PARÇACIK KAYNAKLARI. Dr. Bayram DEMİR İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ CERRAHAPAŞA TIP FAKÜLTESİ RADYOTERAPİ ANABİLİM DALI

Transkript

1 PARÇACIK KAYNAKLARI Dr. Bayram DEMİR İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ CERRAHAPAŞA TIP FAKÜLTESİ RADYOTERAPİ ANABİLİM DALI

2 Hızlandırıcıların Kullanım Alanları Parçacık Fiziği Nükleer Fizik İkincil Demetler Nötron Kaynağı Sinkrotron Işınımı Serbest Elektron Lazeri İyon İmplantasyonu Radyoterapi, Nükleer Tıp Malzeme Bilimi Yarı İletkenler Gıda da Mühendisliği Kimya Biyoloji Jeoloji Arkeoloji Savunma sanayi Maden Sanayi Enerji Üretimi... ~250 Alt Alan

3 CERN Accelerator Schools in 2005 Small Accelerators Zeegse, Holland (24 May - 2 June 2005)

4

5 Çeşitli Nükleer Tıp Radyoizotopları

6 Tıptaki Uygulamalar Siklotron ve PET Siemens18 MeV Siklotron Siemens Biograph- 6 model HI-RES, PET-CT 144 adet blok kristalin 13x13 parçaya bölünmesi ile elde edilen adet LSO kristalden oluşmaktadır.

7 Pozitron Emisyon Tomografi (PET) Elektron-Pozitron yok olması olayı ile ortaya çıkan 2 adet 511 kev yok olma fotonunun eş zamanlı deteksiyonu prensibi ile çeşitli hastalıların teşhisini sağlayan bir görüntüleme yöntemidir.

8 PET/CT Tarama-Kolon Kanseri CT PET PET+CT

9 Radyoterapi 4-25 MeV elektron ışınları ya doğrudan yüzeysel tümörlerin (0-5 cm arası) tedavisinde, yada daha derine yerleşmiş tümörlerin tedavisinde kullanılmak üzere 4-18 MV arası enerjili Bremsstrahlung ışınlarının üretiminde kullanılır. Ülkemizde yaklaşık 60 adet Medikal LINAC bulunmaktadır.

10 Protonlardoku içerisinde absorbe olurlarken X- ışınları ve elektron ışınlarına göre daha derine giderler ve Bragg Pik i ile maksimum enerjisini bırakmadan önce fazla etkileşime girmezler MeV enerjili protonlar tedavi için yeterli enerjilidir. Böylece sağlam dokular fazla zarar görmezler. Proton Terapi

11 X ışını-elektron-gamma-nötron- Proton Derin Doz Karşılaştırması

12 Parçacık Kaynakları Elektron Kaynakları Pozitron Kaynakları İyon Kaynakları

13 Elektron Kaynakları Bir elektron demeti üretmenin en temel iki yolu vardır 1- Termoiyonik Yayınım 2- Foto Yayınım

14 1- Termoiyonik Yayınım Termoiyonik yayınım, elektronların ısıtılmış bir metal yüzeyinden kopmalarıdır. Elektronların hız bileşenleri yüzey ile uygun açılar yapmalı ve kinetik enerjileri yüzeyi boydan boya geçecek kadar büyük olmalıdır. Termoiyonik bir malzemeyi uygun sıcaklıkta katot olarak kullanabilmek için iş fonksiyonun (elektronu koparabilmek için gerekli minimum enerji) mümkün olduğunca küçük olması gerekir.

15 1- Termoiyonik Yayınım Verilen herhangi bir T( 0 K) sıcaklığında yüzeyden yayınlanan elektronların maksimum akım yoğunluğu J= B 0. T 2.e (-Φ/kT) [Amper/cm 2 ] (Richardson-Dushman ) denklemi ile verilir. B 0 (Richardson-Dushman Sabiti)= 4пem e k 2 /h 3 = 120 Amper/cm K -2 k (Bolztmann Sabiti)= x Joule /Kelvin ( ev ) Φ= iş fonksiyonu ( Kelvin ) T= sıcaklık

16 1- Termoiyonik Yayınım J= B 0. T 2.e (-Φ/kT) Bu denklemde J (akı yoğunluğu), sadece ısı (T) ve metalin iş (Φ) fonksiyonuna bağlıdır.

17 1- Termoiyonik Yayınım Element (Sembol) Gümüş (Ag) Alüminyum (Al) Altın (Au) Krom (Cr) Molibden (Mo) Nikel (Ni) Paladyum (Pd) Platin (Pt) Titanyum (Ti) Tungsten (W) İş Fonksiyonu (Φ) (ev) Bazı elementlerin İş Fonksiyonu

18 1- Termoiyonik Yayınım (Schottky Effect) J= B 0. T 2.e (-Φ/kT) Bir potansiyel farkının (yada elektrik alan) varlığı durumundan J nasıl etkilenecektir?

19 1- Termoiyonik Yayınım ( Effect (Schottky Anot-katot arasına uygulanan pozitif voltaj sonucunda, katottaki elektrik alan, potansiyel bariyerini düşürmek suretiyle termoiyonik emisyon sürecini kolaylaştırır. Bu Schottky Etkisi olarak bilinir

20 1- Termoiyonik Yayınım Buradan hareketle termoiyonik emisyon denklemi J= B 0 T 2 exp(-φ/kt) J= B 0 T 2 exp[-(φ-b s E 1/2 /kt)] [Amper/cm 2 ] B s = (e 3 /4пε 0 ) 1/2 Schottky katsayısı Bu denklem, ısının (T), iş fonksiyonun (Φ) ve elektrik alanın (E)fonksiyonudur.

21 Bazı Termoiyonik Katotların Temel Parametreleri Katot Tipi İş Fonksiyonu Sıcaklık Akım Yoğunluğu (Φ) (ev) ( 0 K) (amper/cm 2 ). Tungsten Toryum Katkılı Tungsten Karışmış Oksitler Sezyum Tantal Sez/Oksi/Tungs

22 2- Foto yayınım Işığa duyarlı bir yüzeye foton düşmesi durumunda yüzeyden elektron koparılması olayıdır. Elektronun koparılabilmesi için yüzeye gelen fotonun enerjisinin en az elementin iş fonksiyonu kadar olması gerekir. Yani; E foton Φolmalı Bu tür malzemelere foto-katot denilir.

23 2- Fotokatotlar Bir fotokatot 4 temel özelliği ile karakterize edilir. 1) Fotoyayınım Eşiği; Elektron koparabilecek lazerin dalga boyunu gösterir (IR, Visible bölge, UV gibi). 2) Kuantum Verimliliği (QE); Foto katodun gücünü gösterir. (Yayınlanan elektronların başlangıç fotonlarına oranı) 3) Yaşam Süresi; Çalışma zamanı. 4) Çalışma koşulları; Fotokatotun çalışma verimliliği.

24 2-Fotokatotlar A) Metalik Fotokatotlar B) Alkali (Yarıiletken) Fotokatotlar i.) Alkali-halid Fotokatotlar ii.) Alkali-antimonid Fotokatotlar iii.) Alkali-tellurid Fotokatotlar

25 Elementler Tablosu

26 A) Metalik Fotokatotlar Uzun yaşam süreleri (birkaç gün) ve yüksek elektrik alanlara karşı (100MV/m) dayanıklı yapıları açısından tercih sebebi olmasına karşın, düşük Kuantum Verimlilikleri (266 nm de 10-4 elektron/foton mertebesinden dolayı yüzeyde yüksek yoğunlukta lazer gerektirmektedir) nedeniyle çok efektif değiller. Fakat belli lazer yoğunluklardan sonra plazma üretimine sebep olabilecek miktarlarda elektron patlamaları oluşabilmektedir. Bu da katodun yapısını bozmaktadır. Örneğin; Bakır için 266 nm de, bu eşik 10 ps atma süresi için 1GW/cm 2 (12 mj/cm 2 ), magnezyum için 400 MW/cm 2 dir.

27 A) Metalik Fotokatotlar λ [nm] / / φ E [ev] / ev Al 8.4* * * Ag 2* Au 4.7* Au 4* Ca 4* Cu 2.0* * * *10-7 8* Mg 5.1* Mo <7* Nb 4.5* * Ni Pd 1.2* Sm 1.6* Ta Tb 2.3* W 2* Y 2.7* * Metalik fotokatotların fotoyayınım eşiğine bağlı kuantum verimlilikleri

28 B) Alkali Fotokatotlar Alkali fotokatotlarda, elektronlar valans seviyesinden gelmektedir. Elektronun yörüngesinden kurtulabilmeleri için, gelen fotonun enerjisi, elektronu önce valans seviyesinden iletim bandına, oradan da boşluğa çıkaracak kadar büyük olmalıdır. E foton > Φ Kuantum Verimleri metalik fotokatotlara göre daha yüksektir ( nm de 10-2 elektron/foton mertebelerinde).

29 i.) Alkali-halid Fotokatotlar λ [nm] Φ E [ev] [ev] CsI 9.6 * * * * CsI-Ge 7.3 * * * Alkali-halid fotokatotların fotoyayınım eşiğine bağlı kuantum verimlilikleri

30 ii.) Alkali-antimonid Fotokatotlar λ [nm] Φ E [ev] [ev] Cs 3 Sb 3.5* * * * K 3 Sb 1.4* * * * Na 2 KSb 7.7* * * * Alkali-antimonid fotokatotların fotoyayınım eşiğine bağlı kuantum verimlilikleri

31 iii.) Alkali-tellurid Fotokatotlar λ [nm] Φ E [ev] [ev] Cs 2 Te 2.1 * * * * Rb 2 Te 1.3 * * * * K 2 Te 1.6* RbCsTe 7.7* Alkali-tellurid fotokatotların fotoyayınım eşiğine bağlı kuantum verimlilikleri.

32 Cs 2 Te p-tipi yarıiletken fotokatot Pek çok FEL laboratuarında bir p-tipi yarıiletken olan Cs 2 Te en iyi fotokatot adayı olarak seçilmiştir. KEK-ATF de kaynak olarak bu tablodaki en yüksek kuantum verimliliğine sahip Cs 2 Te kullanılmıştır. Kullanılan lazerin gücü 266 nm de 5 μj/atma dır. Özellikleri: (+)Yüzlerce saatlik bir kuantum verimliliği (+)100 MV/m kadar yüksek bir alana dayanabilme (-) Çok yüksek bir vakuma ihtiyaç duyması (-) Düşük sıcaklıklarda (2-4 K) fizik performansının bilinmemesi

33 Alkali fotokatotların bir kıyaslaması

34 Elektron Tabancaları Diyot Tabancalar Triyot Tabancalar RF Tabancalar

35 Diyot Tabancalar kv İçinde elektrot olarak sadece katot ve anot bulunan termoiyonik tüplere diyot tabancaları denir. I α V 3/2 Bir diyot tabancanın şematik gösterimi

36 Triyod Tabancalar Bir triyot tabancanın şematik gösterimi Son zamanlarda en çok kullanılan dizayn triyod tabancalardır. Bu tabancalar 1 ns bölgesindeki atmalı elektron demetleri üretmek için kullanılır. Triyod tabancalar katot, anot ve bunların arasına yerleştirilen metal bir ızgaradan oluşurlar. Izgarayı bir elektrot tutar. Izgara elektrotu, Faraday kafesi gibi davranan metal bir kılıf içine yerleştirilmiştir. Dış alanlara karşı oldukça etkin bir şekilde kalkan görevi yapan katot, metal ızgaraya oldukça yakın yerleştirilir. Böylece katot yüzeyine yakın bölgelerden elektron kaçışı önlenmiş olur.

37 Triyod Tabancalar 50 V 50 kv Bir triyot tabancanın şematik gösterimi Katot geriliminin tam 0 Volta düşürülmesi durumunda elektronlar ızgaradan geçerek yüksek alan bölgesine gelirler ve anoda doğru hızlandırılırlar kv voltajlı diyot tabancalarına kıyasla triyod tabancalar 50 V civarında bir voltaja ihtiyaç duyduklarından, bu aletler daha kısa atmalar üretebilirler. Ayrıca diyot tabancalarda akım değerleri sadece anot geriliminin değiştirilmesi ile elde edilirken, triyod tabancalarda ise akım değerleri ızgara geriliminin değiştirilmesi ile oldukça etkin şekilde değiştirilebilmektedir.

38 Triyod Tabancalar Bir triyod tabancanın ortalama anot karakteristikleri. Bir triyod tabancanın şematik gösterimi Izgara voltajı -40 V ve anot voltajı 250 V olduğu vakit, anot akımı 75 ma dir. Anot voltajı aynı kalmak üzere negatif ızgara voltajı -30V azaltılırsa, anot akımı 150 ma çıkar.

39 RF Tabancalar Kaynak kısmındaki radyo frekans (RF) alanlara doğrudan yerleştirilen katotlara RF tabanca denir. RF tabancaları şiddetli ve yüksek aydınlığa sahip elektron demetlerini, termoiyonik katotları yada fotokatotları kullanarak elde ederler. RF tabancaların elektron kaynağı olarak kullanılmasının sebebi DC kaynaklara göre daha yüksek alan gradyentlerine ulaşılabilme sebebidir. Bu, elektronları çok kısa sürelerde rölativisttik hızlara ulaştırma imkanı sağlamaktadır.

40 RF Tabancalar RF tabancanın genel görünümü. 3 boyutlu ve enine kesiti

41 Termoiyonik katot kullanılırsa RF tabanca olarak, Fotokatot kullanılırsa Bilinen termoiyonik yayınımdan daha düşük bir sıcaklıkta yayınım ( Etkisi yapılabilir. (Schottky Düşük emittanslı ve kısa atmalı elektron demetleri için RF fotokatotlar kullanılmaktadır. Çıkan elektron demetinin atma yapısı RF yapı ile kontrol edilir. 10 A/cm 2 lik bir akım yoğunluğuna ulaşılır. Fotokatot üzerine gönderilen lazer atmasının genişliği demetin atma süresini belirler s ( ns) lazer atma süresi içinde 100 A/cm 2 lik bir akım yoğunluğu değerine kadar ulaşılır.

42 JAERİ (JAPONYA) Tabanca tipi Hızlandırıcı Voltaj Demet enerjisi Ortalama Akım Paketçik Yükü Paketçik Uzunluğu Pik akım Normalize emittans ( genişliği(fwhm Atma Paketçik tekrarlama frekansı Makro Atma Termoiyonik ( EIMAC Y646B) 230 kv 17 MeV 8 ma 0.4 nc 12 ps 35 ma 20 π mm mrad 0.81 ns 20.8 MHz 1ms

43 CLIO (ORSAY FRANSA) Tabanca Tipi Atma genişliği (ns) Demet enerjisi(kev) Şiddet (A) Atma sayısı (1ns den küçük bir zamanda) Tekrarlama frekansı (Hz) Emittans(rms)(mm mrad) İki atma arasındaki zaman (ns) Termiyonik tabanca (EIMAC;Y646B) <

44 Pozitron Kaynakları SEL ve SI demet hatlarının şematik görünümü

45 Pozitron Kaynakları Pozitron elde etmenin 2 temel mekanizması vardır. 1) Radyoaktif izotopların bozunumlarında 2) Çift oluşum yolu ile A) Bremss ışınları ile çift oluşumdan B) Termal Nötronlar [ 113 Cd (n, γ) 114 Cd reaksiyonu ile] kullanılarak çift oluşumdan.

46 1-Radyoaktif izotopların bozunumlarında pozitron 22 Na 22 Ne + + β + ν + γ e p e + + n e - + p n 22 Na radyoaktif izotopunun bozunum şeması.%90.4 olasılıkla bir pozitron emisyonu ve bir elektron nötrinosu emisyonu ile 22 Ne nin eksite seviyesine oradan da 3.7 ps içinde MeV gamma fotonu emisyonu ile 22 Ne nin temel seviyesine bozunur. % 0.1 olasılıkla da elektron yakalama olayı ile 22 Ne nin temel seviyesine iner. Pozitron elde etmede 18F, 64Cu, 58Co gibi diğer bazı izotoplarda kullanılmaktadır.

47 2.A) Bremsstrahlung ışınlarının soğurulması sonucu çift oluşumdan pozitron oluşumu Bir maddeye enerjisi MeV den yüksek enerjili bir foton geldiğinde fotonun soğurulmasından dolayı bir elektron-pozitron oluşma olasılığı vardır. Foton çekirdeğin yakınından geçerken çekirdeğin elektromanyetik alanından etkilenir. Bunun sonucunda kütleleri 511 kev enerjiye eşit bir elektron-pozitron oluşur.bu olasılık fotonun enerjisi ve maddenin atom numarası ile artmaktadır.

48 2.B) Termal Nötronlar kullanılarak elde edilen Bremss ışınlarının absorpsiyonundan pozitron oluşumu.

49 İyon Kaynakları Plazma ve İyonizasyon Herhangi bir gazın desajında hemen hemen aynı miktarda pozitif ve negatif yüklü parçacıların yanı sıra nötr parcaçıkların da bir arada bulunduğu bir plazma oluşur. Bu plazmadan bir iyon kaynağı elde etmek için sadece bu plazmanın hızlandırılması yeterlidir.

50 İyon Kaynakları Plazma ve İyonizasyon Plazmanın yoğunluğunu arttırmanın en genel yolu plazmayı elektronlarla bombardıman etmektir. Yüksek enerjili bu elektronların nötr atomun elektronlarından birini koparması ile atom iyonize olur. Artan bağlanma enerjisi dolayısı ile daha sonraki elektronların koparılması için daha yüksek enerjiler gereklidir.

51 Plazma ve İyonizasyon Düşük atom numaralı (20) atomları için iyonzasyon potansiyelleri

52 Plazma ve İyonizasyon Plazma ortamı oldukça karışık bir ortamdır ve en basit atomun (hidrojen) bile iyonizasyonunda bir çok olasılık bulunur. Son iki olasılığın proton üretiminde en önemli işlem olduğu düşünülmektedir

53 CERN Duoplasmatron İyon Kaynağı

54 Duoplasmatron Manfred von Ardenne tarafından keşfedilen bir tip iyon kaynağıdır. Duoplasmatron da vakum içine yerleştirilen bir katot elektron emisyonu yapar. Ayrıca vakum içine Argon gibi bir gaz az miktarda konulur. Burada elektronlarla etkileşen gaz iyonize olur ve vakum içinde bir plazma oluşur. Plazma anoda doğru hızlandırılır. Plazma odasının anoda doğru daralan yapısından dolayı plazma bu bölgede sıkışır ve yoğunluğu artar. Duoplasmatron

55 Duoplasmatron Artan yoğunluk sayesinde plazmanın bu bölgesinde elektronlarla plazmanın etkileşim olasılığı da artar. Anot a yerleştirilen küçük bir aparat ile, elde edilen yoğun plazmanın plazma odasından dışarı çıkmasına izin verilir. Plazma odasının çıkısında plazma yoğunluğu çok fazladır ve buradan plazma, genişleme kabına alınır.

56 Genişleme kabı oldukça derin bir yapıda olup bu kap ilave küçük bir solenoid e sahiptir. Elde edilen manyetik alanla plazma genişletilir. Ayrıca; kap ışın çıkış verimini artıran negatif bir elektroda da sahiptir. Bu elektrot vasıtasıyla elektronlar anoda doğru geri püskürtülerek anot bölgesinde sekonder iyonizasyonlar elde edilmiş olur. Bu kaynak kullanılarak 500 ma kadar akımlarda proton ışınlarının yanında döteron ve alfa ışınları da elde edilebilmektedir. Duoplasmatron

57 Penning İyon Kaynağı 10-1 Torr ve 1 kv da bir elektrot ile ark yaratmak mümkündür. Ancak deşarj pek stabil değildir. Fakat bu değerlerde Penning tipi bir iyon kaynağı ile stabil bir plazmadan iyon elde etmek mümkündür. Penning iyon kaynağı her iki ucunda katotları (soğuk ve sıcak katot) ve bir anoda sahip iyon üretim sistemidir. Bu kaynaklar siklotronlar gibi makinenin kendi manyetik alanlarını kullanılabileceği hızlandırıcılarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

58 Penning İyon Kaynağı Eğer silindirik yada halka şeklindeki anot axial olarak bir manyetik alana ve bir elektron yayınlayıcı bu alana dik olarak yerleştirilirse, deşarj plazması içindeki elektronlar dairesel yörüngelerde dolanmaya zorlanırlar ve nötral bir atomla iyonizasyon etkileşimine girme olasılıkları artar.

59 Penning İyon Kaynağı Katotta üretilen elektronlar anti-katoda doğru hızlandırılırlar Uygulanan manyetik alan (0.1 T yeterli) elektronların anoda ulaşmasını engeller. Engellenemeyenler anoda çarpar. Manyetik alan ve statik bir elektrik alanın süper pozisyonları ile elde edilen Penning Trap larına takılan elektronlar burada osilasyon hareketleri yaparlar ve bu hareketleri ile bölgedeki gazı iyonize ederler. Elde edilen iyonlar anot-katot arasına uygulanan HV ile tüp dışına alınır.

60 Daha Fazlası [1] WILLE, K. And McFAAL, T., The Physics of Particle Accelarators, Oxford University Press. [2] [3] [4] BOSCOLO,I. and MICHELOTTO, P., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 445(2000) [5] KHODAK, I.V. and KUSHNIR, V.A., Proceedings of EPAC 2004, Lucerne, Switzerland [6] HASEGAWA,K. and HAYANO, H., Nuclear Instruments and Methods in Physic Rsearch A, 554(2005) [7] RIMJAEM, S., CHIRAPATPİMOL, N., VILAITHONG, T. FARIA, R., WIEDEMANN, H., SETTAKORN, C., Proceedings of Second Asian Particle Accelerator Conference, Beijing,China.2001

61 Daha Fazlası Handbook of Ion Source, B. Wolf, Boca Raton, FL: CRC Press, 1995CRC 1995 Ion Sources, Zhang Hua Shun, Berlin: Springer, Shun, The Physics and Technology of Ion Source, I. G. Brown, New York, NY: Wiley, 1989 Large Ion Beams: Fundamentals of Generation and Propagation, T. A.Forrester, New York, NY: Wiley, CAS th General School (CERN ) and Cyclotrons, Linacs (CERN ) 5th 94-Linacs CERN-96-

62 Dinlediğiniz İçin Teşekkürler Ayrıca, yardımlarından dolayı Dok. Ögr. Aysuhan Ozansoy Dok. Ögr. Mehmet Şahin e teşekkür ederim