Generadores Y Amplificadores

Estudio del Klystron Reflex

Historia

Los primeros dispositivos basados en tubos de vacío para la utilización con microondas se remontan a principios del siglo XIX cuando, en 1906, Lee de Forest inventó el tríodo. No obstante, intentar emplear en microondas un tubo de vacío convencional basado en un tríodo es una operación muy limitada, ya que éste no soporta frecuencias excesivamente altas.

Con posterioridad, fueron inventados otros dispositivos basados en tubos de vacío, como el magnetrón en 1924, cuya utilización práctica tuvo mucha repercusión en la Segunda Guerra Mundial. El magnetrón pertenecía a la familia de los tubos de vacío de campo transversal, donde la energía potencial de los electrones se transformaba en energía electromagnética.

Otros dispositivos como el oscilador Heil (1935) o el amplificador Klystron (hermanos Varian, 1939) estaban basados en tubos de haz lineal (linear-beam), donde lo que se transformaba en energía electromagnética era la energía cinética de los electrones.

Más adelante, como evolución de los tubos de haz lineal, R. Kompfner inventó en 1944 el tubo de onda viajera (‘’Travelling Wave Tube’’, TWT) . A comienzos de 1950 la potencia de salida de los tubos de haz lineal superó finalmente a la potencia de dispositivos como el magnetrón.

En un tubo de haz lineal un campo magnético interacciona con el haz de electrones emitidos por un emisor. Además, los electrones reciben energía potencial por medio de una diferencia de potencial (voltaje) y esta energía es convertida en energía cinética. La diferencia de potencial aplicada es cambiante, así que los electrones son acelerados o desacelerados, lo que produce aglomeraciones de electrones. Estos cúmulos de electrones viajan posteriormente por el tubo y finalmente inducen una corriente en la estructura de salida.

* El klystron (cuyo nombre proviene del griego y significa oleaje de electrones) es un amplificador de potencia de alta frecuencia, es decir, recibe a la entrada ondas electromagnéticas de alta frecuencia (microondas) y baja potencia (400 W) y da a la salida microondas de alta potencia (7 MW). El cañón produce electrones y los acelera antes de introducirlos en la guía aceleradora.

Fig Nº 3. Cañón de electrones

En el cátodo se producen electrones por el calentamiento (efecto termoiónico) que son acelerados hacia el ánodo. Mediante la rejilla se consigue variar la corriente de una manera rápida y precisa.

La guía aceleradora está dividida en cavidades de resonancia. El campo eléctrico oscila en cada cavidad con la frecuencia de las microondas producidas por el klystron. Los electrones son inyectados formando pequeños paquetes en fase, es decir, encuentran en cada cavidad el campo a favor, de forma que van siendo acelerados a lo largo de la guía. Es necesario que exista un alto vacío en el interior de la guía, así que es necesario el funcionamiento continuo de bombas de extracción física e iónica.

Fig 4: Cabezal de un acelerador de electrones

* La guía y el cabezal están blindados con plomo para reducir la radiación de fuga. A la salida de los electrones del electroimán de curvatura se encuentra el blanco retráctil para la producción de rayos X. Más adelante está la lámina dispersora y el filtro aplanador montados sobre un carrusel que permite situar una u otro según se tenga un haz de electrones o de fotones. A continuación se encuentra la cámara de ionización monitora que muestra la salida permitiendo estabilizar el haz. Por último se encuentra los colimadores y los dispositivos ópticos de distancia y simulación de campo.

El blanco de wolframio se retrae, de manera que los electrones salen sin impedimento de la guía. El carrusel se coloca de forma que la lámina dispersora quede en el camino del haz.

* Los colimadores secundarios se colocan en una posición fija que depende de la energía y del aplicador elegido. Para la producción de fotones los electrones chocan con el blanco produciéndose un haz de rayos X, dicho haz presenta un pronunciado pico en la dirección de los electrones incidentes. Para transformarlo en un haz útil se utiliza un filtro aplanador. Los colimadores secundarios se pueden mover a voluntad para conformar el campo requerido.

Fig 5. Acelerador Lineal de Electrones de uso clínico

Fig 6. Coordinador de Movimiento de la mesa

Fig 7. Guía Aceleradora de un acelerador lineal

* El blanco (para fotones) y/o hojas dispersantes (para electrones) ; están hechas de platino para bajas energías y de cobre para energías mayores a fin de minimizar la producción de neutrones y generar mayormente reacciones fotonucleares. Para el modo de tratamiento con electrones, el blanco se mueve horizontalmente y las hojas dispersoras toman el lugar del blanco. Un interruptor ubicado en el soporte del blanco detecta la posición correcta de las hojas, habilitando la terapia de haces de electrones.

Fig. 8. Hojas Dispersantes

* Filtro aplanador; son cónicos y están hechos de plomo, para bajas energías, y de

tungsteno, para energías altas. Su función es mejorar la distribución de dosis en el paciente homogeneizando la radiación X que emerge del blanco en el modo de fotones.

Fig. 9: Filtro Aplanador

Fig. 10. Efecto del Filtro Aplanador

* Para conseguir rayos X de alta energía (mayor que 6 MV) son necesarias guías de 1 o 2 metros de longitud por lo que para conseguir una máquina isocéntrica es necesario girar el haz 90o (o 270o) antes de enviarlo a la ventana de salida. Esto hace que el cabezal aumente de tamaño, con lo que se aumenta la altura del isocentro desde el suelo.

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