Optimizing the radioisotope production of the novel AMIT superconducting weak focusing cyclotron

Resumen

Las técnicas de imagen nuclear se están convirtiendo en uno de los diagnósticos médicos más empleados para ciertas enfermedades como el cáncer y el Alzheimer. El incremento de estos procedimientos, en particular de la tomografía por emisión de positrones, está dando lugar a una saturación del actual sistema de producción de radioisótopos. Por ello, los aceleradores de partículas, en especial el ciclotrón, han surgido como una alternativa al sistema tradicional de suministro basado en la producción centralizada en reactores nucleares. Sus características desde el punto de vista físico y tecnológico permiten una producción controlada y localizada, especialmente relevante en el caso de radionucleidos de vida corta, a través de una tecnología bien conocida y desarrollada. El proyecto AMIT (Advanced Molecular Imaging Technologies) pretende ampliar el empleo de estos procedimientos médicos con el desarrollo de un nuevo ciclotrón compacto diseñado para la producción in-situ de radioisótopos de vida corta, concretamente 11C y 18F, en hospitales y centros de investigación. Con este objetivo, el ciclotrón se basa en una configuración clásica de enfoque débil con alto campo magnético proporcionado por un imán superconductor con un sistema autónomo de criogenia. Además, con el fin de contribuir a la reducción del tamaño total del acelerador, el ciclotrón emplea una fuente interna de iones H- con un sistema de extracción por desprendimiento de electrones proporcionando un haz final de protones. Esta tesis evalúa la exigente conjunción de todas las características técnicas del ciclotrón AMIT, dando lugar a un balance de la dinámica del haz con todos los subsistemas para lograr una óptima producción de radioisótopos. Con este fin, todos los procesos físicos asociados con la aceleración del haz desde la producción de iones y su inyección en el acelerador, hasta la extracción del haz resultante y su transporte hasta el blanco, son estudiados mediante análisis teóricos, mediciones experimentales y cálculos computacionales. Primeramente, se presentan los resultados experimentales obtenidos en las campañas de caracterización de la fuente de iones. La corriente final del haz, uno de los requisitos principales del acelerador, dependen en gran medida de la corriente inyectada en el acelerador. Por este motivo, el conocimiento relativo al funcionamiento de la fuente de iones y al haz resultante se han analizado en una instalación dedicada en el CIEMAT. La dinámica del haz ha sido analizada mediante simulaciones realizadas con el código OPAL (Object Oriented Parallel Accelerator Library). El estudio incluye todos los efectos relevantes desde el punto de vista de la física de aceleradores de partículas, con especial atención a aquellas características que permiten el ajuste preciso de la operación del ciclotrón y la optimización de la producción de radioisótopos bajo distintas condiciones. Para ello, se evalúan la regulación de los subsistemas dentro de las tolerancias de diseño y la posible modificación de alguno de ellos en su ensamblaje final, así como el impacto de ciertas variaciones significativas en los parámetros de operación, tales como el campo magnético, el sistema de radiofrecuencia, la brecha de aceleración o el sistema de extracción. Asimismo, un factor de gran relevancia en un ciclotrón compacto de H- con fuente de iones interna como AMIT es la interacción del haz con el gas residual y el campo electromagnético. Por ello, se presenta la implementación computacional de dichos procesos físicos dentro del código OPAL así como su aplicación en el ciclotrón AMIT con el fin de minimizar las pérdidas de haz y optimizar la corriente final del haz con el control de las condiciones de vacío en el acelerador. Todos estos estudios permiten aunar los distintos elementos del ciclotrón con la dinámica del haz para una óptima y eficiente producción de radioisótopos, esencial para la optimización de operación del ciclotrón.