Что такое циклотрон и для чего его используют

Циклотроны: что это такое и где они используются

Хотите узнать больше о деятельности МАГАТЭ? Подпишитесь на нашу ежемесячную электронную рассылку, чтобы быть в курсе самых важных новостей, получать аудио- и видеоматериалы и многое другое.

Это название больше похоже на имя персонажа из научно-фантастического фильма, но в действительности циклотрон является ускорителем частиц, т. е. аппаратом, который использует электромагнитные поля для ускорения заряженных частиц до очень высоких скоростей и энергий. Циклотроны применяются для производства радиоизотопов, которые используются в радиофармпрепаратах — определенном виде медицинских препаратов для диагностики и лечения онкологических заболеваний. В мире насчитывается более 1500 циклотронных установок, и недавно МАГАТЭ актуализировало свою интерактивную карту и базу данных, которые содержат информацию о 1300 таких установках в 95 странах.

Созданная в 2019 году База данных по циклотронам для производства радионуклидов является инструментом, помогающим специалистам, таким как радиофармацевты, а также владельцам и пользователям медицинских циклотронных установок находить техническую, практическую и административную информацию о действующих циклотронах и обмениваться такими данными. Эта работа ведется в рамках деятельности МАГАТЭ по укреплению потенциала стран в области производства радиоизотопов и применения радиационных технологий в здравоохранении.

«Развитие циклотронных технологий идет стремительными темпами, а их роль в секторе здравоохранения будет становиться все более важной, особенно в рамках усовершенствованных процедур медицинской визуализации, поскольку производимые с помощью циклотронов радиофармацевтические препараты очень эффективны в выявлении различных видов рака», — говорит химик-специалист МАГАТЭ по радиоизотопам и радиофармпрепаратам Амир Джалилиан.

База данных МАГАТЭ позволяет пользователям получать подробную информацию о каждой установке, включая вид, размер и количество размещенных в ней циклотронов. Профессионалы из этой области могут налаживать между собой связи и обмениваться опытом и информацией о своих радиофармацевтических продуктах. На этой платформе также распространяется информация о предстоящих мероприятиях МАГАТЭ и публикациях, посвященных монтажу и применению циклотронов.

База данных создана в рамках работы МАГАТЭ по оказанию странам помощи в области производства радионуклидов. МАГАТЭ предоставляет экспертные консультации и технические рекомендации в связи с установками по производству радиофармацевтических препаратов, помогает создавать кадровый потенциал при помощи учебных курсов и образовательных программ, а также содействует проведению научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в рамках проектов координированных исследований.

Владельцы и пользователи медицинских циклотронов могут передать в Отдел физических и химических наук МАГАТЭ актуальную информацию о своих установках, заполнив соответствующую онлайновую форму.

Для получения дополнительной информации и более подробных сведений об ускорителях и их применениях посетите сайты Базы данных по циклотронам для производства радионуклидов и Портала знаний об ускорителях (ПЗУ).

Источник

Что такое циклотрон и для чего его используют

Циклотрон – циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.
В 1930 году Э. Лоуренсом (США) был создан и первый циклический ускоритель – циклотрон на энергию протонов 1 МэВ (его диаметр был 25 см). На рис.1 показана первая работающая модель циклотрона. На рис.2 циклотрон следующего поколения, который позволял ускорять протоны и дейтроны до энергий в несколько МэВ.

Рис. 2. С. Ливингстоун и Э. Лоуренс у 27-дюймового циклотрона, который широко использовался в экспериментальных исследованиях ядерных реакций и искусственной радиоактивности

Рис. 1. Первая работающая модель циклотрона

Схема устройства циклотрона показана на рис.3. Тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы) попадают в камеру из инжектора вблизи центра камеры и ускоряются переменным полем фиксированной частоты, приложенным к ускоряющим электродам (их два и они называются дуантами). Частицы с зарядом Ze и массой m движутся в постоянном магнитном поле напряженностью B, направленном перпендикулярно плоскости движения частиц, по раскручивающейся спирали. Радиус R траектории частицы, имеющей скорость v, определяется формулой

,

(1)

(2)

В зазоре между дуантами частицы ускоряются импульсным электрическим полем (внутри полых металлических дуантов электрического поля нет). В результате энергия и радиус орбиты возрастают. Повторяя ускорение электрическим полем на каждом обороте, энергию и радиус орбиты доводят до максимально допустимых значений. При этом частицы приобретают скорость v = ZeBR/m и соответствующую ей энергию:

На последнем витке спирали включается отклоняющее электрическое поле, выводящее пучок наружу. Постоянство магнитного поля и частоты ускоряющего поля делают возможным непрерывный режим ускорения. Пока одни частицы двигаются по внешним виткам спирали, другие находятся в середине пути, а третьи только начинают движение.
Недостатком циклотрона является ограничение существенно нерелятивистскими энергиями частиц, так как даже не очень большие релятивистские поправки (отклонения γ от единицы) нарушают синхронность ускорения на разных витках и частицы с существенно возросшими энергиями уже не успевают оказаться в зазоре между дуантами в нужной для ускорения фазе электрического поля. В обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20-25 МэВ.
Для ускорения тяжёлых частиц в режиме раскручивающейся спирали до энергий в десятки раз больших (вплоть до 1000 МэВ) используют модификацию циклотрона, называемую изохронным (релятивистским) циклотроном, а также фазотрон. В изохронных циклотронах релятивистские эффекты компенсируются радиальным возрастанием магнитного поля.

Источник

Циклотрон

В циклотроне частицы, помещенные в постоянное магнитное поле, движутся по спиралевидной траектории, состоящей из последовательных полукругов увеличивающегося радиуса с каждым импульсом переменного электрического поля постоянной частоты. В синхротроне частицы движутся по круговой траектории радиуса, поддерживаемого постоянным магнитным полем, увеличивающимся с энергией частиц. Частота ускоряющего электрического поля увеличивается.

В циклотроне частицы ускоряются до энергий от нескольких МэВ до 70 МэВ. Другие типы круговых ускорителей, появившихся недавно, позволяют достичь более высоких энергий: синхроциклотрон (сотни МэВ) и синхротрон (миллионы МэВ или ТэВ).

Резюме

Операция

Структура устройства

К этому устройству мы должны добавить:

Принцип действия

Работа циклотрона анимирована в справочнике.

Из этого уравнения следует, что:

Релятивистские соображения

Когда скорость частиц приближается к скорости света, циклотронная частота и пульсации должны быть переписаны:

Радиус вращения для перемещения частиц в статическом магнитном поле задается

Синхроциклотрон

Следовательно, синхроциклотрон работает последовательно. Например, синхроциклотрон Orsay SC200 доставляет протонные пакеты длительностью 20 микросекунд каждые 2,2 миллисекунды.

Изохронный циклотрон или AVF

Следует отметить, что эти модификации магнитного поля носят чисто пространственный характер и не зависят от времени. Поле B остается статичным. Циклотронная частота поддерживается постоянной. Это позволяет частицам ускоряться непрерывно с каждым периодом радиочастоты электрического поля, а не сгустками, как в синхроциклотроне и в большинстве других ускорителей. Принцип изменения магнитного поля, при котором холмы и долины чередуются по секторам, имеет сильный фокусирующий эффект. Циклотроны AVF обеспечивают гораздо более интенсивные токи пучка, чем синхроциклотроны. Поэтому все современные циклотроны используют вариации азимутального поля, даже циклотроны, энергия частиц которых остается в нерелятивистской области.

Полезность

История

Еще один синхроциклотрон на 200 МэВ спроектирован и построен в Орсе. Он работал для исследований в период с 1978 по 1990 год, затем для протонной терапии с 1990 по 2010 год. В 2010 году циклотрон IBA C230 был установлен в новом центре протонной терапии в Орсе.

В 1963 году под кодовым названием «Проект Дракона» исследователь Анри-Поль Лендерс из Air Liquide разработал первый французский циклотрон.

В литературе

Источник

220 тонн будут спасать жизни. Единственный в России и крупнейший в Европе: разбираемся и смотрим что такое циклотрон

Вчера в Димитровграде, в Федеральном высокотехнологичном комплексе медицинской радиологии установили протонный ускоритель – циклотрон. Мы решили разобраться, что это такое и для чего он, собственно, нужен.

Циклотрон — это огромный высокочастотный ускоритель массой более 220 тонн, который разгоняет протоны до скорости света и направляет их точно в опухоль. Образовавшийся протонный пучок разрушает раковые клетки и при этом не задевает здоровые ткани. В мире сейчас работают всего четыре десятка центров протонной лучевой терапии. Интерес к развитию данной технологии огромен.
Система протонной терапии Proteus®PLUS для ФВЦМР ФМБА России произведена бельгийской компанией IBA (Ion Beam Applications S.A.), ведущим в мире производителем оборудования для протонной терапии, оснастившей более 65% всех протонных центров в мире.

Протонная терапия – это самый современный метод проведения радиотерапии. Протонный пучок, в отличие от излучения при традиционной радиотерапии, основную массу своей энергии высвобождает внутри опухоли, что существенно сокращает облучение здоровых органов и тканей.

История создания циклотрона и характеристики.

В 2007 году ОИЯИ (объединенный институт ядерных исследований) совместно с бельгийской фирмой IBA начали разработку специализированного медицинского циклотрона С235-V3 для протонной терапии. По своим характеристикам он превосходит серийные медицинские циклотроны IBA С235 предыдущих модификаций. С235-V3 — изохронный циклотрон на основе магнита броневого типа. Пространственная вариация магнитного поля создается четырьмя парами спиральных секторов. Ускоряющая высокочастотная система создана на основе двух резонаторов, расположенных в противоположных долинах полюсов электромагнита, систем генерации ВЧ-мощности, стабилизации и управления.

Диаметр ярма циклотрона составляет 4.3 метра, его вес — 220 тонн, максимальный вес не разборного элемента конструкции циклотрона — 90 тонн. Циклотрон имеет профилированный по высоте (эллиптический) зазор между секторами, уменьшающийся от центра к радиусу вывода с 96 до 9 миллиметров. Вертикальная апертура дуанта составляет 20 миллиметров.
Потребляемая ускорителем мощность электропитания составляет 450 киловатт. Максимальная энергия ускоренных в циклотроне протонов составляет 232 мегаватт.

Для монтажа протонного ускорителя в центре радиологии ФМБА использовался кран со стройки Керченского моста.

Источник

Для чего нужен циклотрон? Об одном из самых масштабных проектов Президентской клиники

Для точности исследования специалисты используют радионуклидные фармацевтические препараты. Их вводят в организм пациента перед тем, как приступить к диагностике на аппарате ПЭТ/КТ (позитронно-эмисионный томограф, совмещенный с компьютерным томографом). Этот аппарат способен видеть накопление радиофармпрепарата в теле пациента и указать на происходящие патологические процессы в тканях организма.

Именно так специалисты Центра ядерной медицины Президентской клиники ежедневно диагностируют болезни, помогая лечащим врачам установить точный диагноз для дальнейшего эффективного лечения и позволяя бороться с болезнью на ее ранних стадиях. Чтобы расширить границы этой области и помочь еще большему количеству пациентов, в Больнице запустили масштабный проект по строительству Циклотроно-производственного комплекса. Основной целью данного комплекса будет производство ряда различных радиофармпрепаратов для диагностики труднодиагностируемых онкологических заболеваний, а также заболеваний головного мозга и сердечно-сосудистой системы.

Как инновационный проект Центра ядерной медицины Президентской клиники поможет в лечении и диагностике онкологических заболеваний и болезней мозга и сердца, и как к нему готовится Больница, мы узнали в беседе с руководителем Центра диагностики Больницы Айгуль Садуакасовой, заместителем руководителя Медицинского Центра Управления делами Президента РК Ажар Гиният и международным экспертом МАГАТЭ доктором Али бин Абдул Кадером.

Все решают кадры

Проверка на качество

Социальный вопрос

Благодаря циклотронному комплексу на базе нашей Больницы, мы планируем производить еще восемь видов радиофармпрепаратов, чтобы исследовать такие труднодиагностируемые заболевания, как рак предстательной железы, нейроэндокринные образования, опухоли головного мозга, остеобластические костные метастазы, низкозлокачественные опухоли и многое другое.

На сегодняшний день, согласно статистике, более 70 тысяч человек по всей стране нуждаются в исследованиях с применением указанных восьми радиофармпрепаратов. Но их потребности в Казахстане пока не покрываются. В связи с этим, обнаружение заболевания происходит, как правило, уже на поздних стадиях, когда терапия неэффективна.

Внедрение новых радиофармпрепаратов значительно улучшит раннюю диагностику различных онкологических заболеваний, и как следствие, поможет продлить жизнь пациентам без риска прогрессирования болезни. Впрочем, речь идет не только о диагностике онкологии: мы планируем расширить диагностические возможности медицины нашей страны в кардиологии и неврологии. Например, при исследовании терминальной хронической сердечной недостаточности, при поиске зоны эпилепсии, болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, деменций, мультисистемной атрофии и других болезней.

Записаться на исследования ПЭТ/КТ можно по телефонам : 87058887777, 8(7172)708040, 8(7172)707946

Источник