1
Univerzitet u Nišu
Elektronski fakultet
Predmet: Dozimetrija i dozimetri
Seminarski rad
„
Linearni akceleratori
“
Predmetni nastavnik: Student:
Dr. Goran Ristić, prof. Ksenija Solunović 15868
Niš, januar 2018. god.
2
SADRŽAJ
Strana
1. Uvod......................................................................................................................................................3
2. Akceleratori čestica..............................................................................................................................4
3. Linearni akcelerator.............................................................................................................................. 5
3.1 Princip rada lineranog akceleratora..............................................................................................6
4. Terapijski akcelerator i radioterapija..................................................................................................11
5. Istorijski pregled radioterapije............................................................................................................13
6. Zaključak.............................................................................................................................................15
7. Literatura.............................................................................................................................................16
4
Akceleratori čestica
Akcelerator čestica je uređaj koji služi za ubrzavanje čestica pomoću elektromagnetnih polja i da ih, kao
takve, održi u jasno definisanom snopu. Da bi se razumela svrha akceleratora, potrebno je razmotriti
nekoliko fizičkih veličina i zakona kao i njihovu povezanost. Uzimajući u obzir de Broljevu hipotezu, po
kojoj se svakoj čestici može pripisati talas te Planckovu formulu za energiju (E=hν), može se izvesti
zaključak da ukoliko se želi detektovati i ispitati čestica određene dimenzije, potrebno je uložiti
odgovarajuću energiju koja odgovara datoj frekvenciji, odnosno talasnoj dužini. Kako je dimenzija atoma
reda veličine
10
-10
m, dobija se da je energija, potrebna da bi se ispitala materija na atomskom nivou, u
rangu keV-a. Dalje, radijus jezgra atoma je reda
10
-14
–
10
-15
m što implicira energije reda MeV-a.
Ispitivanje konstituenata atomskog jezgra zahteva energije u rangu GeV-a. Dakle, da bi se čestice
sondirale na što elementarnijem nivou, potreba za postizanjem izuzetno visokih energija je očigledna.
Osim toga, čestice koje su danas od interesa za fiziku je moguće proizvesti samo putem sudara. Jasno je
da se sudari izvode baš uz pomoć akceleratora. Relacija ekvivalencije mase i energije (E=
mc
2
) govori da
je za čestice veće mase potrebna i viša energija. Energija, odnosno brzina do koje se može ubrzati čestica,
nije jedini faktor pri konstrukciji akceleratora. Parametar koji je od izuzetne važnosti jeste intenzitet
snopa, odnosno broj čestica ubrzanih u jedinici vremena. Kada snop udari u metu, čestice snopa se
sudaraju sa česticama mete a ukupna verovatnoća interakcije će biti određena intenzitetom snopa,
gustinom materijala mete, efikasnim presekom date nuklearne reakcije i debljinom mete. Jedna od bitnih
karakteristika jeste i vreme rada, definisano kao vreme tokom kojeg je akcelerator aktivan. Moderni
akceleratori ne obezbeđuju kontinuiran tok čestica nego se čestice šalju u pulsevima. Ovakav oblik rada je
neophodan zbog uštede električne energije i zagrevanja sistema.
Usavršavanjem akceleratorske tehnike, samo povećanje verovatnoće broja mogućih nuklearnih reakcija i
čestica produkata, zahteva i razvoj detektorskih sistema koji će biti u stanju da produkte tih reakcija
registruju i daju informaciju o njihovim osnovnim fizičkim osobinama. Jasno je da razvoj nauke,
tehnologije i srodnih disciplina direktno diktira dizajn savremenih akceleratora. Na kraju, jedan od
presudnih faktora svakako jeste i onaj ekonomski.
Dva osnovna tipa akceleratora su elektrostatički i akceleratori sa oscilujućim poljem. Elektrostatički
akceleratori za ubrzavanje čestica koriste visoke napone i u njih se ubrajaju Cockcroft–Waltonov, Van de
Graaffov generator i još neki uređaji bazirani na principu rada ovih dvaju generatora. Iako je njihova
izrada dosta jeftinija od akceleratora sa oscilujućim poljem, energije do kojih su u stanju ubrzati čestice su
dosta niže i mesto su ustupili savremenijim uređajima. Akceleratori sa oscilujućim poljem se dele u dve
grupe: cirkularni (kružni, ciklični) i linearni. Kružni akceleratori su: ciklotron, sinhrociklotron, izohroni
ciklotron, sinhrotron, FFAG akceleratori, akumulacioni prstenovi i betatron. Linearni akceleratori bi se,
prema nameni, mogli podeliti na akceleratore koji se koriste u raznim istraživanjima (kolajderi na primer)
i na medicinske (terapijske) linearne akceleratore. U tabeli 1 je prikazan procentualni udeo tipova
akceleatora u svetu.
5
Linearni akceleratori
Hronološki gledano prvi tip akceleratora je Kokroft-Valtonov (Cockroft-Walton) akcelerator.
Ovaj akcelerator se sastoji od izvora jona, akceleratorske cevi (u kojoj se vrši ubrzavanje), specijalnog
izvora visokog napona koji je na specijalan način priključen na sistem akceleratorskih elektroda i sistema
detektora. Suštinu ovog akceleratora čini upravo izvor napona i sistem elektroda koje ubrzavaju jone.
Generator visokog napona se sastoji od dioda i kondenzatora povezanih na specijalan koji omogućava
postepeno povećanje napona na elektrodama u akceleratorskoj cevi. Ovo je vrlo stari tip akceleratora koji
je vrlo jednostavno napraviti jer koristi standardne elektronske elemente. Naravno, ovaj akcelerator ne
može da postigne velike energije i njegov maksimum je 3 MeV, što je vrlo mala energija za savremenu
fiziku čestica.
Drugi značajan tip akceleratora je Van de Grafov akcelerator, koji spada u tzv. elektrostatičke
akceleratore. Rad ovog akceleratora zasniva se na definiciji potencijala provodnika, prema kojoj je
potencijal rad koji treba izvršiti da bi se jedinično naelektrisanje prenelo sa provodnika u beskonačnost.
Na Van de Grafovom akceleratoru naelektrisanje se pomoću šiljka od izvora prenosi na pokretnu
izolacionu traku. Ovom trakom naelektrisanje se transportuje do sabirne elektrode koja ga skuplja i
odvodi do šuplje elektrode. Na ovaj način može se postići izuzetno velika razlika potencijala (reda
7·10
6
V koja se kasnije koristi za ubrzavanje čestica. Postoji tzv. i tandem Van de Grafov akcelerator koji
je kombinacija dva Van de Grafova akceleratora. Za razliku od običnog akceleratora u kome se ubrzavaju
pozitivni joni, tandem akcelerator počinje da ubrzava negativne jone. U centralnom delu joni gube
elektrone (u sudaru sa nekim gasom ili pri prolasku kroz tanak ugljeni sloj) i postaju pozitivni. Sada drugi
deo tandem akceleratora ubrzava dobijene pozitivne jone. Energija koja se može dostići na ovaj način
iznosi oko 14MeV što je omogućilo veliku primenu Van de Grafovog akceleratora u nuklearnoj fizici.
Ova dva pomenuta tipa akceleratora spadaju u prve linearne akceleratore. Današnji linearni
akceleratori se konstruišu na nešto drugačiji način. U pravoj vakumskoj cevi, koja može da bude dugačka
i nekoliko kilometara, nalaze se cilindrične elektrode koje su povezane na polove naizmeničnog izvora
visokofrekventnog napona. Na početku cevi nalazi se izvor čestica koje treba ubrzati, dok je meta
postavljena na drugi kraj cevi. Naelektrisane čestice se kreću od izvora ka meti. Dok se kreću između
elektroda na njih deluje električno polje i ubrzava ih. Pretpostavimo da se u ovakvom akceleratoru
ubrzava pozitivan jon. Na početku prva elektroda je negativna i privlači jon, koji počinje da ubrzava. Kad
jon uleti u šupljinu elektrode ubrzanje prestaje i on nastavlja da se kreće ravnomerno, po inerciji. U
trenutku kad čestica izađe iz prve elektrode menja se polarizacija elektroda i prva elektroda postaje
pozitivna a druga negativna. Sada se proces ponavlja, jon ubrzava do druge elektrode, uleće u nju, kreće
se po inerciji, i opet – kad jon napusti drugu elektrodu polarizacija se ponovo menja. Sada je prva
