مبانی استفاده از رادیوایزوتوپ ها در پزشکی

● مبانی استفاده از رادیوایزوتوپ ها در پزشکی
اکثر عناصر نظیر کربن، هیدروژن، اکسیژن، پتاسیم هر یک در چند شکل متفاوت هسته ای به طور طبیعی وجود دارند که به آنها ایزوتوپ می گویند. تمام ایزوتوپ های یک عنصر دارای خواص شیمیایی مشابهند، در عین حال برخی از آنها مثل کربن- ۱۴ و پتاسیم -۴۰ رادیواکتیو هستند. پیدایش طبیعی این ایزوتوپ های رادیو اکتیو معمولا درصد کمی از کل ایزوتوپ های غیر رادیواکتیو هر عنصر را تشکیل می دهند. رادیوایزوتوپ ها انرژی بیشتری از ایزوتوپ های غیر رادیواکتیو داشته و نیمه عمر کوتاه دارند. این رادیوایزوتوپ ها، با آزاد سازی انرژی خود به صورت ساطع یا گسیل کردن پرتو که فروپاشی نامیده می شود، به ایزوتوپ های پایدار تبدیل می شوند. تعداد زیادی از رادیوایزوتوپ ها به طور طبیعی وجود دارند، مثل رادون در گرانیت و تعداد بیشتری هم ساخته انسان هستند مثل کبالت-۶۰ که به عنوان یک رادیو ایزوتوپ از کبالت پایدار ساخته می شود و با فروپاشی پرتو گاما مجددا تبدیل به عنصر پایدار خود می شود. رادیوایزوتوپ های دست ساز بشر توسط راکتورهای هسته ای یا شتاب دهنده ها ساخته می شوند. همان طور که جلوتر هم ذکر شد، اتم های این عناصر یکسان فقط در تعداد نوترون هایشان متفاوتند.
کاربرد رادیونوکلوییدها در علوم طبیعی از با اهمیت ترین آنهاست و بزرگترین مصارف فردی رادیونوکلوییدها در پزشکی هسته ای است. در مدت کوتاهی پس از کشف رادیم در ۱۲۷۷ هخ(۱۸۹۸م) توسط ماری کوری و جداسازی آن به مقادیر ۱-۰/۱ گرم از پچبلند، بلا فاصله دریافتند که این می تواند عنصر مفیدی به عنوان منبع پرتو دهنده باشد که متعاقبا به اولین کاربرد رادیونوکلوییدها در پزشکی منجر گردید. در سال ۱۹۲۱ هوسی تحقیقات متابولیسم سرب در گیاهان را با استفاده از رادیوایزوتوپ طبیعی سرب انجام داد.
طیف رادیونوکلوییدهای قابل دسترسی برای استفاده در علوم طبیعی با اختراع سیکلوترون توسط لورنس در سال ۱۳۰۹ هخ (۱۹۳۰م) و امکان تولید رادیو نوکلوییدها در مقیاس بزرگ در راکتورهای هسته ای در اواخر دهه ۱۹۴۰ به طور قابل ملا حظه ای وسعت پیدا کرد. به عنوان مثال، کاربرد تریتیم و کربن -۱۴ مهمترین فرآیندهای بیوشیمیایی مثل فتوسنتز گیاهان را توضیح می دهد.
امروزه پزشکی هسته ای یک بخش مهم و وابسته به علوم پزشکی شده است. تولید رادیوداروها و ترکیبات آنها برای کاربرد در پزشکی هسته ای، یک بخش مهم فعالیت های هسته ای و رادیوشیمی را تشکیل می دهد. توسعه ژنراتورهای رادیودارویی امکان استفاده از رادیونوکلوییدهای با نیمه عمر کوتاه را در هر زمان در پزشکی ممکن ساخته است. سیستم ها و ابزار جدید تصویر برداری مثل توموگرافی DPECT و PET مطالعه واکنش های بیوشیمیایی و سینتیک آنها در ارگان های زنده بدن انسان ممکن می سازند. تحقیقات سنتز ترکیبات نشان دار شده که در یک فرآیند بیوشیمیایی خاص بتواند شرکت کرده و از موانع ویژه در بدن عبور کند، به نحوی که رفتارهایی ناهنجار و محل اصلی امراض را تشخیص داده یا میسر گرداند، بسیار جالب و حایز توجه می باشد. کمپلکس های رادیو نوکلوییدها; نیمه عمر کوتاه و با بازدهی بالا ی قابلیت سنتز، مورد توجه خاص هستند. در مورد رادیو نوکلوییدهای با نیمه عمر کوتاه مثل کربن -۱۱، سنتز آن باید هر چه سریع تر و تا هر اندازه ممکن بدون دخالت دست و اتوماتیک باشد. مولکول های مواد آلی نشان دار شده همچنین می توانند در حمل رادیونوکلوییدها به محل های ویژه مورد نظر در بدن به منظور معالجه، مفید واقع شوند، مثل چشمه های پرتودهی داخلی که در آن از این نوع مواد آلی استفاده شده است. برخی از کاربردهای عمومی رادیونوکلوییدها که در علوم طبیعی شناخته شده اند عبارتند از:
▪ اکولوژی (جذب عناصر کم مقدار و رادیو نوکلوییدها از محیط زیست اطراف توسط گیاهان، حیوانات یا انسان)
آنالیز (تعیین عناصر کم مقدار یا ترکیبات آنها در گیاه، حیوان و انسان)
▪ فیزیولوژی و متابولیسم (واکنش ها و فرآیندهای بیوشیمیایی عناصر و ترکیبات آنها در گیاهان، حیوانات و انسان)
▪ تشخیص (شناسایی و تعیین موقعیت امراض)
▪ معالجه (درمان امراض)
در مطالعات اکولوژی، متابولیک و تشخیص، ردیاب های رادیواکتیو به عنوان تکنیک های رادیو ردیاب به کار می روند. کاربردهای آنالیز در علوم طبیعی مبتنی بر روش های فعال سازی یا تکنیک های ردیابی است و حال آنکه در کاربردها و مقاصد درمانی رادیو نوکلوییدهای نسبتا فعال مورد استفاده قرار می گیرند. لا زم به ذکر است که در بسیاری از کاربردهای پزشکی به عنوان پرتوهای یونیزه کننده بنا بر برخی از اولویت ها و امکانات از پرتوهای ناشی از رادیوایزوتوپ ها و دستگاه های تولید پرتوهای یونیز کننده مثل اشعه ایکس یا باریکه ذرات باردار حاصل از شتاب دهنده ها استفاده می شود. بنابراین در پزشکی هسته ای بر حسب مقتضیات تخصصی و امکانات قابل دسترسی به نحوی از پرتوها یا باریکه های یونیزه کنند به روش های بسیار متعدد و گسترده ای بنا بر منظورهای مورد نظر استفاده می شود.
● کاربرد رادیو ایزوتوپ ها در صنعت
در صنعت هم نظیر کاربردهای رادیوایزوتوپ ها در پزشکی و پزشکی هسته ای، به دلیل ویژگی رادیوایزوتوپ ها و برتری خاص آنها به ایزوتوپ های پایدار، استفاده و کاربردهای بسیار متنوع و گسترده ای پیدا کرده اند. این ویژگی تا اندازه زیادی مدیون روش های تولید رادیوایزوتوپ ها می باشد، که خود سبب شده است، تولید ایزوتوپ های مصنوعی از تقریبا تمامی عناصر جدول تناوبی، با بهره گیری از تکنیک های راکتورهای اتمی، شتاب دهنده ها، چشمه های رادیواکتیو و سایر چشمه های مولد نوترون میسر گردد. لذا این رادیو ایزوتوپ ها، با طول عمرها و شاخصه های فیزیکی و شیمیایی متفاوت و در عین حال منحصر به فرد، هر یک می توانند متناسب با محدوده ها و حوزه های موردنیاز و مورد مطالعه، در دسترس و مورد استفاده قرار گیرند. قابلیت وجود این رادیو ایزوتوپ ها به صور مختلف از نظر شیمیایی و مخصوصا به صورت ترکیبات نشان دار شده یا به سبب امکان تولید سهل و ساده آنها در محل مورد مطالعه با مولدهای نوترون و الکترون باعث شده است که به تدریج دامنه های کاربرد آنها افزایش یابد. به اضافه پرتوهای متفاوت آنها یا استفاده آنها در مقیاس بزرگ چه در زمینه کشاورزی، صنعتی و...، باز هم مرزهای کاربرد آنها را نامحدودتر کرده است. آنچه که در فصل گذشته و چند فصل آینده این کتاب می آید فقط گوشه کوچکی از این کاربردها، ارایه شده اند.
کاربرد تکنیک های هسته ای در مدیریت صنعتی و محیط زیست دایما در حال افزایش هستند. جریان پیوسته عملیات آنالیز تحلیلی و پاسخ سریع ناشی از کاربرد تکنیک ها و کنترل های هسته ای که رادیو ایزوتوپ های زیادی در آن دخیل هستند، بدین معنی است که سرعت جریان انجام کار افزایش یافته و داده های تحلیلی قابل اعتماد، دایما می تواند در دسترس باشد. این نوع روند کنترل سرعت کار، کاهش هزینه ها و افزایش کیفیت محصول را به دنبال خواهد داشت. صنایع مدرن هم رادیو ایزوتوپ ها را در جهات مختلفی به کار می گیرند که به بهبود تولید می انجامد و گاهی اطلاعاتی از این کاربرد به دست می آید که از هیچ روش دیگری نمی توانستند قابل حصول باشند.
چشمه های رادیو اکتیو بسته شده در صنایع رادیوگرافی، اندازه گیری و آنالیز مواد معدنی مورد استفاده قرار می گیرند. ماده رادیواکتیو با نیمه عمر کوتاه در ردیابی جریان مواد یا اندازه گیری مخلوط کردن مواد به کار می رود.
گاما استریلیزاسیون برای محصولات پزشکی و محصولات حجیم و عمدتا برای نگهداری مواد غذایی و گاها برای استریلیزاسیون محصولاتی مثل پشم مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجایی که کبالت - ۶۰ یک رادیوایزوتوپ گسیلنده گامای پرانرژی است، اکثرا از آن به منظور فوق استفاده می گردد. این رادیو ایزوتوپ در راکتورهای هسته ای تحقیقاتی و گاهی به عنوان یک محصول جانبی در راکتورهای قدرت ساخته و تولید می شود. برخی از رادیوایزوتوپ ها نیز در کنار فعالیت های ساخت و فرایند سوخت های هسته ای تولید می شوند.
به عنوان مثال، تکنیک رادیوگرافی گاما تا اندازه زیادی شبیه دستگاه اشعه ایکس، برای کنترل چمدان ها در فرودگاه ها و مراکز کنترل مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش به عوض استفاده از یک ماشین بزرگ برای تولید اشعه ایکس فقط نیازمند به یک چشمه ای است که پرتو گاما از آن گسیل می شود. معمولا این چشمه یک دانه یا حبه کوچک از مواد رادیواکتیو در خود دارد که باید در یک کپسول تیتانیومی کاملا سربسته مورد استفاده قرار گیرد.
پرتوفرآوری عبارتست از استفاده از منابع پرتوزا با انرژی زیاد در مقیاس صنعتی که بر مبنای توانایی و ویژگی های این منابع در تولید عوامل واکنش گر در موارد مورد فرآوری اقدام مورد نظر معمول می گردد. این کاربردها بیشتر شامل پرتودهی مواد غذایی، سترون سازی محصولا ت پزشکی، ضدعفونی کردن مواد بهداشتی، کنترل یا ریشه کنی حشرات موذی، بهبود کیفیت پلا ستیک ها، کمپوزیت ها شامل پلیمراسیون، کراسلینک و تخریب در پلا ستیک ها، عایق ها و کابل ها، رنگ ها، تایرها و سایر ابزار اتومبیل می گردد. پرتو گاما در واقع مانند خیلی از پرتوهای دیگر نوعی از انرژی الکترو مغناطیسی محسوب می شود.
پرتو گاما، اشعه ایکس، ماورا بنفش مریی (نور)، مادون قرمز، امواج دیگر یا کهموج (میکروویو)، امواج رادیویی و تلویزیونی همه از فرم های تابش یا انرژی الکترومغناطیس هستند. تنها وجه متمایز بین تمام این فرم ها، فقط میزان یا مقدار انرژی است که هر یک از این امواج یا پرتوها با خود حمل می کنند.
انرژی آفتاب به منظور محافظت و خشک کردن انواع مواد غذایی برای قرن ها مورد استفاده قرار می گرفته است. در سال های اخیر از اشعه مادون قرمز و میکروویو هم برای حرارت دادن و پختن مواد غذایی استفاده شده است. کوره های میکروویو در آشپزخانه منازل و رستوران ها به وفور استفاده می شوند. امروزه کاربری پرتوهای پرانرژی، پایه و اساس تکنولوژی پرتو فرآوری را برای محصولا ت پزشکی، بهداشتی و مواد غذایی تشکیل می دهند. پرتو گاما در طیف امواج الکترومغناطیسی با بالا ترین انرژی و طول موج کوتاه و بیشترین پتانسیل نفوذ که معمولا انرژی فوتون های آن بزرگتر از Kev ۱۰۰ می باشند.
پروتوگاما توسط آب، بتون و مخصوصا مواد دارای چگالی بالا مثل اورانیم و سرب متوقف می گردد. دو مورد آخر از جمله موادی هستند که به عنوان حفاظ برای این پرتو مورد استفاده قرار می گیرند. انرژی فوتون های گامای حاصل از واپاشی کبالت -۶۰، ۱/۳ میلیون مرتبه بیشتر از انرژی فوتون های نورمریی است. این انرژی زیاد، پتانسیلی را در اختیار پرتوگاما قرار می دهد که آن را قادر به سترون سازی مواد می سازد، اما در عین حال آن قدر زیاد نیست که بتواند آنها را رادیواکتیو نماید. در حال حاضر سترون سازی مواد، بسته بندی های محصولا ت غذایی، مواد اولیه آرایشی و محصولا ت پزشکی (متجاوز از ۵۰%) با استفاده از این تکنولوژی انجام می پذیرد.
فرآوری پرتوها مدتهاست که به صورت عمومی و تجاری مورد استفاده قرار گرفته است. استفاده از کبالت - ۶۰ برای پرتوگاما، باریکه های الکترونی، اشعه ایکس همه برای سترون سازی وسایل، سرنگ ها، دستکش ها و لباس های اطاق عمل با استفاده از تکنیک های پرتوفرآوری انجام می شود. در صنایع برای نگهداری طولانی مدت محصولات غذایی، دارویی، آرایشی، بهداشتی، از پرتوفرآوری بهره گرفته می شود.
● کاربردهای مهم پرتوفرآوری عبارتند از:
▪ سترون سازی محصولات پزشکی، غذایی و بهداشتی در بسته بندی ها و مواد پسمان از طریق حذف باکتری ها و میکروب ها.
▪ حشره زدایی و حذف جانوران موذی از محصولات کشاورزی.
▪ فرآوری مواد پلیمری جهت بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی.
▪ مزایای کاربردهای پرتوفرآوری در مقایسه با روش های دیگر عبارتند از:
▪ قابلیت تنظیم دقیق دز و قدرت نفوذ پرتو گاما در مواد مورد نظر.
▪ امکان توزیع یکنواحت دز در فرایند سترون سازی.
▪ کنترل ساده روش پرتوفرآوری (آزمایش های میکروبیولوژی و دزیمتری).
▪ قابلیت سترون سازی محصولات بسته بندی شده با پوشش مختلف.
▪ سرعت و امکان استفاده محصول بلافاصله پس از فرایند.
▪ بررسی قابلیت های انعطاف کاربری سیستم (چشمه).
▪ مکانیسم ذاتی کشندگی میکرو ارگانیسم ها، توسط پرتوها بدون ایجاد پسمان یا پرتوزایی.
بررسی اقتصادی بودن فرایند.
روش سترون سازی توسط پرتودهی بسیار موثر است، چرا که پرتوها به داخل محصولات بسته بندی شده نفوذ کرده و حتی از میان آنها عبور می کنند بدون آنکه هیچ باقیمانده ناخواسته ای بجا گذارند. محصولات با فرم های فیزیکی پیچیده و سطح زیاد مثل سرنگ ها و تجهیزات متنوع پزشکی و جراحی در درون بسته های خود استریل شده و بلا فاصله پس از فرایند آماده مصرف هستند. به علاوه تاثیر پرتودهی در حذف باکتری های مواد گیاهی خیلی موثرتر از روش های حرارتی یا شیمیایی است. برای مثال مواد گیاهی که در داروسازی و مواد آرایشی به کار می روند. اکثرا حاوی باکتری های زیادی می باشند که در سترون سازی حرارتی تاثیر آن در مدت کوتاهی از بین می رود. در صنایع اتومبیل سازی از پرتو فرآوری برای بهبود خواص فیزیکی اجزای پلیمری اتومبیل ها مثل روکش کابل ها یا شیلنگ ها استفاده می شود.
● شتاب دهنده ها و کاربرد آنها
زمانی که دانشمندان فیزیک هسته ای سخت مشغول مطالعات ذرات بنیادی و تبدیل یک اتم به اتم دیگری بودند، ایده بمباران هسته اتم به عنوان هدف توسط ذره های با سرعت بالا شکل گرفت. تا آن زمان تنها ذره با سرعت زیاد، ذره آلفا بود که از مواد رادیواکتیو طی فرایند واپاشی گسیل می شد. در آن زمان سوال برای دانشمندان فیزیک هسته ای این بود که آیا این امکان وجود دارد، که با اعمال اختلا ف پتانسیل بتوان ذرات اتمی را با انرژی و شتاب زیاد به هدفی برخورد داد که به تولید و تحقیق درباره عناصر مصنوعی مورد نظر پرداخته شود؟ تئوری اثر تونل نتیجه و راهبردی بود که توسط گامو به رادرفورد پیشنهادگردید و سپس با اختیارات واگذار شده ازسوی رادرفورد به کاک کرافت و والتون اولین تلا ش ها در این راستا به عمل آمد. طبیعی بود که اعمال این اختلا ف پتانسیل، فقط روی ذرات باردار، آنهم در میدان های الکتریکی یا مغناطیسی می تواند میسر باشد. در آن زمان فقط مطالعات و بر همکنش ذرات هسته ای و تولید عناصر و ایزوتوپ های مفید حایز اهمیت بودند. بنابراین در این راستا، دانشمندان فیزیک هسته ای می بایددر جست وجوی دستیابی به باریکه هایی از ذرات باردار و پرانرژی باشند که پاسخ در نیاز به انرژی های چند مگا الکترون ولت و در بعضی موارد، به دلیل طبیعت ماده، انرژی چندین گیگا الکترون ولت را برآورده سازد.
در هر صورت، چنین پذیرفته شد که به طور اصولی هیچ امکانی ساده تر از شتاب دادن ذرات به انرژی های بالا تر نیست. لا زمه این امر در این است که ابتدا تعداد زیادی از ذرات یک گاز مناسب در یک قوس الکتریکی یا چشمه تولید یون، یونیزه شوند. درواقع، اتم های هر گازی در این شرایط تا اندازه ای یا کاملا از الکترون های خود کنده شده و تولید یون های مثبت می کنند. به عنوان مثال از گاز هیدروژن، پروتون و از گاز هلیوم ذرات آلفا تولید می شود. لذا وقتی ذرات باردار تولید شدند، آنها به آسانی در یک میدان الکتریکی شتاب می گیرند. یون های مثبت از الکترود مثبت پس زده شده و به سمت الکترود منفی سوق پیدا کرده وجذب می شوند. اگر یون ها یک بار داشته باشند، مثل پروتون یا دوترون، انرژی جنبشی آنها در هنگام ورود به الکترود منفی حدود یک الکترون ولت می باشد که برابر است با اختلا ف بالقوه هر ولت بین دو الکترود. اگر ولتاژ بالا تر تامین شود، پروتون به مقدار E الکترون ولت انرژی دریافت می کند وصرفنظر از طول لوله شتاب دهنده اختلا ل E ولت می شود. در اینجا مشکل شتاب دادن ذرات تولید شده با انرژی های بالا یی دارند که نیاز به ولتاژ بالا دارد، ولتاژ بالا هم دارای مشکل نگهداری و عایق کاری الکتریکی است. در هر صورت، این سدها یکی پس از دیگری مرتفع گردید و امروزه ذرات را با سرعت نزدیک به سرعت نور و با انرژی های حدود حتی تریلیون الکترون ولت در شتاب دهنده های کوچک و بزرگ شتاب می دهند. به همین دلیل در دنیای امروز، اندازه شتاب دهنده ها و کاربرد آنها طیف بسیار گسترده و شاید هم غیر قابل باوری را ایجاد کرده است. حجم و ابعاد شتاب دهنده ها از حدود یک متر تا اندازه یک شهر با کاربردهایی جهت حل پیچیده ترین موضوعات دنیای فیزیک هسته ای از ذرات بنیادی، تا کاربردهای پزشکی، صنعتی، زیست محیطی، نانو تکنولوژی را شامل می گردد. در سیستم های امروزی، ذرات باردار مثبت، از بمباران یک گاز با الکترون های پرانرژی در نتیجه یونیزاسیون حاصل می شوند. درواقع گاز هیدروژن از بالا به محفظه ای که در آن الکترون از فیلا منت کاتد گسیل شده و به سوی آند شتاب می گیرد، جریان دارد. عبور الکترون ها از میان گاز سبب یونیزاسیون آن وتولید یون های مثبت می شود. انرژی ذرات باردار متناسب با انرژی یا اختلا ف پتانسیل الکترون ها است. این یون های مثبت باید از این محیط استخراج و به داخل سیستم اصلی تزریق شوند، در موارد معمولی، این یون های مثبت به وسیله الکترواستاتیک های ساده به داخل لوله شتاب دهنده جذب می شوند یا در بعضی موارد ممکن است این خود یک تزریق کننده به یک شتاب دهنده باشد که شتاب دهنده بزرگتر را به عنوان یک چشمه ذرات باردار مثبت تغذیه می کند. وضعیت خلا » برای استخراج یا تزریق باریکه ذرات باردار ۱۰به توان ۴ - و در محل یونیزاسیون ۱۰ به توان ۲ - پاسکال است. اصول بمباران توسط الکترون ها، برای انواع مختلف چشمه های تولید یون برای برآورد نیازهای طیف وسیعی از شتاب دهنده های ذرات باردار، مشابه وتقریبا یکسان است. بنابراین چشمه ها ممکن است تولید کننده یون های منفی، الکترون ها، یا یون های مثبت باشند. بدیهی است تولید پروتون ها، دوترون ها و ذرات آلفا برای مطالعات نظری متداول تر هستند.
● شتاب دهنده ها و کاربرد آنها
شتاب دهنده های ذرات که ابتدا به عنوان ابزاری جهت تحقیقات پایه ای از آنها استفاده می شد، در اندک زمانی کاربردشان در صنعت و پزشکی به طور چشمگیری گسترش یافت. این کاربردها بیشتر بر پایه شتاب دهنده هایی هستند که اندکی قبل یا بعد از جنگ جهانی دوم راه اندازی شدند. استفاده ها و موارد انتظار از پرتوهای حاصل از شتاب دهنده ها چه به لحاظ قدرت و چه به لحاظ انرژی، به طور نسبی پایین بوده است.
شتاب دهنده های خطی الکترونی پزشکی به طور معمول انرژی بیشینه ای برابر با Mev ۲۵ و قدرت پرتودهی در محدوده ۱۰۰W دارند. ماشین هایی که برای فرآوری مواد و استریل کردن و نگهداری مواد غذایی هستند، قدرت پرتو بالاتری در حدود ۲۰ تا ۵۰ کیلووات دارند، ولی در عین حال این پرتوها دارای انرژی کمتر حدود ۵ تا ۱۰ مگاالکترون ولت هستند (درمقایسه با شتاب دهنده های خطی پزشکی) و از آنجا که این کاربردها به منظور استفاده در عمق مواد ضخیم به کار نمی روند، این مقادیر انرژی و قدرت پرتو، کافی به نظر می رسند. «یون نشانی» در صنایع نیمه هادی ها تنها به به چند صد «Kev» نیاز دارد و این در حالی است که برایآزمایش خواص سطوح مورد استفاده در قطعات صنایع هوا فضا و خودروسازی به گستره انرژی Mev نیاز است. این انرژی ها به سادگی توسط ابزار یکسوکننده ولتاژ یا ماشین های الکترواستاتیک فراهم می شوند.
محصولات رادیو دارویی که برای تشخیص و درمان از آنها بهره جسته می شود، به وسیله سیکلوترون هایی با توان Mev ۳۰ - ۱۰ ساخته می شوند. با آنکه کاربرد آنها بسیار آسان شده است و انرژی مورد نیازشان کاهش یافته، ولیکن همچنان بر پایه اصولی که در دهه ۱۹۳۰ توسط لارنس ارایه شد، عمل می نمایند.
در سال های اخیر، پیشرفت های تکنولوژی شتاب دهنده ها که از آن جمله قدرت پرتو، کارایی شتاب دهنده و سهولت انجام کار، یاد می شود، باعث شده است طیف جدیدی از کاربردها را در رادیوتراپی به وسیله پروتون و یون ها، مورد توجه قرار دهند. همچنین چشم انداز های دیگری نیز امروزه در مهندسی قدرت وجود دارد که حایز اهمیت است.
در جوامع مدرن، سرطان دومین عامل عمده مرگ و میر است. در حدود یک سوم هر جمعیتی، نوعی سرطان را در طول عمرشان تجربه می کنند. خوشبختانه امروزه این امکان حاصل شده است تا ۴۵ درصد از این قبیل سرطان ها را به طور موفقیت آمیزی درمان نمود. البته میزان این موفقیت چنانچه درمان در مرحله و محل ظهور یا وقوع اولیه بیماری و قبل از گسترش آن در بدن صورت پذیرد، بیشتر نیز خواهد بود. جالب است بدانید حدود ۵۰ درصد از انواع سرطان ها به وسیله رادیوتراپی قابل درمانند.
در حال حاضر، اغلب ابزار درمان سرطان برپایه شتاب دهنده های الکترون استوارند. این شتاب دهنده ها قادر به تهیه پرتوهای الکترونی در محدوده Mev ۲۵ - ۴ و با قدرت نفوذ ۱۰ - ۲ سانتیمتر هستند. این شتاب دهنده ها همچنین می توانند پرتوهای فوتونی حاصل از تابش ترمزی را در محل اهداف سنگین خود به وجود آورند. این پرتوها طیف انرژی پیوسته ای دارند و الکترون های ثانویه حاصل از فوتون های اولیه تولید شده در لایه های سطحی نسوج، برد عمیق تری نیز می توانند داشته باشند.
علی رغم موفقیت های چشمگیر، روش فوق، نقاط ضعف زیادی نیز دارد. الکترون ها دز نسبتا یکسانی را در طول برد خود صادر می کنند و این تنها برای تومورهای سطحی و نیمه سطحی کارایی داشته و مناسب هستند. در حالی که در مورد تومورهای داخلی تر، الکترون ها با از دست دادن اثر خود، دیگر کارایی ندارند و به دلیل پخش الکترون ها در جهت های جانبی نامناسب تلقی می گردند.
فوتون ها با خاصیت گسترش دز انرژی خود به صورت نمایی، می توانند به راحتی به تومورهای داخلی تر، نفوذ کنند ولی برای به حداقل رساندن آسیب وارد بر نسوج سالم سطحی، می بایست از تکنیک پرتودهی ویژه ای استفاده کرد که با پرتوهای چندگانه همگرا شده (تقویت شده) کار می کند که از محفظه ای هم مرکز که قادر است به دور بیمار بگردد، گسیل می شود. فوتون تراپی توسط مواد شیمیایی رادیواکتیو می تواند توام با توفیق باشد به شرطی که محل وقوع تومور در ناحیه مشخصی از بدن تشخیص داده شده باشد. این مواد رادیوشیمیایی سال هاست در راکتورهای هسته ای تولید می شوند. امروزه تمایل ویژه ای جهت استفاده از سیکلوترون های کم حجم به جای روش فوق برای این منظور ایجاد شده است.
نوترون ها به علت جاگذاری انرژی مخصوص زیاد برای درمان برخی از تومورها که در مقابل روش های پرتودهی مقاوم هستند، کاملا موثرند. لیکن آنها هم مانند فوتون ها مشکل کاهش انرژی از دست داده شده به صورت نمایی را دارند.
● انرژی هسته ای گداخت
در حال حاضر گداخت هسته اتم های سبک مهم ترین روش آزادسازی انرژی در جهان به شمار می رود. خورشید و اغلب ستارگان، درخشش و انرژی خود را مدیون گداخت هسته های اتم هیدروژن و تبدیل آنها به هسته اتم هلیم می باشند.
در واقع هلیم نام خود را از واژه یونانی هلیوس به معنای خورشید وام گرفته است. از آن گذشته، فرآیندهای گداخت هسته ای در ستارگان مسوول تشکیل عناصر گوناگون از هلیم تا آهن هستند.
انرژی حاصل از گداخت هسته ای به هنگام جوش خوردن هسته عناصر سبک به یکدیگر پدید میآید. حال آن که انرژی شکافت هسته ای از عناصر بسیار سنگین نظیر اورانیوم و چند پاره شدن آنها به دست میآید. جهت وقوع گداخت هسته ای میان هسته ها، لا زم است اتم ها تا دمای بسیار بالا تا بیش از ۱۰۰ میلیون درجه کلوین گرم شوند.
در این شرایط هسته ها انرژی جنبشی لا زم برای غلبه بر پتانسیل دافعه میان هسته ها و همجوشی را به دست میآورند. این شرایط در ستارگان و خورشید در اثر نیروی عظیم گرانشی آنها فراهم می شود.
در زمین این فرآیند از طریق محصورسازی مغناطیسی یون های پرانرژی ایزوتوپ های هیدروژن یا متراکم کردن ریز کره کوچکی حاوی ایزوتوپ های هیدروژن در میدان باریکه های پر انرژی لیزر محقق شود. در صورت توفیق کامل در انجام همجوشی و گداخت کنترل شد هسته عناصر سبک، بشر به چشمه ای سرشار از انرژی دست خواهد یافت. بر روی سیاره ما، تاکنون انرژی عظیم گداخت هسته ای تنها در انفجار بمب های هیدروژنی و به صورت مهار نشده جلوه گر شده است.
در صورت تحقق نیروگاه های همجوشی هسته ای، این نیروگاه ها جایگاه شایان توجهی را در تامین منابع انرژی مورد نیاز آینده بشر دارا خواهند بود، زیرا سوخت آنها عملا پایان ناپذیر و از نظر زیست محیطی نسبت به نیروگاه های اتمی موسوم به روش شکافت هسته ای، بسیار پاکیزه تر می باشد. از دهه ۱۳۳۰ (۱۹۵۰م) به این سو پژوهش های فراوانی در کشورهای آمریکا، انگلیس، روسیه و ژاپن به منظور توسعه و ساخت نیروگاهی که انرژی آن از طریق گداخت ایزوتوپ های هیدروژن حاصل آید صورت گرفته است. اما به دلا یل مسایل پیچیده فنی که در راه نیل به این هدف وجود دارد، به نظر می رسد که هنوز زمان لا زم برای رفع کامل معضلا ت و دستیابی به نیروگاه های گرما هسته ای با صرفه اقتصادی فرا نرسیده است و برای تحقق آن این آرزوی دیرینه هنوز چند دهه دیگر فرصت لا زم است.
● بحثی پیرامون اقتصاد انرژی هسته ای
انتظار می رود تقاضا برای انرژی جهانی از اوایل این قرن به شدت افزایش پیدا کند. این افزایش در فاصله سال های ۲۰۱۵ الی ۲۰۵۰ بیشتر خواهد بود. پاسخ به این تقاضا به مشارکت بیشتر انرژی هسته ای ارتباط پیدا می کند که این خود بستگی به تحول تعدادی از عوامل تعیین کننده دارد.
تکنولوژی های سیکل سوخت و راکتور هسته ای که امروزه معمول است، برای استفاده در دوره مورد ذکر لاجرم باید توسعه و تحول اساسی پیدا کند. گرچه شاید تعدادی از این فن آوری ها نزدیک به آنچه که در حال حاضر استفاده می شوند باقی بمانند، ولی بدیهی است که برخی از این تکنولوژی ها کاملا تجاری و اقتصادی شده اند و حال آنکه برخی دیگر قبل از اینکه در سطوح بزرگتری مورد استفاده قرار گیرند به توسعه بیشتری نیازمندند.
بخش بزرگی از ظرفیت طبیعی تولید انرژی تا سال ۲۰۵۰ برای پاسخ به رشد درخواست الکتریسیته مخصوصا در کشورهای درحال توسعه مصرف خواهد شد. به اضافه تقریبا همه نیروگاه های فعلی باید خیلی زودتر از سال ۲۰۵۰ با انواع جدید تر جایگزین شوند. بنابراین احتیاج به ساخت و تولید چنین ظرفیت زیاد و جدیدی، مسلما منجر به افزایش چشمگیر استفاده از انرژی هسته ای تا سال ۲۰۵۰ خواهد شد. در مقابل عدم استقبال مردمی در برخی از کشورها ممکن است ساخت نیروگاه های اتمی جدید را با مشکل مواجه سازد. در اینجا اشاره ای می شود به نتایج یک مطالعه که در آن اثرات چنین متغیرهایی در سه سناریو متفاوت تقاضا برای انرژی نشان داده شده است.
در این سناریوها در سال ۱۴۳۰ هخ (۲۰۵۰ م) سهم ظرفیت انرژی هسته ای ۱۸۰۰، ۱۱۵۰، ۳۷۵ گیگاوات برای بیشترین، متوسط و کمترین رشد در نظر گرفته شده است. در سال های اخیر حمایت مستقیم دولت ها برای توسعه تکنولوژی هسته ای حداقل در تعدادی از کشورها کاهش پیدا کرده است و در عین حال پیشتیبانی تحقیقاتی قوی تری در زمینه زیرساخت های هسته ای به وجود آمده است. تکنولوژی راکتورهای خنک شونده توسط آب گرچه نسبتا خوب است، ولی هنوز درحال ایجاد توسعه های جدید توسط سازمان های غیردولتی است، گرچه حمایت های دولتی هم نقش عمده ای در برخی از کشورها ایفا می کنند.
در رابطه با راکتورهای سریع که می توانند نقش بیشتری مخصوصا در اواخر دوره فوق ایفا نمایند، ادامه پشتیبانی دولتی برای چندین سال لازم است تا این تکنولوژی بتواند به کاربردهای تجاری برسد.
توسعه راکتورهای گازی و سایر انواع راکتورهای هسته ای تا رسیدن به مراحل پیشرفته بستگی به پشتیبانی دولتی دارد. عوامل متعددی بر تامین سوخت و صنایع سیکل سوخت طی دوره فوق تاثیر خواهند داشت. پیش بینی می شود، ذخایر و منابع اورانیوم برای راکتورهای حرارتی تا سال ۲۰۵۰ و بعد از آن کافی باشد، ولی هزینه های تولید، به دلیل پایان یافتن منابع و معادن ارزان قیمت اورانیوم، ممکن است به شدت افزایش یابد. حتی امروز خالی شدن انبارهای سوخت، حاصل افزایش قیمت تولید اورانیوم است و حال آنکه منابع کافی قابل دسترس برای اورانیوم وجود دارد. بخشی از سوخت های مصرف شده حاصل از کار راکتورهای هسته ای تدریجا بازفرآوری شده و اورانیوم و پلوتونیم جداسازی شده در راکتورهای حرارتی مورد استفاده مجدد قرار می گیرد. با این وجود حجم سوخت مصرف شده بسیار زیاد بوده و همچنان رو به افزایش خواهد بود.
میزان اورانیوم و پلوتونیم موجود در سوخت های مصرف شده باعث رشد و گسترش منابع سوخت هسته ای نیز می شوند. همچنین حجم اورانیوم تهی شده حاصل از عملیات غنی سازی نیز در حال افزایش بوده و به طور بالقوه، انرژی زیادی را در بر دارد. چنانچه این نوع اورانیوم در راکتورهای سریع زاینده مورد استفاده قرار گیرد، انرژی بالقوه فوق، می تواند بالفعل در دسترس قرار گیرد. حتی قبل از استفاده این ماده در راکتورهای سریع، صاحبان راکتورهای هسته ای، احتمالا کوشش خواهند کرد، تا میزان خرید اورانیوم مورد نیاز خود را به حداقل کاهش دهند. این کاهش ممکن است از طرق زیر اعمال گردد:
الف) کاهش عیار اورانیوم تهی شده باقیمانده
ب) بهینه سازی چرخه سوخت
ج) انتخاب راکتورهای حرارتی مناسب که بتواند میزان اورانیم مصرفی را برای هر واحد الکتریسته تولیدی کاهش دهد.
در برخی از کشورها، انتظار می رود به کارگیری توریم همچنین در شرایطی افزایش یابد. به نظر می رسد بررسی این موضوع در آینده اهمیت ویژه ای پیدا نماید. حوادث احتمالی طی مدت مورد بحث، پیش بینی حتمی و مطمئن این موارد را با مشکل مواجه می کند. لذا بررسی موضوع تا اندازه ای وضعیت تخمینی پیدا خواهد نمود.
با این مقدمه و قبل از ورود به بحث اصلی در این جا خاطر نشان می سازد که منظور این فصل هرگز ورود به جزییات اقتصاد و بازار انرژی یا انرژی هسته ای به طور کامل و اعم نبوده، بلکه منظور آشنایی خواننده محترم با کلیاتی است که به هر حال و همیشه بر اقتصاد اورانیم و انرژی اثرگذار هستند.
▪ عوامل مهم در آینده تکنولوژی هسته ای
نیروگاه های هسته ای با پشتیبانی امکانات چرخه سوخت، تکنولوژی نسبتا رشد یافته ای است که به طور مستمر در تامین بخش مهمی از انرژی الکتریکی جهان نقش داشته است. مطالعات تامین انرژی جهانی امکان افزایش نقش انرژی هسته ای را در قرن بیست و یکم خاطرنشان می سازد. افزایش ظرفیت های جدید برای رشد اقتصادی کشورهای در حال توسعه اجتناب ناپذیر است. سازمان ملل در کمیته بین المللی تغییرات جوی تایید کرده است که انرژی هسته ای در کاهش تولید گازهای گلخانه ای (اکسیدهای کربن) می تواند نقش مهمی داشته باشد. از طرف دیگر استفاده های الکتریکی بیشتر از انرژی ممکن است توسعه هایی را پیدا کند، مثل استفاده گسترده برای امور حمل و نقل، علا وه بر آن چه که به طور معمول از آن در تولید الکتریسته استفاده می شود. همچنین امکان دارد تکنولوژی های پیشرفته استفاده از انرژی هسته ای را در بخشی غیر از کاربردهای تولید برق (مثل تامین حرارت منطقه ای، آب شیرین کن ها، تامین گرمای فرآیندها و...) افزایش دهد. این پتانسیل ها، تاثیر عمده ای در توسعه آینده انرژی هسته ای دارد، که به هر حال مستقیم یا غیرمستقیم بر سناریوهای استفاده از انرژی اتمی تاثیر خواهد داشت.
نقش انرژی هسته ای در سطح جهانی و ملی تا اندازه زیادی بستگی به توانایی رقابت با سایر منابع انرژی مانند منابع ا نرژی های فسیلی و تجدید پذیر دارد. در رقابت فزاینده جهانی و در بازار انرژی توفیق نصیب نوعی از انرژی (هسته ای و یا غیرهسته ای) خواهد بود که توانایی های زیر را در خود داشته باشد:
ـ استفاده صحیح از منابع طبیعی و توانایی های ملی
ـ افزایش منافع اقتصادی
ـ کاهش تاثیرات نامطلوب محیط زیستی
ـ تحقق ایمنی موثر تکنولوژی های چرخه سوخت
ـ برآورد هدف و رعایت مقررات ملی و بین المللی
▪ مشارکت پایدار در تامین انرژی
در هر کشور، تصمیم سازی در توازن تولید ظرفیت جدید مسلما تحت تاثیر مواردی مثل اهمیت امکانات، زیر ساخت های خاص و واحدهای تصمیم ساز کشوری دارد که هر یک سهمی را به خود اختصاص می دهند. به عنوان مثال کشورهایی با منابع طبیعی محدود که بیشتر مایل هستند به سمت خودکفایی انرژی حرکت کنند، ممکن است به سمت انتخاب و توسعه یک برنامه انرژی هسته ای درون زا سوق پیدا کنند. انتخاب دیگر در زمینه خودکفایی انرژی ممکن است، کم اهمیت جلوه دادن رشد بازار انرژی باشد. سیاست ها و مقررات حکومتی مثل مالیات بر منافع اقتصادی شدیدا می تواند در اتخاذ و انتخاب روش های فوق موثر باشد.
توسعه و افزایش پیش بینی شده در تولید ظرفیت هسته ای، نسل فعلی نیروگاه های هسته ای و چرخه سوخت پشتیبانی کننده آن را ملزم می سازد که تمام عوامل موثر در رقابت با سایر جایگزین ها عمیقا مورد توجه قرار داده شوند. از طرف دیگر، کاهش درخواست های جدید برای سفارش این نیروگاه ها در کشورهای پیشرفته نشان می دهد، که مزایای اقتصادی تولید برق هسته ای کاهش یافته و اکنون از نظر اقتصادی این انرژی در رقابت با دیگران در حدود سر به سر یا هم اندازه می باشد. هر یک از عوامل به سهم خود می توانند به عنوان عامل مهمی شناخته شوند که در توسعه راکتورهای هسته ای و ایده های چرخه سوخت تا نیمه اول قرن بیست و یکم نقش مهمی ایفا کنند. مثلا عامل مهم در کاهش رقابت تکنولوژی هسته ای را عمدتا به دلیل اضافه شدن سیستم های ایمنی و بازدارندگی از هر نوع حادثه می دانند، که خواه ناخواه بر قیمت تمام شده تکنولوژی به طور چشمگیری خواهد افزود.
▪ اهمیت سوخت های هسته ای
بدیهی است هر سوخت مشخصات و مختصات خاص خود را دارد ولی فاکتورهایی که اورانیوم را از دیگر سوخت ها برتر می سازد، عبارتند از:
ـ بیشترین مقدار انرژی تولید شده برای یک واحد از ماده مصرف شده.
ـ رقابت هزینه تهیه سوخت هسته ای با هزینه سوخت های فسیلی.
ـ فراوانی و گستردگی نسبی منابع خام سوخت های هسته ای.
ـ پلوتونیوم به عنوان محصول جانبی راکتورهای اتمی تجاری هم می تواند در راکتورها به عنوان سوخت استفاده شود.
ـ مقدار پسمان تولید شده در مقایسه با سایر روش های اصلی تولید انرژی کمترین است.
ـ انرژی هسته ای منافع بسیار متعدد دیگری غیر از تولید الکتریسته هم در بردارد.● انرژی هسته ای، نور و لیزر
برای شناخت لیزر ابتدا می باید به شناخت نور و سپس به شناخت ماده پرداخت، در این بخش طبیعت نور را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
بدون شک یونانی ها اولین قومی بودند که به توضیح نور و اینکه اشیا چگونه دیده می شوند پرداختند. مدت ها بعد تجربه های علمی، دو نظریه را راجع به نور مطرح ساخت. اولین نظریه مرتبط با نظریه ذره ای نور است که ابتدا توسط نیوتن طرح گردید، وی پیشنهاد کرد که نور شامل جریانی از ذره است که از قوانین دینامیکی حرکت، که خود او بنیان گذار آن بود تبعیت می کند. دومین نظریه توسط هوک و هویگنس پیشنهاد شد که فرض کردند نور دارای طبیعت موجی است. برای هر نظریه نور که بتواند قابل قبول باشد، لازم است که این نظریه پاسخگوی پدیده های مشاهده شده هم باشد. پراش واژه ای است که برای بیان انحراف نور از «لبه ها و گوشه ها» انتخاب شده است، بنابراین سایه های اجسام روی صفحه ای دور از جسم کاملا تیز نیستند. تداخل نور نیز نشان می دهد. که نور دارای طبیعت موجی است. پدیده فوتوالکتریک، از جهت دیگر، با پذیرفتن طبیعت ذره ای نور قابل توضیح می باشد. بنابراین هر دو نظریه موجی بودن نور و ذره ای بودن نور قادرند به توضیح پدیده های فیزیکی که با نور سر و کار دارند بپردازند. امواجی که در طبیعت با آن سر و کار داریم گستره وسیعی را در بر می گیرد که فرکانس آن از چند HZ آغاز شده، به امواجی به فرکانس HZ ۲۰، ۱۰*۳ منجر می شوند. تمام امواج در طیف دارای رابطه ساده ای بین فرکانس و طول موج هستند.
C - V = X
که ۸m/s ۱۰*۲/۹۹۷۹=C سرعت نور در خلا»، V فرکانس نور و X طول موج آن است
حروف واژه لیزر (LASER) به ترتیب حرف اول کلمه های Light (نور)، Amplification (تقویت)، Stimulateb (القایی)، Emission (گسیل)، Rabistion (تابش) و به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش می باشد. لیزر دستگاهی است برای تولید، تقویت و انتقال باریکه های نوری همدوس باریک و با شدت زیاد. گاهی عنوان میزر اپتیکی نیز به لیزر اطلاق می شود.
نور همدوس تولید شده توسط لیزر بانور عادی تفاوت اساسی دارد. نور لیزر از موج هایی تشکیل شده که همگی هم فازند و طول موج یکسان دارند، در حالی که نور عادی شامل طول موج های مختلف است و موج های مختلف با یکدیگر اختلاف فاز دارند.
پایه نظری عملکرد لیزر و میزر هر دو در نظریه کوانتومی وجود دارند. تابش الکترو مغناطیسی (مثلا نور یا مایکرو موج) توسط اتم ها و مولکول های ماده فقط در بسامد مشخصه معینی تابش یا جذب می شود. طبق نظریه کوانتومی انرژی الکترومغناطیسی به صورت مقادیر ناپیوسته ای به نام «کوانتا» تابش می شود کوانتای انرژی الکترومغناطیسی، فوتون نام دارد. انرژی حمل شده توسط هر فوتون متناسب با بسامد آن است. یا مولکول یا ماده در حالت عادی انرژی گسیل نمی کنند. در این صورت می گوییم که اتم یا مولکول درحالت انرژی پایین یا حالت پایه قرار دارد. اتم یا مولکولی که در حالت پایه قرار دارد وقتی فوتونی را جذب کند به حالتی با انرژی بالاتر می رود و گفته می شود که برانگیخته شده است. ماده برانگیخته به صورت خودبه خودی به حالتی با انرژی کمتر بر می گردد و فوتونی تابش می کند که انرژی آن برابر تفاوت انرژی حالت برانگیخته و انرژی حالت پایینی است، در ساده ترین حالت، ماده مستقیما به حالت پایه بر می گردد و فوتونی با بسامدی برابر بسامد فوتون جذب شده تابش می کند.
در لیزر یا میزر، اتم ها یا مولکول ها طوری برانگیخته می شوند که بیشتر آنها در تراز انرژی بالاتر قرار دارند و تعداد کمتری در تراز انرژی پایین تر قرار می گیرند. به این وضعیت، جمعیت وارون می گویند. فرایند افزایش انرژی برای ایجاد جمعیت وارون، پمپاژ (یا دمش) نامیده می شود. به محض اینکه اتم ها یا مولکول ها در این حالت برانگیخته قرار بگیرند، به راحتی تابش می کنند. اگر فوتونی که بسامد آن متناظر با اختلاف انرژی این حالت برانگیخته و حالت پایه است به اتم برانگیخته ای برخورد کند، تابشی القایی در اتم برانگیخته به صورت فوتونی که هم بسامد، هم فاز و هم جهت با فوتون برخوردکننده است، ایجاد می شود. فوتون برخوردکننده و فوتون حاصل از گسیل القایی می توانند هر یک به یک اتم برانگیخته دیگری برخورد کنند و تابش های القایی بیشتری ایجاد کنند، که همگی هم بسامد و هم فاز هستند. این روند یک عمل ناگهانی از تابش همدوس در یک واکنش زنجیره ای سریع حاصل می کند و تمامی اتم ها به صورت زنجیره ای تخلیه می شوند (به حالت پایه بر می گردند). معمولا لیزر را طوری می سازند که نور گسیل شده بین دو انتهای یک کاواک تشدیدی که به آن تشدیدگر می گویند به صورت بازتابی رفت و برگشت کند تا بالاخره باریکه نور بسیار کانونی شده و با شدت زیاد از یک انتهای کاواک تشدیدی که به صورت جزیی بازتاب کننده است، خارج شود. اگر اتم ها پس از تخلیه مجددا به حالت برانگیخته دمیده شوند پرتو پیوسته ای از نور

نویسنده : دکتر احمد قریب

منبع : روزنامه مردم سالاری