Aktivnost indukovana u fotonuklearnim reakcijama kao mogući indeks kvaliteta terapijskog snopa X-zračenja

Активност

индукована

у

фотонуклеарним

реакцијама

као

могући

индекс

квалитета

терапијског

снопа

х

-

зрачења

- 

дипломски

рад

- 

 
 
 M

ентор

: 

Др

Миодраг

Крмар

Кандидат

: 

Никола

Јованчевић

Нови

Сад

, 2006

УНИВЕРЗИТЕТ

У

НОВОМ

САДУ

ПРИРОДНО

-

МАТЕМАТИЧКИ

ФАКУЛТЕТ

ДЕПАРТМАН

ЗА

ФИЗИКУ

С

 A 

Д

Р

Ж

А

Ј

УВОД

............................................................................................................................3

ГЛАВА

 I 

АКЦЕЛЕРАТОРИ

..........................................................................................4 

1.1.)

Линеарни

акцелератори

...................................................................... 4  

1.1.2.)

Акцелератори

са

погурним

цевима

..................................4 

1.1.3.)

Акцелератори

са

таласоводом

...........................................5 

1.1.4.)

Акцелераторски

систем

.....................................................9 

ГЛАВА

 II 

X-

ЗРАЧЕЊЕ

..................................................................................................13

2.1.)

Закочно

зрачење

.................................................................................14 

ГЛАВА

 III 

ФОТОНУКЛЕАРНЕ

РЕАКЦИЈЕ

.............................................................22 

3.1.)

Апсорпција

електромагнетног

зрачења

...........................................23 

3.2.)

Дезинтеграција

сложеног

језгра

.......................................................25 

3.3.)

Активација

фотонуклеарном

реакцијом

..........................................26 

ГЛАВА

 IV 

ОДРЕЂИВАЊЕ

МАКСИМАЛНЕ

ЕНЕРГИЈЕ

ФОТОНА

У

СПЕКТРУ

Х

-

ЗРАЧЕЊА

ЛИНЕАРНОГ

АКЦЕЛЕРАТОРА

.............29 

4.1.)

Одређивање

максималне енергије

линеарних

медицинских

акцелератора

мерењем

процентуалне

дубинске

дозе

.....................30 

4.2.)      

Одређивање

максималне

енергије

линеарних

медицинских

акцелератора

применом

метода

фотоактивације

............................33

        4.2.1.)   

Експериментални

поступак

..................................................33 

4.2.1.1.)

Избор

изотопа

за

активацију

..............................33 

                                                      4.2.1.1.

а

)     

55

М

n...................................................35 

                                                      4.2.1.1.

б

)     

64

Zn....................................................36 

4.2.1.2.)

Озрачивање

мете

.................................................39

4.2.1.3.)

γ

-

спектоскопска

мерења

.....................................39

4.2.1.3.

а

)

Детекција

γ

-

спектра

63

Zn.................40

УВОД

Непосредно

након

Ренгеновог

откричћа

х

-

зрака

 1895. 

године

уочено

је

да

они

могу

изазвати

разне

промене

и

оштечења

на

ткивима

. 

Даљим

исраживањима

пронађен

је

начин

примене

х

-

зрачења

у

медицини

, 

где

се

користи

како

у

дијагностици

тако

и

у

терапији

. 

Данас

је

радиациона

терапија

са

јонизујућим

зрчењем

једна

од

главних

метода

за

лечење

канцерогених

обољења

. 

Х

-

зрачење

које

се

користи

у

медицини

често

се

добија

помоћу

линеарних

акцелератора

. 

Наиме

, 

електрони

убрзани

у

акцелераторима

ударају

у

мету

при

чему

настаје

закочно

х

-

зрачење

.  

За

успешну

примену

неопходно

је

добро

познавати

карактеристике

коришћеног

зрачења

. Te

ори

j

ско

објашњење

спектра

закочног

зрачења

, 

засновано

на

квантној

електродинамици

, 

добијено

је

за

танке

мете

. 

У

терапијским

акцелераторима

х

-

зрачење

се

добија

у

дебелим

метама

, 

а

затим

се

пропушта

кроз

низ

филтера

и

колиматора

што

знатно

мења

облик

спектра

, 

због

чега

овако

настали

спектар

није

у

потунисти

теоријски

описан

, 

па

се

експерименталним

поступцима

морају

одредити

његове

особине

. 

Међутим

, 

због

високих

интезитета

зрачења

директно

мерење

спектра

помоћу

сцинтилационих

или

полупроводничких

дектетора

није

могуће

, 

па

се

зато

индиректним

методама

морају

одређивати

карактеристике

х

-

зрачења

. 

До

сада

је

развијено

неколико

посредних

начина

мерења

квалитета

тераписког

зрачења

, 

а

један

од

њих

који

је

заснован

на

фотоакивацији

биће

претстаављен

у

овом

раду

. 

Наиме

, 

високо

енергетско

х

-

зрачење

може

изазвати

фотонуклеарне

реакције

у

озраченој

мети

, 

па

настају

радиоактивна

језгра

. 

Ова

језгра

се

распадају

и

том

приликом

се

емитује

γ

-

зрачење

, 

које

се

може

лако

детектовати

. 

Циљ

овога

рада

је

да

се

помоћу

измерене

акивности

одређеног

узорка

која

је

индукована

у

фотонуклеарним

реакцијама

одреди

максимална

енергија

фотона

у

спектру

х

-

зрачења

, 

односно

максимална

енергија

електрона

убрзаних

у

акцелератору

. 

Вредност

максималне

енергије

може

се

сматрати

важним

индексом

квалитета

терапијског

зрачења

. 

Треба

напоменути

да

призођачи

акцелератора

наводе

номиналну

максималну

вреднос

енергије

акцелератора

која

не

мора

бити

тачна

, 

па

се

тек

мерањем

одређује

њена

стварна

вредност

.  

У

овом

експерименталном

раду

коришћен

је

линеарни

акцелератор

Varian 2100C 

енергије

 15 

Ме

V-a koj

и

се

употребљава

у

Институту

за

онкологију

у

Сремској

Каменици

. 

Елементи

који

су

употребљени

као

активациони

детектори

били

су

55

М

n 

и

64

Zn, 

чијом

фотоакивацијом

типа

  (

γ

,n) 

настају

радионуклиди

54

М

n 

и

63

Zn. 

Детектовање

радиоактивног

зрачења

ових

изотопа

обављено

је

у

лабораторији

за

γ

–

спектроскопију

малих

активности

која

се

налази

на

Департману

за

физику

у

Новом

Саду

.  

Овај

рад

поред

увода

и

закључка

има

четири

делова

. 

У

 I 

и

 II 

глави

објашњен

је

принцип

на

коме

функционишу

линеарни

акцелератори

и

претстављене

су

главне

особине

х

-

зрачења

. 

Процеси

фотонуклеарних

реакција

објашњени

су

у

 III 

глави

. 

У

 IV 

поглављу

приказана

су

два

начина

одређивања

максималне

енергије

фотона

у

спектру

х

-

зрачења

. 

Један

од

њих

је

класичан

и

заснива

се

на

мерењу

процентуалне

дубинске

дозе

, 

док

се

у

другом

користи

ефекат

фотоктивације

.  

Г

л

а

в

а

  I 

АКЦЕЛЕРАТОРИ

Акцелератоти

су

уређаји

који

служе

за

убрзавање

честица

. 

Њихов

развој

креће

почетком

двадесетог

века

. 

Усавршавањем

направљени

су

акцелератори

који

се

користе

за

проучавање

структуре

језгра

и

особина

елементарних

честица

. 

Такође

, 

ови

уређаји

почели

су

да

се

примењују

и

у

другим

областима

као

што

је

медицина

.  

Најчешће

убрзаване

честице

су

електрони

и

језгра

лаких

елемената

(

протони

, 

деутеријуми

, 

α

-

честице

). 

Од

недавно

се

убрзавају

и

тежа

језгра

 (C, 

О

, 

Ве

, Ne). 

Акцелератори

се

могу

поделити

на

две

групе

: 

1.)

акцелератори

са

континуалном

струјом

2.)

пулсирајући

 (

радиофрекветни

) 

акцелатори

. 

У

другу

групу

спадају

линеарни

и

орбитални

акцелератори

. 

Једини

изузетак

код

ове

поделе

је

бетатрон

, 

који

је

орбитални

акцелератор

чији

се

излаз

јевља

у

импулсима

, 

мада

не

користи

радиофрекветну

акцелрацију

. 

1.1. 

Линеарни

акцелератори

Линеарни

акцелератори

убрзавају

наелектисане

честице

помоћу

електричног

поља

дуж

вакумске

цеви

. 

Електрично

поље

или

прати

честице

у

виду

прогресивног

талса

  (

акцеларатори

са

таласоводом

), 

или

се

јавља

у

правилним

размацима

, 

са

тачно

одређеним

фазним

односима

, 

у

низу

међуелектродних

отвора

  (

акцелератори

са

погурним

цевима

). 

Акцелератор

са

таласоводом

је

изузетно

погодан

за

убрзавање

електрона

, 

док

се

за

теже

нерелативистичке

честице

  (

протоне

и

тешке

честице

) 

користе

акцелератори

са

погурним

цевима

. 

Предности

ове

врсте

акцелератора

у

односу

на

орбиталне

је

у

томе

што

постижу

велике

брзине

електрона

без

примене

високих

напона

 (

па

се

не

јавља

проблем

изолације

) 

и

дају

лако

приступачне

снопове

. 

Недостатак

линеарних

акцелератора

је

тај

што

њихова

дефокусирајућа

поља

такође

дефокусирају

и

сноп

.  

1.1.1. 

Акцелератори

са

погурним

цевима

Овај

тип

акцелератора

се

састоји

од

низа

проводних

цеви

прикључених

на

наизменичан

напон

напајања

 (

слика

 1.1).  

Глава

 I

Акцелератори

6 

Слика

 1.2

.   

Дистрибуција

електричног

поља

дуж

једног

правца

у

одређеном

тренутку

времена

Убрзавање

електрона

, 

да

би

било

што

ефикасније

, 

одвија

се

у

добро

евакуисаној

цеви

кроз

коју

се

простире

електомагнетни

талас

. 

Ова

цев

се

назива

таласовод

и

главна

је

компонента

ове

врсте

линеарних

акцелератора

.  

Електромагнетни

талас

се

пропушта

кроз

једну

такву

цев

која

се

састоји

од

проводних

зидова

и

простире

се

дуж

њене

осе

. 

На

слици

 1.3. 

је

приказана

расподела

електричног

поља

дуж

таласовода

у

одређеном

тренутку

и

расподела

наелектрисања

које

би

индуковала

таково

поље

. 

Магнетно

поље

које

се

у

овом

случају

простире

кружно

и

ортогонално

у

односу

на

осу

не

учествује

директно

у

процесу

убрзавања

електрона

па

није

ни

приказано

на

слици

 1.3. 

Слика

 1.3

.   

Расподела

наелектрисања

и

јачине

елекричног

поља

дуж

таласовода

Ако

таласовод

као

у

овом

случају

има

глатке

зидове

фазна

брзина

елктричног

поља

 (

брзина

његовог

простирања

) 

је

већа

од

брзине

светлости

, 

због

чега

је

не

могуће

на

овакав

начин

континуално

убрзавати

електроне

. 

Да

би

се

остварила

контрола

брзине

преношења

енергије

таласа

дуж

датог

правца

, 

таласовод

се

дели

у

секције

серијом

бленди

као

на

слици

 1.4. 

Системом

бленди

се

мења

капацитивност

по

јединици

дужине

, 

а

на

тај

начин

се

може

подешавати

брзина

простирања

електричног

поља

, 

те

се

постиже

да

она

буде

у

сваком

тренутку

једнака

брзини

електрона

. 

Електрони

пролазе

кроз

отворе

у

центру

бленди

којима

је

таласовод

издељен

тако

да

чини

серију

цилиндричних

шупљина

пречника

око

 40 cm 

и

дужине

 2-3 cm.