Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Kiss Ádám ELTE, Atomfizikai Tanszék
A gyorsítók a XX. század második felében néhány évtized alatt a civil élet számos területén nélkülözhetetlenné váltak, és a XXI. század elejére a részecskegyorsítók és a velük kapcsolatos tevékenység a gazdasági élet figyelemre méltó része lett. A gyorsított részecskéket a tudományos kutatáson kívül napi rendszerességgel alkalmazzák az egészségügy és az ipar számos területén. A gyorsított részecskék alkalmazásának segítségével más módszereknél nem látott pontosságú anyagelemzésre, diagnosztikai célú vizsgálatra nyílik lehetőség, a gyorsított részecskékkel való besugárzás pedig nagy pontossággal ellenőrzött anyagátalakításra, egészségügyi terápia folytatására alkalmas. A fejlett országokban a ma működő közel húszezer gyorsító több tízezer szakértőnek ad munkát, azok száma pedig évente akár a több milliót is elérheti, akik az egészségügyben kerülnek kapcsolatba a gyorsítókkal.
-nyalábot volt
képes előállítani).
Már az első gyorsítókkal szerzett tapasztalatokból
kiderült, hogy az ebben az időben megszülető és hamarosan
a tudományos érdeklődés középpontjába
kerülő részecskefizikai kutatásokhoz már akkor
szükséges még nagyobb részecskeenergiák eléréséhez
figyelembe kell venni a részecskék gyorsításakor
fellépő relativisztikus tömegnövekedést. Enélkül
ugyanis az egyre nagyobb sebességű részecskék a
ciklikus rezonanciagyorsítókban kiesnek a gyorsító
fázisból. A probléma megoldása elvezetett a lineáris
részecskegyorsítók és a relativisztikus jelenségeket
megfelelő módon figyelembe vevő ciklikus gyorsítók
megépítéséhez.
A gyorsítók építésében elért sikereket látványos
tudásgyarapodás követte az atommagok tulajdonságainak
felderítésében. Ezzel párhuzamosan alapos ismeretekre
tettek szert a nagy energiájú részecskék és
az anyag kölcsönhatásával kapcsolatban is. Hamarosan
kiderült az is, hogy a gyorsított részecskéket a
gyakorlati élet, az ipar, más tudományok és az orvosi
gyakorlat számos területén fel lehet használni. A potenciálisan
vonzó alkalmazási lehetőségek megismerése
nyomán az 1950-es és 60-as évektől kezdve szinte
minden fejlett országban számos részecskegyorsítót
építettek egyrészről a tudományos kutatás céljaira,
másrészről gyors ütemben nőtt a gyakorlati alkalmazási
igénnyel telepített gyorsítók száma is. Tekintettel
arra, hogy a gyorsított részecskék alkalmazása a legtöbbször
beváltotta a hozzájuk fűzött reményeket,
valamint arra, hogy a tudományos kutatás és a gyakorlat
folyamatosan újabb és újabb felhasználási területeket
azonosított, a gyorsítók elterjedésének üteme a napjainkig
töretlenül növekedett.
Hazánkban az első részecskegyorsítót Simonyi
Károly professzor vezetésével építették 1950-51-ben
Sopronban (1. ábra). 1951. december 22-én ennek a
gyorsítónak a segítségével hozták létre Magyarországon
az első mesterséges magátalakulást (441 keV
energiájú protonokkal lítium atommagokat bombázva
a 7Li(p,
)8Be magreakciót figyelték meg).
| Nagy energiájú (E> 1GeV) gyorsító | ~ 120 |
| Radioterápiás gyorsítók | > 7500 | Kutatás (orvosi kutatásokra is) | ~ 1000 |
| Orvosi izotópgyártás | ~ 200 | Ipari folyamatokra és kutatásra | > 1500 |
| Ionimplantáció, felületek kezelése | > 7000 |
| Szinkrotron sugárforrások | > 50 |
-sugárzással
hajtják végre. A tényleges terápia általában mintegy
4-6 hétig tart és a napi besugárzási dózis többnyire
1-3 Gy/nap körül van.
A daganatok egyszerű besugárzásán alapuló kezelési
eljárásnak komoly hátránya az, hogy a daganatos
sejtek mellett az egészséges szövetek is elkerülhetetlenül
besugárzást kapnak. A 2. ábrán látható, hogy
-sugarakkal történő besugárzásnál az energialeadás
jelentős része a tumor és a testfelület közötti szövetekben
történik. Azon, hogy a tumor és a testfelület
közötti egészséges szövetek egyike se kapjon megengedhetetlenül
nagy dózist, segít az, hogy a daganatot
a testhez képest több irányból sugározzák be.
Ilyen módon - a gyakorlatban technikai fejlesztéssel
- elérhetjük azt, hogy a daganata kívánt dózist kapja,
de eközben az egészséges szövetek csak kevéssé
sérüljenek.
A 2. ábrából kitűnik, hogy az előbbi problémán a
megfelelően megválasztott energiájú nehéz töltött
részekkel történő besugárzás érdemben segíthet. A
nagy energiájú protonok, vagy még nehezebb ionok
az energiájuk túlnyomó többségét a hatótávolságukat
közvetlenül megelőző rétegekben adják le. Ez lehetőséget ad
arra, hogy a besugárzás lényegében csak a
tumort érje. Több, különböző besugárzási energia választásával
el lehet érni, hogy a daganatos szövetek
által kapott dózis egyenletesen nagy legyen.
A protonokkal vagy nehéz töltött részecskékkel
történő besugárzáshoz azonban néhányszor tíz MeV
energiájú protonokat és nehézionokat előállítani képes
gyorsítók - elsősorban erre a célra kifejlesztett
ciklotronok - telepítésére, valamint a körülményeket
pontosan figyelembe vevő, precíz besugárzás-tervezési
és nyalábirányítási rendszerek kiépítésére van
szükség. A fejlesztések mind anyagilag, mind a szaktudás
oldaláról nagy erőket követelnek. Mégis, ma sokan
úgy látják, hogy a jövő sugárterápiás fejlesztésének
ez a fő vonulata. Várhatóan ezen a területen a következő
években gyors lesz az előrelépés.
A gyorsított részecskék másik egészségügyi felhasználását
a gyorsítók által termelt, orvosi célokra
használtsugárzó izotópok, a radioizotópok előállítása
jelenti. A testbe juttatott radioizotópokat egyrészről
betegségek diagnosztizálásra, másrészről (főleg daganatos)
betegségek célzott kezelésére alkalmazzák. A
testben a radioizotópok sugárzásukkal elárulják elhelyezkedésüket,
és így működésbeli információt szolgáltatnak
arról a szervről, amelyben összegyűlnek. A
testbe juttatott anyagokat kémiai tulajdonságuk teszi
arra alkalmassá, hogy a kiválasztott szervet, sejtet
megkeressék. Mindehhez - a beteg védelmében -
olyan izotópot célszerű választani, amelytől származó
-sugárdózis kicsi, a kibocsátott
-energia alacsony,
lehetőleg 100 és 300 keV közé esik és az izotóp felezési
ideje is a lehető legrövidebb. Korábban a különleges
követelmények miatt ilyen célra csak néhány,
reaktorban előállított izotópot találtak alkalmasnak.
Jelenleg az igények növekedésével és a lehetőségek
bővülésével határozott változás figyelhető meg: a
diagnosztikára felhasznált izotópokat közvetlenül az
egészségügyi intézménybe telepített gyorsítókkal a
helyszínen állítják elő. Így a pozitronemissziós tomográfia
(PET) alkalmazza például az 15O (felezési ideje
2,03 perc), a 13N (9,96 perc), 11C (20,38 perc), 18F
(109,8 perc) izotópokat. A radio-immunodetektálás és
a radio-immunoterápia - ezekben az új eljárásokban a
radioaktív atomok antitestekhez kötődve célzottan a
rákos sejtek proteinjéhez jutnak el - pedig a 123In (68
óra) és a 67Cu (61,9 óra) atomokat használja fel.
Az orvosi gyakorlatban bővülő mértékben felhasználásra
kerülő radioaktív izotópok előállítását a célzottan
erre a feladatra kifejlesztett, kisméretű (kompakt)
ciklotronokkal végzik. Ezek tipikusan protonok
10 és 30 MeV közötti energiára való gyorsítására alkalmasak
viszonylag nagy áramerősségek (maximum
400 µA) mellett. - A speciális izotópok előállításának
egyik fő nehézsége az, hogy a hatékony felhasználás
bonyolult céltárgytechnika kifejlesztését és alkalmazását
követeli meg.
-részecskéket alkalmaznak.
Ezekkel vékony rétegekről mintegy 150 Ĺ
mélységig lehet információt szerezni. Egy-egy vizsgálat
tipikus ideje 10 perc körül van. Az eljárás rendkívül
érzékeny a nagy rendszámú elemekre, a könnyebb
izotópokat kevéssé mutatja ki.
A másik, a felületi rétegek összetételének vizsgálatára
gyakran alkalmazott módszer a protonokkal indukált
röntgensugarakat felhasználó PIXE-eljárás
(Proton Induced X-ray Emission - a protonok kiváltotta
röntgensugárzás). Itt a vizsgálandó felületet,
kisebb anyagdarabkát néhány MeV energiájú ionnyalábbal
- leggyakrabban protonokkal - besugározzák,
ami a besugárzott atomokat röntgensugárzás kibocsátására
készteti. A kilépő röntgensugarak jellemzőek a
kibocsátó atomra. A modern gyorsítókkal erősen fókuszált nyalábokat
lehet előállítani (a nyalábátmérő a
10 ?m tartományban is lehet), amely lehetővé teszi
apró minták vizsgálatát, felületek részletes, összetétel
szerinti feltérképezését.
Gyorsított részecskék felhasználásával több más
analitikai célú módszert is kidolgoztak. Ilyenek a
magreakció-analízis, a rugalmas visszalökési szórás,
valamint a töltött részecskés aktivációs analízis. A
módszerek mindegyike igen pontos, alkalmazásakor
a kísérletezőnek kell eldöntenie, melyik a legalkalmasabb
a kitűzött feladat elvégzésére.
A gyorsítós tömegspektroszkópia (vagy AMS-módszer,
Accelerator Mass Spectroscopy) azt teszi lehetővé,
hogy kiválasztott mintákban egy-egy bennünket
érdeklő izotóp viszonylagos gyakoriságát meghatározhassuk.
Az eljárás lényege az, hogy a mintákat
valamely módon egyedi atomok kibocsátására késztetjük,
amelyeket ionizálunk. Ezeket az ionokat azután
egy elektrosztatikus gyorsítóval nagy (néhány
MeV) energiára felgyorsítjuk, és a gyorsított részecskéket
tömegszeparációs módszerekkel elemezzük.
Ily módon egy-egy stabil, vagy radioaktív izotóp
nagyságrendekkel kisebb részarányának jelenlétét,
pontos mennyiségét ki lehet mutatni, mint egyéb eljárásokkal.
Az AMS-módszer rendkívül érzékeny, elvileg
akár 1015 atom mellett már egy atomot is ki tud
mutatni!
Az AMS-technikával számos, a tudomány vagy a
gyakorlat területén érdeklődésre számot tartó izotóp
vizsgálható nagy pontossággal. Ezek közül alkalmazási
területeik és egyéb figyelemre méltó következtetésekre
alkalmat adó voltuk miatt kiemelkednek a 14C
(felezési ideje 5730 év), 41Ca (105 év), 36Cl (3 · 105 év),
26Al (7 · 105 év) és a 10Be (1,6 · 106 év)
izotópok. A legfontosabb
meghatározható izotóp kétségkívül a számos
kultúrtörténeti és környezettudományi felhasználásban
fontos radiokarbon, a 14C. Ezzel az eljárással a
radiokarbon kormeghatározás aktivitásmérés segítségével
végrehajtott módszeréhez képest mintegy ezerszer-
tízezerszer kisebb tömegű minta is elég (~1 g helyett
elég ~1 mg) az azonos pontossághoz.
Az eljárásnak az egyszerű elvek ellenére számos
nehézsége van. Komoly felkészültségre van szükség
a mintában lévő szénizotópoknak ionokká történő
hatékony alakításához az ionforrásban, a sok nagyságrend
gyakoriságkülönbségű szénizotópok (12C,
13C és 14C) gyorsítás előtti nyalábvezetéséhez, valamint
a gyorsítás utáni tömegszeparáció megbízható
megvalósításához. A módszer segítségével a radiokarbon
kormeghatározások mintegy 50 ezer évre, tehát majdnem
tízszeres felezési időre visszamenően
kiterjeszthetők.
Az anyag szerkezetét is több olyan módszerrel lehet
vizsgálni, amelyek gyorsított nyalábokat alkalmaznak.
A leggyakoribbak a diffraktométerek, amelyeket
kristály- és molekulaszerkezetek vizsgálatára használnak
fel. Ezen módszereknek az a lényege, hogy kis
hullámhosszú monokromatikus nyalábok diffrakcióját
hozzuk létre a vizsgált mintán.