PARÇACIK HIZLANDIRICILARI VE TIP ALANINDA UYGULAMALARI Radyasyon Sağlığı Fiziği Fatih Sezer 11-10-606

Parçacık Hızlandırıcıları elektron (e-), proton (p), antiproton gibi yüklü temel parçacık demetlerini oluşturarak, onları hızlandırarak enerjilerini arzu edilen değere kadar çıkarabilen özel tasarımlı donanımlardır Konsept olarak hızlandırıcılarının gelişimi; parçacıkların hareketleri sırasında izledikleri yörüngelere göre, DOĞRUSAL ve DAİRESEL Hızlandırıcılar olmak üzere iki ayrı şekilde olmuştur. Sağlık sektöründe teşhis ve tedavi amaçlı elektron ve proton hızlandırıcıları kullanılmaktadır. (Mv) şeklinde yazılırsa foton anlamında. 1 -Düşük enerjili elektronlar (4-8 MeV) ve Fotonlar 2- Orta enerjili elektronlar (10-15 MeV) ve Fotonlar 3- Yüksek enerjili elektronlar(18-25 MV) ve Fotonlar

LİNEER PARÇACIK HIZLANDIRICILARI (LİNAC) Lineer hızlandırıcılar 2 tipdir Elektrostatik prensibiyle çalışan hızlandırıcılar Mikrodalga prensibiyle çalışan hızlandırıcılar

Elektrostatik prensibiyle çalışan lineer hızlandırıcılar En basit parçacık hızlandırıcısı için elektrotlar arasına, yüksek voltaj uygulamaktır. Elektrotlardan birinde aynı zamanda parçacık kaynağı da bulunmaktadır. Elektron demetleri için bu termo-iyonik katottur. Başka bir DC yada yüksek frekans kaynağı kullanılarak seyreltik gazların iyonlaştırılmasıyla elde edilen protonlar, hafif ve ağır iyonlar da hızlandırılabilmektedir. Bu şekilde elde edilen parçacıklar elektrik alanla hızlandırılmaktadır. Hızlandırma bölgesi parçacıkların gaz molekülleriyle çarpışıp enerji kaybetmelerini engellemek amacıyla vakum altında tutulmaktadır.

. Parçacık bu şekilde ikinci elektroda kadar enerji kaybetmeden hızlanır. İkinci elektrotu genelde parçacığın sabit hızla hareket ettiği (elektrik alanın olmadığı) bir bölge takip eder. Parçacığın bu şekilde hızlandırılmasıyla elde edilen enerji, teknolojik limitler nedeniyle oldukça sınrlıdır.

Hızlandırma bölgesinde düzgün bir elektik alan oluşturmak için ihtiyaç duyulan gerilim Elde etme yöntemleri Van de Graaff üretecinde metal bir elektrottan çıkan elektrik yükleri önce bir taşıyıcı banda, bu bant aracılığı ile de bir iletken küreye aktarılır. Bir süre sonra bu küre yüksek bir yük değerine ulaşır. Böylece küre potansiyeli ile toprak arasında yüksek gerilim oluşur. Milyonvolt mertebesinde gerilim oluşturabilirler.

Şekilde de gösterildiği gibi lineer hızlandırıcı, demetin hareket doğrultusu boyunca sıralanmış bir dizi sürüklenme (drift) tüplerden meydana gelmektedir. Bu tüpler bir RF (radyo frekans) kaynağına bağlıdır.

RF kaynağı yüksek frekansta alternatif voltaj sağlamaktadır. İlk yarım periyotta birinci drift tüpe uygulanan voltaj “iyon kaynağını” terk eden parçacığı hızlandırır. Drift tüpler, Faraday kafesi gibidir ve parçacıkları dış alanlara karşı perdeler. Bu arada, RF alanının yönelimi (aşağı veya yukarı) parçacık herhangi bir etki hissetmeksizin terslenir.

Demet birinci ve ikinci tüplerin arasına geldiğinde tekrar hızlanır. Bu süreç her bir drift tüp için kendini tekrarlar. i. drift tüpün sonunda q yüklü parçacığın ulaşmış olduğu enerji, Ei=iqUmaxsinW ile verilir. W, parçacığın tüpler arasındaki boşlukları geçerken görmüş olduğu ortalama RF voltaj fazıdır. Buradan şu anlaşılmaktadır: Parçacığın kazanacağı enerji tüp sayısıyla doğru orantılıdır.

Buna karşın alternatif voltajın frekansı sabit kalmaktadır. Parçacığın ivmelenmesi sırasında hız sürekli artmaktadır. Buna karşın alternatif voltajın frekansı sabit kalmaktadır. Çünkü zaten pahalı olan RF güç kaynağının maliyeti mantıklı limitler içinde tutulmak istenmektedir. Eğer hız artıyorsa, drift tüpler arasındaki boşlukların giderek artması gerekir. Bu bir dezavantajdır.

Söz konusu hızlandırma prensibi ortaya konduğunda yeterince yüksek frekanslı üreteçleri imal etmek mümkün olmamıştır. 1928 yılında ancak 7 MHz’lik RF üreteçler imal edilebilmiştir. Bu durumda ışık hızının yarısına sahip parçacığı hızlandırmak için 10.7 m uzunluğunda bir tüp gerekmiştir. Daha kısa tüpler kullanabilmek için ise çok daha yüksek frekanslı RF donanıma ihtiyaç duyulmuştur. 1937 yılında Stanford’da Hansen ve Varian kardeşlerin klystron’u (klistron) icat etmesiyle 100 MHz-10 GHz gibi geniş yüksek frekans aralığı elde edilebilmiştir. Ancak daha yüksek frekanslarda elektromanyetik ışıma nedeniyle yaşanan kayıpları azaltmak için, Alvarez tüpler arasındaki boşlukları metal kavitelerle çevreleyerek yeni bir konsept bulmuştur.

• Dairesel Hızlandırıcılar ( Circular Accelerators ) - Siklotron Mikrotron Betatron -Sinkrotron

SİKLOTRON (Cyclotron) HIZLANDIRICILAR Siklotron, sarımlardan sabit bir akım geçen H şeklinde büyük bir mıknatıstan meydana gelmektedir. Mıknatısın kutupları arasında, D-elektrotları (DEE) bulunan bir vakum odası vardır. D-elektrotları parçacıkların hızlanmasından sorumludur.

Jeneratörün üretmiş olduğu RF voltajı bu iki yarım elektrota uygulanmaktadır. Parçacıklar, merkezde iki kutbun arasında yer alan bir iyon kaynağından yayınlanırlar. İki DEE arasından geçerken hızlanan parçacıklar daha büyük bir yarıçapa sahip yörüngeyle yollarına devam ederler. RF kaynağın frekansı siklotron frekansına eşit olacak şekilde seçilmelidir. Böylece parçacık boşluğa her gelişinde aynı hızlandırıcı alanla karşılaşır. Parçacıklar enerji kazandıkça, spiraller çizerek mıknatısın kenarına ulaşırlar. Mıknatısın tarafından yansıtılır ve hedefe gönderilir.

Klasik siklotronlar, protonları, döteronları ve α-parçacıklarını 22 MeV’a kadar hızlandırabilmektedir. Bu enerjilerde bile hareket relativistik değildir. Daha yüksek enerjilerde siklotron frekansı artan kütleyle birlikte ters orantılı olarak azalmaktadır. Eğer RF frekansı da uygun olarak artırılırsa daha yüksek enerjilere ulaşılabilir. Bu işlemin yapıldığı hızlandırıcılara da “sinkrosiklotron” denir. (Çok büyük çaplı hızlandırıcıların çalışma şekli “Cern”) Elektronun kütlesi küçük olduğundan elektron için kullanılmazlar, proton hızlandırmak için kullanılırlar.

Manyetik alan içinde hareket eden bir parçacık için hareket denklemi SİKLOTRON FRAKANSI Manyetik alan içinde hareket eden bir parçacık için hareket denklemi Lorentz kuvveti her zaman hareket yönüne diktir. : Doğrusal hız (vektörel) ,  Manyetik alan vektörü. Bir  r yarıçaplı yörüngede dönen parçacığa etki eden merkezcil ve lorentz kuvvetleri birbirine eşittir. Jirasyon yarıçapı Dairesel hareket yapan bir cisimin 1 tur için geçmesi gereken süre (periyot)

Rölavistik hızlarda ise, Siklotron frekansı Açısal frekans

MİKROTRON( microtron) Siklotron prensibi, devir frekansının sabit olması, elektronlara uygulanamıyordu. Çünkü elektronların durgun kütlelerinin çok küçük olması, onların çabucak relativistik hızlara ulaşmalarına neden oluyordu. Sonuç olarak, elektronların kütleleri enerji ile doğru orantılı olarak artarken siklotron frekansı ters orantılı olarak azalmaktadır.

Race Track Microtron Elekronlar, bir elektrotdan yayınlanır ve injektör mıknatıs onları ilk defa hızlandırıcı bölgeye yönlendirir. Hızlandırıcı bölgenin sonunda elektronlar saptırıcı bir mıknatıs tarafından 180° geri saptırılırlar. Elektronlar, kendilerini tekrar hızlandırıcı kesime döndürecek saptırıcı mıknatısa gelinceye kadar doğrusal bir yol izlerler.

Bu işlem defalarca tekrarlanır. Her defasında sapma yarıçapı giderek büyür. Elektronların ejektör mıknatısa gelip deney cihazlarına saptırılmasıyla tekrar süreci son bulur. Çok yüksek hızlandırıcı frekansın seçilmesi ve enerji kazancının parçacığın toplam yörüngesi RF dalga boyunun tam katları olacak şekilde ayarlanmalıdır. Bu yöntem “mikrotron” da kullanılmaktadır. Mikrotronlara elektronlar için özelleştirilen siklotronlar gözüyle bakılabilir.

Örenek bir Race-track microtron (RTM) değerleri Işın enerjisi: 6, 8, 10, 12 MeV Frekans: 5.25 cm / 5712 MHz, Manyetik alan: 0.8 T, Ilk enerji: 25 keV, RF Gücü < 750 kW RTM boyutları:670x250x210 mm, RTM ağırlığı: <100 kg

Betatron Şimdiye kadar incelediğimiz tüm hızlandırıcılar manyetik alan sabit kalacak şekilde tasarlanmıştı ve parçacığın yörünge yarıçapı enerji ile artmaktaydı. Ancak betatronda parçacık hızlandıkça manyetik alanda artırılmaktadır. Böylece, dairesel yol her zaman aynı büyüklükte kalır. Burada hızlandırıcı elektrik alanı manyetik alan tarafından oluşturulmaktadır. Çünkü indüksiyon yasasına göre zamanla değişen manyetik alan elektrik alan üretmektedir. B (t)= Bo sinwt Bu nedenle özel bir hızlandırıcı bölge tasarlamaya gerek yoktur.

• Betatron,transformatör ilkesini kullanmaktadır ancak burada ikincil bobin yerine çember biçimli kapalı vakum içinde dolandırılan elektron demeti kullanılmaktadır.

Betatronlar tıp sektöründe kullanılmamaktadır. Betatron,transformatör ilkesini kullanmaktadır ancak burada ikincil bobin yerine çember biçimli kapalı vakum içinde dolandırılan elektron demeti kullanılmaktadır. 6MeV betaron (1942) Betatronlar tıp sektöründe kullanılmamaktadır. Sanayide kullanılmaktadır.

33 MeV Betatron cihazı 1974- BERLİN

Mikrodalga prensibiyle çalışan lineer hızlandırıcılar (magnetron- klaystron) Şu anda tıp alanında kullanılan hızlandırıcıların %95 bu sistemle çalışır

ÇALIŞMA İLKESİ Yüksek hızlar ve yüksek akımlar elde etmek için ilerleyen dalga kullanmak daha verimlidir. Bu ilerleyen dalganın tepe noktasında, parçacıkların hızlandırıcının boyunu, sanki bir sörf tahtası ile okyanus dalgasının tepesinde gezinirmiş gibi kat ettiklerini hayal edebiliriz. Dirençsel kayıplar yüksek olduğundan, bu ilerleyen dalgayı sürdürmek için, hızlandırıcı boyunca düzenli aralıklarla güç verilmelidir. Bu nedenden ötürü hızlandırıcılar, sürekli bir demet yerine pulslu bir modla çalıştırılırlar. Pulslu moda güç, sadece zamanın küçük bir kesri içinde sağlanmaktadır.

     Mikrodalga odacıkları: İletken bir metalden oluşan silindir şeklindeki odacıklar içinde ( 8 cm çap), 3000 MHz frekansta titreşim oluşturulur.

·        Elektron hızlandırılması: Odacıkta oluşan bu yüksek frekanslı elektromanyetik dalga, silindirin ortasındaki kanala iletilir .Elektron tabancasından elde edilen elektronlar 50 keV enerji ile hızlandırıcı tüp içerisine gönderilir; Odacıktan odacığa silindir eksenindeki bu kanal boyunca doğrusal olarak ileriye gittikçe hızlanır. Silindirin çıkışında elektronların hızları, odacıkta aldıkları hızları toplamına eşittir.

 2. Elektron hızlandırıcıların çalışma şekli:  Elektrik  akımı modülatörde depolanır. Ve bir kontrol sistemi, bu akımı belli aralıklarla (50-200 Hz frekansında yani saniyenin binde biri aralıklarıyla ) titreşimin oluşacağı klystron veya magnetron adı verilen kısma ve aynı zamanda elektron tabancası gönderir. Titreşimlerle eş zamanlı olarak serbestlenen elektron grupları hızlandırma odaları içine gönderilir. Hızlandırma odalarına iletilen titreşimlerin hepsinin aynı frekansta olması otomatik olması otomatik frekans kontrol modlü sayesinde temin edilir. Hızlandırma odacıklarından çıkan elektronlar 90 veya 270 derece açı ile saptırılarak ışının çıkacağı kafa kısmına yönledirilirler.

Yüksek enerjili elektronlar, hızlandırıcının çıkış penceresinden, en yüksek enerjilerini kazanarak, 3 mm çapında pencil beam olarak çıkarlar. Enerjileri yaklaşık 5 MV/metre'dir. X ışınlar elde etmek için, bu huzme, tüp ile hedef arasındaki yönlendirici mıknatıs (bending) ile 90 veya 270 derece saptırılarak elektron demetinin çıkacağı kafa kısmına yönlendirilir. Buradan da hedefe (target) veya yapının dışına verilir.

Radyo terapide kullanılan bir LİNEER hızlandırıcının blok şeması

Medikal hızlandırıcının ana parçaları: Mikrodalga kaynağı (Magnetron veya Klystron) Elektron tabancası Dalga kılavuzu Hızlandırıcı tüp Bükücü mıknatıs

Dalga Kılavuzu, Mikro dalgaları iletmek için kullanılan içi boş bir metal kanaldır. kablo yerine geçer.

Magnetron mikro dalga oluşturmak için kullanılır. Çıkış sinyalleri klystrondan daha kararsızdır. (2-3) MV çıkış verir. Düşük güçlü hızlandırıcılarda kullanılır (4-6MV).

Klaystron , Mikrodalgaları güçlendirmek için kullanılır. Radar sinyalleri ve televizyon link sistemlerinde kullanılan RF sinyallerini yükseltirler. Lineer hızlandırıcılarda, parçacığı hızlandıran RF (3GHz ) siyalini yükseltmek için, Yüksek enerjili hızlandırıcılarda kullanılır(>15MV). Genelde birkaç odacıklı imal edilirler.

Klaystron kesit görünümü (Variant) Magnetron, elektromanyetik mikro dalgalar üreten, klystron ise elektromanyetik dalgayı güçlendiren düzeneklerdir. 15 MeV'den daha büyük elektronlar için klystron kullanılır.

Hidrojen thyrotron tüpü klystrona Gönderilmek üzere mikro dalga üretir.

Hızlandırıcı Mikrodalga klavuzu (Hızlandırıcı tüpü), silindirik tüpten oluşmuş yaklaşık 10 cm çapındadır. ¼ dalga boyu aralıklarla metalik disk veya diagramdan oluşan seri bakır odacıklardan ibarettir. Bu tüpe yüksek derecede vakum uygulanır.

Patenti alınmış bir hızlandırıcı tüpü

Ağır Partikül Hızlandırıcılar a) Nötron hızlandırıcıları ** Hızlı nötronlar 1965 yılından sonra radyoterapide kullanılmaya başlandı. ** Yüksek LET’ li nötronlar radyasyona karşı dirençli tümörlerin tedavisinde kullanıldı. ** Nötronlar titanyum tabakası içinde absorbe edilen trityum (1H3) izotopunun deutriyum (1H2) iyonları ile bombardıman edilmesi sonucu meydana gelen reaksiyondan elde edilir. 1H2 + 1 H3 → 2He4 +0n1 ** İmalatları, yeterli sonuç alınamaması ve radyasyon ** Kontaminasyonu nedeniyle durdurulmuştur.

b) Proton hızlandırıcıları (clotronlar) Protonlar farklı dozimetrik karakteristiklere sahiptirler Konvansiyonel radyasyonda giderek düşen enerji bırakımı Protonlar yükselen enerji bırakımı ile nüfuz edebilme alanı maksimum ( “Bragg Peak” ) doruk noktasına ulaşır. Sağlıklı dokulara daha düşük seviyede doz bırakırlar .

* Yüklü partikül hızlandırıcılarıdır. William Henry Bragg * Yüksek enerjili proton kaynağı olarak RT de kullanılmıştır. 1915 Nobel Prize in Physics (1862 – 1942) * Maliyeti çok yüksektir. 1952 yılında NewYork Brookhaven’da İlk proton siklotronu 3 GeV’lik enerji ile 1954 yılın da ilk hasta tedavi uygulaması Berkeley kliniği 1954 California Berkeley’de 6 GeV’lik bir betatron geliştirilmiştir. 1960’lı yılların başında İlk elektron depolama halkaları 28 ve 33 GeV’lik iki büyük proton sikratronu sırasıyla CERN ve Brookhaven laboratuvarlarında kullanılmıştı 184" Cyclotron 1972 yılında 400 GeV’lik bir proton sinkrotronu İllinois ’ teki FERMILAB’ da inşa edilmiş daha sonra benzer sinkrotron CERN’de de kurulmuştur.

Kaynaklar: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lineaer_accelerator_en.svg http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/cyclot.html http://w3.gazi.edu.tr/~mkaradag/tezler/ertugrulis.pdf http://icc.ub.edu/congress/ESP-RUS2011/Talks_Presentations/Parallel_Sessions/Seminar_S214/10-11-11/Kubyshin.pdf https://www6.slac.stanford.edu/facilities/lcls.aspx http://onkder.org/text.php3?id=806 http://eecue.com/a/1499/ASTRO-07.html/page:1 http://www.aapm.org/meetings/2010am/documents/biggs2.pdf http://tarla-fel.org/thm/tac/YAZOKULU/yazokulu2/dersnotlari/FotonDozimetrisi.pdf

TEŞEKÜRLER

1-Lineer hızlandırıcılı bir radyoterapi cihazının blok şemasını çiziniz ve Çalışmasını kısaca açıklayınız. 2-Siklotron Frekansının rölavistik hızlarda çıkarımını yapınız. 0.8 Teslalık bir manyetik alan içersinde dönmekte olan bir proton için Siklotron frekansını bulunuz. q= 1.6 x 10^-19 J , m=1.67 x 10^ -27 Kg

- Modülatör, birkaç mikro saniye aralıklarla darbeler halinde magnetron ya da klystrona ve elektron tabancasına eşzamanlı olarak sinyal gönderir. -(Mikrodalgalar) elde etmekte kullanılan magnetron veya klystron gibi özel tüplerden, frekansı yaklaşık 3000 MHz olan elektromagnetik dalgalar elde edilir. - Elektron tabancası ile elde edilen elektronlarda yaklaşık 50 keV 'luk enerji ile hızlandırıcı tüp içine enjekte edilirler. - Havası tamamen boşaltılmış , hızlandırıcı tüp içine sevk edilen elektromanyetik dalgaların hızı, tüpün kaviteli yapısı sayesinde düşürülerek elektronları sürüklemesi sağlanmaktadır. -Elektronlar hızlandırıcı tüpünden çıkışta yaklaşık 3 mm çapında ve 25MeV enerjiyle çıkarlar. -Demet bükücü mıknatıslar sayesinde 90 ve 270 derece saptırılarak direk dokuya veya X ışını oluşturmak için Target e gönderilirler.

Manyetik alan içinde hareket eden bir parçacık için hareket denklemi SİKLOTRON FRAKANSI Manyetik alan içinde hareket eden bir parçacık için hareket denklemi Lorentz kuvveti her zaman hareket yönüne diktir. : Doğrusal hız (vektörel) ,  Manyetik alan vektörü. Bir  r yarıçaplı yörüngede dönen parçacığa etki eden merkezcil ve lorentz kuvvetleri birbirine eşittir. Jirasyon yarıçapı Dairesel hareket yapan bir cisimin 1 tur için geçmesi gereken süre (periyot)

Rölavistik hızlarda ise, Siklotron frekansı Açısal frekans