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