Emel Alğın THM PHT Grubu Adına

Transkript

1 Proton Hızlandırıcılarında Đyon Demeti Analizleri Emel Alğın THM PHT Grubu Adına

2 Đçerik Mikrodemet tanımı Đyon demeti analizleri Mikrodemet kullanım alanları Mikrodemet sistemi elemanları Mikrodemet tasarımları Türkiye de mikrodemet sisteminin uygulanabilirliği

3 Nükleer mikroprobe, mikroskop veya mikrodemet Genel amacı MeV mertebesinde yüksek enerjili iyonların mikron büyüklüğüne odaklanarak bir örneğin taranması ile spektroskopisi ve görüntülenmesini sağlayan multidisipliner bir sistemdir

4 Mikrodemet neden gereklidir? Malzeme biliminde, numuneleri analiz etmek ve elementsel haritalama Tıp bilimi ve diş hekimliğinde, mikroskopik bölgelerdeki (hücreler) elementlerin çok küçük miktarlarının dahi iki boyutlu olarak dağılımını elde etme Biyoteknolojide ve radyobiyolojide, hücrelerde bulunan ışınlamaya duyarlı hedefleri tespit ederek tek tek hücrelere veya hücrenin alt birimlerine belirli bir dozu teslim edilmesi

5 Mikrodemet Kullanımı Çevresel: atmosferik aerosoller Kültürel miras: arkeolojik örnekler Malzeme bilimi: ince filmler, çok tabakalılar,detektör performansı Biyoloji: bitki kökleri Medikal: kan damarları, deri Proton Beam Micromachining

6 Proton Demetinin Avantajı: Hızlandırılmış iyonlar - p, α, Li, C, O,.. MENZİL - 2 to 200 µm Energy loss (kev/µm) MeV α-particles 2 MeV protons Depth (µm) Protonlar doku içerisinde absorbe olurlarken X-ışınları ve elektrona göre daha derine giderler ve Bragg Peak i ile maksimum enerjisini bırakmadan önce fazla etkileşime girmezler.

7 Đyon Demeti Analizleri

8 Đyon Demeti Analizleri RBS, PIXE, PIGE, DIGE, IBIC, STIM, PBM Đyon demeti analiz metodunun avantajı, bozucu olmamasıdır ve basitliğinden dolayı bu metotların kullanımı oldukça fazladır. Bu nedenle PIXE, RBS ve NRA metotlarıyla bir yüzeyi görüntüleme işlemi yapılabilir. RBS ve NRA ile numunenin üç boyutlu haritası numuneye zarar verilmeksizin elde edilebilir.

9 Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS Elastik saçılmış bir parçacığın enerjisi, hedef atomun kütlesine ve saçılmanın olduğu yerin derinliğine bağlı olduğu gerçeğine dayanmaktadır. RBS ile elimizdeki numunenin yüzeye yakın elementsel bileşimini inceleyebiliriz. RBS için deney düzeneği RBS hafif yüzeylerdeki ağır elementleri tespit etmek için en uygun yöntemdir!!

10 Proton Induced X-ray Emission, PIXE Gelen demet (genellikle protonlar) karakteristik X-ışını ışıması ile sonuçlanan hedef atomlarından iç kabuk elektronlarını çıkarmaktadır. PIXE için deney düzeneği 3 MeV lik proton demeti!!! Araştırılan derinlik 10 larca µm dir. PĐXE çoğu kez bir µm lik bir kısıma kadar üç boyutlu elementsel haritalama için kullanılır.

11 Nuclear Reaction Analysis, NRA MeV lik iyon demetleri hedef çekirdekte nükleer tepkimelere yol açabilir. NRA için olası deney düzeneği Erişilebilir derinlik birkaç µm kadar değişebilir. ~ 1 MeV lik proton demeti (H, 15 N, 19 F,... tespiti için)

12

13

14

15

16

17

18

19 Proton Litografi MeV proton demeti litografisi mikro yapı fabrikasyonu için yeni ve basit bir metottur.

20 Hidrojen Profili Herhangi bir materyalin hidrojen içeriği, referans standart örneklerin kullanılmasına gerek olmadan belirlenebilir. Uygulamalar: yarıiletkenler, metaller, süperiletkenlerde hidrojen içeriği analizleri olarak sıralanabilir.

21 Tek iyon çarpması Demet çapı içinde belirlenmiş sayıda tek iyonları hedef üzerine göndermeyi nasıl kontrol edebiliriz?

22 Tek iyon sistemi şeması

23 Radyobiyolojide Mikrodemet Radyobiyolojide mikrodemet ile yapay ortamda önceden seçilmiş tek tek hücrelere (veya onların bir kısmına) hassas bir şekilde ışınım dozunu teslim edilir Çok hassas hedefleme ve doz teslimi gerektiği için son derece kontrollü bir şekilde DNA hasarı ve onarımını takip etmek için tasarlanırlar. Hücre içi radyasyon duyarlılığını derinlemesine araştırmak için bir hücre içinde izin verilen belirli bölgelerdeki ışınıma olanak sağlar. Bir başka avantajı ise, doğrudan ışınlanmış hücrelerin ışınlanmamış komşularını etkilediği bystander effect adı verilen olayı anlayışımızda önemli bir rol oynamaktadır.

24

25 Single-ionion hit

26

27 Microdemet üretebilen hızlandırıcılar Van de Graaff hızlandırıcılar Cyclotronlar Linear hızlandırıcılar

28 Gerekli mikrodemet sistem elemanları : Đyon kaynağı Demet taşıma kanalı Odaklayıcı ve kolime edici sistem Vakumlu çıkış penceresi Hedef tanımlama sistemi Hedefe demeti hedefleme yolları Parçacık detektörü ve demet kesici Numuneleri tutmak için demirbaşlar ve numune kızağı Hat üzerinde analiz cihazları

29 Microdemet için teknik seçimler: Dikey (vertical) mikrodemetler su daldırmalı mikroskop lensleri yatay hücre tabakları Yatay (horizontal) mikrodemetler yatay hızlandırıcılar canlı hücrelerin dikey tabakta yapışması

30 Kolime edilmiş mikrodemetler Hızlandırıcı demetleri, tipik olarak 5 10 mm çapındadır. Bu nasıl daha küçük yapılabilir? Demeti maskelemek için kullanılan açıklık: Basit X Akım çap ile birlikte hızla azalır X Açıklıktan saçılan parçacıklar ve arkafon sinyali analizi etkiler X Demet hedef üzerinde hızlı bir şekilde taranamaz.

31 Odaklanmış Mikrodemetler Demeti odaklamak için lens kullanılır: Kolimatör açıklığından daha küçük bir spot oluşur Slit saçılması etkisi azalır Hızlı (elektromanyetik) tarama yapılır X MeV iyonları için lens yapmak zordur. MeV iyonları için nasıl lens yapılır >>>

32 Alternatif lensler: Kuadrupoller (elektrik veya manyetik) Süperiletken selenoidler Plazma lensleri Diğer elektrostatik cihazlar Bu lensler ile yaklaşık 1 µm demetler elde edilir.

33 Daha küçük spot elde etmek için: Đki aşamalı sistem ile µm altı demet spotları elde edilir.

34

35

36

37 TIARA, Japonya

38

39 Mikrobeam üretimi (TĐARA, Japonya)

40 Mikrobeam Uygulaması (TĐARA)

41 TIARA, Japonya

42 Development of a New High-Energy Heavy Ion Microbeam System (TĐARA)

43 Nötron mikrodemeti, RARAF Nötron üretim reaksiyonu: Proton mikrodemeti 5µm Nötron mikrodemeti <20µm

44 PEFP(Proton Engineering Frontier Project): 20 MeV lik proton demeti hatlarının yerleşimi

45 PEFP Proton Mikrodemeti: PEFP(Proton Engineering Frontier Project) nin microbeam inin kavramsal tasarımının planı

46 TRIM Programı Sonuçları:

47 Proton Demeti (20 MeV) THM-PHT Proton Mikrodemeti Tasarımı Enerji Degrader (<2.21 mm) Düşey Slit Yatay Slit Yatay Slit PIXE için Si(Li) Detektör Hedef Kuadrupol Magnet Bükücü Magnet Kolimatör 25 cm 100 cm RBS için SSB Detektör 43.8 cm

48 Proton Demeti (20 MeV) THM-PHT Proton Mikrodemet Tasarımı Slit Slit Enerji Degrader (<2.21 mm) 20 cm 25 cm Slit Kuadrupol Magnet PIXE için Si(Li) Detektör 100 cm Hedef Kolimatör 43.8 cm RBS için SSB Detektör

49 DEMET PARAMETRELERĐ Enerji (MeV) 20 Frekans (Mhz) /0.24/0.14 α -1.68/2.80/0.56 β (mm/mrad, derece/ MeV) 0.55/1.19/136.8 Kuadrupol Magnetler Pole-tip Field (Kgaus) Effective Lenght (cm) Q Q Q Pole-tip radius of aperture (cm) Slitler Düşey Yatay Yatay Kolimatör Yarı açıklık 0.5 mm 0.2 mm 1 mm 0.8 mm

50

51

52

53

54 Dünyadaki Nükleer Mikrodemetler Albuquerque, NM, USA, Ion Beam Materials Research Laboratory, Sandia Albany, NY, USA, Ion Beam Laboratory Bhubaneswar, India, Institute of Phisics Bordeaux, France, Centre d'etudes Nucleaires de Bordeaux Gradignan Bochum, Germany, Ruhr-Universität Buenos Aires, Argentina, "Tandar" Laboratory Budapest, Hungary, KFKI Reseasrch Institute for Particle and Nuclear Physics Chiba, Japan, NIRS Cracow, Poland, Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences Darmstadt, Germany, GSI Debrecen, Hungary, ATOMKI, Institute of Nuclear Research of the HAS Denton, TX, USA, University of North Texas Dharan, Saudi Arabia, KFUPM Dresden-Rossendorf, Germany, Institute of Ion Beam Physics and Materials Research Eindhoven, The Netherlands, TU/e, Accelerator Laboratory Eugene, OR, USA, University of Oregon Faure, South Africa, ithemba LABS, The Materials Research Group Florence, Italy, INFN LABEC Guelph, Canada, University of Guelph, PIXE Group Guildford, UK, University of Surrey Ion Beam Centre Hyderabad, India, CCCM Irvington, NY, USA, Columbia University, RARAF Johannesburg, South Africa, Schonland Research Centre Kiev, Ukraine, "SPECTR" Laboratory, T.M.M. Company

55 Dünyadaki Nükleer Mikrodemetler Lafayette, LA, USA, Louisiana Accelerator Center, Univ. of Louisiana Legnaro(Padova), Italy, INFN LNL Leipzig, Germany, LIPSION Lisbon, Portugal, ITN, Sacavem, Ion Beam Laboratory LivermoreCA, USA, LLNL, CAMS Ljubljana, Slovenia, Jozef Stefan Institute, Microanalytical Center Los Alamos, NM, USA, LANL, Ion Beam Materials Laboratory Lower Hutt, New Zealand, Nuclear Microprobe at GNS Menai, Australia, ANSTO Lund, Sweden, Lund University, Nuclear Physics Madrid, Spain, CMAM Melbourne, Australia, MARC Melbourne, Australia, CSIRO-GEMOC Nuclear Microprobe München, Germany, Technische Universität Paris, France, Lab. de Rech. des Musees (Louvre) Saclay, France, Lab. Pierre Sue CEA/CNRS Sevilla, Spain, Centro National de Aceleradores Shanghai, China, Institute of Modern Physics, Fudan University Shanghai, China, Shanghai Nuclear Institute Sendai, Japan, Tohoku University Singapore, Centre for Ion Beam Applications, National University of Singapore Takasaki, Gunma, Japan, TIARA at JAERI Teheran, Iran, Nuclear Research Centre, AEOI Zagreb, Croatia, Rudjer Boskovic Institute

56 Dünyada bulunan mikrodemetler Proton Microbeams Other Microbeams

57 Sonuç Yurtdışındaki laboratuarlar ile işbirliği geliştirilerek mikrodemet kurulum süreci öğrenilebilir TAEK PHT ile işbirliği yapılarak bir mikrodemet hattı tasarlanıp kurulabilir Benzer şekilde mikrodemetin farklı uygulamaları için bir başka mikrodemet hattı THM PHT için tasarlanıp kurulabilir.

58 TEŞEKKÜRLER

59 YEDEKLER

60

61 Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS RBS spektrumlarında derinlik ölçeğinin yorumlanması Bir RBS spektrumu, hedef materyaldeki mevcut tüm bireysel atomik türlerinin derinlik profillerinin bir gösterimidir. DEZAVANTAJLARI: -Erişilebilir derinlik aralığı ~ 1 μm -Ağır yüzeylerde hafif elementler saptanamaz.

62 Proton Induced X-ray Emission, PIXE PIXE mikroprobu ile Enerji Dağınımlı X-ışınları Çözümlemesi (EDX) benzerdir. Ancak PIXE genellikle 100 kat daha hassastır!! PIXE ve EDX in karşılaştırması

63 Proton demetinin x-ışını mikrobeam i: X-ışınının proton etki yüzeyinden yayılacağı bir yansıma modunda çalışması için bu x-ışını microbeami tasarlanmıştır. Buradaki x-ışınları, x-ışını ışımasına neden olan proton aracılığı ile oluşturulur. Hem x-ışınının compton saçılmasını önleyip hem de düşük enerjili x-ışını sağladığı için titanyum hedef seçilir!! Kolombiya üniv. RARAF ta bulunan microbeam

64

65 Đyon Demeti Analizleri

66

67

68

69

70 Bragg Peak : Yüklü bir parçacık (protonlar, α ışınları veya diğer iyon ışınları )malzeme boyunca hareket ettiği zaman, bu yol boyunca bir enerji bırakır ve malzemenin atomlarını iyonlaştırır. Yüklü parçacığın enerjisi azaldığı için etkileşim kesit alanı arttığından dolayı bir pik oluşur. Sağlıklı doku etrafındaki etkiyi en aza indirerek, tedavi edilen tümördeki hafif iyon demetlerinin etkisine yoğunlaşmak için, yukarıdaki olaydan kanserin parçacık tedavisi için yararlanılır. Şekildeki mavi eğri ( degrader tarafından değiştirilmiş proton demeti")başlangıçta keskin pikli monoenergetic proton demetinin enerji aralığının artarak nasıl genişlediğini gösterir, böylece daha büyük bir tümör hacmi tedavi edilebilir.

71

72

73 Dünyada bulunan protona dayalı mikrobeamler: MİCROBEAM FACİLİTY CENBG Bordeaux, FRANSA SNAKE Munchen, ALMANYA IFJ PAN Cracow, POLONYA INFN-LNL Legnaro, italya LIPSION Leipzing, ALMANYA Lund NMP Lund, İSVEÇ PTB Braunschweig, ALMANYA CEA-LPS Saclay, FRANSA Demet oluşumu, Eğer odaklanmışsa bir/iki Odaklanmış veya kolime edilmiş aşamalı küçültme Odaklanmış, yatay, yükseltiliyor Odaklanmış, yatay, en gelişmiş mercek sistemi Yatay, odaklanmış Yatay, kolime edilmiş Tek aşamalı/rus quadruplet Tek aşamalı,isteğe bağlı olarak iki aşama Tek aşamalı (50 cm kadar ayrılmış 2 doublet) İyon türü Kullanılabilir enerji aralığı Demet spot büyüklüğü Hedefleme hassasiyeti H MeV 8 μm 3 μm H + 20 MeV 0.35 μm 0.7 μm 1.5 μm H MeV e kadar 12μm ~30 μm - H MeV 10 μm 5μm Odaklanmış İki aşamalı H MeV 0.5μm 1.5μm Odaklanmış İki aşamalı H + 3 MeV e kadar 2μm 3μm Odaklanmış İki aşamalı H MeV 2-3μm 1-2μm Kolime edilmiş - H MeV 5μm 5μm

74 MİCROBEAM FACİLİTY Surrey Univ. Guilford, İNGİLTERE SPICE at NIRS Chıba, JAPONYA W-MAST Tsuruga, JAPONYA CAS-LIBB Hefei, ÇİN GRAY Cancer İnstitute Northwood, İNGİLTERE McMaster Univ. Ontario, KANADA RARAF at Colombia Univ, Irvington, AMERİKA MIT LABA, Boston AMERİKA Demet oluşumu, Odaklanmış veya kolime edilmiş Odaklanmış, dikey Eğer odaklanmışsabir/iki aşamalı küçültme İyon türleri Kullanılabilir enerji aralığı Demet spot büyüklüğü Hedefleme hassasiyeti Tek aşamalı H + 4 Mev 0.01 μm 1μm Odaklanmış Tek aşamalı H Mev 5μm <±2μm Kolime edilmiş - H + 10 Mev 10μm ~ ±10 μm Kolime edilmiş - H Mev 5μm ~ ±1 μm Kolime edilmiş ( Zoneplate) Kolime edilmiş (Zone plate ) Kolime edilmiş ( Zone plate ) - Kolime edilmiş - H + 3.2Mev 1μm ±2μm - H + 3 Mev 5μm ~ ±2μm - H Mev 5 μm ~ ±2μm H Mev 10μm ~ ±3μm

75 MİCROBEAM FACİLİTY JAEA-TIARA Takasaki JAPONYA ATOMKI-HAS Debrecen MACARİSTAN Demet oluşumu, Odaklanmış veya kolime edilmiş Eğer odaklanmışsa bir/iki aşamalı küçültme İyon türleri Kullanılabilir enerji aralığı Demet spot büyüklüğü Hedefleme hassasiyeti Odaklanmış Tek aşamalı H MeV 0.25μm 1μm Odaklanmış Tek aşamalı H MeV 1μm 2.1μm

76

77 Neden Degrader Kullanırız? Van de Graff ve Tandem hızlandırıcılarında kontrol edilebilen proton demet enerjisi,lineer hızlandırıcılarda kontrol edilemediği için bir degrader kullanılarak proton demet enerjisini kontrol etmek gerekir. Bir çok uygulama hızlandırıcı ayarlarını değiştirmeksizin deneysel bir demet hattı içinde değişen demet enerjisini gerektirebilir. Bu nedenle, mikrobeam tesisine monte edilen değişken kalınlıklı enerji degrader ile, demet enerjisini ayarlayarak, hızlı, güvenilir, tekrarlanabilir bir yöntem sağlamaktadır.