cyclotron

به نام خدا
سیکلوترون چیست؟

•سیکلوترون نوعی شتاب دهنده ذرات کوچک است که توسط «ارنست لارنس» در سال 1929-1930 در دانشگاه کالیفرنیا اختراع و در سال 1932 ثبت شد. سیکلوترون ها تا دهه 1950 هنگامی که توسط سینکروترون ها کنار گذاشته شدند، قدرتمندترین فناوری شتاب دهنده ذرات بودند و هنوز نیز از آن ها برای تولید پرتو ذرات در فیزیک و پزشکی هسته ای استفاده می شود. بزرگترین سیکلوترون با طولی برابر با ۱۷٫۱ متر در مرکز «تریامف» کانادا قرار دارد و انرژی باریکه پروتونی را تا ۵۰۰ مگاالکترون ولت می رساند.

سیکلوترون ها چه چیزی تولید می کنند؟

•سیکلوترون ها ایزوتوپ های رادیواکتیو تولید می کنند و در حال حاضر حدود ۱۲۰۰ سیکلوترون در سراسر دنیا برای تولید رادیونوکلئیدها وجود دارند. این رادیونوکلئیدها برای مراحل مختلف رادیولوژی و تصویربرداری پزشکی استفاده می شوند. وجود ایزوتوپ های پایدار و غیررادیواکتیو در سیکلوترون باعث افزایش انرژی ذرات باردار (پروتون ها) در یک میدان مغناطیسی می شود.

•هنگامی که ایزوتوپ های پایدار با پرتو ذرات واکنش نشان می دهند، یک واکنش هسته ای بین پروتون ها و اتم های هدف اتفاق می افتد و ایزوتوپ های رادیواکتیو برای کاربرد در پزشکی هسته ای و اهداف دیگر ایجاد می شوند. رادیوایزوتوپ های پزشکی برای مدت طولانی رادیواکتیو باقی نمی مانند. به همین دلیل، آزمایشگاه های پزشکی که از این ایزوتوپ ها استفاده می کنند باید به سیکلوترونی که ایزوتوپ ها را تولید می کند نزدیک باشند.

سیکلوترون چگونه کار می کند؟

•بدنه یک سیکلوترون از الکترود ساخته شده است. به دلیل شکل این الکترودها در محفظه خلاء آن ها را «دیز» (Dees) می نامیم. محفظه خلاء در سیکلوترون سطحی صاف است و در فاصله کوچک بین قطب های مغناطیس های بزرگ سیکلوترون قرار گرفته است که میدان مغناطیسی عمود بر مسیر حرکت ذره ایجاد می کنند.

•در سیکلوترون ها جریانی از ذرات باردار در مرکز محفظه خلاء قرار می گیرد و یک ولتاژ متناوب با فرکانس بالا در سراسر الکترودها اعمال می شود. این ولتاژ به طور متناوب ذرات باردار را جذب و دفع کرده و باعث افزایش شتاب ذرات می شود.

•میدان مغناطیسی ذرات را در مسیر دایره ای هدایت می کند. با افزایش انرژی ذرات توسط ولتاژ شتاب دهنده ای که از الکترودها ناشی می شود، پرتو ذرات به سمت خارج و به لبه های خارجی محفظه خلاء می رسند.

•امروزه سیکلوترون های پیشرفته به یون های منفی ایجاد شده در پلاسما شتاب وارد می کنند. وقتی این یون های منفی به لبه بیرونی محفظه خلاء می رسند، الکترون های اضافی از یون هایی که ذرات مثبت مانند پروتون یا دوترون (هسته یک اتم دوتریوم، متشکل از یک پروتون و یک نوترون) را تشکیل می دهند، جدا می شوند و می توانند به عنوان پرتوی خروجی از سیکلوترون خارج شوند. طول مسیر مارپیچ حرکت باریکه و میزان انرژی که ذره به دست می آورد توسط اندازه محفظه خلاء تعیین می شود.

سیکلوترو ن های پزشکی

•سیکلوترون های پزشکی پرتوهای پروتونی تولید می کنند که در ساخت رادیوایزوتوپ های مورد استفاده در تشخیص پزشکی به کار می رود. رادیوایزوتوپ های تولید شده در پرتوزایی سیکلوترون، توسط انتشار پوزیترون یا گرفتن الکترون تولید می شوند.

•«توموگرافی انتشار پوزیترون» و «توموگرافی انتشار تک فوتون» که در آن ها از پرتوهای گاما استفاده می شود (با گرفتن الکترون به دست می آید)، دو تکنیک تصویربرداری هستند که از رادیوایزوتوپ های تولید شده توسط سیکلوترون استفاده می کنند.

سیکلوترون و راکتورهای هسته ای

•اتم هایی با پروتون اضافه در هسته، به عنوان اتم های «کمبود - نوترونی» شناخته می شوند و در شتاب دهنده ذرات مانند سیکلوترون قابل تولید هستند. اما اتم هایی که دارای نوترون های اضافه در هسته اند، «غنی از نوترون» هستند و در راکتورهای هسته ای تولید می شوند.

•رادیوایزوتوپ های کمبود-نوترونی و غنی از نوترون به روش ها و صورت های مختلف پرتوزایی می کنند و بدین جهت خاصیت و کاربردهای متفاوتی دارند. رادیوایزوتوپ های ساخته شده در سیکلوترون ها مکمل رادیوایزوتوپ هایی هستند که در راکتور ساخته می شوند. از هر دو نوع رادیوایزوتوپ برای تامین نیازهای پزشکی هسته ای استفاده می شود.

دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته شاهین جلیل پور