cern wśród nas

advertisement
AKCELERATORY I DETEKTORY WOKÓŁ NAS
AKCELERATOR W CERN
Chociaż akceleratory zostały wynalezione dla fizyki cząstek elementarnych,
to tysięcy z nich używa się w innych gałęziach nauki, a także w przemyśle i
medycynie. Większość z nich to małe akceleratory liniowe używane w
fabrykach do polimeryzowania plastyków, utylizacji odpadów i sterylizacji
żywności oraz w szpitalach do różnego rodzaju zabiegów. W dziedzinie
medycyny możemy się również spotkać z cyklotronami (akceleratorami
kołowymi) używanymi do produkcji izotopów w celu zaopatrywania szpitali w
zmodyfikowane biologicznie związki chemiczne, których położenie w
organiźmie możemy wykrywać dzięki cząstkom, które emitują. Niektóre z
nich, z uwagi na ich biochemiczny charakter, mogą nawet "wybierać"
określone
części
ciała,
które
chcemy
zbadać
lub
leczyć.
Ostatnio dużym zainteresowaniem, szczególnie w Europie, USA i Japonii,
cieszy się pomysł zbudowania akceleratora protonowego o energii kilkuset
MeV, który można by użyć do niszczenia głębokich nowotworów. Protony, z
milimetrową precyzją, deponują większość energii na końcu swojej drogi,
minimalnie niszcząc powierzchnię tkanek i oszczędzając delikatne organy
znajdujące się wokół nowotworu.
Powracając do przemysłu, wiązka ciężkich jonów, np. taka jaką
dysponuje GSI w Darmstadt, jest stosowana do wszczepiania atomów na
powierzchniach nadprzewodników, używanych do produkcji układów
scalonych do nowoczesnych komputerów. Inne zastosowanie w przemyśle
to hartowanie powierzchni metali dla zwiększenia ich wytrzymałości i
rzeźbienie w krzemie z mikronową precyzją.
Akceleratory można wykorzystać do oczyszczania gazów odlotowych w
elektrowniach atomowych.
TOMOGRAFIA – SKANERY PET
PRZYKŁADOWY
TOMOGRAF
Tomografia - w medycynie zbiorcza nazwa metod diagnostycznych
mających na celu uzyskanie obrazu przedstawiającego przekrój przez ciało
lub jego część.
Ze względu na rodzaj wykorzystanego zjawiska fizycznego rozróżnia się
tomografy rentgenowskie, w których organizm prześwietlany jest wiązkami
promieniowania rentgenowskiego, a otrzymywany obraz odzwierciedla
głównie rozmieszczenie tkanek twardych (tomografia) oraz tomograf NMR
(jądrowy rezonans magnetyczny), w których organizm umieszczony jest w
silnym polu magnetycznym i przenikają go wiązki fal radiowych, a badany
sygnał, pochodzący z jądrowego rezonansu magnetycznego, obrazuje
rozmieszczenie wody.
PET jest rodzajem tomografii komputerowej - techniką obrazowania w której
zamiast zewnętrznego źródła promieniowania rtg lub radioaktywnego,
rejestruje się promieniowanie powstające podczas anihilacji pozytronów (
antyelektronów czyli elektonów o dodatnim ładunku) Źródłem pozytronów
jest podana pacjentowi substancja promieniotwórcza, ulegająca rozpadowi
beta plus. Substancja ta zawiera krótko żyjące izotopy promieniotwórcze
dzięki czemu większość promieniowana powstaje w trakcie badania, co
ogranicza powstawanie uszkodzeń tkanek wywołanych promieniowaniem.
Powstające w rozpadzie promieniotwórczym pozytrony, po przebyciu drogi
kilku milimetrów zderzaja się z elektronami zawartymi w tkankach ciała
ulegając anihilacji.
W wyniku anihilacji pary elektron-pozyton powstają dwa kwanty
promieniowania elektromagnetycznego (fotony) poruszające się w
przeciwnych kierunkach (pod kątem 180 stopni) i posiadają energię o
wartości 511 keV każdy. Fotony te rejestrowane są jednocześnie przez dwa
z wielu detektorów ustawionych pod różnymi kątami w stosunku do ciała
pacjenta, najczęściej w postaci pierścienia, w wyniku czego można
dokładnie określić miejsce powstawania pozytonów. Informacje te
rejestrowane są w postaci cyfrowej na dysku komputera, pozwalają na
konstrukcję obrazów będących przekrojami ciała pacjenta, analogicznych
obrazów uzyskiwanych w tomografii NMR. Zapisy te obrazują tkanki, w
których skoncentrowała się substancja zawierająca izotop. Wśród izotopów
używanych w medycynie, emitujących pozytony są : węgiel C-11, Azot N-13,
tlen O-15.
RADIOTERAPIA
Gdy w 1924 roku szwedzki fizyk Gustaw Ising zaproponował metodę
przyspieszania naładowanych cząstek w zmiennym polu elektrycznym,
zapewne nie spodziewał się, że po 30 latach rezultaty jego czysto
teoretycznej pracy zostaną wykorzystane w medycynie. Stało się to w 1953,
gdy w oparciu o pomysł Isinga zbudowano w Londynie pierwszy medyczny
akcelerator liniowy.
Sprzęt do radioterapii jest niewątpliwie drogi. Akcelerator to bardzo
skomplikowane urządzenie, w którym elektrony lub inne naładowane cząstki
przyspieszane są do prędkości bliskiej prędkości światła. Cząstki
przyspieszane są dzięki oddziaływaniu z polem elektrycznym. W
akceleratorze medycznym, w rurze próżniowej o długości ok. 1 metra, pole
elektryczne zmienia się kilka miliardów razy w ciągu sekundy. Rozpędzana
cząstka doznaje takiego przyspieszenia, jakie wywołałoby napięcie
przyspieszające o wartości kilku milionów wolt. Tor mknącej cząstki
zakrzywiany jest dalej przez pole magnetyczne i kierowana jest ona w stronę
pacjenta. W aparatach do naświetlań w terapii podstawowej, naładowane
cząstki trafiają w tarczę wolframową i wyhamowując, emitują fotony
promieniowania rentgenowskiego. Fotony te tworzą wiązkę, której kształt
jest „rzeźbiony” przez kolimator w zależności od potrzeb dyktowanych przez
rozkład zmian chorobowych u naświetlanego pacjenta. Wiązka kierowana
precyzyjnie na guz, niszczy jego komórki. Przy wyższych energiach cząstek,
używa się także bezpośrednio wiązek elektronowych. Przyszłość to terapia
hadronowa, w której do naświetlań wykorzystywać się będzie wiązki
rozpędzonych jąder atomowych.
Wykonane przez:
Sławomir Mirek
Michał Bałos
Download