ES2907953T3 - Un túnel y un aparato para enfocar haces de partículas cargadas - Google Patents

Abstract

Un aparato (1000) para su uso en el tratamiento con partículas cargadas, que comprende: un dispositivo de flexión (20) configurado para recibir haces de partículas cargadas y; un túnel (100) para enfocar haces de partículas cargadas que tienen diferentes proporciones de momento con respecto a carga a un punto sustancialmente común, comprendiendo el túnel: al menos un imán toroidal (10) que tiene un diámetro interior central (5), extendiéndose un eje principal del imán toroidal a lo largo del diámetro interior central, en el que el dispositivo de flexión está configurado para dirigir haces de partículas cargadas hacia el túnel dependiente de las proporciones de momento con respecto a carga de los haces; en el que el imán toroidal está configurado para recibir los haces (30) de partículas cargadas en diferentes localizaciones radiales dependientes de la proporción de momento con respecto a carga del haz; en el que el imán toroidal comprende una pluralidad de bobinas sustancialmente planas discretas (1) espaciadas y que se extienden radialmente desde el eje principal y configuradas para producir un campo magnético de modo que, en uso, un primer haz de partículas cargadas que tiene una componente de movimiento a lo largo del eje principal y que entra en el túnel en una primera localización radial, se dirige hacia un primer punto en el eje principal, y; un segundo haz de partículas cargadas que tiene una diferente proporción de momento con respecto a carga a la del primer haz, y que tiene una componente de movimiento a lo largo del eje principal y que entra en el túnel en una segunda localización radial, se dirige hacia dicho primer punto en el eje principal, y en el que; las bobinas planas están configuradas para producir un campo magnético que es periódicamente simétrico con respecto al eje principal, y; el túnel es sustancialmente estacionario en uso, y en el que; en uso, un sujeto se sitúa dentro del diámetro interior central del al menos un imán toroidal.

Description

DESCRIPCIÓN

Un túnel y un aparato para enfocar haces de partículas cargadas

Antecedentes de la invención

Es conocido el uso de imanes para desviar o "flexionar" partículas cargadas para separar partículas que tienen diferentes proporciones de momento con respecto a carga. Por ejemplo, los espectrómetros de masas y los detectores de partículas funcionan según el principio de que las partículas que tienen diferentes proporciones de momento con respecto a carga se desviarán en diferentes cantidades en presencia de un campo magnético, permitiendo el análisis de las partículas.

Otro ejemplo del uso de campos magnéticos para desviar partículas cargadas es el tratamiento con partículas cargadas, que es un tipo de radioterapia. La radioterapia en general se refiere al uso de radiación ionizante para tratar el cáncer destruyendo o controlando el tejido maligno. La radiación ionizante daña el ADN del tejido, lo que da lugar a muerte celular. La radioterapia convencional usa fotones de alta energía (rayos X) producidos a partir de electrones acelerados que se dirigen al área deseada del cuerpo. Para minimizar el daño al tejido sano, los rayos X típicamente se introducen en varios ángulos, intersecando los rayos en el área cancerosa.

Cuando los haces de irradiación están compuestos de partículas cargadas, la radioterapia se denomina tratamiento con partículas cargadas. Las ventajas del tratamiento con partículas cargadas radican en las propiedades físicas y radiobiológicas únicas de estas partículas; pueden penetrar en los tejidos con poca difusión y depositar la máxima energía justo antes de detenerse. Esto permite una definición precisa de la región específica que se va a irradiar. Dichas partículas cargadas pueden incluir hadrones (por ejemplo, protones, iones tales como iones de carbono, mesones) y leptones (por ejemplo, electrones).

El sistema de suministro de haz es uno de los elementos clave de un sistema de tratamiento con partículas cargadas, ya sea basado en protones, haces de iones u otras partículas cargadas. En muchos casos, el sistema de suministro de haz es una línea de transferencia relativamente simple y de geometría fija. Esto tiene limitaciones en el grado de estereotaxia que se puede lograr, así como una dosis parasitaria no deseada en tejidos sanos. Este problema se ha resuelto en varias instalaciones con un "túnel": un conjunto de imanes que recibe el haz extraído a energía variable de un acelerador de partículas y lo dirige hacia el paciente desde una dirección arbitraria, posiblemente sin variación en el centro de suministro independientemente de la dirección del haz ("isocéntrica"), y sin necesidad de mover al paciente durante el tratamiento. Una ventaja clave de un túnel es la capacidad para "pintar" la región irradiada con una mejora en la flexibilidad, exactitud y, en última instancia, una dosis parasitaria muy reducida.

La óptica de haz de los túneles actuales típicamente se basa en imanes de flexión montados en una estructura rotatoria que flexiona el haz de la línea de extracción, lo endereza y finalmente lo flexiona a 90 grados con respecto al paciente, de modo que el haz suministrado se desplaza un recorrido mínimo en el tejido sano. Habitualmente se colocan cuadrupolos, direccionadores e imanes correctores a lo largo de la línea de transferencia para controlar la transmisión del haz.

La rigidez de haz deseable de haces de protones está en el intervalo de 1,2 a 2,4 Tm (para energías de protones en el intervalo de 70 a 250 MeV), mientras que para un ion típico tal como carbono, la rigidez de haz deseable es de 3,3 a 6,6 Tm (para energías nucleónicas en el intervalo de 120 a 430 MeV/u). Los túneles del estado de la técnica basados en electroimanes de conducción normal tienen una intensidad de campo dipolar en el intervalo de 1 a 2 T, y las rigideces anteriores corresponden a electroimanes de varios metros de longitud.

La tecnología establecida requiere que estos imanes roten alrededor del paciente, dando como resultado estructuras extremadamente grandes de alta rigidez mecánica, en especial para el tratamiento con iones de carbono. Además, el campo producido por los imanes del túnel debe ser variable hasta cierto punto, ya que el tamaño del diámetro interior del imán por sí solo no permite aceptar el intervalo de energía deseado. En la tecnología establecida, el túnel y su estructura mecánica rotatoria representan una carga muy significativa en términos de peso, superficie ocupada y coste, en términos tanto de inversión inicial como de funcionamiento.

Se han usado imanes superconductores para reducir el tamaño de dichos túneles. Sin embargo, la naturaleza rotatoria del túnel requiere que el sistema criogénico concomitante tenga partes rotatorias, basadas en líneas de transferencia flexibles o bien maquinarias criogénicas tales como enfriadores criogénicos que rotan con los imanes del túnel. Esto se suma a la complejidad del diseño y no es deseable. El documento US2016/0247591 divulga un ejemplo de un túnel rotatorio que comprende imanes de flexión superconductores.

Sumario de la invención

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un aparato para su uso en el tratamiento con partículas cargadas, de acuerdo con la reivindicación 1.

El autor de la invención se ha dado cuenta, de forma bastante contradictoria a los usos convencionales de los imanes toroidales, que se puede usar una configuración de imán toroidal de este tipo para enfocar haces de partículas cargadas que tienen diferentes proporciones de momento con respecto a carga (p/q) en el mismo punto a lo largo del eje principal del imán. Esto va en contra del uso convencional de dichos imanes toroidales que se usan para separar las trayectorias de partículas que tienen diferentes proporciones p/q.

El imán toroidal está configurado para recibir haces de partículas cargadas en diferentes localizaciones radiales dependientes de la proporción de momento con respecto a carga del haz. Los haces entran en un primer extremo del imán (donde el imán se extiende entre el primer y segundo extremos situados a lo largo del eje principal) en el espacio entre bobinas adyacentes. Debido a las diferentes posiciones de entrada radial, los haces de partículas cargadas que tienen diferentes proporciones de momento con respecto a carga se desplazan diferentes distancias dentro del campo magnético y, por lo tanto, se desvían por el campo magnético a un punto común en el eje principal. Típicamente, el imán toroidal está configurado para recibir haces de mayor proporción de momento con respecto a carga (mayor energía) en una localización más radial hacia afuera en comparación con haces de menor proporción de momento con respecto a carga (menor energía), de modo que los haces de mayor energía se desplazan una distancia adicional dentro del campo magnético y los haces se pueden desviar a un punto común en el eje principal. De forma ventajosa, el imán toroidal tiene una gran aceptación.

Como se apreciará por el experto en la técnica, cada partícula dentro de un haz de energía particular tiene sustancialmente la misma proporción de momento con respecto a carga y, por tanto, se puede ver que un haz de este tipo tiene una proporción de momento con respecto a carga particular. Este es en particular el caso de haces que se originan en los aceleradores de partículas.

Los haces se proporcionan al imán toroidal por un dispositivo de flexión (tal como un imán vectorial, cristal de flexión o plasma) preferentemente situado en el eje principal y configurado para dirigir los haces hacia el imán toroidal en un ángulo tal que los haces entran en el imán en la localización radial deseada. Por tanto, los haces típicamente entran en el imán en un ángulo con respecto al eje principal, aunque en otras configuraciones pueden entrar en el imán sustancialmente paralelos al eje principal.

En particular de forma ventajosa, el túnel de la invención es de uso estacionario, eliminando el requisito de estructuras masivas y mecanismos de alta precisión que se usan en los túneles rotatorios del estado de la técnica para irradiación de haces. Esto reduce significativamente la superficie ocupada, la masa y la complejidad operativa del túnel.

El aparato de la presente invención encuentra aplicación ventajosa en el tratamiento con partículas cargadas. En uso, un sujeto (que podría ser un ser humano o animal) se sitúa dentro del diámetro interior central del al menos un imán toroidal, pudiendo el campo magnético producido por el imán toroidal desviar haces de diferente p/q y entrar en el imán en diferentes localizaciones radiales al punto focal deseado en la localización del sujeto. El campo magnético está configurado preferentemente de modo que los haces de diferente p/q se dirigen al mismo punto en el eje principal sustancialmente en la misma dirección (por ejemplo, a 90 grados del eje principal). Ventajosamente, no es necesario mover ni el túnel ni al sujeto, a diferencia de los túneles rotatorios del estado de la técnica.

El término "tratamiento con partículas cargadas" se usa aquí para referirse a radioterapia que usa haces de radiación de partículas cargadas. Dichas partículas cargadas pueden incluir hadrones (por ejemplo, protones, iones tales como iones de carbono, mesones) y leptones (por ejemplo, electrones).

El campo magnético producido por el imán toroidal es periódicamente simétrico con respecto al eje principal. Esto se puede denominar simétrico de forma periódicamente toroidal. Esta característica se puede realizar situándose la pluralidad de bobinas planas de manera periódica con respecto al eje principal. Por ejemplo, en una configuración preferente, las bobinas están igualmente espaciadas en una dirección toroidal. En otras configuraciones, las bobinas pueden no estar igualmente espaciadas en la dirección toroidal, con pares o grupos de bobinas cerca entre sí, separados por un hueco entre un par o grupo de bobinas y el siguiente, y en general situados periódicamente en la dirección toroidal para proporcionar el campo magnético simétrico de forma periódicamente toroidal. Por ejemplo, en modos de realización, las bobinas planas se pueden colocar en grupos de dos o más, con lo que los grupos se repiten con periodicidad toroidal. El campo magnético producido por el imán toroidal que es periódicamente simétrico permite que los haces de partículas cargadas entren en el imán en diferentes localizaciones (de forma tanto radial como toroidal) y tengan diferentes proporciones p/q para enfocarse en un punto común en el eje principal sin el requisito de un túnel rotatorio.

Preferentemente, el campo magnético producido por el imán toroidal es sustancialmente estático en uso, por ejemplo, durante la irradiación de un sujeto. (Aunque típicamente el campo magnético se puede cambiar si se requiere). La naturaleza estática del propio imán toroidal y el campo magnético quiere decir de forma ventajosa que los materiales superconductores son en particular adecuados para las bobinas sustancialmente planas. De hecho, preferentemente la pluralidad de bobinas planas son bobinas superconductoras. Las bobinas superconductoras pueden estar compuestas de material superconductor de baja temperatura tal como Nb-Ti y Nb3Sn o material superconductor de alta temperatura tal como óxidos de cobre a base de tierras raras (REBCO) o a base de bismuto (BISCCO). Ventajosamente, como el al menos un imán toroidal es estacionario en uso, el aparato criogénico para superconductores de baja temperatura se instala fácilmente. En el caso de materiales superconductores de alta temperatura, se requeriría dicho aparato criogénico simplificado o ninguno.

El uso de materiales superconductores para las bobinas quiere decir de forma ventajosa que se pueden usar campos magnéticos mucho más grandes en comparación con las soluciones conductoras normales, lo que a su vez da lugar a una reducción significativa en el tamaño del túnel. Las intensidades de campo magnético típicas usadas en la presente invención pueden variar de 1 T a 10 T, preferentemente de 2 T a 8 T. La longitud del túnel a lo largo de una dirección sustancialmente paralela al eje principal está en el intervalo de 1 m a 5 m. El radio externo del túnel está típicamente en el intervalo de 1 m a 3 m, preferentemente 1,6 m, estando el radio interno del túnel (es decir, el radio del diámetro interior central) típicamente en el intervalo de 0,4 m a 1 m, preferentemente 0,6 m. Las masas típicas para el túnel pueden estar en el intervalo de 5-20 toneladas para haces de protones y de 10-30 toneladas para haces de iones (por ejemplo, iones de carbono). Esto representa una reducción de peso sustancial en comparación con los túneles convencionales que pueden superar las 100 toneladas.

La pluralidad de bobinas son cada una sustancialmente plana. Aquí el término "plana" se usa para querer decir que la dimensión de cada bobina en una dirección toroidal es significativamente más pequeña que sus dimensiones en las direcciones radial y longitudinal (es decir, paralela al eje principal). La naturaleza plana de las bobinas quiere decir que el espacio entre bobinas adyacentes es relativamente grande, incrementando la facilidad con la que los haces de partículas cargadas pueden entrar en el imán toroidal.

En un modo de realización preferente, el imán toroidal comprende 16 bobinas igualmente espaciadas en una dirección toroidal. Sin embargo, se prevén otros números y disposiciones de bobinas, de modo que el campo magnético presenta simetría periódica con respecto al eje principal.

Típicamente, las bobinas planas tienen una geometría no simétrica. Aquí, las bobinas tienen una geometría no simétrica cuando se ven en la dirección toroidal.

Típicamente, las bobinas no son simétricas con respecto a un eje sustancialmente paralelo al eje principal. Dicha geometría no simétrica ayuda a producir un campo magnético tal que las partículas con diferentes proporciones p/q pueden puedan entrar en el imán toroidal en diferentes puntos radiales y desplazarse diferentes distancias a través del campo magnético, dando como resultado un punto de foco común en el eje principal.

Preferentemente, las bobinas planas son alargadas en una dirección sustancialmente paralela al eje principal y tienen una geometría tal que la dimensión radial de las bobinas varía a lo largo de la longitud alargada. En modos de realización preferentes, cada bobina plana tiene una dimensión radial mínima en un primer extremo del imán toroidal y una dimensión radial máxima en un segundo extremo opuesto del imán toroidal. Típicamente, la dimensión radial mínima está en el extremo donde el haz de partículas cargadas entra en el imán, con la dimensión radial máxima en el extremo opuesto. Esta geometría ayuda a enfocar partículas de diferente proporción p/q en un foco común en el eje principal.

En un modo de realización preferente, una parte radialmente externa de cada bobina plana está dispuesta sustancialmente paralela al eje principal del imán toroidal, y una parte radialmente interna de la bobina se extiende entre la parte de la bobina que tiene la dimensión radial máxima y la parte que tiene la dimensión radial mínima, de modo que la dimensión radial varía a lo largo de la longitud alargada de las bobinas. La parte radialmente interna de cada bobina puede ser curva (típicamente convexa) de modo que la dimensión radial de cada bobina varía a lo largo de la longitud alargada, aunque en otros modos de realización la parte radialmente interna puede ser sustancialmente lineal o estar compuesta de una pluralidad de secciones lineales y/o curvas.

En general, la geometría de las bobinas magnéticas toroidales se puede conformar para adaptar la longitud de campo integrado al intervalo requerido de proporciones de momento de haz con respecto a carga.

Cada bobina comprende una pluralidad de devanados (o "grados") a través de los que fluye corriente para producir el campo magnético deseado. En una configuración, los devanados se apoyan sustancialmente entre sí en una dirección radial, y el perfil de campo magnético tiene una dependencia de 1/R. Una configuración de este tipo se denomina que no tiene gradación geométrica. Ventajosamente, la configuración geométrica de los devanados puede estar configurada para cambiar el perfil del campo magnético a una dependencia de 1/Rn, donde n se define como el índice de campo. Esto se puede realizar espaciando los devanados individuales de una bobina, preferentemente en la dirección radial. El espaciado de los devanados se denomina gradación geométrica y se puede usar de forma ventajosa para controlar el campo magnético según se desee.

La densidad de corriente a través de los devanados también se puede variar para manipular el perfil de campo magnético, y esto se denomina gradación de corriente.

En la parte radialmente externa del imán toroidal, la fuga de campo en el espacio entre bobinas hace que las líneas de campo se flexionen (denominado "pellizco de campo" ("field pinching')). Esto produce una componente de campo que tiende a flexionar un haz inicialmente fuera del plano de simetría entre dos bobinas adyacentes hacia el plano de simetría y se suma al efecto de enfoque natural del imán toroidal. (Cabe destacar que el campo todavía es periódicamente simétrico con respecto al eje principal). La cantidad de curvatura de campo se puede controlar actuando sobre la geometría y localización de las partes externas de las bobinas. En particular, la cantidad de curvatura (o "pellizco" ("pinching")) del campo se puede modificar por:

• gradación de la bobina en una dirección toroidal;

• adición de una bobina de "corrección" secundaria adyacente a la bobina principal para introducir un cuadrupolo (dependencia de campo lineal en el espacio) y términos de campo de corrección de orden superior tales como un sextupolo (dependencia de campo parabólico en el espacio), o;

• uso de una bobina que comprende material ferromagnético para ajustar el campo.

Las bobinas del imán toroidal experimentan fuerzas electromagnéticas que actúan sobre ellas. Estos comprenden fuerzas "en el plano" que actúan sobre el propio bobinado, que actúan en el plano de cada bobina y se dirigen en una dirección radial hacia afuera (es decir, tienden a empujar cada bobina hacia afuera), conjuntamente con una fuerza radialmente hacia adentro mayor (y por lo tanto resultante) que tiende a empujar todas las bobinas hacia adentro hacia el eje principal. Además, en el caso de corrientes desequilibradas, las bobinas experimentan fuerzas "fuera del plano" que actúan en la dirección toroidal que tienden a "plegar" las bobinas del imán.

Por lo tanto, el túnel comprende preferentemente una estructura de soporte adaptada para soportar la pluralidad de bobinas planas, en el que la estructura de soporte está configurada para permitir el paso del haz de partículas cargadas a través del túnel en uso. La estructura de soporte soporta las bobinas del imán contra las fuerzas electromagnéticas que actúan sobre ellas mientras que permite simultáneamente el paso de partículas cargadas a través del túnel. En uso, un haz de partículas cargadas entra en el imán toroidal a través de uno de sus extremos (donde el imán se extiende entre dos extremos opuestos situados a lo largo del eje principal) y se desvía por el campo magnético de modo que sale del imán al diámetro interior central hacia el eje principal (preferentemente a 90 grados del eje principal). Por lo tanto, la estructura de soporte comprende preferentemente al menos una abertura en una parte radialmente interna de la misma de modo que un haz de partículas cargadas puede pasar al diámetro interior central. Preferentemente, la estructura de soporte comprende una pluralidad de aberturas que se sitúan de manera toroidalmente periódica correspondiente a las trayectorias de los haces que se desplazan a través del campo magnético periódicamente simétrico.

Por ejemplo, la estructura de soporte puede comprender una estructura compensadora situada dentro del diámetro interior central contra el que se soportan las partes radialmente internas de las bobinas ("en oposición") contra la fuerza radial hacia adentro resultante, comprendiendo dicha estructura compensadora al menos una abertura o ventana para el paso de las partículas cargadas al diámetro interior central. La estructura compensadora puede ser físicamente continua a lo largo del eje principal (por ejemplo, en forma de un cilindro compensador), o formada por el montaje de puntas en cuña en la estructura de bobina. Preferentemente, una estructura compensadora de este tipo comprende una pluralidad de aberturas o ventanas toroidalmente periódicas para el paso del haz al diámetro interior central. El uso de una estructura de soporte de este tipo que permite que el haz de partículas cargadas se desplace hacia el diámetro interior central es una disposición innovadora que no se requiere en los usos convencionales de imanes toroidales y destaca además el uso no convencional de un imán toroidal en la presente invención.

Cabe destacar que los haces de partículas cargadas se desplazarán a través del túnel dentro de una cámara de vacío o tubo de vacío de haz y, como tal, la estructura de soporte necesitará acomodar dicha cámara o tubo de vacío. Preferentemente, los haces se desplazarán a través de una cámara de vacío estática instalada dentro del túnel.

El túnel comprende preferentemente un solo imán toroidal, pero en los modos de realización puede comprender dos o más de dichos imanes dependiendo de las trayectorias de haz deseadas y la configuración del túnel.

El dispositivo de flexión está configurado para recibir haces de partículas cargadas, típicamente de un acelerador de partículas, proporcionándose el haz extraído del acelerador al dispositivo de flexión. El dispositivo de flexión está configurado para desviar un haz extraído en cualquier dirección en un ángulo que depende de la energía del haz. Para geometrías de bobinas de túnel, para que los haces de diferente proporción p/q se enfoquen en un punto común en el eje principal, el ángulo de desviación (con respecto al eje principal) generado por el dispositivo de flexión típicamente está configurado para incrementarse con energía del haz.

En modos de realización preferentes, el dispositivo de flexión está configurado para desviar un haz de partículas cargadas que tienen un momento p y una carga q hacia el túnel en un ángulo aE al eje principal dado por:

en la que

Z^v es la distancia, a lo largo del eje principal, entre el dispositivo de flexión y el último punto de foco de los haces de partículas cargadas, y Rⁱⁿ es el radio interno del imán toroidal (es decir, la distancia entre el eje principal y la parte radialmente interna de una bobina). Los valores típicos de Z^v están en el intervalo de 1 m a 10 m, preferentemente 4 m.

El dispositivo de flexión puede ser cualquier dispositivo que desvíe adecuadamente un haz extraído de partículas cargadas, tal como cristales de flexión o un plasma. Sin embargo, en modos de realización preferentes, el dispositivo de flexión es un imán vectorial, preferentemente un imán dipolar único rotatorio, un imán dipolar de dos ejes o un cuadrupolo. El uso de un imán dipolar de dos ejes (por ejemplo, horizontal y vertical) o cuadrupolo es en particular deseable ya que en un caso de este tipo todo el aparato (es decir, el dispositivo de flexión y el túnel) no tiene partes móviles, lo que es un cambio significativo con respecto a las configuraciones del estado de la técnica, en particular en el tratamiento con partículas cargadas.

Breve descripción de los dibujos

Los modos de realización preferentes de la invención se describirán ahora con referencia a los dibujos, en los que:

la figura 1 es una ilustración esquemática que explica el concepto de la invención;

la figura 2(a) muestra el efecto de una lente de campo toroidal delgada sobre haces paralelos con la misma energía;

la figura 2(b) muestra el efecto de una lente de campo toroidal delgada sobre haces con la misma energía y que se originan en el mismo vértice, pero con diferente divergencia;

la figura 3(a) muestra el efecto de una lente de campo toroidal gruesa sobre haces paralelos con la misma energía;

la figura 3(b) muestra el efecto de una lente de campo toroidal gruesa sobre haces con la misma energía y que se originan en el mismo vértice, pero con diferente divergencia;

la figura 4 ilustra el efecto de una lente de campo toroidal gruesa sobre haces con diferente p/q que se originan en el mismo vértice y con el mismo ángulo inicial;

la figura 5 ilustra el efecto de una lente de campo toroidal gruesa sobre haces con diferente p/q que se originan en el mismo vértice y con diferentes ángulos;

la figura 6 ilustra la geometría para calcular el gradiente de campo experimentado por una partícula cargada que entra en el campo toroidal en un ángulo arbitrario;

la figura 7 ilustra la construcción de un perfil de campo ideal de un límite de campo toroidal que enfoca haces de diferente p/q en un solo punto focal;

la figura 8 es un gráfico del ángulo óptimo dado por un imán vectorial para obtener un enfoque isocéntrico de haces de protones de diferentes energías cinéticas en el intervalo de 70 MeV a 250 MeV;

la figura 9 es un gráfico que ilustra el perfil radialmente interno ideal ("interior") de una bobina de campo toroidal para obtener un enfoque isocéntrico de haces de protones de diferente energía cinética en el intervalo de 70 MeV a 250 MeV;

las figuras 10(a) y 10(b) muestran esquemáticamente formas de bobina de campo toroidal ideales y un enfoque isocéntrico de ejemplo de haces de protones de diferentes energías cinéticas de 70 MeV y 250 MeV;

la figura 11 (a) ilustra una bobina toroidal de acuerdo con un modo de realización de la invención;

la figura 11(b) ilustra una bobina toroidal de acuerdo con otro modo de realización de la invención;

la figura 12 es una vista en perspectiva esquemática de un aparato para el tratamiento con partículas cargadas de acuerdo con un modo de realización de la invención;

la figura 13 es un mapa de la intensidad de campo calculada en un plano normal al eje principal del túnel, que muestra una cuarta parte del imán toroidal;

la figura 14 ilustra los vectores de campo en el plano de la figura 13;

las figuras 15 y 16 son mapas de la intensidad del campo magnético calculada en el plano de simetría entre dos bobinas vecinas para bobinas no graduadas y graduadas, respectivamente;

las figuras 17(a) y 17(b) son gráficos de la intensidad de campo calculada para el caso de bobinas graduadas y no graduadas respectivamente a lo largo de una línea que se origina en la localización del sujeto orientada radialmente y perteneciente al plano de simetría entre dos bobinas. y;

la figura 18 ilustra un cilindro compensador usado en un modo de realización de la invención.

Descripción detallada

Concepto de sistema

El concepto del aparato para el tratamiento con partículas cargadas (1000) de acuerdo con la invención se muestra en la figura 1. Consiste en dos partes principales: un imán vectorial 20 y un túnel 100 que comprende uno o más imanes toroidales 10.

El imán vectorial 20 está configurado para recibir un haz de partículas cargadas desde una línea de extracción del acelerador de partículas y proporcionar una desviación al haz que depende de la energía del haz y la dirección deseada de suministro.

El uno o más imanes toroidales (dos imanes 10a, 10b se representan en la figura 1 como ejemplo, con solo una bobina de cada imán mostrada por claridad) dirigen el haz desviado 30 usando una combinación de su forma y variación de campo con radio y longitud. En la figura 1, se representan trayectorias de haz ideales para dos energías de haz diferentes (E2>E1), estando enfocados ambos haces en el mismo punto.

Un aspecto clave del aparato es el uso del campo simétrico al eje generado por el/los imán/imanes toroidal(es) del túnel.

La función del imán vectorial 20 es desviar el haz extraído en cualquier dirección en un ángulo que depende de la energía del haz. Para una energía dada, esto corresponde a la capacidad para producir un cono de trayectorias de haz que se originan en el imán vectorial 20. Para formas de imán toroidal prácticas y perfiles de campo (como se analizará a continuación), se requiere que el ángulo de flexión se incremente con la energía. Por lo tanto, el imán vectorial 20 dirige el haz en conos concéntricos.

El imán vectorial 20 puede ser un solo dipolo que rota alrededor de su eje con la capacidad para barrer la intensidad del campo. En este caso se requiere un cambio en la intensidad de campo para dirigir haces de diferente energía, y es preferentemente frecuente y rápido (del orden de fracciones de segundo). Una rotación, por otra parte, corresponde a un cambio en la dirección de irradiación, y puede ser esporádica y mucho más lenta (del orden de varios segundos). De forma alternativa, se puede usar un imán vectorial de dos ejes, produciendo una combinación de dipolo horizontal y vertical con dirección arbitraria. Si se selecciona esta opción, los dos dipolos deben cambiar con frecuencia, rapidez y sincronización.

El ángulo de flexión real del haz de partículas cargadas 30 que entra en el túnel 100 depende de la intensidad del campo integrado del/de los imán/imanes 10, que se puede modular por un control de la dimensión del imán, la forma y la colocación de los conductores. En este análisis, se parte de un campo toroidal simétrico al eje ideal, generado por un devanado de corriente delgado alrededor del toro. Esto produce un campo toroidal. Be, de módulo:

donde R es el radio medido desde el eje del toroide, y B0 y R0 son constantes determinadas por la localización y la corriente en el devanado. Para este análisis se toma como B0 el campo pico, obtenido en el radio interno del toroide R0. El campo es cero en el espacio interno del toroide, es decir, para un radio R<R0. Este es el espacio donde se localiza el sujeto para el tratamiento con partículas cargadas.

Para ilustrar el principio de funcionamiento, se demuestra a continuación el efecto de un imán toroidal sobre partículas cargadas de proporción de momento con respecto a carga p/q variable. Se define con este objetivo un marco de referencia que consiste en la dirección z alineada con el centro del imán toroidal, la dirección radial R que se origina en el eje z y la dirección toroidal e que define el ángulo alrededor del eje z (véase la figura 1).

El campo toroidal ideal se da por la ec. (1) en una región del espacio Z^mín < z < z^máx (es decir, la longitud del túnel 100) y R>R⁰. Se divide el problema general de las partículas que entran en el área del campo toroidal con p/q arbitraria en los dos efectos separados del campo visto por las partículas que se desplazan en el plano (R,z) (haz en el plano), y del campo visto por partículas que se desplazan en una dirección arbitraria que contiene también una componente 9 (haz fuera del plano).

Para haces en el plano, se puede rastrear la trayectoria de partícula usando la relación simple:

donde p es el radio de curvatura del haz de flexión en el plano (R,z). El momento se define usando la relación relativista:

P = E0^ r 2 - 1 (3)

donde E0 es la energía en reposo de la partícula (o ion) considerada, y y es el factor relativista:

definida por la energía cinética Ek de la partícula

El efecto de un campo magnético toroidal delgado 10 (una lente toroidal delgada) se muestra en la figura 2a para un haz paralelo de partículas 30 de momento y carga idénticos, pero con diferente posición, así como para un haz 30 que se origina en un vértice, pero con diferente divergencia (figura 2b). Cada trayecto corresponde a una partícula en el haz 30. La lente toroidal delgada 10 tiene un efecto de enfoque neto, pero la dependencia natural del campo toroidal ideal del radio da como resultado un fuerte astigmatismo, como se muestra cuando el haz no llega a un solo foco después de pasar a través de la lente.

Por otra parte, si se tiene en cuenta que el tamaño de la región con el imán toroidal es significativo respecto a la variación de la órbita del haz (una lente toroidal gruesa) se nota que el astigmatismo se reduce mucho. Este efecto se muestra esquemáticamente en las figuras 3a y 3b, donde de nuevo cada trayecto corresponde a una sola partícula en el haz 30. El astigmatismo reducido se debe al hecho de que las partículas que entran con una órbita grande o ángulo grande se desplazan un recorrido más largo en el campo magnético que las partículas que entran con una órbita o ángulo pequeños, dando como resultado por tanto un enfoque adicional. El mismo efecto es válido para haces tanto paralelos como divergentes del mismo momento, y es dependiente de la geometría del área de campo toroidal.

Ahora se examina el caso del momento del haz (o más en general, la proporción p/q) sobre el efecto de enfoque de una lente toroidal gruesa. Esto se muestra esquemáticamente en la figura 4, donde ahora los trayectos corresponden a haces que se originan en el mismo vértice (22), con el mismo ángulo, y una variación de p/q de aproximadamente un 15 %. Los haces con mayor rigidez se flexionan menos: los haces con una proporción p/q mayor se enfocan a distancias mayores a lo largo del eje z. Sin embargo, teniendo en cuenta la observación anterior sobre el efecto de enfoque de la longitud desplazada en la región de campo magnético, es posible encontrar ángulos iniciales apropiados para cada uno de los haces en el intervalo seleccionado de modo que el punto focal en el eje z es el mismo para todos los valores de p/q. Esto se demuestra en la figura 5, donde tres haces de diferente p/q se desvían en diferentes cantidades en el vértice 22, entran en la lente toroidal gruesa 10 en diferentes puntos y finalmente se enfocan en el mismo punto focal en el eje z debido a diferentes longitudes de recorrido a través de la lente toroidal.

Ahora se ve el caso de partículas con componentes de momento fuera del plano (R-z). Considerando una partícula que entra en el campo magnético toroidal en una posición (x,y) correspondiente a un ángulo arbitrario 0 (véase la figura 6), el campo magnético visto por la partícula tendrá una componente B^x dada por:

SA = FassnCSj). (5)

Para ángulos pequeños, esto corresponde a un gradiente que tiende a enfocar la partícula de nuevo hacia el eje del toroide. Dada la dependencia ideal del campo toroidal con el radio (véase la ec. (1)), el cuadrupolo de enfoque tiene una intensidad decreciente a medida que el radio se incrementa.

Siguiendo este breve sumario (no exhaustivo) del concepto de la invención, ahora se describe un modo de realización preferente de la invención.

Diseño del imán toroidal

En base a las consideraciones de la sección previa, ahora se analizará el diseño de un imán toroidal para su uso en la presente invención. Se toma como ejemplo pertinente un haz de protones con un intervalo de energía de 70 MeV a 250 MeV que se puede usar para el tratamiento con partículas cargadas. El principio de diseño se aplica directamente a cualquier proporción p/q.

Geometría de bobina

Para los propósitos de este análisis, se asume que el túnel 100 comprende un imán toroidal 10 que comprende una pluralidad de bobinas sustancialmente planas discretas 1, que reciben un haz 30 desviado en un ángulo arbitrario por un imán vectorial 20. Se supone que el imán 10 tiene una forma de bobina optimizada para generar un campo magnético para proporcionar el efecto de flexión deseado en el haz 30. El punto de enfoque se toma en (0,0) a lo largo del eje z, mientras que el imán vectorial 20 se coloca en (0,-z ^v ). Se toma como restricción que el haz que sale del túnel 100 se debe dirigir a 90 grados con respecto al sujeto. El imán toroidal 10 tiene un diámetro interior libre interno de radio Rn.

Para la forma del campo, se asume que la bobina 1 está graduada para generar un campo constante B = B0 (es decir n = 0) en el espacio entre bobinas. Esto se puede lograr espaciando las vueltas radialmente en el lado interior del toroide, como se analizará a continuación.

Una suposición final que se hace es que el campo tiene límites definidos, es decir B = B0 dentro del perímetro del imán toroidal, y B = 0 en otro lugar.

Ahora se puede reconstruir el contorno de un imán toroidal ideal 10 que logra las propiedades de enfoque deseadas. Para ilustrar esto, se usa la geometría mostrada en la figura 7. Comenzando desde la localización de origen (0,0) en donde se desea que se enfoquen los haces, se puede rastrear la trayectoria del rayo. El haz se desplaza en dirección radial primero, hasta que entra en el área de campo toroidal con un radio R ⁱⁿ. Una vez en el campo toroidal se flexiona con un radio constante, siguiendo la ec. (2):

La solución más simple para el contorno del campo es la localización del círculo dada por la ec. (6), tangente a la línea recta que viene del imán vectorial 20 (véase la figura 7). El ángulo (ae) correspondiente a la dirección óptima del haz con respecto al eje z se puede calcular como sigue:

De hecho, si la posición del imán vectorial 20 está lo suficientemente lejos del túnel 100, la expresión anterior se puede simplificar como sigue:

c e ® R „+Pr:

⁽ 8 ^).

La ecuación (8) es una buena aproximación inicial para un contorno de imán ideal para su uso en la invención, delimitando el perímetro de entrada del haz en el área sombreada de la figura 7. La figura 7 ilustra la construcción del perfil ideal de un límite de campo toroidal que enfoca haces de diferente proporción de momento frente a carga p/q en un solo punto focal haciendo uso de diferentes ángulos de deflexión en la localización del imán vectorial 20. El área del campo toroidal está sombreada en la figura. El límite discontinuo se puede calcular usando la ec. (7) o la ec. (8).

Las relaciones anteriores se aplican junto al diseño del devanado de un toroide.

Parámetros del imán

En este ejemplo, se toma un valor de B0 = 3T para la intensidad de campo. Este es un valor de campo modesto adecuado para materiales superconductores de baja y alta temperatura que se pueden usar para los devanados magnéticos. Teniendo en cuenta que la proporción de momento con respecto a carga p/q se puede escalar proporcionalmente al campo, el diseño considerado aquí se aplica a un túnel de carbono siempre que el campo se escale en una proporción de 2,7 (la proporción de rigidez de haz de protones a iones de carbono en el intervalo de energía deseado), es decir, un campo B0 = 8,1T.

El radio de flexión para una energía del haz de 250 MeV es pE = 0,8 m. Suponiendo un radio de diámetro interno del imán toroidal de Rⁱⁿ = 0,4 m (es decir, un espacio de sujeto de 0,8 m de diámetro en la bobina), y dadas las consideraciones geométricas en la figura 7, el radio externo del imán 10 estará en el intervalo de 1,2 m, lo que es muy compacto. El imán vectorial 20 se puede colocar a una distancia de 4 m del túnel 100 (es decir, en (0,-4,) a lo largo del eje z), razonablemente lejos del imán toroidal para limitar la intensidad del imán, pero aun así mantener un tamaño global compacto del aparato 1000.

Con las hipótesis anteriores, el ángulo óptimo y el contorno ideal del tramo de bobina toroidal en la entrada del haz derivados de la ec. (7) y la ec. de aproximación (8) se representan en las figuras 8 y 9. Se destaca que con esta elección de parámetros, el contorno de bobina es casi recto y la dependencia del ángulo de la energía cinética del haz también es aproximadamente lineal. Aunque no son esenciales, estos rasgos característicos ofrecen el beneficio de un bobinado fácil y un funcionamiento sencillo.

El contorno de bobina calculado para el punto de entrada del haz se completa extendiendo la bobina toroidal al radio interno de 0,4 m y añadiendo tramos de retorno. Estos se toman rectos por sencillez, aunque se prevé que los tramos de retorno se puedan conformar para lograr una capa de volumen mínimo.

La forma de bobina ideal resultante se muestra en la figura 10, que también muestra las trayectorias de dos haces en el extremo del intervalo de energía del haz considerado, mostrando el haz de menor energía (por ejemplo, 70 MeV) en la figura 10a, y mostrando el haz de mayor energía (por ejemplo, 250 MeV) en la figura 10b. Los haces de partículas cargadas se flexionan por el campo magnético del imán toroidal 10, llegando al paciente en un ángulo de 90 grados.

Diseño de imán

Siguiendo las consideraciones anteriores, la fig. 11 (a) es una vista en perspectiva de una geometría de bobina que se puede usar de acuerdo con un modo de realización de la invención. Como se ha explicado e ilustrado anteriormente, en general, la bobina 1 comprende las primera 2a y segunda 2b partes que se extienden radialmente que se extienden radialmente desde el eje z (eje principal del imán toroidal 10), y las primera 3a y segunda 3b partes alargadas que se extienden entre dichas partes que se extienden radialmente. La primera parte alargada 3a está en una posición radialmente externa de la bobina 1 y es sustancialmente paralela al eje z. La segunda parte alargada 3b está en una posición radialmente interna de la bobina 1. La primera parte que se extiende radialmente 2a es distal al imán vectorial, y la segunda parte que se extiende radialmente 2b es proximal al imán vectorial. La primera parte que se extiende radialmente 2a es más larga que la segunda parte que se extiende radialmente 2b. La segunda parte alargada 3b está compuesta de una primera parte 3b' sustancialmente paralela al eje z y una segunda parte 3b" que se extiende entre la primera parte 3b' y la segunda parte que se extiende radialmente 2b de modo que la dimensión radial de la bobina 1 varía a lo largo el eje z. Como se ve en la figura 11 (a), la bobina 1 es sustancialmente plana.

En la figura 11a, la bobina 1 se divide en seis grados 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f. En este ejemplo, cada grado tiene una dimensión de 100 mm de ancho por 20 mm de espesor y funciona con una densidad de corriente industrial de 200 A/mm². Sin embargo, se contemplan más de seis y menos de seis grados. Cada grado funciona con una corriente sustancialmente igual y los grados están empaquetados en un solo paquete de devanado compacto.

La figura 11(b) ilustra una vista en perspectiva de una geometría de bobina de acuerdo con un modo de realización alternativo. Aquí, la bobina 1 todavía tiene todos los grados 5a...5f funcionando a la misma corriente, pero también comprende un espaciado radial entre los grados 5a, 5b, 5c en el radio interno de la bobina, con el objetivo de modificar la dependencia radial del campo magnético

La región curva requerida por las ecuaciones (7) y (8) se ha sustituido por una parte recta 3b" para simplificar la fabricación, aunque la segunda parte alargada 3b se puede formar de la manera curva requerida por las ecuaciones (7) y (8). Las dimensiones de bobina externa en los ejemplos mostrados en las figuras 11 (a) y 11 (b) son de aproximadamente 1 m de ancho por 2 m de largo.

Los materiales adecuados para la bobina 1 incluyen tanto superconductores de baja temperatura tales como Nb-Ti y Nb³Sn como superconductores de alta temperatura tales como los óxidos de cobre a base de tierras raras (REBCO) y a base de bismuto (BISCCO).

La figura 12 es una vista en perspectiva esquemática de un aparato 1000 para el tratamiento con partículas cargadas de acuerdo con un modo de realización de la invención. El aparato 1000 comprende un imán vectorial 20 y un túnel 100. El túnel 100 comprende un imán toroidal 10 que comprende 16 bobinas planas discretas idénticas 1a, 1b,..., 1p igualmente espaciadas y que se extienden radialmente desde el diámetro interior central 5 del imán toroidal 10. Cada bobina es como se muestra en la figura 11 (b). Un eje principal (en la figura 12 el eje z) del imán toroidal 10 se define extendiéndose a lo largo de su diámetro interior central 5 del imán. El imán vectorial 20 se sitúa espaciado del túnel 100 a lo largo del eje z.

En uso, un sujeto que recibe el tratamiento con partículas cargadas se sitúa orientado a lo largo del eje z dentro del diámetro interior central 5 del imán toroidal 10, como se ilustra en la figura 12. Se proporciona un haz 30 de partículas cargadas al imán vectorial desde una línea de extracción del acelerador de partículas (no mostrado). El imán vectorial 20 flexiona el haz 30 en un ángulo aE con respecto al eje z que es dependiente de la energía del haz, como se explica anteriormente. El haz 30 entra en el túnel 100 dentro del espacio entre bobinas entre bobinas adyacentes. Un tubo de vacío de haz (no mostrado) a través del que se desplazan las partículas está adaptado para encajar dentro de este espacio entre bobinas. Debido al campo magnético producido por el imán toroidal, las partículas cargadas se desvían e inciden en el sujeto, como se ilustra esquemáticamente por el recorrido del haz 30 en la figura 12.

El mapa resultante de la intensidad de campo en un plano perpendicular al eje z, y cortando el imán toroidal 10 en una localización a lo largo del eje z correspondiente al paciente, se muestra en la fig. 13. Los vectores de campo asociados se muestran en la fig. 14. Además del valor de campo toroidal (aproximadamente 3 T en este ejemplo) y la simetría rotacional general, se nota el efecto de pellizco asociado con el número discreto de bobinas. En particular, al acercarse al radio externo del imán 10, la fuga de campo en el espacio entre bobinas hace que las líneas de campo se flexionen (se destaca la dirección de los vectores de campo en 200 en la figura 14). Esto produce una componente de campo que tiende a flexionar un haz inicialmente fuera del plano de simetría entre dos bobinas hacia el plano de simetría, y se suma al efecto de enfoque natural analizado anteriormente (véase la ec. (5)). La cantidad de curvatura de campo se puede controlar actuando sobre la geometría y localización de los miembros externos de la bobina. Se destaca finalmente que la región central del toroide (mostrada en 210) es, con una excelente aproximación, una región libre de campo (campo de fugas de pocos pT), lo que es una restricción obligatoria para el área de sujeto. En particular de forma ventajosa, la fuga de campo fuera del imán toroidal es mínima (220), con niveles de campo aceptables ya a unas pocas decenas de cm del radio externo.

En las figs. 15 y 16 se muestra un mapa de la intensidad de campo en el espacio entre bobinas vecinas, en el plano de simetría. Se compara allí el campo en el caso del devanado compacto sin gradación (figura 15), con el campo producido por una gradación geométrica (figura 16), es decir, las dos opciones de bobina mostradas en las figs. 11 (a) y 11(b) respectivamente. El campo de la bobina graduada es claramente más homogéneo, como se muestra en la figura 16. Esto muestra que el índice de campo se puede controlar de forma ventajosa por el control de la geometría de bobina. Otra comparación de los perfiles de campo se puede ver en las figuras 17(a) y 17(b) que comparan el módulo del campo magnético calculado a lo largo de una línea que se origina en la localización del sujeto, orientada radialmente y perteneciente al plano de simetría entre bobinas vecinas. De forma ventajosa, esto ilustra que el túnel comprende suficientes grados de libertad para adaptarse a los requisitos particulares.

Dada la configuración del imán, se pueden evaluar las fuerzas electromagnéticas ejercidas sobre las bobinas simples 1 y en el túnel 100. En este ejemplo, la fuerza ejercida sobre el devanado, que tiende a empujar la bobina 1 hacia la dirección exterior, tiene un máximo de 1 MN/m. Para soportar esta fuerza, cada bobina 1 comprende una estructura de carcasa (no mostrado) que alberga la bobina completa, con una placa que conecta las partes ("miembros") de la bobina, ya que no se usa el espacio de bobina. La bobina se apoya en la banda externa de la carcasa y la presión promedio en el devanado es inferior a 50 MPa.

La componente neta principal en el imán toroidal es una fuerza de centrado (es decir, dirigida radialmente hacia adentro). La fuerza por bobina para la configuración graduada de la figura 11 (b) descrita anteriormente es de 1,5 MN. Aunque se contemplan otras soluciones, en el presente modo de realización se usa un cilindro compensador central 500 (véase la figura 18) para reaccionar contra esta fuerza de centrado. El cilindro compensador 500 comprende una pluralidad de aberturas 510 para el paso de los haces de partículas cargadas al diámetro interior central 5 y, posteriormente, sobre el sujeto. Las aberturas 510 se sitúan de manera toroidalmente periódica para corresponder a las trayectorias de los haces que se desplazan a través del campo magnético periódicamente simétrico. En otros modos de realización, el cilindro compensador puede comprender una sola abertura que se extiende circunferencialmente alrededor del cilindro.

El cilindro compensador puede ser físicamente continuo a lo largo del eje z como se ve en la figura 18, o de forma alternativa formado por el montaje de puntas en cuña en la estructura de bobina.

El espesor del cilindro compensador requerido para este diseño es modesto; por ejemplo, una estructura de 100 mm de espesor y 1 m de longitud funcionaría a 30 MPa para reaccionar con la fuerza de centrado informada anteriormente. De forma ventajosa, el túnel es por lo tanto relativamente ligero.

La energía almacenada en condiciones nominales para la configuración de bobina graduada (figura 11 (b)) alcanza 40 MJ para todo el imán toroidal 10. Esta es una energía almacenada relativamente grande y requiere la consideración del diseño del sistema de alimentación y protección. Por ejemplo, si el conductor está diseñado para el funcionamiento a 1 kA y el imán tiene una tensión de descarga nominal de 2 kV, una descarga de la energía total del imán tardaría 40 s. Esto, a su vez, necesitaría una gran cantidad de estabilizador, dando como resultado una baja densidad de corriente de funcionamiento. En un imán de este tipo es más ventajoso subdividir el circuito, para reducir la energía almacenada en cada parte y el tiempo de descarga. Manteniendo la corriente de funcionamiento y la tensión de descarga anteriores, una subdivisión en una sola base de bobina (es decir, 16 bobinas) y dos grados dentro de cada bobina daría como resultado una descarga con una constante de tiempo inferior a 1,5 s, compatible con una densidad de corriente de funcionamiento relativamente alta.

Finalmente, se considera la masa de un túnel de este tipo 100. Tomando la geometría de devanado descrita anteriormente, el volumen del paquete de devanado de una sola bobina es del orden de 0,06 m3, con una masa estimada de 400 kg/bobina (con una mezcla de 80/20 típica de conductor y aislamiento). Como se explica anteriormente, cada bobina se puede encerrar en una carcasa. Con un espesor de carcasa de 5 cm, una carcasa de hecha de aleación de Al tendría un peso del orden de 230 kg/bobina. Finalmente, las bobinas se deben calzar y soportar contra las fuerzas de centrado, así como las fuerzas fuera del plano. En este ejemplo, esto se realiza con una estructura entre bobinas que forma el cilindro compensador central (como se describe arriba) y una cinta externa. Con una extensión de la estructura entre bobinas del orden de 1 m a lo largo de la dirección z, la masa de una estructura de aleación de Al se estima en 1,7 toneladas. La masa total del túnel 100 es por tanto del orden de 12 toneladas, lo que es de forma ventajosa una importante reducción de peso con respecto al peso típico de un túnel de protones del estado de la técnica, que típicamente puede superar ampliamente las 100 toneladas.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato (1000) para su uso en el tratamiento con partículas cargadas, que comprende:

un dispositivo de flexión (20) configurado para recibir haces de partículas cargadas y;

un túnel (100) para enfocar haces de partículas cargadas que tienen diferentes proporciones de momento con respecto a carga a un punto sustancialmente común, comprendiendo el túnel:

al menos un imán toroidal (10) que tiene un diámetro interior central (5), extendiéndose un eje principal del imán toroidal a lo largo del diámetro interior central,

en el que el dispositivo de flexión está configurado para dirigir haces de partículas cargadas hacia el túnel dependiente de las proporciones de momento con respecto a carga de los haces; en el que el imán toroidal está configurado para recibir los haces (30) de partículas cargadas en diferentes localizaciones radiales dependientes de la proporción de momento con respecto a carga del haz;

en el que el imán toroidal comprende una pluralidad de bobinas sustancialmente planas discretas (1) espaciadas y que se extienden radialmente desde el eje principal y configuradas para producir un campo magnético de modo que, en uso,

un primer haz de partículas cargadas que tiene una componente de movimiento a lo largo del eje principal y que entra en el túnel en una primera localización radial, se dirige hacia un primer punto en el eje principal, y;

un segundo haz de partículas cargadas que tiene una diferente proporción de momento con respecto a carga a la del primer haz, y que tiene una componente de movimiento a lo largo del eje principal y que entra en el túnel en una segunda localización radial, se dirige hacia dicho primer punto en el eje principal, y en el que;

las bobinas planas están configuradas para producir un campo magnético que es periódicamente simétrico con respecto al eje principal, y;

el túnel es sustancialmente estacionario en uso, y en el que;

en uso, un sujeto se sitúa dentro del diámetro interior central del al menos un imán toroidal.

2. El aparato de la reivindicación 1, configurado de modo que el campo magnético producido por el imán toroidal es sustancialmente estático en uso.

3. El aparato de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la pluralidad de bobinas planas son bobinas superconductoras.

4. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la pluralidad de bobinas planas se sitúan de manera periódica con respecto al eje principal.

5. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las bobinas planas tienen una geometría no simétrica.

6. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las bobinas planas son alargadas en una dirección sustancialmente paralela al eje principal y tienen una geometría tal que la dimensión radial de las bobinas varía a lo largo de la longitud alargada.

7. El aparato de la reivindicación 6, en el que las bobinas planas tienen una dimensión radial mínima en un primer extremo del imán toroidal y una dimensión radial máxima en un segundo extremo opuesto del imán toroidal.

8. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las bobinas planas están configuradas para proporcionar una gradación geométrica y/o de corriente.

9. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las bobinas planas están graduadas geométricamente en una dirección radial.

10. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que al menos una bobina plana comprende material ferromagnético.

11. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el túnel comprende además una estructura de soporte adaptada para soportar la pluralidad de bobinas planas, en el que la estructura de soporte está configurada para permitir el paso del haz de partículas cargadas a través del túnel en uso.

12. El aparato de la reivindicación 11, en el que la estructura de soporte comprende al menos una abertura en una parte radialmente interna de la misma de modo que un haz de partículas cargadas pueda pasar al diámetro interior central.

13. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el dispositivo de flexión comprende un imán vectorial, preferentemente al menos uno de un imán dipolar único rotatorio, un imán dipolar de dos ejes o un imán cuadrupolo.