CAMPO DE LA TÉCNICA:

Las fuentes de rayos X tradicionales emiten rayos de energía en el rango 50- 150 keV (rayos X blandos). En dichas fuentes los electrones son acelerados por un campo eléctrico estacionario hasta impactar con un blanco termo-resistente, comúnmente molibdeno. Estas fuentes de rayos X requieren de fuentes de alimentación de alto voltaje, las cuales son voluminosas y pesadas.

En 1990 H. R. Gardner, T. Ohkawa, A. M. Howald, A. W. Leonard, L.S. Peranich and J.R. D'Aoust (Rev. Sci. Instruments, 61 (2), February 1990, Págs. 724-727) propusieron utilizar un acelerador cíclico de electrones como fuente de rayos X compacto. En esta propuesta, un flujo de electrones inyectado desde un filamento en el centro de una cavidad resonante vacía se acelera en el plano medio de la cavidad por un campo de microondas en condiciones de resonancia ciclotrónica electrónica (ECR) hasta alcanzar una energía de 150 keV y posteriormente impacta sobre un blanco de molibdeno, lo cual produce radiación de rayos X. Aunque esta fuente ventajosamente evita el uso de un alto voltaje de alimentación, no es una herramienta realizable para el uso rutinario en la industria, la medicina y en la agricultura porque la corriente utilizada es solo de 0.1 nA y por consiguiente la intensidad de los rayos X emitidos es demasiado débil. Para aumentar la intensidad de los rayos X emitidos se deben utilizar corrientes más intensas, con lo cual es necesario aumentar el radio del filamento; sin embargo esta modificación es inconveniente porque perturba el campo de microondas pues el filamento se fabrica de un metal, tungsteno ó molibdeno.

La publicación internacional WO 9317446 divulga una fuente de rayos X compacta que produce los rayos mediante el calentamiento de un plasma en condiciones ECR, formando un anillo rotativo plásmico en el plano medio de la fuente. Los electrones energéticos de anillo bombardean iones y átomos pesados para crear una emisión de rayos X. Esta fuente consume energía no sólo para calentar los electrones sino también para mantener la descarga en la cavidad. Por otra parte, los electrones del anillo solo constituyen una pequeña fracción de los electrones del plasma y no se aceleran directamente por el campo de microondas sino a través de los efectos colectivos, los cuales son mucho menos efectivos que la aceleración directa; por consiguiente, desde el punto de vista de consumo energético, esta fuente es menos efectiva que las fuentes tradicionales. Además, los electrones que colisionan no son monoenergéticos, lo cual produce un espectro de rayos X disperso.

La publicación Review of Scientific Instruments, 71 No. 2, (2000) 1203- 1205 estudia teóricamente la aceleración de electrones en condiciones ECR en una cavidad resonante rectangular modo TEioi afectada por un campo magnético DC homogéneo orientado transversalmente a la cavidad, a partir de la cual diseñan y construyen una fuente de rayos X en donde los electrones son acelerados en órbitas espirales en el plano medio longitudinal de la cavidad y luego impactan un blanco de molibdeno para producir rayos X. Uno de los inconvenientes de dicha fuente es que en la práctica es muy difícil obtener perfiles del campo magnético en el plano del movimiento que permitan el automantenimiento de las condiciones ECR, razón por la cual utilizan un campo magnético uniforme. Existen otros mecanismos de aceleración de electrones con aplicación en la generación de rayos X como el descrito en la patente US 6617810, la cual presenta un acelerador de múltiples cavidades con un campo magnético estático constante o decreciendo ligeramente a lo largo de las cavidades, que utiliza tubos de deriva y que operan a bajas frecuencias, menores que la frecuencia ciclotrónica relativista local del haz en cada cavidad; lo cual constituye un sistema acelerador eficiente y compacto. Este dispositivo proporciona tasas de aceleración del orden de 20 MeV/m pero necesita generadores de microondas de alta potencia (10 MW en la primera cavidad y 7.7 MW en la segunda).

La patente US 7206379 divulga una cavidad de radio frecuencia (RF) con la cual se aceleran electrones para formar imágenes tales como producidas por tubos de rayos X y tomografía computarizada (CT), donde los electrones se aceleran en el plano transversal de la cavidad (o guía de onda) cuando pulsos de electrones se inyectan a través de un extremo de la cavidad durante semiciclos del campo RF. Los electrones acelerados en la cavidad se usan para generar rayos X por la interacción con un blanco sólido o líquido. Uno de los principales factores que afecta la energía con la cual impactan los electrones es la incertidumbre en la fase de la onda electromagnética en el instante en que el electrón abandona el emisor.

En las fuentes de rayos X tradicionales el máximo voltaje aplicado, el cual determina la máxima energía de rayos X, no supera 200 kV por razones de aislamientos eléctricos; mientras que las fuentes basadas en ECR descritas en las patentes y la bibliografía son poco aplicables en la práctica y por esta razón no se fabrican industrialmente.

Las publicaciones IEEE Transaction on Plasma Science, 38 No. 10, (2010) 2980- 2984; Physical Review, ST Acceleration and Beams, 12 (2009) 0413011 - 0413018 y Physical Review, ST Acceleration and Beams, 11 (2008) 0413021 - 0413027 estudian teóricamente la aceleración autoresonante de electrones que se propagan a lo largo de un campo magnético estático y no homogéneo que varía en la dirección de propagación de los electrones utilizando microondas de modos cilindricos TEl lp (p=l,2,3,...). A pesar de estudiar teóricamente la aceleración, no se concentran en la producción de rayos X; lo cual requiere la utilización de componentes adicionales como: sistema de acople para la inyección de energía de microondas, sistema de ventanas para mantener el vacío en la cavidad, sistema de protección del generador de microondas contra las microondas reflejadas, sistema que garantiza el modo TEl lp de polarización circular en la cavidad, blanco con canales de refrigeración y su posicionamiento, así como de una ventana para la extracción de rayos X. De igual forma, también se pueden considerar como parte del campo de la técnica las fuentes de radiación ciclotrónica, ya que en una modalidad alternativa de la presente invención se puede alcanzar dicho dispositivo.

BREVE DESCRIPCIÓN DEL INVENTO:

Como se mencionó anteriormente: (i) los rayos X emitidos por la fuente propuesta por H. R. Gardner e investigadores son de baja intensidad y poca energía; (ii) la fuente de la publicación internacional WO 9317446 no es muy eficiente energéticamente y el espectro de rayos X es disperso; (iii) La fuente de la publicación Review of Scientific Instruments, 71 No. 2, (2000) 1203- 1205 que utiliza una cavidad rectangular solo opera en el modo TEioi y no puede mantener las condiciones ECR; (iv) el acelerador de electrones de múltiples cavidades de la patente US 6617810 es voluminoso y (v) la eficiencia de la fuente de la patente US 7206379 es afectada por la incertidumbre de la fase de la onda electromagnética.

La fuente de rayos X de la presente invención presenta algunas características que evitan tales deficiencias puesto que: (i) se pueden acelerar haces de electrones hasta energías del orden de 300 keV incluso con corrientes de 0.1 A. Estos valores de energía y corriente son suficientes para producir rayos X con energías mayores que 200 keV (rayos X duros) y de mayor intensidad. Adicionalmente, el cañón de electrones empleado se encuentra acoplado en un extremo de la cavidad resonante y no dentro de ella, razón por la cual no perturba el campo de microondas; (ii) Es eficiente energéticamente porque los electrones se aceleran de manera directa por el campo de microondas; (iii) es posible el mantenimiento de las condiciones ECR a lo largo del movimiento tridimensional helicoidal de los electrones inyectados a lo largo de la cavidad mediante la aplicación de un campo magnético DC no homogéneo a lo largo de su eje. La cavidad puede ser cilindrica, elíptica o rectangular; (iv) la fuente es de tamaño reducido porque utiliza una sola cavidad y (v) la fase inicial de la onda no afecta la efectividad de la aceleración.

Basada en el esquema de aceleración de autoresonancia ciclotrónica electrónica mencionado en las publicaciones IEEE Transaction on Plasma Science, 38 No. 10, (2010) 2980-2984; Physical Review, ST Acceleration and Beams, 12 (2009) 0413011 - 0413018 y Physical Review, ST Acceleration and Beams, 11 (2008) 0413021 - 0413027, es decir en el automantenimiento de las condiciones de resonancia ciclotrónica electrónica, la presente invención divulga un dispositivo compacto capaz de producir rayos X duros de energía mayores que 200 keV, de no menor intensidad que las fuentes de rayos X tradicionales. En la fuente propuesta, los electrones inyectados por un extremo de una cavidad resonante metálica cilindrica sometida al vacío se aceleran por microondas de un modo TEn _p (p=l,2,3.. .) de polarización lineal o circular. Sin embargo, la sección transversal de la cavidad también puede ser elíptica, excitada con el modo TE _d ip (P=l,2,3, .. . ), e incluso rectangular excitada con cualquier modo TEio _p ; donde p= 1,2,3....

Para mantener el régimen de autoresonancia a lo largo de las trayectorias helicoidales de electrones dentro de la cavidad, se genera un campo magnético estático no homogéneo cuya intensidad se aumenta principalmente en la dirección de propagación de los electrones con un perfil que depende de la energía de inyección del haz y la amplitud del campo de microondas. El haz de electrones se acelera de manera ciclotrónica autoresonante desde su inyección en la cavidad hasta que impacte sobre un blanco. La trayectoria del haz es helicoidal y su aceleración se produce en condiciones de autoresonancia. Por lo anterior, la efectividad de la utilización de la potencia de microondas es la máxima posible. Para una frecuencia dada, cuanto mayor es el subíndice p, mayor energía puede ser transferida a los electrones.

En una modalidad alternativa de la fuente de rayos X se utiliza una cavidad resonante de forma rectangular, la cual es excitada con un modo de microondas TEio _p . En este caso las características generales de la fuente de rayos X mencionadas arriba son las mismas, siendo necesario solamente realizar modificaciones relacionadas con la forma de excitar dicho modo.

En otra modalidad alternativa, se considera la posibilidad de utilizar la presente invención como una fuente de radiación ciclotrónica, utilizando la cavidad cilindrica 1 preferiblemente, pero realizando unas modificaciones estructurales a la misma para alcanzar tal fin. Dicho sistema permite aumentar significativamente la energía del haz electrónico mediante la compensación de la fuerza diamagnética por un campo electrostático axialmente simétrico. El campo electrostático longitudinal se genera por electrodos tipo anillo colocados dentro de la cavidad, preferiblemente en los planos de los nodos del campo eléctrico TEn _p . Los electrodos deben ser fabricados de un material transparente al campo de microondas, por ejemplo de grafito. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS:

Para un mayor entendimiento de esta invención, se incluyen las siguientes figuras a modo de ejemplo. Fig. 1 Modalidad preferida de la fuente de rayos X.

Fig. 2 Vista frontal del acoplamiento para la excitación del modo TEn ₂ con polarización circular.

Fig. 3 Blanco metálico con canales de refrigeración.

Fig. 4 Vista frontal del haz de electrones.

Fig. 5 Descripción del campo magnético externo: (a) sistema de anillos magnéticos y líneas de campo magnético; b) perfil del campo magnético a lo largo del eje de la cavidad de la presente invención.

Fig. 6 Vista lateral del haz de electrones.

Fig. 7 Modalidad alternativa de la fuente de rayos X.

Fig. 8 Vista superior de la modalidad alternativa de la fuente de rayos X (no se muestran las fuentes de campo magnético).

Fig. 9 Blanco metálico y ventana pata la extracción de rayos X en la modalidad alternativa de la fuente de rayos X.

Fig. 10 Vista Longitudinal del sistema Cavidad-Electrodos en la modalidad preferida de la fuente de radiación Ciclotrónica.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL INVENTO:

En las Figs. 1 y 2, se muestran los componentes básicos de la modalidad preferida de la fuente de rayos X compacto. Refiriéndonos a la Fig. 1, la cavidad resonante de microondas 1 se encuentra acoplada con un cañón de electrones 10, un blanco 1 1 sobre el cual impactan los electrones, una ventana de metal ligero 12 y un sistema de excitación de microondas. La cavidad 1 se encuentra afectada por un campo magnético producido por tres fuentes de campo magnético 13' , 13" y 13"'.

La cavidad 1 es de forma cilindrica y hecha de metal, preferiblemente de cobre para disminuir pérdidas por calentamiento de las paredes de la misma. La cavidad 1 resuena, en el caso de la modalidad preferida, en el modo cilindrico TEn ₂ , y su longitud y diámetro son 21 cm y 9 cm, respectivamente, dimensiones que maximizan la intensidad de campo eléctrico dentro de la misma. Dichos valores deben tener una relación descrita a través de la siguiente expresión, d=p[(2f/c) -(1.841/nr) ] ^~ , donde: p=2 (Para el modo TE112), infrecuencia del magnetrón, c=3>< 10 ⁸ m/s y r=(diámetro de la cavidad)/2 . En la práctica, una de las ventajas de usar una sola cavidad resonante es que permite reducir el tamaño del dispositivo. En la modalidad preferida se considera una cavidad cilindrica; sin embargo, la sección transversal de la cavidad puede ser elíptica, excitada con el modo TE _c n _P (P=l,2,3,...).

El cañón de electrones 10, basado preferiblemente en un emisor de electrones de tierras raras, preferiblemente del tipo LaB ₆ , se encuentra acoplado a uno de los extremos de la cavidad 1. El cañón 10 inyecta un haz de electrones cuasimonoenergético a lo largo del eje de simetría de la cavidad 1 con una energía del orden de 10 keV.

El blanco 1 1 de metal no magnético, termo resistente y resistente a la fisuración, preferiblemente de molibdeno, cuenta con un canal interno utilizado para su enfriamiento mediante circulación de agua (como el canal de refrigeración de la Fig. 3) ó mediante aristas de enfriamiento con ventilador.

La ventana de metal ligero 12, preferiblemente berilio, debe garantizar el paso de los rayos X emitidos por el impacto de los electrones con el blanco metálico 1 1 sin amortiguamiento; es decir, debe ser transparente para estos rayos.

Las tres fuentes de campo magnético 13', 13" y 13 "' producen un campo magnético axialmente simétrico, estático y no homogéneo, creciente a lo largo de la cavidad, el cual en la modalidad preferida es creado por un sistema de imanes magnéticos permanentes, preferiblemente de ferromagnéticos SmCOs ó FeNdB de forma de anillo. La magnetización, dimensiones y espaciamiento del sistema de imanes se eligen de tal modo que, preferiblemente: (i) la intensidad de campo magnético en el punto de inyección de los electrones es igual al valor correspondiente de la resonancia ciclotrónica clásica, por ejemplo de 875 Gauss con microondas de 2.45 GHz y (ii) la intensidad de campo magnético se incremente apropiadamente a lo largo del eje de la cavidad 1 para mantener la ECR mediante la compensación del efecto relativista del aumento de la masa.

En la Fig. 2 se puede ver que el sistema de excitación de microondas cuenta con dos guías de onda 2 y 3 acopladas a la cavidad 1, dos ventanas de cerámica 4 y 5, una guía de onda de acople 6, dos aislantes de ferrita 7 y 8 y un generador de microondas 9. La potencia de microondas es inyectada en la cavidad 1 a través de las ventanas 4 y 5, preferiblemente de cerámica SÍ2O ₃ , mediante las guías de onda 2 y 3, separadas acimutalmente 90° y acopladas a la cavidad 1 en un plano que se encuentra a una distancia de un cuarto de la longitud de la cavidad 1, d/4, distancia medida desde el extremo en donde se encuentra acoplado el cañón de electrones 10. Las guías de onda 2 y 3 suministran energía de microondas de modo TE ₁₀ desde un generador de microondas 9, el cual puede ser un magnetrón de 2.45 GHz (el magnetrón cuenta con un sistema de alimentación), por medio de una guía de onda de acople 6. Los dos caminos utilizados para la inyección de microondas tienen longitudes L y Ε+λ/4, donde λ es la longitud de onda del modo TE1 ₀ , lo cual produce un desfase de π/2 para excitar la onda TE112 con polarización circular derecha en la cavidad 1. A su vez, el generador de microondas 9 se encuentra acoplado a una guía de onda de acople 6, la cual se encuentra acoplada en cada uno de sus extremos con aislantes de ferrita 7 y 8 utilizados para proteger el generador de microondas 9, que en la modalidad preferida es un magnetrón, de la potencia reflejada. Los aislantes de ferrita 7 y 8 están conectados a las guías de onda 2 y 3, respectivamente. Las ventanas de cerámica 4 y 5, incorporadas en la parte interior de las guías de ondas 2 y 3, son transparentes a las microondas y sirven para mantener el vacío en la cavidad 1, la cual ha sido sellada herméticamente después de haber obtenido el vacío en ella.

Para poner en marcha la fuente de rayos X, se enciende el generador de microondas 9 y el cañón de electrones 10. El generador 9 trasmite la energía de microondas a una frecuencia de 2.45 GHz a la cavidad resonante 1 a través de las guías de onda 2 y 3. Debido a la ubicación y a la magnetización de las fuentes de campo magnético 13', 13" y 13' ", que en el caso de la modalidad preferida son tres imanes en forma de anillo, se crea una región en la cual la frecuencia ciclotrónica electrónica permanece casi constante dentro de la cavidad 1. La energía de microondas en la cavidad 1 acelera los electrones por ECR a lo largo de sus trayectorias helicoidales 14 (FIGS. 4 y 6) hasta impactar con el blanco metálico 1 1, produciendo de este modo rayos X, los cuales atraviesan la ventana 12. La amplitud del campo eléctrico de microondas TEn ₂ de 7 kV/cm polarizado circularmente garantiza la producción de rayos X con energía del orden de 250 keV. En general, cavidades cilindricas que resuenen en los modos TEn _p (p=l,2,3,...) pueden ser utilizadas.

En la Fig. 5a se puede ver una gráfica ilustrando el campo magnético creciente a lo largo de la cavidad constituida por las fuentes de campo magnético 13', 13", 13"', con una ilustración de las líneas de campo que producen en la región de interés. Como se muestra a partir de la separación entre las líneas de campo magnético, este se incrementa (no monótonamente) a medida que los electrones se mueven desde la posición del cañón de electrones 10 en dirección hacia el blanco 1 1. La Fig. 5b muestra un ejemplo del perfil longitudinal del campo magnético ajustado para el modo de microondas TE ¡¡2 de la modalidad preferida. Se puede apreciar un mínimo local 15 del campo magnético en la segunda mitad de la cavidad.

Como se muestra en la Fig. 6, los electrones detienen su movimiento longitudinal en una posición ubicada entre el mínimo local 15 (ver Fig. 5b) y el extremo posterior de la cavidad 1, lo cual determina la posición del blanco 1 1. En dicha posición los electrones han incrementado sus radios de rotación, posibilitando el choque con el blanco 1 1. Los electrones que logran avanzar más allá del plano donde se ubica el blanco se reflejan por el campo magnetostático que crece en el espacio detrás de este, teniendo otra posibilidad de impactar en su movimiento de vuelta. En la Fig.4 también se puede ver que la longitud de penetración del blanco 1 1 dentro de la cavidad 1 se define a partir del radio de Larmor promedio de los electrones en esta posición.

En una modalidad alternativa de la fuente de rayos X se modifica la forma geométrica de la cavidad resonante 1, el modo de microondas excitado en la cavidad y el mecanismo de excitación, como se describe a continuación: En las Figs. 7-9, se muestran los componentes básicos de la modalidad alternativa de la fuente inventiva. Una cavidad resonante 1 rectangular de microondas que se encuentra al vacío y resuena en un modo TE ₁₀ p (P=l,2,3..), una guía de onda 2 que se encuentran acoplada a la cavidad 1 mediante un iris o ventana resonante 22, un generador de microondas 9 conectado a la guía de onda de acople 6 la cual se encuentra acoplada a las guía de onda 2 a través del aislante de ferrita 7, tres fuentes de campo magnético 13', 13" y 13" ', un cañón de electrones 10 que se encuentra acoplado a un extremo de la cavidad 1 rectangular, y un blanco 1 1 acoplado a la cavidad 1 sobre el cual impactan los electrones. Las posiciones de los imanes permanentes de la fuente de campo magnético 13', 13", 13"' mostradas en la Fig.7 corresponden al caso en el cual un modo TE1 ₀ 2 es excitado en la cavidad 1 rectangular. En la Fig.9 se representan las dimensiones de la cavidad a=7.74 cm, b=3.87 cm y d=20 cm. Las dimensiones deben cumplir la relación descrita a través de la expresión d=p[(2f/c) ² -(l/a) ² ], donde f - frecuencia del magnetrón y e - velocidad de la luz en el vacío. El parámetro b es aleatorio.

La cavidad 1 rectangular es sellada herméticamente después de haber obtenido el vacío en ella. La potencia de microondas es inyectada en la cavidad 1 rectangular a través del iris 22, suministrada a través de la guía de onda 2 mediante un modo TE1 ₀ desde un generador de microondas 9 ubicado a λ/4 del extremo de la guía de onda de acople 6, donde λ es la longitud de onda del modo TE1 ₀ . En la cavidad 1 rectangular es excitado un modo TEiop (p=l,2,3...). La ventana 4 de cerámica es transparente a las microondas y sirve para mantener el vacío en la cavidad. El generador de microondas 9, preferiblemente un magnetrón, es protegido de la potencia de microondas reflejada por medio de un aislante de ferrita 7. La guía de onda 2 mediante la cual se cambia la dirección de propagación del modo TE1 ₀ es incluida con el fin de evitar un eventual impacto del haz de electrones con la ventana de cerámica 4 en el instante en que se enciende la fuente de rayos X, lo cual podría suceder si la guía de ondas 6 estuviera alineada con la cavidad 1. Una vez la fuente de rayos X se pone en funcionamiento los electrones impactan el blanco 1 1 y extraídos a través de la ventana 12 hecha de un metal ligero preferiblemente berilio.

En otra modalidad alternativa se puede considerar la presente invención como una fuente de radiación ciclotrónica realizando algunas modificaciones a la cavidad. Para tal fin, se debe omitir el blanco 1 1 sobre el cual impactan los electrones, y considerar una ventana, en una dirección tangencial a la trayectoria circular de los electrones en el plano en el que se detienen su movimiento longitudinal, que acople la cavidad resonante 1 a una cámara de procesamiento de muestra al vacío. Un sistema de electrodos 23, los cuales son fabricados de una material transparente a las microondas preferiblemente grafito, es adaptado a la cavidad preferiblemente en los planos de los nodos del campo eléctrico TEn _P como se muestra en la Fig. 10 para el modo TE11 ₃ . El radio interno de los electrodos 23 obviamente debe ser mayor que el radio de rotación de los electrones. Las capas aislantes 24 permiten someter a potenciales eléctricos diferentes cada sección de la cavidad 1. El potencial eléctrico a lo largo del eje de simetría de la cavidad, creciente y no monótono, tiene asociado un campo electrostático axialmente simétrico que se opone al efecto de la fuerza diamagnética que permite a los electrones del haz moverse a lo largo de la cavidad, controlando de este modo el plano donde los electrones detienen su movimiento longitudinal.

En esta modalidad alternativa, el resto de los elementos de la fuente permanecerían iguales.