas bobinas (2) de dimensões transversais 50 x 50 cm, com corrente de 70 A, tendo 11000 voltas, produzindo um campo magnético de 3 Tesla.

[047] A Figura 2 ilustra um gráfico de uma região do gap (10) dentro do magneto, onde o campo magnético é nulo, em especial inserida no magneto (4) do lado direito. Esta região (10) é definida por contornos caracterizados por uma reta (11) e uma curva (9) que se interceptam, na posição (ri, ri) para o raio ri, onde raio para i=1 é característico do campo magnético definido para o magneto (4) referente à partícula de energia cinética inicial. A linha de base (11) representa o lugar geométrico dos pontos na forma (r, r) (lado direito) ou (r,-r) (lado esquerdo), indo até (rf, rf) onde rf é o raio característico do campo magnético do magneto referente a partícula de energia cinética final. A curva superior (9), representativa do contorno superior da região, é tomada como (r, r+f (r(Er)), calculada para a energia inicial até a final. O espaço entre (r, r) e (r, r+f (r(Er)) define a região (10) do magneto onde o campo magnético é próximo a zero. A linha de base (11) e a curva superior (9) define um domínio onde se deve manter um campo magnético nulo. Exemplo 2 - Cavidade de aceleração de forma de um único tubo “drift”.

[048] Neste exemplo, a cavidade de aceleração (3) aterrada foi ajustada para ter dimensões de 20 cm de comprimento e 10 cm de raio. Foi utilizado um tubo oco central de 16 cm de comprimento (tubo “drift”) (15). Foi aplicada uma diferença de potencial de 200 kV no tubo central, a partir da haste metálica de suporte (16). A freqüência da onda potencial aplicada foi de 33,5 MHz. O campo potencial e campo elétrico criado têm a mesma direção das partículas, conforme (17) na Figura 6.

Claims (11)

1. “Acelerador de prótons recircular e seus arranjos”, caracterizado por compreender: dois magnetos (4), separados,simétricos, espelhados, com seus respectivos polos magnéticos, deformados, na forma de semicírculo, uma região de separação dos semicírculos vazia (13), uma região de separação (10) com contornos (9) e (11) definidos por uma função f (.) e um segmento de base r; compondo uma região (10) inserida em cada semicírculo (4), cuja área interna apresente campo magnético nulo; pelo menos, um par de bobinas (2); uma cavidade de aceleração (3), de geometria cilíndrica e alimentada com radiofrequência constante de forma que o campo elétrico oscilante produzido na cavidade (3) está em sincronia com o período orbital (5) das partículas em aceleração, tendo (3) um tubo oco central (15), suportado por uma haste metálica (16); um conjunto de lentes quadrupolos (8), com bobinas de eletroímãs (18) suportada por base de metal ferromagnético (19), posicionadas na entrada e saída da cavidade de aceleração (3); pelo menos, uma blindagem externa (7); e, de modo que todas as partes (1 a 13) estão associadas umas com as outras; e, que produzem trajetórias (5) de partículas recirculares isocrônicas, contidas na região dos magnetos, na região tangente linear (17) na cavidade de aceleração (3).

2. “Acelerador de prótons recircular e seus arranjos”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos magnetos (1) ou (4) serem na forma de semicírculos separados, contendo uma região interna (10) com um campo magnético nulo; representado por contornos laterais, (9) e (11), cujo delineamento gerador obedece a uma função radial específica, f(.), e base r, que introduz um acréscimo de distância (10), entre f(.) e r, no percurso das partículas (5) que garante o isocronismo em cada uma das órbitas das partículas, independente da alteração da distância orbital (5) percorrida; sendo esta função f(.) dependente da energia inicial e final da partícula a ser acelerada; e, uma região (4) com campo magnético induzido por imas permanentes ou bobinas (2).

3. “Acelerador de prótons recircular e seus arranjos”, de acordo reivindicação 1, caracterizado pela cavidade de aceleração (3) ser posicionada na tangente comum das trajetórias das partículas em recirculação, no intervalo de separação entre os magnetos (5), tendo a forma cilíndrica (3) ou esférica.

4. “Acelerador de prótons recircular e seus arranjos”, de acordo com as reivindicações 1 e 3, caracterizado pela cavidade de aceleração (3) poder possuir uma ou múltiplas cavidades conectadas (3) em série, sendo alimentada por um gerador de radiofrequência do tipo Klystron ou Magnetron; ou ainda, constituída de um cilindro aterrado com um ou mais “drift tubes” (15), suportado por hastes (16), alimentada por uma diferença de potencial na frequência com período isocrômico requerido; quando (3) é empregada em conjunto com os magnetos (4).

5. “Acelerador de prótons recircular e seus arranjos”, de acordo reivindicações 1 a 3, caracterizado pela bobina (2), acoplada aos magnetos (1) e (4), e cavidade de aceleração (3) ser constituídos de material supercondutor; e pela blindagem externa (7) revestir todo o dispositivo podendo esta exercer a função de isolante de campo magnético, composta de metal cobre, ou alumínio, ou liga deste, não limitante, e blindagem de radiação ionizante, composto de chumbo, não limitante.

6. “Acelerador de prótons recircular e seus arranjos”, de acordo reivindicações 1 a 5, caracterizado por incorporar um conjunto de lentes quadrupolos (8) na entrada ou saída da cavidade de aceleração (3); ou no espaço (5) entre a separação dos magnetos (4), composto de uma base metálica ferromagnética (19) e com bobinas de eletroímãs (18).

7. “Acelerador de prótons recircular e seus arranjos”, de acordo reivindicações 1 a 6, caracterizado por compor arranjos de um ou mais aceleradores incorporados internamente um dentro do outro, aproveitando o espaço existente (15) cujo raio é definido pela energia mínima e o campo magnético pré-estabelecido.

8. “Acelerador de prótons recircular e seus arranjos”, de acordocom a reivindicação 1, caracterizado por acelerar íons, inclusive prótons, sendo o íon hidrogênio positivo ou negativo, ou íons de deutério, hélio ou carbono, não limitante a estes; com energias não relativísticas, ou na interface de relativísticos e não relativísticos.

9. “Acelerador de prótons recircular e seus arranjos”, caracterizado por ser empregado na produção de radioisótopos, ou na geração de feixes de íons prótons ou íons pesados para tratamento médico, ou na geração de nêutrons rápidos, ou na geração de imagens médicas.

10. “Acelerador de prótons recircular e seus arranjos”, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo tratamento médico ser a radioterapia de íons pesados para tumores oculares.

11. “Acelerador de prótons recircular e seus arranjos”, de acordo com as reivindicações 1 a 10, caracterizado por compreender meios de acelerar e recircular íons carregados, preferencialmente íons de hidrogênio.

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