سیکلوترون ها و سینکروترون ها, انواع و کاربردهای آنها در پزشکی

سیکلوترون یک شتاب‌دهنده ذرات باردار است که در سال ۱۹۲۹ توسط ‏Ernesto Lawrence‏ با کمک همکاران و دانشجویانش در دانشگاه کالیفرنیا طرحی کرد و در سال ۱۹۳۰ به ثمر رسید. این دستگاه از دو آهنربای مغناطیسی بزرگ و توخالی به شکل ‏D‏ برای تولید میدان مغناطیسی یکنواخت استفاده می کند. دو مغناطیس نیم دایره به شکل ‏D‏ با کناره‌های وجوه مستقیم و موازی مقابل هم با مقداری فاصله قرار می‌گیرند. یک ولتاژ نوسانی برای تولید میدان الکتریکی بین شکاف دو ‏D‏ اعمال می‌شود. ذرات به درون میدان مغناطیسی یکی از ‏Dها تزریق می شوند و شتاب می گیرند تا هنگامی که به شکاف بین ‏Dها می‌رسند. این ذره توسط میدان الکتریکی ناشی از ولتاژ اعمالی بالا که نوسانی است، دریافت شده و این میدان موجب شتاب بیشتر ذره می‌شود. سپس ذره وارد فضای بین ‏D‏ مقابل می‌شود، در داخل این ‏D‏ باز هم ذره شتاب بیشتری پیدا می‌کند و از آنجا که انرژی آن بیشتر می‌شود در مسیر دایره‌ای با شعاع بزرگ‌تری حرکت می‌کند، تا دوباره به شکاف بین ‏D‏ ها می‌رسد. ‏

فرکانس میدان الکتریکی به گونه‌ای تنظیم می‌شود که به محض رسیدن ذره به شکاف، جهت آن عوض می‌شود، به صورتی که همواره ذره شتاب افزاینده پیدا کند. بنابراین ذره در حال چرخش در هر دور انرژی را هم از میدان مغناطیسی درون ‏Dها و هم از میدان الکتریکی درون شکاف ‏Dها کسب می‌کند. بنابراین سرعت آن همواره افزایش می‌یابد ولی همواره زمان طی کردن مسیر حرکت آن ثابت است. ‏

محدودیت انرژی ذره تنها به اندازه مغناطیس‌های تشکیل‌دهنده آن (‏Dها) و شدت این میدان و جرم ذره مورد شتاب بستگی دارد. امروزه برای دستیابی به انرژی‌های بالاتر از سینکروترون‎ ‎ها استفاده می‌شود.

● سینکروترون (‏Cynchrotron‏)

یک سینکروترون که گاهی سینکرو-سیکلوترون نیز نامیده می‌شود، یک شتاب‌‌دهنده دایره‌ای است که از یک یا چند حفره رزونانس مغناطیسی (الکترومغناطیسی) برای شتاب دادن به ذرات استفاده می‌کند. حفره‌ها اطراف یک رینگ در فواصل معینی قرار دارند. ذرات عبوری از حفره شتاب پیدا کرده و هر ذره ورودی می‌تواند به دفعات اطراف رینگ دوران کند و هر بار شتاب آن و به تبع، انرژی آن افزایش یابد. به ازاء افزایش انرژی، شتاب سیر آن نیز افزایش می‌یابد. بنابراین هنگامی که انرژی ذره افزایش می‌یابد شدت میدان مغناطیسی مورد استفاده باید به گونه‌ای تغییر یابد که ذره در همان رینگ باقی بماند. تغییر میدان مغناطیسی دقیقاً با تغییر انرژی ذره همزمان است.

به همین دلیل آن را سینکروترون می ‌نامند. گستره انرژی ذره و شتاب آن در یک رینگ با گستره میدان مغناطیسی با دقت بالایی تعیین می‌شود. برای رسیدن به انرژی‌های بالاتر می‌توان از سینکروترون های متوالی با اندازه‌های مختلف استفاده کرد که به طور افزایشی همدیگر را تقویت می‌کنند. ذره بایستی قبل از ورود به اولین رینگ با یک شتاب‌دنده کوچک یا وسیله‌ای دیگر شتاب پیدا کند.‏

● تابش سینکروترون (‏Cynchrotron Radiation‏) ‏

با توجه به اصول الکترومغناطیس، ذره شتاب‌دار و باردار از خود نشر انرژی به شکل‌ تابش‌های الکترومغناطیسی دارد. بنابراین در سینکروترون ذرات باردار شتاب‌دار قسمتی از انرژی خود را به صورت نشر الکترومغناطیسی منتشر می‌سازند. طول موج و شدت این انرژی به انرژی ذره و نوع آن بستگی دارد. بنابراین اگر این نشر انرژی زیاد باشد، از نظر کسب انرژی بیشتر توسط ذره با مشکل مواجه خواهیم شد. برای جلوگیری از این حالت، حفره‌ها را به گونه‌ای طراحی می‌کنند که به محض افزایش شتاب از یک حد خاص انرژی ذره کاهش می‌یابد. وقتی سرعت ذره به سرعت نور می‌رسد، این اثر به طور صعودی افزایش می‌یابد. میزان از دست دادن انرژی ذره با فاکتوری به نام گاما مشخص می‌شود. فاکتور گاما (‏?‏) نسبت انرژی ذره به انرژی در حال سکون آن است و از دست دادن انرژی رای الکترون‌ها با ۳‏?‏ متناسب است.

● وابستگی این انرژی به انرژی ذره شتاب داده شده

‏ برای الکترون‌ها با انرژی ‏Gev‏ ۵/۱ فاکتور گاما معادل ۳۰۰۰ است و برای یک الکترون با انرژی ‏‎۵۰ Gev‎‏ این فاکتور به ۱۰۰۰۰ می‌رسد. پروتون از الکترون سنگین‌تر است. اگر برای یک الکترون و یک پروتون این فاکتور را با یکدیگر مقایسه کنیم، ملاحظه می‌شود که فاکتور گاما برای پروتون‌ها کمتر از الکترون‌ها است (در انرژی پروتون ‏‎۱۰۰۰Gev=۱ Tev‎‏ این فاکتور ۱۰۰۰ است) بنابراین از پروتون در سیکلوترون برای شتاب‌دار شدن استفاده می‌شود و از الکترون‌ها استفاده نمی‌شود.

● PET‏ و سیکلوترون

‏ سیستم تصویربرداری ‏PET‏ شدیداً به تولیدات رادیوایزوتوپ‌های با نیمه عمر کوتاه وابسته است. این رادیوایزوتوپ‌ها شامل ‏F، ‏O، ‏N، ‏Ga‏ و ‏Rb‏ هستند. با افزایش تعداد سیستم‌های ‏PET‏ نصب شده و کاربرد آنها در سراسر دنیا، نیاز به ژنراتورهای تولید رادیوایزوتوپ مورد استفاده در ‏PET‏ روز به روز بیشتر می‌شود. اخیراً استفاده از سیکلوترون‌های کوچک که ماشین‌های یون منفی نامیده می‌شوند، مورد استفاده فراوانی در بیمارستان‌های مجهز به سیستم ‏PET‏ پیدا کرده‌اند. این ماشین‌ها یون‌های ‏H‏ و ‏D‏ را شتاب می‌دهند. با عبور این یون‌ها از ورقه‌‌های نازک کربنی بعد از شتاب‌دار شدن الکترون‌ها از آنها برهنه شده تا ‏H+‎‏ و ‏D+‎‏ به دست آید. تولیدات نوعی ‏F‏ از این سیکلوترون‌ها محدوده ای از ۱ تا ۶ کوری بر ساعت که بستگی به انرژی ذره دارد، خواهد بود.

علاوه بر سیکلوترون‌های کوچک برای تولید رادیوایزوتوپ‌‌های با نیمه‌عمر کوتاه از شتاب‌دهنده با انرژی کمتر نیز استفاده می‌شود.‏

● اصول فیزیک حاکم بر عمل سیکلوترون

انرژی جنبشی ذرات باردار باید حداقل چند میلیون الکترون ولت (‏Mev‏) باشد تا بتواند بر نیروی دافعه کولتی هسته غلبه و واکنش های هسته ای را باعث شوند. روش‌های مختلفی برای انجام این کار موجود است. معمولی‌ترین آنها ماشین سیکلوترون است که برای تولید نوکلئیدهای پرتوزا از آن استفاده می‌شود. در زیر به بحث فیزیک پایه این ماشین می‌پردازیم.

یک میدان الکتریکی که به وسیله اختلاف پتانسیل دو سر الکترودها تولید می‌شود ذره باردار را شتاب می‌دهد. میدان مغناطیسی ذره باردار را در یک مسیر دایره‌ای به حرکت وامی‌دارد. هر ذره بارداری که در میدان مغناطیسی حرکت می‌کند نیرویی در جهت عمود بر میدان مغناطیسی و همچنین عمود بر جهت حرکت به آن وارد می‌شود.‏

در سیکلوترون الکترودهای ‏D‏ شکل میان تهی و تخلیه شده‌ از هوا و سایر گازها، مسؤول دوران ذره با این فرکانس هستند. همچنان که ذره میان ‏Dها می‌چرخد اختلاف پتانسیل میان ‏Dها معکوس می‌شود و به محض خروج ذره در یک ‏D‏ توسط این مقیاس نوسانی دریافت و با شتاب وارد ‏D‏ بعدی می‌شود. این فرایند ادامه می‌یابد زیرا سرعت ذره با هر شتاب به طور یکنواخت افزایش می‌یابد ولی میدان مغناطیسی ثابت است. لذا مسیر حرکت ذره به جای دایره‌ای مسیری مارپیچ خواهد بود.

چشمه ذرات باردار می‌تواند یک لوله تخلیه ساده باشد که در آن یون‌ها توسط یک دستگاه الکترود خارج و به مرکز ‏Dها وارد می‌‌شود. هدف یا داخل سیکلوترون قرار دارد یا یون‌ها پس از خارج شدن از سیکلوترون به وسیله یک مجموعه میدان الکتریکی به سوی هدف خارجی هدایت می‌شود.‏

فضای مسیر حرکت یون‌ها بایستی خلاء باشد و فرکانس اختلاف پتانسیل میدان ‏Dها از مرتبه چندین ‏MHz‏ است. در هر سیکلوترون نوعی، شعاع ‏Dها در حدود ۴۰ سانتی‌متر است. سنگین‌ترین قسمت سیکلوترون آهنربای الکتریکی آن است. ‏

جدول فوق مشخصات یکی از سیکلوترون‌های تجاری به نام ‏TR۳۰‎‏ که توسط شرکت ‏TRIUMF ‎‏ طراحی و ساخته شده است، می‌باشد.

● اجزاء اصلی یک سیکلوترون

قسمت‌های اساسی یک دستگاه سیکلوترون عبارتند از:

۱) منبع تولید یون و سیستم تزریق آن

۲) مجموعه شتاب‌دهنده فرکانس رادیویی

۳) سیستم خلاء

۴) مجموعه هدف یا هدف‌ها

۵) تولید رادیودارو و ملحقات مربوط به آن.

سیکلوترون یک شتاب‌دهنده ذرات اتمی و زیر اتمی است. وقتی ذره شتاب‌دار می‌شود انرژی کسب می‌کند. این در مراحل متعددی در یک حرکت مارپیچی به ذرات این عمل را انجام می‌دهد و در هر مرحله ذره مقداری انرژی کسب می‌کند. حرکت مارپیچ توسط مغناطیسی نسبتاً پرقدرت (حد ‏‎۱.۵ T‎‏ تا ‏‎۲ T‎‏) انجام می‌شود. انرژی اولیه برای شتاب دادن از طریق یک ولتاژ مشابه ولتاژهای اعمالی به تلویزیون‌ها تأمین می‌شود. عمل شتاب در خلأ انجام می‌‌شود تا برخورد با مولکول‌های هوا و سایر گازها به حداقل برسد. وقتی ذره انرژی لازم را کسب کرد آنها را به داخل اتم‌های هدف تزریق می‌کنند. اتمی که ذره تزریقی را جذب کرده باشد رادیواکتیو می‌شود و آن را رادیوایزوتوپ می نامند.‏

● سیکلوترون ‏WA PET‎‏:

این سیکلوترون قادر به شتاب‌ یون‌های ‏H?‏ (‌تشکیل شده از یک پروتون و دو الکترون) و دوترون‌ها (یک پروتون و یک نوترون همراه با یک الکترون) است. سیکلوترون برای تولید ایزوتوپ‌های مورد استفاده در ‏PET‏ به کار می‌رود. همچنین تولید رادیوایزوتوپ‌های مورد استفاده در رادیوشیمی و فیزیک نیز از توانایی‌های این سیستم است.‏

گرچه سیکلوترون‌ها مدل‌های مختلفی دارند (جدول ضمیمه) ولی همه آنها در چند جنبه با یکدیگر مشترک هستند که به توصیف کلی این اجزاء پرداخته می‌شود.

سیکلوترون‌های مورد استفاده در بیمارستان‌ها برای تولیدات رادیوایزوتوپ ‏PET‏ و رادیوشیمی دارای انرژی در حدود ‏‎۱۸ Mev‎‏ است.

● اجزاء مشترک همه سیکلوترون‌‌ها

۱) منبع تولید یون و سیستم تزریق آن: در سیکلوترون یون‌های متعددی شتاب داده می‌شوند. این یون عبارتند از :‏P+‎، ‏H-‎، ‏He۲+‎، ‏He۲+ ‎‏ (‏‎?‎‏)، ‏D، ‏D‏ و برخی یون‌های سنگین که البته یون‌های سنگین در سیکلوترون‌های با مصرف بیمارستانی کاربردی ندارند. از بین این یون‌ها، یون ‏H-‎‏ جایگاه خاصی دارد، زیرا تا حدودی کار با این گونه سیستم‌ها راحت تر و خود حفاظی آنها بیشتر است. یون ‏H-‎‏ مورد استفاده برای شتاب دادن از گاز هیدروژن به دست می‌آید.

گاز به داخل اتاقکی چپ می‌شود که در آنجا با عبور جریان زیادی از الکترون گرم می‌شود، در عبور از اتاقک، الکترون‌ها با گاز هیدروژن برخورد می‌کند و تولید تعداد زیادی از یون‌های ‏H-‎‏ می‌کنند. یون‌های ‏H-‎‏ به داخل اتاقک خلأ تزریق می‌شوند. این کار با اعمال ولتاژ صورت می‌گیرد. تعداد زیادی از یون‌های تزریق شده در داخل محفظه شتاب تشکیل یک دسته اشعه را می‌دهند، که به این دسته اشعه، دسته اشعه سیکلوترون گفته می شود.‏

۲) مجموعه سیستم شتاب‌دهنده رادیوفرکانسی:

ذره باردار متحرک (مثبت یا منفی) در یک میدان مغناطیسی منحرف می‌شود. اگر میدان مغناطیسی ثابت باشد ذره فقط مسیرش تغییر و حرکت آن دایره‌ای است. مقدار سرعت و انرژی ذره در این حالت ثابت می‌ماند.

برای کسب انرژی، ذره بایستی شتاب پیدا کند. بنابراین به یک ولتاژ بالا برای این کار نیازمندیم. یک ولتاژ بالا (‏‎۳۰,۰۰۰ V‏) با زاویه عمود بر میدان مغناطیسی بین دو الکترود به نام ‏Dها اعمال می‌شود ولتاژ بالا موجب جذب ذره و در نتیجه موجب شتاب آن می‌شود. با تغییر سریع این ولتاژ شتاب ذره بارها تکرار می‌شود. فاز تغییر این ولتاژ با فاز حرکت ذره به گونه‌ای است که در هر یک چهارم سیکل شتاب افزایش پیدا می‌کند (در هر ‏D‏)که این موجب حرکت مارپیچی ذره می‌شود. هنگامی که شتاب ذرات به حد کافی رسید، دسته اشعه شتاب‌دار را می‌توان به داخل ماده هدف تزریق کرد.

۳) سیستم خلأ

فضای بین ‏Dها یا مسیر حرکت ذرات باردار توسط یک سیستم پمپینگ کاملاً از هوا و سایر گازها تخلیه می‌شود. یک پمپ معمولی (تا چندم میلی‌بار) این کار را انجام می‌دهد. ذره در هنگام شتاب دار شدن با هیچ عاملی برخورد ندارد و انرژی خود را از دست نمی‌دهد. معمولاً از سیستم پمپ‌های روغنی در سیستم‌های سیکلوترون استفاده می‌شود.

۴) مجموعه هدف

در سیکلوترون‌ها از ذرات پرانرژی استفاده می‌شود. این ذرات تشکیل یک دسته اشعه را می‌دهند. این ذرات بر روی ماده هدف کانونی می‌شوند. در سیستم ‏WR PET، سیستم هدف حاوی انواع خاصی از گاز (‏O، ‏N‏ یا ‏Ne‏) است، هنگامی که ذره بمباران کننده در ماده هدف جذب شد، تعداد زیادی از واکنش‌های زیر اتمی اتفاق می‌افتد و نتیجه آن تشکیل یک هسته‌ مرکب است. این هسته مرکب در نهایت تلاشی یافته و در فرایند تلاشی، تولید انرژی به شکل تابشی ذره‌ای الکترومغناطیسی می کند.‏

تولید مداوم هسته‌های مرکب همراه با تولید گرما است، که این گرما بایستی از محیط هدف خارج شود. ترکیبی از گارهای سردکننده و آب سرد شده مجموعه سیستم سرمایی سیکلوترون را تشکیل می‌دهند.

۵) تولید رادیوداروهای ‏PET

‏ توموگرافی نشر پوزیترونی یک روش تصویربرداری غیرتهاجمی برای رویت عملکرد بافت‌ها و ارگان است. برای دستیابی به این هدف، بیمار نیاز به رادیوداروی ناشر پوزیترون دارد. رادیوداروها معمولاً حاوی مقدار کمی رادیوایزوتوپ هستند. عمده‌ترین این رادیوایزوتوپ‌ در ‏PET، ‏‎ ۱۸F‏ با نیمه عمر ۱۱۰ دقیقه است که می‌تواند به داروهای متعددی باند شود. مهم‌ترین آن ‏FDG‏ است. سیکلوترون ها در بیمارستان مستقر هستند. پس از ساخت رادیوایزوتوپ آن را برای تولید رادیودارو به آزمایشگاه مجاور منتقل می‌کنند. در برخی سیستم‌ها کل فرایند به شکل اتوماسیون انجام می‌شود.

دکتر احمد بیطرفان رجبی، دکتر مجتبی صلوتی، مهندس فرانک سقطچی،