up
Search      menu
پزشکی و دامپزشکی :: مقاله سيکلوترون , سينکروترون PDF
QR code - سيکلوترون , سينکروترون

سيکلوترون , سينکروترون

سيکلوترون ها و سينکروترون ها، انواع و کاربردهاي آنها در پزشکي

سيکلوترون يک شتاب دهنده ذرات باردار است که در سال ۱۹۲۹ توسط Ernesto Lawrence با کمک همکاران و دانشجويانش در دانشگاه کاليفرنيا طرحي کرد و در سال ۱۹۳۰ به ثمر رسيد. اين دستگاه از دو آهنرباي مغناطيسي بزرگ و توخالي به شکل D براي توليد ميدان مغناطيسي يکنواخت استفاده مي کند. دو مغناطيس نيم دايره به شکل D با کناره هاي وجوه مستقيم و موازي مقابل هم با مقداري فاصله قرار مي گيرند. يک ولتاژ نوساني براي توليد ميدان الکتريکي بين شکاف دو D اعمال مي شود. ذرات به درون ميدان مغناطيسي يکي از Dها تزريق مي شوند و شتاب مي گيرند تا هنگامي که به شکاف بين Dها مي رسند. اين ذره توسط ميدان الکتريکي ناشي از ولتاژ اعمالي بالا که نوساني است، دريافت شده و اين ميدان موجب شتاب بيشتر ذره مي شود. سپس ذره وارد فضاي بين D مقابل مي شود، در داخل اين D باز هم ذره شتاب بيشتري پيدا مي کند و از آنجا که انرژي آن بيشتر مي شود در مسير دايره اي با شعاع بزرگ تري حرکت مي کند، تا دوباره به شکاف بين D ها مي رسد.
فرکانس ميدان الکتريکي به گونه اي تنظيم مي شود که به محض رسيدن ذره به شکاف، جهت آن عوض مي شود، به صورتي که همواره ذره شتاب افزاينده پيدا کند. بنابراين ذره در حال چرخش در هر دور انرژي را هم از ميدان مغناطيسي درون Dها و هم از ميدان الکتريکي درون شکاف Dها کسب مي کند. بنابراين سرعت آن همواره افزايش مي يابد ولي همواره زمان طي کردن مسير حرکت آن ثابت است.
محدوديت انرژي ذره تنها به اندازه مغناطيس هاي تشکيل دهنده آن ( Dها) و شدت اين ميدان و جرم ذره مورد شتاب بستگي دارد. امروزه براي دستيابي به انرژي هاي بالاتر از سينکروترون ها استفاده مي شود.
سينکروترون ( Cynchrotron )
يک سينکروترون که گاهي سينکرو سيکلوترون نيز ناميده مي شود، يک شتاب دهنده دايره اي است که از يک يا چند حفره رزونانس مغناطيسي (الکترومغناطيسي) براي شتاب دادن به ذرات استفاده مي کند. حفره ها اطراف يک رينگ در فواصل معيني قرار دارند. ذرات عبوري از حفره شتاب پيدا کرده و هر ذره ورودي مي تواند به دفعات اطراف رينگ دوران کند و هر بار شتاب آن و به تبع، انرژي آن افزايش يابد. به ازاء افزايش انرژي، شتاب سير آن نيز افزايش مي يابد. بنابراين هنگامي که انرژي ذره افزايش مي يابد شدت ميدان مغناطيسي مورد استفاده بايد به گونه اي تغيير يابد که ذره در همان رينگ باقي بماند. تغيير ميدان مغناطيسي دقيقاً با تغيير انرژي ذره همزمان است.
به همين دليل آن را سينکروترون مي نامند. گستره انرژي ذره و شتاب آن در يک رينگ با گستره ميدان مغناطيسي با دقت بالايي تعيين مي شود. براي رسيدن به انرژي هاي بالاتر مي توان از سينکروترون هاي متوالي با اندازه هاي مختلف استفاده کرد که به طور افزايشي همديگر را تقويت مي کنند. ذره بايستي قبل از ورود به اولين رينگ با يک شتاب دنده کوچک يا وسيله اي ديگر شتاب پيدا کند.
● تابش سينکروترون ( Cynchrotron Radiation )
با توجه به اصول الکترومغناطيس، ذره شتاب دار و باردار از خود نشر انرژي به شکل تابش هاي الکترومغناطيسي دارد. بنابراين در سينکروترون ذرات باردار شتاب دار قسمتي از انرژي خود را به صورت نشر الکترومغناطيسي منتشر مي سازند. طول موج و شدت اين انرژي به انرژي ذره و نوع آن بستگي دارد. بنابراين اگر اين نشر انرژي زياد باشد، از نظر کسب انرژي بيشتر توسط ذره با مشکل مواجه خواهيم شد. براي جلوگيري از اين حالت، حفره ها را به گونه اي طراحي مي کنند که به محض افزايش شتاب از يک حد خاص انرژي ذره کاهش مي يابد. وقتي سرعت ذره به سرعت نور مي رسد، اين اثر به طور صعودي افزايش مي يابد. ميزان از دست دادن انرژي ذره با فاکتوري به نام گاما مشخص مي شود. فاکتور گاما ( ? ) نسبت انرژي ذره به انرژي در حال سکون آن است و از دست دادن انرژي راي الکترون ها با ۳ ? متناسب است.
● وابستگي اين انرژي به انرژي ذره شتاب داده شده
براي الکترون ها با انرژي Gev ۵ ۱ فاکتور گاما معادل ۳۰۰۰ است و براي يک الکترون با انرژي ۵۰ Gev اين فاکتور به ۱۰۰۰۰ مي رسد. پروتون از الکترون سنگين تر است. اگر براي يک الکترون و يک پروتون اين فاکتور را با يکديگر مقايسه کنيم، ملاحظه مي شود که فاکتور گاما براي پروتون ها کمتر از الکترون ها است (در انرژي پروتون ۱۰۰۰Gev=۱ Tev اين فاکتور ۱۰۰۰ است) بنابراين از پروتون در سيکلوترون براي شتاب دار شدن استفاده مي شود و از الکترون ها استفاده نمي شود.
● PET و سيکلوترون
سيستم تصويربرداري PET شديداً به توليدات راديوايزوتوپ هاي با نيمه عمر کوتاه وابسته است. اين راديوايزوتوپ ها شامل F، O، N، Ga و Rb هستند. با افزايش تعداد سيستم هاي PET نصب شده و کاربرد آنها در سراسر دنيا، نياز به ژنراتورهاي توليد راديوايزوتوپ مورد استفاده در PET روز به روز بيشتر مي شود. اخيراً استفاده از سيکلوترون هاي کوچک که ماشين هاي يون منفي ناميده مي شوند، مورد استفاده فراواني در بيمارستان هاي مجهز به سيستم PET پيدا کرده اند. اين ماشين ها يون هاي H و D را شتاب مي دهند. با عبور اين يون ها از ورقه هاي نازک کربني بعد از شتاب دار شدن الکترون ها از آنها برهنه شده تا H+ و D+ به دست آيد. توليدات نوعي F از اين سيکلوترون ها محدوده اي از ۱ تا ۶ کوري بر ساعت که بستگي به انرژي ذره دارد، خواهد بود.
علاوه بر سيکلوترون هاي کوچک براي توليد راديوايزوتوپ هاي با نيمه عمر کوتاه از شتاب دهنده با انرژي کمتر نيز استفاده مي شود.
● اصول فيزيک حاکم بر عمل سيکلوترون
انرژي جنبشي ذرات باردار بايد حداقل چند ميليون الکترون ولت ( Mev ) باشد تا بتواند بر نيروي دافعه کولتي هسته غلبه و واکنش هاي هسته اي را باعث شوند. روش هاي مختلفي براي انجام اين کار موجود است. معمولي ترين آنها ماشين سيکلوترون است که براي توليد نوکلئيدهاي پرتوزا از آن استفاده مي شود. در زير به بحث فيزيک پايه اين ماشين مي پردازيم.
يک ميدان الکتريکي که به وسيله اختلاف پتانسيل دو سر الکترودها توليد مي شود ذره باردار را شتاب مي دهد. ميدان مغناطيسي ذره باردار را در يک مسير دايره اي به حرکت وامي دارد. هر ذره بارداري که در ميدان مغناطيسي حرکت مي کند نيرويي در جهت عمود بر ميدان مغناطيسي و همچنين عمود بر جهت حرکت به آن وارد مي شود.
در سيکلوترون الکترودهاي D شکل ميان تهي و تخليه شده از هوا و ساير گازها، مسؤول دوران ذره با اين فرکانس هستند. همچنان که ذره ميان Dها مي چرخد اختلاف پتانسيل ميان Dها معکوس مي شود و به محض خروج ذره در يک D توسط اين مقياس نوساني دريافت و با شتاب وارد D بعدي مي شود. اين فرايند ادامه مي يابد زيرا سرعت ذره با هر شتاب به طور يکنواخت افزايش مي يابد ولي ميدان مغناطيسي ثابت است. لذا مسير حرکت ذره به جاي دايره اي مسيري مارپيچ خواهد بود.
چشمه ذرات باردار مي تواند يک لوله تخليه ساده باشد که در آن يون ها توسط يک دستگاه الکترود خارج و به مرکز Dها وارد مي شود. هدف يا داخل سيکلوترون قرار دارد يا يون ها پس از خارج شدن از سيکلوترون به وسيله يک مجموعه ميدان الکتريکي به سوي هدف خارجي هدايت مي شود.
فضاي مسير حرکت يون ها بايستي خلاء باشد و فرکانس اختلاف پتانسيل ميدان Dها از مرتبه چندين MHz است. در هر سيکلوترون نوعي، شعاع Dها در حدود ۴۰ سانتي متر است. سنگين ترين قسمت سيکلوترون آهنرباي الکتريکي آن است.
جدول فوق مشخصات يکي از سيکلوترون هاي تجاري به نام TR۳۰ که توسط شرکت TRIUMF طراحي و ساخته شده است، مي باشد.
● اجزاء اصلي يک سيکلوترون
قسمت هاي اساسي يک دستگاه سيکلوترون عبارتند از:
۱) منبع توليد يون و سيستم تزريق آن
۲) مجموعه شتاب دهنده فرکانس راديويي
۳) سيستم خلاء
۴) مجموعه هدف يا هدف ها
۵) توليد راديودارو و ملحقات مربوط به آن.
سيکلوترون يک شتاب دهنده ذرات اتمي و زير اتمي است. وقتي ذره شتاب دار مي شود انرژي کسب مي کند. اين در مراحل متعددي در يک حرکت مارپيچي به ذرات اين عمل را انجام مي دهد و در هر مرحله ذره مقداري انرژي کسب مي کند. حرکت مارپيچ توسط مغناطيسي نسبتاً پرقدرت (حد ۱.۵ T تا ۲ T ) انجام مي شود. انرژي اوليه براي شتاب دادن از طريق يک ولتاژ مشابه ولتاژهاي اعمالي به تلويزيون ها تأمين مي شود. عمل شتاب در خلأ انجام مي شود تا برخورد با مولکول هاي هوا و ساير گازها به حداقل برسد. وقتي ذره انرژي لازم را کسب کرد آنها را به داخل اتم هاي هدف تزريق مي کنند. اتمي که ذره تزريقي را جذب کرده باشد راديواکتيو مي شود و آن را راديوايزوتوپ مي نامند.
سيکلوترون WA PET :
اين سيکلوترون قادر به شتاب يون هاي H? ( تشکيل شده از يک پروتون و دو الکترون) و دوترون ها (يک پروتون و يک نوترون همراه با يک الکترون) است. سيکلوترون براي توليد ايزوتوپ هاي مورد استفاده در PET به کار مي رود. همچنين توليد راديوايزوتوپ هاي مورد استفاده در راديوشيمي و فيزيک نيز از توانايي هاي اين سيستم است.
گرچه سيکلوترون ها مدل هاي مختلفي دارند (جدول ضميمه) ولي همه آنها در چند جنبه با يکديگر مشترک هستند که به توصيف کلي اين اجزاء پرداخته مي شود.
سيکلوترون هاي مورد استفاده در بيمارستان ها براي توليدات راديوايزوتوپ PET و راديوشيمي داراي انرژي در حدود ۱۸ Mev است.
● اجزاء مشترک همه سيکلوترون ها
۱) منبع توليد يون و سيستم تزريق آن: در سيکلوترون يون هاي متعددي شتاب داده مي شوند. اين يون عبارتند از : P+ ، H ، He۲+ ، He۲+ ( ? )، D، D و برخي يون هاي سنگين که البته يون هاي سنگين در سيکلوترون هاي با مصرف بيمارستاني کاربردي ندارند. از بين اين يون ها، يون H جايگاه خاصي دارد، زيرا تا حدودي کار با اين گونه سيستم ها راحت تر و خود حفاظي آنها بيشتر است. يون H مورد استفاده براي شتاب دادن از گاز هيدروژن به دست مي آيد.
گاز به داخل اتاقکي چپ مي شود که در آنجا با عبور جريان زيادي از الکترون گرم مي شود، در عبور از اتاقک، الکترون ها با گاز هيدروژن برخورد مي کند و توليد تعداد زيادي از يون هاي H مي کنند. يون هاي H به داخل اتاقک خلأ تزريق مي شوند. اين کار با اعمال ولتاژ صورت مي گيرد. تعداد زيادي از يون هاي تزريق شده در داخل محفظه شتاب تشکيل يک دسته اشعه را مي دهند، که به اين دسته اشعه، دسته اشعه سيکلوترون گفته مي شود.
۲) مجموعه سيستم شتاب دهنده راديوفرکانسي:
ذره باردار متحرک (مثبت يا منفي) در يک ميدان مغناطيسي منحرف مي شود. اگر ميدان مغناطيسي ثابت باشد ذره فقط مسيرش تغيير و حرکت آن دايره اي است. مقدار سرعت و انرژي ذره در اين حالت ثابت مي ماند.
براي کسب انرژي، ذره بايستي شتاب پيدا کند. بنابراين به يک ولتاژ بالا براي اين کار نيازمنديم. يک ولتاژ بالا ( ۳۰,۰۰۰ V ) با زاويه عمود بر ميدان مغناطيسي بين دو الکترود به نام Dها اعمال مي شود ولتاژ بالا موجب جذب ذره و در نتيجه موجب شتاب آن مي شود. با تغيير سريع اين ولتاژ شتاب ذره بارها تکرار مي شود. فاز تغيير اين ولتاژ با فاز حرکت ذره به گونه اي است که در هر يک چهارم سيکل شتاب افزايش پيدا مي کند (در هر D )که اين موجب حرکت مارپيچي ذره مي شود. هنگامي که شتاب ذرات به حد کافي رسيد، دسته اشعه شتاب دار را مي توان به داخل ماده هدف تزريق کرد.
۳) سيستم خلأ
فضاي بين Dها يا مسير حرکت ذرات باردار توسط يک سيستم پمپينگ کاملاً از هوا و ساير گازها تخليه مي شود. يک پمپ معمولي (تا چندم ميلي بار) اين کار را انجام مي دهد. ذره در هنگام شتاب دار شدن با هيچ عاملي برخورد ندارد و انرژي خود را از دست نمي دهد. معمولاً از سيستم پمپ هاي روغني در سيستم هاي سيکلوترون استفاده مي شود.
۴) مجموعه هدف
در سيکلوترون ها از ذرات پرانرژي استفاده مي شود. اين ذرات تشکيل يک دسته اشعه را مي دهند. اين ذرات بر روي ماده هدف کانوني مي شوند. در سيستم WR PET، سيستم هدف حاوي انواع خاصي از گاز ( O، N يا Ne ) است، هنگامي که ذره بمباران کننده در ماده هدف جذب شد، تعداد زيادي از واکنش هاي زير اتمي اتفاق مي افتد و نتيجه آن تشکيل يک هسته مرکب است. اين هسته مرکب در نهايت تلاشي يافته و در فرايند تلاشي، توليد انرژي به شکل تابشي ذره اي الکترومغناطيسي مي کند.
توليد مداوم هسته هاي مرکب همراه با توليد گرما است، که اين گرما بايستي از محيط هدف خارج شود. ترکيبي از گارهاي سردکننده و آب سرد شده مجموعه سيستم سرمايي سيکلوترون را تشکيل مي دهند.
۵) توليد راديوداروهاي PET
توموگرافي نشر پوزيتروني يک روش تصويربرداري غيرتهاجمي براي رويت عملکرد بافت ها و ارگان است. براي دستيابي به اين هدف، بيمار نياز به راديوداروي ناشر پوزيترون دارد. راديوداروها معمولاً حاوي مقدار کمي راديوايزوتوپ هستند. عمده ترين اين راديوايزوتوپ در PET، ۱۸F با نيمه عمر ۱۱۰ دقيقه است که مي تواند به داروهاي متعددي باند شود. مهم ترين آن FDG است. سيکلوترون ها در بيمارستان مستقر هستند. پس از ساخت راديوايزوتوپ آن را براي توليد راديودارو به آزمايشگاه مجاور منتقل مي کنند. در برخي سيستم ها کل فرايند به شکل اتوماسيون انجام مي شود.

(Ion Beam Application) IBA کارخانه ساخت و طراحي سيکلوترون در کشور بلژيک است. اين کارخانه يکي از بزرگ ترين سازندگان شتاب دهنده ذرات، براي توليد راديواي ...

دستگاه PET که اختصارشده Positron Emission Tomography و در فارسي «برش نگاري با نشر پوزيترون» ناميده مي شود، قابليت هاي زيادي در تشخيص بيماري هاي سرطان، ...

دانلود نسخه PDF - سيکلوترون , سينکروترون