Development of a Novel Concept of Efficient Superconducting Magnet for Radioisotope Production Cyclotron

Abstract

El uso de radioisótopos en la actualidad está ampliamente extendido en diferentes campos, abarcando desde la ciencia de materiales o la industria hasta la medicina nuclear. Los radioisótopos que se pueden encontrar en la naturaleza no pueden ser empleados de forma práctica en medicina nuclear y por tanto éstos deben ser producidos artificialmente El propósito de esta tesis es el de establecer un procedimiento para el desarrollo de imanes superconductores compactos adecuados para la producción de radiofármacos. Por otro lado, el proyecto AMIT supuso un marco excepcional para llevarlo a cabo, por lo que además de desarrollar una argumentación general y exhaustiva basado en todas alternativas tecnológicamente viables, ésta se concreta en decisiones e innovaciones a medida para las especificaciones reales de un proyecto nacional. En la tesis se justifica un ciclotrón como el acelerador más adecuado para este propósito dadas las especificaciones. El autor de esta tesis plantea cada uno de los pasos a considerar en el diseño de un imán superconductor compacto y eficiente, analizando las alternativas existentes en el estado de la tecnología actual junto a su potencial de innovación, justificando y detallando las soluciones o innovaciones concretas para el caso particular de las especificaciones del proyecto AMIT. De esta forma va avanzando en cada uno de los apartados tradicionalmente empleados en estos dispositivos: diseño conceptual, electromagnético, mecánico e ingeniería. Procedimientos bien establecidos en la literatura serán de aplicación general, empleando herramientas analíticas, numéricas o cálculos con software comercial según cada caso. Por otro lado, en algunos casos particulares donde se justifique, serán propuestos procedimientos y/o métodos innovadores o desarrollados a medida. Algunos ejemplos son el concepto de refrigeración interna y el circuito criogénico híbrido, claves para optimizar el tamaño del sistema, y el sistema de soportes y alineamiento, claves para su eficiencia optimizada. Finalmente se exponen y analizan los resultados obtenidos de forma objetiva, clasificados de nuevo en resultados electromagnéticos y mecánicos (fundamentalmente térmicos). Se incluye también la validación experimental del modo de enfriamiento escogido: flujo interno forzado de helio bifásico en un pequeño cañal mecanizado en el interior del soporte de las bobinas. El capítulo de conclusiones incluye una valoración de los posibles pasos a seguir desarrollando o mejorando este prototipo y una valoración, fundada tanto en el análisis previo como en los resultados obtenidos, de las posibles mejoras que podrían incorporarse en una hipotética segunda versión del imán o en otros equipos similares. Finalmente, se esbozan algunas posibles aplicaciones en las que un procedimiento como el detallado en esta tesis podría ser fácilmente adaptado y potencialmente interesante para optimizar el tamaño o la eficiencia de los dispositivos actualmente empleados en dichas aplicaciones.

Radioisotopes are nowadays extensively used in several applications, including material science, industry or nuclear medicine. Radioisotopes found in nature are typically not suitable for the nuclear medicine and therefore radioisotopes of medical interest must be artificially produced. The purpose of this thesis is to establish a method for the development of compact superconducting magnets suitable for the production of radiopharmaceuticals. On the other hand, the AMIT project was an exceptional framework to carry it out, so in addition to developing a general and exhaustive procedure based on all technologically viable alternatives, it is concretized in decisions and innovations tailored to the actual specifications of a national project. In this Thesis, a cyclotron is the preferred accelerator machine given the expected specifications. This Thesis describes each of the steps to consider in the design of a compact superconducting magnet, analyzing the existing alternatives in the state of the art and their potential improvements. Later on, the final decision based on the particular case of the AMIT project specifications is explained. The proposed accelerator is a classical cyclotron (Chapter 1). This Thesis follows the classical route for the development of these devices: conceptual (Chapter 2), electromagnetic (Chapter 3), mechanical (Chapter 4) and engineering (Chapter 5) designs. Procedures well-established in the literature will be of general application, using analytical or numerical tools according to each case. On the other hand, there are some particular cases where innovative or custom-made procedures and /or tools will be proposed as the core of the contributions from the Author, mainly in Chapters 4 and 5. Some examples are the validation of the two-phase Helium cooling of the coils and the hybrid cryogenic circuit, which are critical to minimize the size, or the support and alignment system which is critical for optimized efficiency and size. Finally, the results are exposed, classified in terms of electromagnetic and mechanic performance. The results of the validation tests for the innovative cryogenic cooling concept proposed: Two-phase internal forced flow of Helium in intimate contact with the cyclotron coils. This Thesis includes an assessment of the possible steps to continue improving this prototype, based on the previous analysis and the results obtained. Additional dissertation is included about the possible improvements that could be incorporated in a second version of this prototype or similar equipment. Finally, some applications are outlined: The procedure proposed in this Thesis could be used to potentially improve the size or the efficiency of the devices currently used for them.