سیکلوترون های IBA و ویژگی آنها

Ion Beam Application IBA کارخانه ساخت و طراحی سیکلوترون در کشور بلژیک است این کارخانه یکی از بزرگ ترین سازندگان شتاب دهنده ذرات, برای تولید رادیوایزوتوپ های مورد استفاده در سیستم های پزشکی هسته ای PET, SPECT است هدف این کارخانه دسترسی به رادیوایزوتوپ های ارزان تر, تخصصی تر, قابل اعتماد و با کیفیت بالا جهت استفاده در بخش های پزشکی هسته ای و رادیوتراپی است

‏‎(Ion Beam Application) IBA‎‏ کارخانه ساخت و طراحی سیکلوترون در کشور بلژیک است. این کارخانه یکی از بزرگ‌ترین سازندگان شتاب‌دهنده ذرات، برای تولید رادیوایزوتوپ‌های مورد استفاده در سیستم‌های پزشکی هسته‌ای (‏PET, SPECT‏) است. هدف این کارخانه دسترسی به رادیوایزوتوپ‌های ارزان‌تر، تخصصی‌تر، قابل اعتماد و با کیفیت بالا جهت استفاده در بخش‌های پزشکی هسته‌ای و رادیوتراپی است. برخی از دستگاه‌های این کارخانه مربوط به حوزه ای خاص و برخی نیز چند منظوره هستند. به عنوان مثال سیکلون ۳۰ اساساً برای تولید رادیوایزوتوپ‌های مورد استفاده در ‏SPECT‏ مورد توجه است. سیکلون ‏‎۱۸/۹‎‏ و ‏‎۱۰/۵‎‏ و ‏‎۳‎‏ برای تولیدات رادیوایزوتوپ مورد استفاده در ‏PET‏ و ‏SPECT‏ مورد توجه قرار گرفته‌اند.

در مباحث زیر به خصوصیات هر یک از این سیکلوترون پرداخته شده است.‏

سیکلوترون‌های ‏IBA‏ و تقسیم‌بندی آنها بر اساس تولیدات این کارخانه:

به طور کلی ‏IBA‏ سیکلوترون‌های زیر را طراحی، تولید و به بازار تجارت عرضه داشته است.

‏Cyclone ۳۰

Cyclone ۱۸/۹

Cyclone ۱۰/۵

Cyclone ۱۸

Cyclone ۲۳۰

● سیکلوترون‌های ‏C۱۸/۹‎‏ و ‏C۱۰/۵‎

‏سیستم‌های سیکلون ‏‎۱۸/۹‎‏ و ‏‎۱۰/۵‎‏ شامل سیکلوترون‌های متراکم و شامل طیف وسیعی از هدف‌ها و روش‌های اتوماسیون شیمیایی هستند.

این سیستم‌ها برای تولید رادیوایزوتوپ‌های ‏‎۱۸F، ‏‎۱۵O،‎۱۱Cو ‏‎۱۳N‏ در ‏PET‏ طراحی شده‌اند. علاوه بر مصارف بیمارستانی نوع ‏‎۱۸/۹‎‏ قادر به تأمین مواد رادیوایزوتوپ برای توزیع نیزهستند.

● جنبه‌های اساسی ‏C۱۸/۹‎‏ و مزایای آن‏

‏۱) شتاب دادن به ذرات دوگانه و دستیابی به دسته اشعه دوترونی ما را قادر به تولیدات زیر می‌کند.

‏‎۱۵O ۲ـ ‎‏ با استفاد ه از هدف گاز خنثی و پرهیز از به کار بردن ماده خالص به عنوان هدف (هزینه کمتر).

‏‎۱۸F (۳‎‏ از طریق واکنش مورد نیاز (گاز خنثی نئون). شتاب دادن به ‏Mev‏ پروتون، ‏‎۹ Mev‎‏ و بهره بالایی این سیستم از خصوصیات آن است. ‏

دسته اشعه دوترون با انرژی ‏‎۹ Mev‎‏ از طریق هدف گاز خنثی نئون موجب تولید مقدار زیادی از ‏F‏ اهمیت خاصی به این نوع سیستم داده است.

۴) هشت هدف‏‎ ‎‏ ‏‎(Eight Target)‎‏: وجود هشت پورت خروجی در این سیکلوترون، قابلیت تطبیق بالایی برحسب تعداد هدف‌های آماده برای تولید و اجازه استفاده از هدف‌های اضافی را در این سیستم ایجاد کرده است.

۵) بمباران همزمان دو هدف: با این عمل بازدهی دستگاه افزایش می‌یابد و اجازه تولید همزمان دو رادیوایزوتوپ را فراهم می‌کند.

۶) اکسپوزکم: سیستم از شتاب دادن به یون‌های منفی بهره می گیرد. این عمل موجب کاهش دز کارکنان و فعال‌‌سازی ابزارهای مجاور در کمترین میزان ممکن می‌شود.

۷) امکان دستیابی به خطوط دسته اشعه خارجی: ‏C۱۸/۹‎‏ امکان نصب یک خط دسته اشعه خارجی. متصل به یکی از ۸ پورت یا گذرگاه خروجی را برای تولیدات ویژه فراهم می‌کند. این هدف می‌تواند جدا از سیستم باشد. ‏C۱۸/۹‎‏ تنها سیکلوترون ‏PET‏ است که چنین قدرت انطباقی را دارد.

۸) مقرون به صرفه بودن: طراحی آهنربای واحد در ‏IBA‏ قیمت را پایین آورده است. به علاوه توان مصرفی مورد نیاز را نیز کاهش داده است. با کنترل مدار منطقی برنامه‌ریزی شده برای سیکلوترون و روش شیمیایی وابسته، نیاز به کمترین کارکنان بخش را ایجاد کرده است. هیچ فاکتور محدودکننده‌ای در حال حاضر برای این سیستم وجود ندارد. زیرا تمام امکانات برای تولیدات ‏PET‏ در آینده و توزیع آنها را پیش‌بینی کرده است. ‏

● سیکلون نوع ‏C۱۰/۵‎‏ و ویژگی‌های آن‏

۱) شتاب دادن به ذرات دوگانه. تولید دوترون و شتاب آنها برای تولید ‎۱۵O‏ اساسی است‏‎.‎‏ هدف از گاز خنثی تشکیل شده است.‏

۲) هشت هدف جداگانه با هشت گذرگاه (port‏) خروجی (مانند ‏C۱۸/۹‎‏).‏

۳) قابلیت بمباران هدف‌های دوگانه (مانند C۱۸/۹‎‏)‏

۴) اکسپوزرکم (مانند C۱۸/۹‎‏)‏

۵) انتخاب عمل خود حفاظ (self-shielded‏). سیکلون ‏C b/s‏ را می‌توان به گونه‌ای نصب کرد که در یک آرایش خود حفاظ باشد. دز در اطراف آن به کمترین مقدار ممکن می‌رسد سیستم را می‌توان در داخل اتاقکی با ضخامت استاندارد قرار داد.‏

۶) مقرون به صرفه‏ بودن‏

۷) کمترین فضای مورد نیاز برای نگهداری: این سیستم نیز مخصوص PET‏ است و کمتر از ۱۲ تن وزن دارد. به راحتی برای تولید ترکیبات مورد نیاز ‏PET‏ استفاده می‌شود.

● سیکلون ‏C۳۰‎‏ و ویژگی‌های آن‏

۱) شتاب دادن به پروتون تا ‎۳۰ Mev‎‏ ‏‎:‎این سیکلوترون دارای میدان ثابت، فرکانس ثابت، دسته اشعه پروتونی دوتایی با انرژی متغیر است که برای تولید رادیوایزوتوپ‌ها مفید است. انرژی پروتون در هر دو دسته اشعه تولیدی به طور مستقل قابل تنظیم است.

۲) تولیدات ایزوتوپ‌های مهم مورد استفاده PET‏ و ‏SPECT‏: وجود بیش از ۱۰ گذرگاه (پورت ‏Port‏) خروجی با تنوعی از هدف‌‌ها و سیستم‌ شیمی مدرن آن، این امکان را فراهم می‌آورد که طیف وسیعی از ایزوتوپ‌های مورد استفاده ‏PET‏ و‏Speet‏ تولید کند.‏

۳) به طور همزمان دو هدف را می‌توان بمباران کرد. دو ایزوتوپ مختلف یا دو ایزوتوپ یکسان تولید کرد.‏

۴) اکسپوزکم ‏

۵) خطوط بیم خروجی:‏ در این سیکلوترون بیش از ۱۰ خط بیم خروجی را برای اهداف مختلف می‌توان به دست آورد.‏

۶) شتاب دوگانه ذرات:‏ شتاب اختیاری دوترون بین ۹ تا ‏‎۱۵ Mev‎‏ اجازه تولید ترکیبات ‏O، ‏F‏ را می‌دهد. این سیستم برای کاربردهای تحقیقاتی نیز مفید است. ‏

۷) مقرون به صرفه بودن

۸) مدل‌های استاندارد این سیکلوترون جریان‌های ‏‎۳۵۰‎، ‏‎۷۰۰‎‏ و تا ‏‎۱۵۰۰‎‏ میکروآمپر را فراهم می کند.‏

طرح نصب استاندارد این سیستم درآمده است.

● سیکلون ۲۳۰ و‎ ‎ویژگی‌های آن

▪ اصول کاربردی

‏یون‌های منفی از یک منبع یونی با زائده‌های چندگانه (‏Multicaps‏) خارجی تولید و به طور محوری در داخل سیکلوترون تزریق می‌شود. یک میدان الکتریکی متناوب با ولتاژ بالا به یک زوج الکترود به نام ‏Dها القا می‌شود و در داخل ‏Dها یک میدان مغناطیسی ثابت برقرار است. یون منفی از این میدان انرژی کسب می‌کند. فرکانس رادیویی برای پروتون و دوترون در این سیستم ثابت است. یون‌ها در هر یک چهارم هارمونیک شتاب دار می‌شوند. هنگام استخراج شعاع، الکترون‌ها از یون‌ها جدا می‌شوند (برهنه می‌شوند.) (با عبور از ورقه‌های نازک کربنی).

بارهای مثبت تولیدی ‏P+‎‏ و ‏D+‎‏ با یک میدان مغناطیسی خارجی با بازده ۹/۹۹% منحرف و استخراج می‌شوند. با این روش می‌توان به طور همزمان دو دسته اشعه را استخراج کرد و از آن به طور همزمان برای بمباران دو هدف استفاده کرد.

● ویژگی‌ها و مزایای سیکلون ۲۳۰‏

‏این سیکلوترون از نوع ایزوکرونیوز (‏Iso chronous‏) یا همزون است. ساده‌ترین، ارزان‌ترین و مؤثرترین راه برای تولید پرتوهای ‏‎۲۳۰ Mev‎‏ است. به طور وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند و بیشتر در جنبه تحقیقات فیزیک انرژی بالا و رادیوتراپی مورد توجه هستند. ویژگی‌های بارز این نوع عبارتند از:

۱) ساده بودن، قابل اعتماد بودن و کاربردی بودن با امواج پیوسته است. برخلاف سینکروترونها پارامترهای ماشین با زمان ثابت است تنها تعدادی از پارامترهای آن قابل تنظیم است.

۲) قابلیت اسکن‏ دارد. شدت تمرکز بالا دسته اشعه پیوسته و قابلیت کنترل دسته اشعه در فاصله زمانی ۱۵ میکروثانیه، و دسته اشعه پس از ؟؟ منبع در مدت ۴۵ میکروثانیه به مریض می رسد.‏

۳) دسته اشعه کامل برای اسکن کردن: شدت در اختیار، به‏ طور ساده‌ای اجازه گیت (‏gate‏) تنفس را بدون طولانی کردن زمان درمان برای میدان خیلی بزرگ را فراهم می‌کند (درمانی).‏

۴) ایمنی و پایداری یکی از خصوصیات این سیکلوترون است. وجود دسته اشعه با انرژی ثابت، تفرق پایین از خصوصیات این تیم است.

● سیکلوترون‌های تولید کوچک (‏small production cyclotrons‏)‏

▪ سیکلوترون ‏TR۳۰‎‏: این نوع سیکلوترون یک سیکلوترون تولید کوچک است و قادر است پرون‌ها را تا انرژی ‏‎۳۰ Mev‎‏ شتاب بدهد. توسط ‏TRIMF‏ طراحی شده است و قادر به تولید رادیوایزوتوپ مورد استفاده در صنعت و پزشکی است. طرح اولیه آن با جریان ‏‎۳۵۰ ‎‏ میکروآمپر ولی امروزه تا جریان ۵۰۰ میکروآمپر افزایش یافته است. این سیکلوترون از نوع تجاری است که مورد توجه قرار گرفته است.

‏TRIUMF‏ در سال ۱۹۹۵ با بروز کردن یا تولید جریان آن را تا ۱ میلی‌آمپر افزایش داده است. در بخش فرکانس رادیویی و در منبع تولید یون هیدروژن و سیستم تزریق آن تحول ایجاد شده است.

▪ سیکلوترون ‏TR۱۳‎در سال ۱۹۹۵ این شرکت نوعی از سیکلوترون کوچک به نام ‏TR۱۳‎‏ تولید نمود، این ماشین قادر است پروتون‌ها را تا ‏‎۱۳ Mev‎‏ شتاب دهد. این سیستم برای تولیدات ‏PET‏ در بیمارستان‌ها استفاده وسیعی دارد و قادر است تا ‏‎۶۰ Mev‎‏ جریان دسته اشعه دوگانه به طور همزمان برای دو هدف ایجاد کند. این سیکلوترون یکی از سیکلوترون‌هایی است که در بیمارستان استفاده وسیعی دارد. (شکل ).

▪ سیکلوترون‌ نوع (‏PET trace‏)این سیکلوترون هم پروتون و هم دوترون را شتاب می‌دهد. برای یک هدف ‏F, ۲.۵ ‎‏ را تولید می‌کند. علاوه بر ‏‎۱۸F‏‌ بسیاری از رادیوایزوتوپ‌های تحقیقاتی را می‌توان با آن تولید کرد. از قابلیت دو دسته اشعه با خروجی جداگانه برخوردار است.

علاوه بر هدف‌های گازی از هدف‌های جامد نیز استفاده می‌کند. تولید ‏‎۱۲۴I، ‏‎۸۶Y، ‏‎۶۴CU‏ نیز از تولیدات این سیکلوترون است. دو آرایش آن موجود است یکی آرایش خود حفاظ که نیازی به ساختارهای خارج از ساختمان خود برای حفاظ ندارد و دیگری آرایش حفاظ نشده که به راحتی اجازه حفاظت هدف را فراهم می‌آورد و در داخل بونکری از بتن قرار می‌گیرد.

● نوع ‏MIN trace‏ یا (‏MIN trace Proton Acceleration sys‏)

این نوع سیکلوترون یک سیستم فشرده و جمع و جوری با سیستم خود حفاظ برای مصارف کلینیکی و مصارف و پخش مواد رادیوایزوتوپ استفاده می‌شود. همه ردیاب‌های مورد استفاده ‏PET‏ را می‌تواند تولید کند. در این سیکلوترون می‌توان را به دست آورد.

● سیکلوترون‌های ‏CTI، ‏IBA‏ و ‏Ebco‏ آکسفورد

این سه مرکز سه نوع سیکلوترون مختص مطالعات ‏PET‏ را معرفی کرده‌اند. نوع ‏RDS-۱۱‎‏ که توسط ‏CTI‏ ساخته شده است. این سیکلوترون دارای ویژگی‌‌های زیر است. شتاب دادن به یون منفی هیدروژن تا ‏‎۱۱ Mev‎‏ دارای تسهیلات خود حفاظ و مختص کارهای مربوط به ‏PET‏ است. نوع ‏IBA-cylcone ۳-D‏ که دوترون‌ها را تا انرژی ‏‎۳/۸ Mev‏ شتاب می‌دهد و برای تولید ‏O‏ مورد استفاده قرار می‌گیرد. مدل ‏MC۴۰II‏ که قادر است پروتون‌ها را تا ‏‎۴۰ Mev‎‏ شتاب دهد، دوترون را پیش از ‏‎۲۰ Mev‎، هلیوم ‏‎۳‎‏ ، تا انرژی ‏Mev‏ و هلیوم ۴، ‏He، تا انرژی ‏‎۴۰ Mev‎‏ شتاب می‌دهد.

‏● جمع‌بندی، نیازهای بازار، بهینه‌سازی سیستم‌ها و پیشرفت‌های آتی در سیکلوترون

در دهه‌های گذشته،‌ شتاب‌دهنده‌ها برای تولید رادیوایزوتوپ‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند، این وسایل به عنوان وسایل مکمل آکنورها که در تولید رادیوایزوتوپ‌های غنی از نوترون‌ به کار می‌روند. مطرح بوده و هستند. ابتدا ساخت شتاب دهنده به منظور تحقیقات در حوزه فیزیک هسته‌ای صورت گرفت. در طول دو دهه اخیر اخیر بحث تولید رادیوایزوتوپ‌ها در حوزه‌های دیگر از جمله پزشکی نیاز به تولید رادیوایزوتوپ‌های کوتاه عمر را نیز علنی ساخت. که وجود سیکلوترون در این قسمت از این زنجیره تولید را غیرقابل انکار ساخت. با معرفی سیستم ‏PET‏ و رادیوایزوتوپ‌های مورد استفاده در آن از جمله ‏F‏ و دیگر رادیوایزوتوپ‌های کوتاه عمر استفاده از سیکلوترون در محل قطعی کرد.

اولین نسل سیکلوترون‌های تجاری که ماشین‌های پروتون نیز نامیده می‌شدند، خیلی شبیه ماشین‌های تحقیقاتی اولیه بودند. به خاطر کاربرد آسان و پایین آوردن قیمت، تولید رادیوایزوتوپ‌ در داخل مگنت ماشین انجام می‌شد. در سال ۱۹۷۰ مشخص شد که شتاب دادن یون منفی ‏H-‎‏ با فرآیند برهنه کردن آن، مفید بودن جداسازی هدف و شتاب دهنده را بدون مشکلات موجود در یون‌های مثبت مد نظر قرار گرفت. سیستم‌های مختلفی ساخته شد. از جمله ‏CP۴۲‎‏ توسط ‏TCC، ‏IBA‏ در بلژیک، ‏Ebco‏ در ‏Vencouver‏ و ساخت ‏TR۳۰‎‏ یا ‏cyclone ۳۰‎‏ توسط ‏TR۳۰‎‏. این ماشین‌ها به عنوان نسل سوم سیکلوترون‌ها مطرح شدند. با معرفی اولین این ماشین‌ها، نیاز بازار روز به روز موجب ساخت انواع مختلفی از آرایش‌های متنوع آنها شد و اکنون نیز در بازار دنیا موجودند.

▪ نیازهای بازار

در آمریکای شمالی و آسیا تولید رادیوایزوتوپ‌ها با استفاده از سیکلوترون رشد ۲۰% در سال را به خود اختصاص داده است. بیشترین رشد تولید مربوط به ‏‎۲۰۱ TL‎‏ در آمریکا و ‏‎۱۲۵ I‎‏ در ژاپن بوده است. ژاپنی‌ها قبول کرده‌اند که در دهه آینده نیز رشد ۱۰% در سال را داشته باشند. بیشتر محققان معتقدند رشد ‏‎۲۰۱ TL‎‏ در آمریکا در دهه آینده افزایش خواهد یافت. بنابراین مصرف بازار برای چند سال آتی نیز با رشد چند درصدی مواجه است. گرچه پیش بینی دقیق آن ممکن نیست. از طرفی تولید رادیوایزوتوپ‌های کوتاه عمر در سیکلوترون‌ها از نظر تجاری قدری متفاوتند، چون در همان لحظه بایستی مصرف شوند. از جمله خصوصیات این رادیوایزوتوپ‌ها عبارتند از: ۱- تابش، پردازش و حمل آنها در زمان صورت می‌گیرد ۲- مصرف معمولاً ثابت است. ۳- دز تابش تجمعی آنها با نگهداری و بازیافت برای پرسنل با هزینه بالایی همراه است۴ ) به محض تولید بایستی مصرف شوند. ‏

با توجه به این موارد، سیکلوترون بایستی در محل مصرف باشد. بنابراین قابل دسترس بودن، متنوع بودن و کمترین دز تولیدی برای پرسنل از جمله خصوصیات سیکلوترون‌ها است.

▪ بهینه‌سازی

بنابراین برای پاسخ به تقاضای بازار، تولیدکننده با بهینه‌سازی تولیدات خود درصدد کسب سود بیشتر و ارزش افزوده آن با بهینه‌سازی است.

از جمله اصول افزایش تولید در نسل سوم سیکلوترون عبارتند از:

۱) طراحی مغناطیس که کانونی کردن عمودی شدیدی را برای جلوگیری از کاهش شتاب ذرات فراهم می‌کند.

۲) شتاب دادن به یون‌های منفی H-‎‏ و ‏D-‎‏ که اجازه استخراج با فرایند برهنه کردن را فراهم می‌کند.‏

۳) هدف‌ها در مکان‌های جداگانه درون حفره‌های جایگذاری می‌شوند و با این کار بیشترین ترکیب رادیواکتیو را می‌توان به دست آورد.‏

۴) خلأ خوب (کمتر از ‏۷-۱۰) داخل تانک شتاب برای کاهش افت انرژی دسته اشعه برهنه شده.‏

۵) منبع یون خارجی که خلأ را بهبود می‌بخش دو دستیابی را راحت‌تر می‌کند.

۶) سیستم‌های قیاسی (Modulator‏) با نرم‌افزارهای خاص که در خارج از سیستم فعالیت دارد. ‏

۷) استفاده از فعال‌سازی مواد کمتر و کاهش وابستگی سیستم به موادی که در اثر آسیب تابشی از بین می‌روند.

۸) استفاده از طراحی‌های با بازده توان بیشتر.

۹) بهینه‌سازی کیفیت بیم و پایداری بیم برای کاهش نقاط داغ در هدف.‏

۱۰) سیستم کنترل پیشرفته با استفاده از plcs‏ و گرافیک‌های تجاری مورد استفاده جدول (ضمیمه ۲) تعدادی از سیکلوترون‌های تجاری برای تولید رادیوایزوتوپ‌ را نشان می‌دهد.‏

با مقایسه سیکلوترون‌های ‏CP۴۲‎‏ (نسل دوم) و ‏TR۳۰‎‏ (نسل سوم) ملاحظه می‌شود که هر دو سیستم دارای برنامه یکسان، هستند. تنها تفاوت آنها در بار آزاد شده توسط آنها است. با پیشرفت در نسل سوم خروجی جریان افزایش یافته است. جدول (ضمیمه ۲). برخی از این خصوصیات را نشان می‌دهد.در حال حاضر ‏TR ۳۰‎‏ با بهینه‌سازی به جریان ‏‎۱ mA‎‏ رسیده است. این سیکلوترون در ابتدا برای جریان ۳۵۰ میلی آمپر طراحی شده بود. دز کارکنان نیز در این سیکلوترون‌ها روز به روز بهبود یافته است.

▪ پیشرفت‌های آینده

دستیابی به جریان بیشتر، اجازه مانور بیشتر، برنامه‌ریزی زمان بندی دقیق، مقرون به صرفه بودن و کاهش فشار بر سیستم‌ در هنگام عدم استفاده، استفاده بهینه در ظرفیت، پیک از برنامه‌های آتی سازندگان سیستم‌های سیکلوترون است. به عنوان مثال بهینه‌سازی سیستم ‏TR ۳۰‎‏ در کارخانه ‏TRIumf‏ نشان داد که جریان را می‌توان تا ‏‎۲ mA‎‏ از یون‌های ‏H-‎‏ به دست آورد. کار و فعالیت روی منبع یون و سیستم‌های تزریق انرژی این امکان را فراهم می‌کند که این جریان را تولید کنیم. به هر حال سازندگان سیکلوترون روز به روز دنبال بهینه‌سازی سیستم‌های خود هستند تا هر چه بیشتر قابلیت آنها را افزایش دهند. ‏

منابع

‏۱. B.F.Milton, N.R. Stevenson. Syclotrons for Radio Isotope production, TRIUMF. Canada.

۲. cyclo trons and charactristis by hockey internet.

۳. J‎.Teny operation of PET cyclotrons for mealre Imaging cyclotron unit, medical research, hammersmith Hospital, London (۱۹۹۹)‎

۴. F.A.smith, A primer In Applied Radiation Physics. (first edition, world scientific publishing co. ۲۰۰)

نویسنده: دکتر احمد بیطرفان رجبی، دکتر مجتبی صلوتی، مهندس فرانک سقطچی،‌سارا جباری