PARÇACIK HIZLANDIRICILARININ NÜKLEER FİZİK UYGULAMALARI

1. PARÇACIK HIZLANDIRICILARININ NÜKLEER FİZİK UYGULAMALARI Doç. Dr. Yeşim ÖKTEM İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

2. İÇERİK • HIZLANDIRICILAR – KISA HATIRLATMA • BREMSSTRAHLUNG IŞINI • X-IŞINLARI FLUORESANS (XRF) • RADYOİZOTOP ÜRETİMİ • NÖTRON AKTİVASYON ANALİZİ

3. Giriş • Maddenin temel yapı taşlarını ve aralarında etkili olan kuvvetlerin incelenmesi fiziğin temel alanlarından biridir. • İncelenen parçacıkların boyutları 10-15 m ye kadar varabilmektedir. • Bu ölçekte deneyler yapabilmek için yüksek uzaysal çözünürlük gerekmektedir. • 500 nm dalga boyuna sahip görünür ışık bu durumda yetersiz kalır. • Yüksek enerjili foton yada parçacık demetleri bu amaçla kullanılabilecek en uygun araçlardır.

5. Temel parçacık fiziğinin araştırma alanlarından biri de, genellikle çok kısa ömürlü parçacıkların elde etmeye çalışmaktır. • Bu tür parçacıkların elde edilmesinde gerekli olan enerji E=mc2 ile verilir. • Burada dikkat edilmesi gereken nokta çoğu parçacığın anti-parçacıklarıyla birlikte çiftler halinde elde edilebilmesidir. • Örneğin pozitronlar yüksek enerjili  ışınları kullanılarak elektronla birlikte elde edilmektedirler. • Buna göre pozitron elde etmek gerekli olan enerji E>2mec2=1.63710-13 J=1.02 eV dur.

6. Parçacıkların hızları genelde ışık hızına yakın olduğu için, enerjinin relativistik biçimi, kullanılır. • v hızına sahip bir parçacık manyetik alanı ve elektrik alanı olan bir bölgeye girdiğinde, parçacığa etki eden kuvvet (Lorentz kuvveti), olur. • Parçacık r1 noktasından r2 noktasına hareket ettiğinde enerjisindeki değişim, olur.

7. Hareket boyunca daima hız vektörü ye paralel olduğundan vektörü ye dik olur. • Yani dır. • Bu nedenle manyetik alan parçacığın enerjisini değiştirmez. • Enerjide bir artışa neden olan bir hızlanma ancak elektrik alanların kullanılmasıyla başarılabilir. • Bu durumda kazanılan enerji, ile verilir.

8. Manyetik alan parçacığın enerjisine katkıda bulunmamasına karşın parçacığın hareket doğrultusuna dik kuvvetlere ihtiyaç olduğunda önem teşkil etmektedirler.

9. BAZI HIZLANDIRICI TİPLERİ • DOĞRU-VOLTAJ HIZLANDIRICI • LİNEER HIZLANDIRICILAR • SİKLOTRON • MİKROTRON • BETATRON • SİNKROTRON

10. BREMSSTRAHLUNG IŞINI • X Işınlarının Oluşumu a) Sürekli (Frenleme) X-ışınları: • Elektron demeti, pozitif yüklü hedef atomun çekirdeğine yaklaştığında alandan etkilenir hızının doğrultu ve büyüklüğünde hızlı bir değişiklik olabileceğinden, büyük bir ivmeye maruz kalabilir ve ivmeli hareket yapmaya zorlanarak dışarıya fotonlar yayar. • Sürekli bir enerji spektrumuna sahip bu fotonlara sürekli x-ışınları, bu olaya da bremsstrahlung veya frenleme radyasyonu adı verilir.

12. b) Karakteristik X-ışınları: • Hedef atom üzerine gönderilen elektronların, hedef atomun yörüngesindeki elektronlarla etkileşimi sonrasında, aldıkları enerjiyle üst seviyelerine çıkarlar. • Kararsız durumdaki bu enerji seviyeleri geri bozunduğunda dışarıya foton yayınlanır. Enerjileri, seviyeleri arasındaki farka eşit olan bu fotonlara karakteristik x-ışınları adı verilir.

14. BREMSSTRAHLUNG IŞINIMININ KULLANIM ALANLARI • Hızlandırıcılarla Fotonükleer (Photonuclear) Reaksiyonlar • Çekirdek reaksiyonları maddenin yapısının araştırılmasında kullanılan en önemli yollardan biridir. • Bir reaksiyon; bir atomik çekirdeğin hızlı, hafif bir parçacık (e,p,etc.) tarafından hedef alınarak bombardıman edilmesi ve bunun sonucunda hedef çekirdekten fırlayan nükleonların ölçülmesi olarak özetlenebilir.

15. Böyle bir reaksiyonun gerçekleşmesi için gerekli olan hızlı parçacıkları elde etmek laboratuvar şartlarında mümkün olmadığından hızlandırıcılardan faydalanılır. • Bir fotonükleer reaksiyon için ideal olan bu yüksek enerjili fotonu elde etmek için değişik metotlar kullanılmaktadır. • Bir fotonükleer reaksiyon deneyinde istenilen enerjideki fotonu elde etmek çalışmanın en önemli ve zor kısımlarından birisidir.

16. Foton elde etmenin değişik yolları (laser backscattering, pozitron ve elektronun yok olmasıyla oluşan foton vb.) olmasına rağmen en çok kullanılan metotlardan birisi; elektronun bir elektrik alandaki ivmeli hareketiyle fotonun açığa çıkması şeklinde özetlenebilecek olan bremsstrahlung (radyasyon kopması) metodudur. • Eğer sürekli bir elektron demeti (continuous beam) ince bir yaprak üzerine gönderilirse, sürekli bir foton elde edilmiş olur.

17. ÖRNEK LAB:MAXLAB (LUND Univ, İSVEÇ) • MAXLAB lineer bir elektron hızlandırıcısı dır. • Hızlandırılan bu elektronlardan bremsstrahlung fotonları elde edilir. • Maxlab’daki Fotonükleer Fizik grubu (γ,n) deneylerini gerçekleştirmektedir. • Bu deneyler her birinin değişik amaçları olan A=4-40 olan hafif çekirdekler ve tıpdaki uygulamalar için ise 184W, 208Pb, 197Au gibi ağır metaller kullanılmaktadır.

18. İki temel alanda yoğunlaşan bu projelerde çekirdek yapısının araştırılmasında önemli olan fotonun çekirdek tarafından absorbe mekanizmasının anlaşılmasını amaçlayan çalışmalar ve kanser tedavisinde önemli bir metod olan foton radyoterapi uygulamaları araştırılmaktadır.

19. X-Işınları Flüoresans (XRF) • X-ışınları flüoresans tekniği, genel olarak foton madde etkileşmesi sonucu meydana gelen karakteristik X-ışınları ve saçılma fotonlarının nicel ve nitel değerlendirilmesine bağlı olarak uygulanan bir tekniktir. • XRF tekniği ile hızlı, duyarlı ve güvenilir bir şekilde malzemeye zarar vermeden düşük maliyetle kısa sürede ölçüm yapılmaktadır. Bu nedenle bilimsel ve teknoloji araştırmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

22. XRF Tekniğinin Uygulama Alanları • Temel fizik araştırmaları • Metalürjide, alaşım analizleri • Maden filizlerinin analizleri • Radyoaktif cevher analizleri • Endüstride, plastik, lastik, kağıt ve cam gibi maddelerde safsızlık analizleri • Petrol ürünleri, boya ve ince film analizleri • Kömürde kül, kükürt ve nem tayinleri

23. Çeşitli bitki örneklerini incelenmesi • Çevre araştırmaları • Arkeoloji araştırmaları • İnce metal ve film kaplama kalınlıklarının tayinleri

24. X-ışınlarının Kullanım Alanları • X-ışınları, tıpta teşhis ve tedavi aracı olarak büyük öneme sahiptir. • Radyoskopi ve radyografi için genellikle 500 - 200 kV luk hızlandırıcı gerilimlerle çalışan X-ışınları tüpünden elde edilen kısa dalga boylu sert ışınlardan yararlanılır.

25. Günümüzde, çeşitli tanecik hızlandırıcıları yardımı ile hızlandırılan çok yüksek enerjili elektronların frenlenmeleri sonucu, giderek çok daha kısa dalga boylu (yüksek frekanslı), dolayısıyla sert X ışınlarının elde edilmeleri mümkün olmakta ve bunlar kanser tedavisinde ve bazı operasyonlarda kullanılmaktadır. • X-ışınları; maddenin yapısı, örneğin kristal düzeni, karmaşık organik maddelerin molekül yapılarının aydınlatılmasında, günümüzde sık başvurulan bir araştırma aracıdır.

26. Teknikte malzeme kontrolünde, sözgelimi ele alınan bir örneğin içinde yabancı bir madde, hava boşluğu ya da bir yapım hatası bulunup bulunmadığını anlamak için, X-ışınları radyografisinden yararlanılır. • Kimyada bir örnek içinde bulunan eser miktardaki yabancı maddenin analizi, fizikte yeni elementlerin keşfedilmesi ve özelliklerinin incelenmesinde, araştırma aracı olarak X-ışınlarının önemi büyüktür. • Nadir toprak elementleri ve uran ötesi elementlerin özellikleri bu yolla saptanabilmektedir.

27. Günümüzde nükleer görüntüleme tıpta ve endüstride çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. • Endüstrideki kullanım alanları tıp alanındaki kadar geniş ve çeşitli olmasa da özellikle reaktör çalışmalarında ve tahribatsız muayene olarak bilinen cisimlerin içsel kesit görüntülerinin oluşturulmasında kullanılmaktadır.

28. Röntgen • Röntgen, radyolojik tanı yöntemlerinin en eskisidir. • X-ışınlarının diyagnostik radyolojide kullanılmalarını sağlayan temel özellik, dokuyu geçebilme yetenekleridir. • Flouresans ve fotografik özellikleri ise görüntünün elde edilmesini sağlar.

29. İnsan vücudunun değişik atom ağırlığında ve değişik kalınlık ve yoğunlukta dokulardan yapıldığından, x-ışınının absorbsiyonu da farklı olacaktır. • Farklı absorbsiyon ve girginlik sonucu, röntgen filmi (röntgenogram) üzerine değişik oranlarda düşen x ışınları geçtikleri vücut parçasının bir görüntüsünü oluştururlar. • Bu görüntü, siyahtan (film üzerine düşen ışın fazla) beyaza (film üzerine düşen ışın az) kadar değişen gri tonlardan oluşur.

30. Bilgisayarlı Tomografi • Bu cihaz X-ışın cihazlarının en gelişmişidir. • Bu cihaz ile hekimler, MR cihazında olduğu gibi vücudun belli bir bölgesinin kesit görüntüsünü çıkarabilme yeteneğine sahip olmuşlardır. • Cihaz diğer röntgen cihazları gibi bir X-ışını tüpüne sahiptir.

31. RADYOİZOTOP ÜRETİMİ • RADYOFARMASÖTİK: • Bir radyoizotopun insan üzerinde teşhis ve tedavi amacı ile uygulanmasını sağlayan kimyasal şekillerine radyoaktif ilaç (radyofarmasötik) (radiopharmaceutique, radiopharmaceutical) adı verilmektedir.

32. Radyoizotopların insan üzerinde uygulanması 1940’dan da geriye gitmesine rağmen radyofarmasötik deyimi ancak 1960’lardan sonra kullanılmaya başlanmıştır. • Bunun bir nedeni olarak radyoizotopların ancak bu tarihte rutin olarak tıpta uygulanması gösterilebilir.

33. Radyofarmasötik üretiminin üç temel safhası vardır: • Radyoizotop Üretimi • Radyofarmasötik Hazırlanması • Kalite Kontrolü

34. Radyoizotop üretimi için genellikle; • Fisyon ürünlerinden, • Hızlandırıcılardan, • Fisyon olayı ile meydana gelen, zincirleme reaksiyona sebep olan nötronların kullanıldığı “reaktörler” de mevcut yavaşlatılmış nötron akılarından faydalanılır.

35. Nükleer Tıpta Kullanılan Radyonüklidler • a)Siklotron Ürünleri • Pozitron saçan izotoplar: C-11,N-13,O-15, F-18 • Gama saçan izotoplar: Co-57, Ga-67, In-111, I-123, Tl-201 • b)Jeneratör Ürünleri: Ga-68,Kripton 81m,Ru-82, Tc-99m ve In-113m • c)Nükleer reaktör ürünleri:Xe-133,Mo-99,I-131

36. Radyoizotoplar • Radyoizotop üretimi çekirdek tepkimelerini temel alır. • Genelde çekirdek tepkimelerinde bir hedef üzerine belli enerjide gönderilen parçacıklarla tepkimeye girdiğinde bir ürün çekirdek oluşur ve kimyasal yöntemlerle işlem görüp nükleer tıpta kullanılacak hale getirilir.

37. SPECT ve PET yöntemlerinde kullanılan ve EC/+ bozunumu yapan C-11, F-18 ,Ga-67, Tl-201,I-123 gibi radyoizotopların üretimi, hızlandırılmış yüklü parçacıklar gerektiğinden, sadece siklotronda mümkündür.

38. Radyofarmasötiklerin Nükleer Tıpta Kullanımları • Hastalıkların teşhisinde, organlar ile ilgili fonksiyonel bilgi elde edilmesi son derece önemlidir. • Nükleer tıpta gama fotonu yayınlayan radyoaktif maddeler,uygun kimyasallar ile (radyofarmasötik) birleştirilerek kullanılır. • Bu bileşik hastaya damardan,ağız yoluyla ya da solunum yoluyla verilir.

39. Kullanılan kimyasalların özellikleri nedeniyle, bileşik hedeflenen organa yerleşir ve hedef organ radyoaktif kaynak haline gelir. • Organdan yayınlanan gama fotonlarının dedeksiyonu ve işlenmesi ile organ görüntüleri elde edilir. • Bu görüntüler organın fonksiyonel işlevine ilişkin bilgi verirler.

40. Bu amaçla konvansiyonel gama kameralar ve bilgisayarlı tek foton tomografileri (SPECT) ile pozitron emisyon tomografileri (PET) kullanılmaktadır. • Radyoaktif maddelerin bir kimyasal ile birleştirilmeden saf olarak kullanıldığı uygulamalarda bulunmaktadır.

41. RADYOFARMASOTİKLER • 67Ga’nin yarı ömrü 77.9 saattir. • Lenfoma, yumuşak doku, baş boyun, akciğer, karaciğer tümörleri, melanom … • Günümüzde tedavi yanıtını değerlendirme ve klinik prognozu belirlemek amacıyla galyum sintigrafisinden yararlanılmakta..

42. 111In fiziksel yarı ömrü 2.83 gün olup elektron yakalama ile bozunarak 111Cd’ ye bozunur. 171.3 keV ve 245.4 keV’luk olmak üzere başlıca iki gamma ışını vardır. • meme, beyin, kolon, akciğer gibi organ kanserlerinde: • primer odağın belirlenmesi; tümörün evrelendirilmesi; • tedavi protokolünün oluşturulması; tedavi etkinliğinin değerlendirilmesi; tedavi amacıyla…

43. 201Tl , elektron yakalama yoluyla bozunuma uğramaktadır ve yarıömrü 73 saattir. • 1970’ lerden beri özellikle myokardial perfüzyon ajanı olarak sintigrafide kullanılmakla birlikte son on yılda tümör görüntülemesinde de büyük ilgi görmektedir.

44. Siklotronlarla İzotop Üretimi • Klasik SPECT izotopları (p,2n) reaksiyonu yolu ile üretilir ve proton enerjileri ~25 MeV civarındadır. • 201Tl’ in her geçen gün artan talebinden dolayı, (p,3n) reaksiyonu genellikle ana üretim reaksiyonu olarak düşünülmektedir. • 201Tl üretimi için proton üst sınır enerjisi de yaklaşık 30 MeV dir.

45. Kısa ömürlü PET izotopların üretimi çoğunlukla (p,n) reaksiyonu yoluyladır ve tercih edilen proton enerjisi ~15 MeV dir. • Normal olarak PET için küçük siklotronlar kullanılır.

46. 201Tl: 203Tl (p,3n) 201Pb • 201Tl, En önemli SPECT izotoplarındandır ve radiopharmaceutical Co. tarafından ticaretleştilmiştir. • Dünyada kurulu toplam üretim kapasitesi talebi aşmaktadır.

47. 123I: • 124Xe (p,2n) 123Cs 123Cs → 123Xe → 123I • 123I Çok önemli SPECT izotopudur ve dünyada yaygın üretimi vardır. • 111In: 112Cd (p,2n) 111In bazı SPECT teknikleri için önemlidir. Düşük talebinden dolayı pahalıdır.

48. 67Ga: 68Zn (p,2n) 67Ga üretimi kolaydır. Talebi düşüktür. • (p;2n) prosesi, siklotronlarla klasik medikal radyoizotop üretiminde standard reaksiyondur. En önemlileri 123I, 111In ve 67Ga dir. Diğer çoğu ticari öneme sahip radyonüklidler bu reaksiyon yoluyla üretilebilir.