یک فیزیسیست

سيکلوترون (Cyclotron)

سيکلوترون يک نوع شتاب دهنده است که مي تواند به ذرات باردار هسته اي (آلفا ، دوترون، پروتون و ...) شتاب دهد. وقتي به اين ذرات شتاب داده شود داراي انرژي خواهند شد. شتاب داده شده بوسيله مسير حلزوني است که توسط يک ميدان بسيار قوي مغناطيسي ايجاد مي شود. عمل شتاب دادن در خلا انجام مي شود تا برخورد ذره شتاب دار با هوا و يا گاز به حداقل برسد. وقتي انرژي ذره مورد نظر به حد کافي بالارفت (حدود 18 Mev) توسط فيلتر کربني الکترون هايشان از آنها جدا مي شود تا به پروتون (يا در موارد ديگر دوترون) تبديل شوند تا به سمت هسته هاي هدف پرتاب شوند. هسته هدف که پروتون را جذب کرده راديواکتيو مي شود که به آن "راديوايزوتوپ"  گفته مي شود. بسياري از تصوير برداري هاي PET از فلور 18 (Fluorine-18) بهره مي برند.

در اين سيکلوترون ها به يون منفي هيدروژن (که متشکل از يک پروتون و دو الکترون است) و يا يون منفي دوتريوم (تشکيل شده از يک پروتون و يک نوترون و دو الکترون) شتاب داده مي شود. اين سيکلوترون ها براي توليد ايزوتوپ هاي PET و برخي ايزوتوپ هاي ديگر تحقيقاتي به کار برده مي شود.

اگرچه هر سيکلوتروني ويژگي کخصوص خود را دارد ولي از اجزاي اصلي زير تشکيل شده اند:

1_ چشمه يوني و سيستم تزريق آن

2_ مجموعه شتاب دهنده فرکانس راديويي (RF)

3_ سيستم خلا

4_ مجموعه هدف (متشکل از شاتل و خنک کننده و پمپ ها خلا و ...)

5_ سيستم ايمني

1_ چشمه يوني و سيستم تزريق آن

يون هاي هيدروژن از گاز هيدروژن بدست مي آيند. اين گاز درون يک محفظه با حرارت بالا تزريق مي شود که الکترون هاي زيادي از آن عبور مي کنند. در هنگام عبور گاز از اين محفظه، الکترون ها با گاز هيدروژن برخورد کرده که باعث توليد مقدار زيادي يون منفي هيدروژن مي شود. سپس H- به داخل محفظه خلا تزريق شده که داراي ولتاژي متفاوت است. جمع کثيري از يون ها به داخل شتاب دهنده تزريق مي شود که پرتو يوني را تشکيل مي دهند.

2_ مجموعه شتاب دهنده فرکانس راديويي (RF)

بدليل اين حقيقت که ذرات باردار منفي يا مثبت داخل ميدان مغناطيسي منحرف مي شوند باعث حرکت و شتاب ذرات باردار داخل سيکلوترون مي شود. اگر ميدان مغتاطيسي عمود بر مسير حرکت ذره باردار باشد بيشترين مقدار انحراف رخ خواهد داد. سرعت و در نتيجه انرژي ذره بايد به مقدار مورد نظر افزايش يابد که اين کار بوسيله شتاب دادن انجام مي شود. يک ولتاژ زياد (معمولا 30,000V ) با زاويه قائم به ميدان مغناطيسي به ميان دو الکترود که دي (dee) نام دارد اعمال مي شود. dee ها از جنس مس بوده که داراي مقاومت پاييني هستند تا بيشترين اعمال ولتاژ شتاب را بوجود آورند. ولتاژ بالا باعث جذب و در نتيجه شتاب گرفتن ذره مي شود. بوسيله تغيير سريع جهت اعمال ولتاژ (فرکانس بالا) ، شتاب دادن به دفعات زياد رخ مي دهد. شتاب دادن هاي پي در پي ، باعث حرکت حلزوني يون به سمت خارج مي شود که اين پرتو ها مي تواند به سمت هدف پرتاب شود. چون فاصله ذره باردار از مرکز دوران با رابطه مقابل داده مي شود: r = mv/qB که m  جرم ذره وV سرعت آن ، q بار آن و B  ميدان مغناطيسي اعمال شده است. انرژي جنبشي آن نيز چنين است: K = 1/2 mv² = R²q²B²/2m که R شعاع "دي" ها است.

براي مشاهده شکل پيشرفته حرکت ذره اينجا را کليک کنيد.

3_ سيستم خلا

Dee ها بوسيله يک پمپ قوي خلا ساز تخليه مي شوند تا ذره شتاب دار در حين شتاب گرفتن با اتم هاي گاز برخورد نکرده و به راحتي شتاب بگيرد. چون در صورت وجود هوا در مسير باعث تغيير انرژي يون شده و کيفيت محصول نهايي هدف را پايين مي آورد. همچنين در اثر برخورد يونها، اين يونها منحرف مي شون و به ديواره ها برخورد خواهند کرد که از شدت پرتو خواهد کاست. براي اين دستگاه ها معمولا از پمپ هاي انتشار روغني براي ايجاد خلا استفاده مي شود.

4_ مجموعه هدف (متشکل از شاتل و خنک کننده و پمپ ها خلا و ...)

سيکلوترون از باريکه ذرات پرانرژي استفاده مي کند که بر روي ماده هدف منسجم شده است. وقتي ذره بمباران کننده در هسته ماده هدف جذب شود ، بسته به انرژي ذره پرتاب شونده و سطح مقطع عنصر هدف براي انرژي هاي مختلف واکنش هاي مختلفي را شاهد خواهيم بود (مانند:  (p,n) يا (p,2n)  و ...) که در اين موارد باعث تغيير ماهيت هسته ، در نتيجه تغيير ماهيت خود ماده خواهد شد که مي توانيم از عنصري عنصر ديگري را توليد کنيم که راديواکتيو خواهد بود.

در اثر اين بمباران گرماي زيادي در هدف (به دليل افت خطي انرژي) توليد خواهد شد که بايد توسط سيستم خنک کننده ، خنک شود.

قالبي  که هدف در آن قرار مي گيرد تا در اطراف آن خلا توليد شود و بدون نشت خنک کاري انجام شود ، شاتل گفته مي شود.

به دليل متفاوت بودن شکل هندسي مجموعه هدف هاي گاز و مايع و جامد، اين مجموعه هاي در اتاق هاي مختلفي قرار دارند که از خروجي هاي مختلف سيکلوترون سر چشمه مي گيرند.

5_ سيستم ايمني

سيستم هاي ايمني بسياري در سيکلوترون وجود دارد که آن را کنترل مي کنند و بر قسمت هاي مختلف آن از جمله : گازها، تهويه، خنک کاري، نمايش تشعشع و ايمني پرسنل ، نظارت مي کند. مونيتورها توسط سيستم PLC به صورت 24 ساعته وضعيت سيستم را نشان مي دهند.

در هنگام توليد يک راديوايزوتوپ ، که به طور متوسط 90 دقيقه طول مي کشد(براي محصولات مختلف متفاوت خواهد بود) ، سيکلوترون در حال تشعشع است به همين دليل سيکلوترون بايد در اتاقي قرار گيرد که راه ورودي آن مارپيچ مي باشد تا ذرات داراي انرژي مستقيم و به راحتي نتوانند از آن خارج شوند. ديواره هاي اتاقي که سيکلوترون در آن قرار دارد داراي ضخامتي حدود 2m است. وقتي سيکلوترون خاموش است تشعشعي را توليد نخواهد کرد ولي ممکن است اتاق هدف(که جدا از اتاق سيکلوترون است و لي پرتو ها توسط باريکه اي که قسمت خروجي سيکلوترون است به هدف مي رسند) داراي تشعشع باشد که ناشي از برخورد ذرات باردار خروجي با محيط اطراف است.

همچنین در صورت هرگونه نشتی که منجر به از بین رفتن خلا قسمت هدف شود ، سیکلوترون از کار خواهد ایستاد و باعث اعلام هشدار می شود.

راديوايزوتوپ هاي توليد شده بايد بوسيله مراحل شيميايي از عنصر مادر و ايزوتوپ هاي جانبي جدا شده تا در صورت استفاده پزشکي ، به سلامتي بيمار آسيب نزند.

يکي از راديوايزوتوپ هايي که به طور وسيع استفاده مي شود 18F است که بوسيله نشاندار کردن مواد مختلف راديو داروهاي هسته اي از آن ساخته مي شود. يکي از معروف ترين نشاندار شده ها بوسيله 18F راديو داروي FDG است که مخفف FluoroDeoxyGlucose است و براي توموگرافي و تصويربرداري قلب و مغز از آن استفاده مي شود.

انواع ديگر راديو دارو هايي که بوسيله 18F نشاندار شده اند بدين شرح اند:

18F-FMISO (18F-Fluoromisonidazole), 18F-FLT (18F-Fluorodeoxythymidine) and 18F-FCH (18F-Fluorocholine).

البته راديوداروهاي مختلف و متنوعي وجود دارد که هر کدام روش توليد مخصوص به خود را دارند که در پست هاي قبلي به کاربرد آنها اشاره شده است.