Cyklotron - Polski Serwis Naukowy

Diagram cyklotronu z wniosku patentowego z 1934 roku

Współczesny cyklotron, wykorzystywany w onkologii (radioterapii) do leczenia chorób nowotworowych

Cyklotron — najprostsza i pierwsza historycznie forma akceleratora cyklicznego cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym.

W akceleratorach cyklicznych, także w cyklotronie, przyspieszane cząstki poruszają się po torach zbliżonych do kołowych, przebiegając wielokrotnie przez obszar w którym są przyspieszane.

Akcelerator – urządzenie służące do przyspieszania cząstek elementarnych lub jonów do prędkości bliskich prędkości światła. Cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym są przyspieszane w polu elektrycznym. Do skupienia cząstek w wiązkę oraz do nadania im odpowiedniego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach także zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego.
Łódź – miasto wojewódzkie w środkowej Polsce, położone na Wzniesieniach Łódzkich, na dziale wodnym I rzędu Wisły i Odry. Przejściowa siedziba władz państwowych w 1945 roku. Siedziba władz województwa łódzkiego oraz powiatu łódzkiego wschodniego.

Historia

Pierwszy cyklotron zbudowano pod kierownictwem Ernesta Lawrence'a w University of California, w 1931 roku. Akcelerator był używany w eksperymentach nad zderzaniem cząstek jako źródło cząstek o energii do 1 MeV.

Obecnie cyklotrony są używane do:

wytwarzania wiązki cząstek o określonej wysokiej energii używanych głównie do prowadzenia badań podstawowych oraz wykorzystywanych praktycznie np. w leczeniu nowotworów,

uzyskiwania promieniowania rentgenowskiego o określonej częstotliwości w wyniku zjawiska promieniowania cyklotronowego,

produkcji izotopów o krótkim czasie połowicznego rozpadu używanych w PET

selekcjonowania cząstek w spektrometrach masy.

Pierwszy polski cyklotron uruchomiono w podkrakowskich Bronowicach 22 listopada 1958 roku. Obecnie w Polsce działają cyklotrony w Krakowie, Warszawie, w Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku pod Warszawą oraz w Centrum Onkologii w Gliwicach. W 2013 roku ma zostać uruchomiony kolejny - w Wojewódzkim Szpitalu Specjalistycznym im. M. Kopernika w Łodzi.

Kraków – i pod względem powierzchni. Jedno z najstarszych miast Polski, o ponad tysiącletniej historii. Kraków posiada wartościowe zabytki architektury, działa w nim wiele instytucji i placówek kulturalnych.
Synchrocyklotron, fazotron - akcelerator cząstek rodzaj cyklotronu o zmiennej częstotliwości pola elektrycznego, tak dobranej, aby kompensowało ono relatywistyczny wzrost masy, który wywołuje wzrost czasu obiegu cząstek przy zbliżaniu się ich prędkości do prędkości światła. Pierwszy synchrocyklotron skonstruował Weksler w ZSRR w roku 1945.

Zasada działania

Wiązka elektronów poruszających się po orbicie kołowej w stałym polu magnetycznym

Cyklotron składa się z elektromagnesu wytwarzającego pole magnetyczne i komory próżniowej, w której umieszczono dwie półkoliste elektrody zwane duantami. Między elektrodami wytwarzane jest za pomocą generatora wysokiej częstotliwości zmienne pole elektryczne. W centrum cyklotronu znajduje się źródło cząstek (cząsteczek) naładowanych elektrycznie lub cząsteczki te są wprowadzane z zewnątrz. Jeżeli częstotliwość generatora jest równa częstotliwości obiegu cząstek, to są one przyspieszane podczas przelotu między duantami. Cząstki o innym czasie przelotu są okresowo przyspieszane i hamowane i w końcu uderzają w duanty. Cząsteczki o większej energii poruszają się po większym promieniu. Gdy promień toru ruchu cząstki jest odpowiednio duży, może ona opuścić akcelerator; pomocna w tym może być dodatkowa elektroda kierująca cząstki w odpowiednią stronę.

Radioterapia, dawniej curieterapia - metoda leczenia za pomocą promieniowania jonizującego. Stosowana w onkologii do leczenia chorób nowotworowych oraz łagodzenia bólu związanego z rozsianym procesem nowotworowym, np. w przerzutach nowotworowych do kości. Radioterapia jest podspecjalnością lekarską w obrębie onkologii.
Elektroda - końcowy element niektórych układów lub urządzeń elektrycznych, przewodnik elektryczny wysyłający ładunek elektryczny lub przyjmujący go z otoczenia, albo kształtujący pole elektrostatyczne w swoim otoczeniu.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)

Czy wiesz że...? beta

Akcelerator kołowy (cykliczny) - akcelerator, w którym przyspieszane cząstki poruszają się po torach zbliżonych do kołowych i spiralnych. Zakrzywienie toru wywołuje się za pomocą elektromagnesów rozmieszczonych na planie zbliżonym do okręgu. Elektromagnesy wytwarzają, synchronicznie z przebiegiem cząstek, pole elektryczne o dużej częstotliwości, albo wirowe pole elektryczne wytwarzane przez zmienny strumień magnetyczny. Podczas jednego cyklu cząstki doznają niewielkiego wzrostu energii, dlatego aby otrzymać znaczny wzrost energii, cykl przyspieszania należy wielokrotnie powtórzyć.

Pole elektryczne – stan przestrzeni otaczającej ładunki elektryczne lub zmienne pole magnetyczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna.

Synchrotron – szczególny typ akceleratora cyklicznego, w którym cząstki są przyspieszane w polu elektrycznym wzbudzanym w szczelinach rezonatorów synchronicznie do czasu ich obiegu. W synchrotronie, tak jak w każdym cyklotronie (akceleratorze cyklicznym) przyspieszane cząstki krążą w polu magnetycznym. W miarę wzrostu energii przyspieszanych cząstek, pole magnetyczne jest zwiększane, by zachować stały promień obiegu cząstek.

Nowotwór (łac. neoplasma, skrót npl – z greckiego neoplasia) – grupa chorób, w których komórki organizmu dzielą się w sposób niekontrolowany przez organizm, a nowo powstałe komórki nowotworowe nie różnicują się w typowe komórki tkanki. Utrata kontroli nad podziałami jest związana z mutacjami genów kodujących białka uczestniczące w cyklu komórkowym: protoonkogenami i antyonkogenami. Mutacje te powodują, że komórka wcale lub niewłaściwie reaguje na sygnały z organizmu. Powstanie nowotworu złośliwego wymaga kilku mutacji, stąd długi, ale najczęściej bezobjawowy okres rozwoju choroby. U osób z rodzinną skłonnością do nowotworów część tych mutacji jest dziedziczona.

Cząstka – bardzo mała ilość (pyłek, okruch) lub stosunkowo niewielka część większej całości (Galaktyka jest cząstką kosmosu). W naukach przyrodniczych (fizyka, chemia) cząstka oznacza mały fragment materii (np. cząstka kurzu), który ma zwarty kształt, w odróżnieniu od nici czy włókna.

Cyklotron izochroniczny (akcelerator z azymutalną modulacją pola) — cyklotron skonstruowany tak, aby czas jednego obiegu rozpędzanych cząstek był stały (stąd nazwa izochroniczny) pomimo wzrostu masy cząstki wywołanej efektami relatywistycznymi. Efekty te występują przy rozpędzaniu cząstek do prędkości porównywalnych z prędkością światła.

Pozytonowa Tomografia Emisyjna (ang. Positron emission tomography, PET) jest techniką obrazowania, w której (zamiast jak w tomografii komputerowej – zewnętrznego źródła promieniowania rentgenowskiego lub radioaktywnego) rejestruje się promieniowanie powstające podczas anihilacji pozytonów (anty-elektronów). Źródłem pozytonów jest podana pacjentowi substancja promieniotwórcza, ulegająca rozpadowi beta plus. Substancja ta zawiera izotopy promieniotwórcze o krótkim czasie połowicznego rozpadu, dzięki czemu większość promieniowania powstaje w trakcie badania, co ogranicza powstawanie uszkodzeń tkanek wywołanych promieniowaniem. Wiąże się także z koniecznością uruchomienia cyklotronu w pobliżu (krótki czas połowicznego rozpadu izotopów to także krótki maksymalny czas ich transportu) co znacząco podnosi koszty.