دانلود پایان نامه ارشد درمورد درمان بیماران، انرژی مصرفی، پلاسمایی

دانلود پایان نامه ارشد

یستم RF معمولاً شامل دو یا چهار الکترود می‌باشد که بین قطب‎‌های آهنربا قرار داده می‌شوند. (به‌خاطر شکل این الکترودها در سیکلوترون‌های اولیه، اغلب دی96 نامیده می‌شوند.) الکترودهای دی به مولد RF متصل می‌گردند که یک ولتاژ نوسانی بین kV30 تا kV100 با فرکانس ثابت در محدودۀ MHz100-50 ایجاد می‌کند [4].
پارامترهای مهم در سیستم RF، ولتاژ و بسامد RF می‌باشند. کمینه مقدار برای ولتاژ RF، اولین چرخه را در شتاب‌دهنده ایجاد می‌کند که به‌وسیلۀ آن پروتون‌ها از چشمۀ یونی در مرکز سیکلوترون، خارج می‌شوند و از طریق روزنه‌ها و اتصالات بین نیمه‌های بالا و پایین الکترودها، عبور می‌کنند. ولتاژ بالای RF نیز EΔ بزرگی را ایجاد می‌کند. این امر سبب می‌شود که حساسیت پرتو نسبت به خطا در ایجاد میدان مغناطیسی کمتر باشد و بازده خروجی بالایی به دست آید. از طرف دیگر، دورۀ تناوب (1/بسامد) برای ولتاژ RF، در هر الکترود، برای موقعیت سمتی پروتون‌ها در تمامی شعاع‌ها، باید یکسان باشد؛ براین اساس در زمان T یک پروتون با بار الکتریکی q و جرم m برای آن‌که یک چرخه را با شعاع r ایجاد کند، نیروی لورنتس Bqv طبق معادلۀ (31)، به‌صورت نیروی مرکزگرا عمل می‌نماید:
(31)
(mv^2)/r=Bqv
به‌علاوه، سرعت پروتون نیز مطابق با معادلۀ (32) نوشته می‌شود:
(32)
v=2πr/T

بنابراین زمان مورد نیاز برای یک دور چرخش پروتون، طبق معادلۀ (3) به‌دست می‌آید:
(33)
T=2πm/qB
مطابق با معادلۀ (33)، زمان T وابسته به شعاع یا سرعت ذره نیست و این یعنی تمام ذرات در زاویۀ سمتی مشابه در سیکلوترون حرکت می‌کنند. نکتۀ دیگری که در اینجا باید به آن اشاره کرد، این است که علی‌رغم پالسی بودن فرکانس RF در ولتاژ شتاب‌دهنده، شدت پرتو خروجی از سیکلوترون به‌صورت CW، در ذره‌درمانی درنظر گرفته می‌شود [4].
3-2-2- میدان مغناطیسی
مشخصات میدان مغناطیسی به‌وسیلۀ دینامیک پرتو تعیین ‌می‌شود. در ایجاد میدان مغناطیسی برای سیکلوترون باید به دو نکته توجه داشت. اول اینکه، میدان مغناطیسی باید هم‌زمان، و مطابق با معادلۀ (3)، همگن باشد؛ به‌علاوه میدان باید در هر شعاع r دارای قدرت مناسب باشد تا با زمان T مورد نیاز جهت یک دور چرخش پروتون، هماهنگ گردد. قدرت میدان مغناطیسی در سیکلوترون‌های حاضر بین T 2 تا T 5/3 است [4]. در این میان مزیت سیم‌پیچ‌های ابررسانا، توان مصرفی کم و به‌ویژه میدان مغناطیسی قوی‌تر می‌باشد که سبب می‌شود سیکلوترون‌،کوچک‌تر و سبک‌تر باشد. نکتۀ دوم، شکل خطوط میدان مغناطیسی است که باید به‌گونه‌ای باشد تا با ایجاد نیروی متمرکز کننده‌، فضایی را که پروتون‌ها در آن حرکت می‌کنند، محدود نماید.
زمانی‌که انرژی پروتون‌ها بزرگ‌تر از MeV30-20 می‌شود، سرعت آن‌ها کسری از سرعت نور می‌گردد (در انرژی MeV20، v/c=0/2 ). به‌خاطر اثرات نسبیتی، افزایشی در جرم پروتون‌ها در مقایسه با جرم سکون آن‌ها یعنی m0، مطابق با معادلۀ (34)، مورد انتظار است. به‌عنوان مثال برای انرژی‌های بالا مانند MeV250 (v/c=0/61)، γ برابر با 27/1 خواهد بود.
(34)
m(r)=1/√(1-〖v(r)〗^2/c^2 ) m_0=γ(r)m_0
این موضوع حاکی از آن است که در یک میدان همگن، فرکانس مداری با انرژی افت می‌کند. با افزایش انرژی، پروتون‌ها سرعت را با ولتاژ شتاب‌دهنده از دست می‌دهند و دیگر شتاب نمی‌گیرند. تا اواخر دهۀ 1950، روشی که پروتون‌ها را در سیکلوترون تا انرژی‌های بالای MeV30 شتاب می‌داد، هماهنگی RF با شعاع مدار پروتون بود. روشی که در طراحی‌های اخیر در سینکروسیکلوترون‌های با انرژی بالا و کم‌حجم به‌کارگرفته شده است [101]. در این سیستم‌ها، با مدولاسیون RF ( RF باید هم‌زمانی بسامد را با افزایش جرم مدوله کند.)، پرتو از سینکروسیکلوترون با آهنگ تکرار kHz1 به‌صورت پالسی خارج می‌شود. روش دیگری که در سیکلوترون‌های جدیدتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، افزایش میدان مغناطیسی با افزایش شعاع است تا با اثرات نسبیتی هماهنگ باشد:
(35)
B(r)=γ(r)B_0
در معادلۀ (35)، B_0 قدرت میدان مغناطیسی مورد نیاز است، زمانی‌که از اثرات نسبیتی صرف‌نظر می‌شود. به‌عنوان مثال قدرت میدان مغناطیسی در سیکلوترون MeV250 در PSI [102] و سیکلوترون MeV230 در IBA [103] به‌صورت تابعی از شعاع در شکل 3-1 آمده است. با چنین روشی، پروتون‌ها سرعت را با سیگنال RF از دست نمی‌دهند و پرتو CW باقی می‌ماند.

شکل 3-1. میانگین میدان مغناطیسی به‌صورت تابعی از شعاع مدار پروتون
در سیکلوترون IBA (بالا) [103] و سیکلوترون PSI (پایین) [102]
3-2-3- چشمۀ پروتونی
در حال حاضر تمام سیکلوترون‌ها با منبع پروتونی در مرکز سیستم تجهیز می‌شوند. چشمۀ یونی شامل دو کاتد در ولتاژ منفی چند کیلوولتی است که درانتهای استوانۀ توخالی عمودی با پتانسیل پایه، قرار داده شده است و داخل آن گاز H2 وارد می‌شود (در حدود 1 〖cm〗^3/min). یونیزاسیون گاز توسط الکترون‌های پرانرژی در اثر تخلیۀ الکتریکی صورت می‌گیرد. الکترون‌های آزاد به‌وسیلۀ گرمای رشته‌ای و یا به‌وسیلۀ انتشار خودبه‌خودی از کاتد در میدان قوی الکتریکی بین کاتد و پایه ایجاد می‌شوند. در این میدان، الکترون‌ها شتاب داده می‌شوند و گاز را یونیزه می‌کنند. این الکترون‌ها درطول خطوط میدان مغناطیسی و بین کاتدها حرکت می‌کنند و بنابراین یونیزاسیون گاز افزایش می‌یابد. یون‌های H+، H2+ و H- و الکترون‌ها، پلاسمایی را شکل می‌دهند. از آنجایی که پلاسما یک رسانای الکتریکی است، میدان الکتریکی خارجی در آن نفوذ می‌کند. هرچند پروتون‌ها و سایر یون‌هایی که منتشر می‌شوند، تحت تأثیر میدان الکتریکی نزدیک‌ترین الکترود قرار می‌گیرند. زمانی‌که الکترود در پتانسیل منفی است، پروتون‌هایی که از پلاسما فرار کرده‌اند، به‌طرف الکترود شتاب خواهند گرفت و فرآیند شتاب‌دهی پروتون‌ها آغاز می‌شود. شکل 3-2 نمای کلی از چشمۀ پروتونی که در یک سیکلوترون مورد استفاده قرار می‌گیرد را نشان می‌دهد [4].

شکل 3-2. شکل شماتیک از چشمۀ یونی مورد استفاده در یک سیکلوترون [4]
3-2-4- معرفی پارامترهای مرتبط با فرآیند درمان در پروتون‌تراپی برای یک سیکلوترون
برای آن‌که یک شتاب‌دهنده عملکردی مناسب در درمان بیماران داشته باشد، لازم است، درک درستی از پارامترهای مرتبط با درمان و آستانۀ قابل قبول برای آن‌ها داشته باشیم. به‌طورکلی برد در بیمار و نیز آهنگ دوز، مرتبط با پارامترهایی از سیکلوترون به شرح زیر می‌باشند:
سیستم RF
بازده خروجی
بازده سیستم انتخاب انرژی
چشمۀ یونی
به‌منظور تولید آهنگ دوز دلخواه، لازم است که پرتو خروجی از شتاب‌دهنده، جریان حداقلی nA 300 داشته باشد. برای تولید جریان مناسب برای آهنگ دوز مورد نیاز در بیمار، تنظیمات مناسب چشمۀ یونی لازم است. پارامترهایی که در این تنظیمات اثرگذار هستند، طول عمر چشمه، ولتاژ و فرکانس RF، توان RF و… می‌باشند؛ بنابراین کالیبراسیون دستگاه زمانی که از سیکلوترون استفاده نمی‌شود، ضروری است. این کار هر چند دقیقه تا هر نیم ساعت، به‌منظور آن‌که افت‌وخیزهای این پارامترها را مورد قبول نگه دارد، انجام می‌شود. باید خاطر نشان کرد که بازده خروجی اولیه، به‌علت وجود تشدیدهای مختلف در شتاب‌دهندۀ سیکلوترونی، خیلی پایین است. با اصلاحات میدان مغناطیسی و تنظیمات دقیق، می‌توان به بازده خروجی در حدود 25% دست یافت که به‌طور میانگین بین 20% تا 25% در تغییر است. البته برخی از شتاب‌دهنده‌های سیکلوترونی نظیر سیکلوترون IBA با برطرف کردن مشکلات مربوط به تشدید در طراحی، به بازده خروجی بالاتر دست یافته‌اند [104]. با داشتن خروجی CW از شتاب‌دهندۀ سیکلوترونی و نیز کنترل چشمۀ یونی، می‌توان جریان خروجی قابل تغییر را برای سیستم پراکندگی کنش‌پذیر و نیز سیستم اسکن با مدولاسیون شدت، تولید کرد.
یکی دیگر از پارامترهای مهم در تنظیم آهنگ دوز و برد پرتو فرودی، بازده سیستم انتخاب انرژی است. شکل 3-3، بازده سیستم انتخاب انرژی را برحسب برد پروتون، در ورودی نازل مربوط به شتاب‌دهندۀ سیکلوترونی IBA با انرژی اولیۀ MeV230 نشان می‌دهد [104]. در این سیستم، کاهندۀ انرژی از جنس گرافیت، جهت اصلاح انرژی پرتو مورد استفاده قرار گرفته است و همان‌طور که دیده می‌شود با کاهش هرچه بیشتر انرژی پرتو اولیه، با بازده کمتری برای دست‌یابی به برد مورد نظر در بیمار، مواجه هستیم. به‌طورکلی کنترل پارامترهای مرتبط با سیکلوترون و هماهنگی آن‌ها با پارامترهای مورد نیاز در پروتون‌تراپی، امری ضروری جهت دست‌یابی به نتیجۀ مطلوب در درمان می‌باشد.

شکل 3-3. بازده سیستم انتخاب انرژی مربوط به سیکلوترون IBA برحسب برد پروتون‌های ورودی به نازل [104]
3-2-5- معرفی پارامترهای توصیف‌کنندۀ مشخصات تعدادی از شتاب‌دهنده‌های سیکلوترونی
در جدول 3-1، تعدادی از پارامترهای فیزیکی مربوط به سیکلوترون‌های C-235 در IBA، C-250 در ACCEL، C-190 و C-200 در JINR LNP که در پروتون‌تراپی مورد استفاده قرار می‌گیرند، آمده است [105]. این شتاب‌دهنده‌ها در میدان مغناطیسی به‌کار گرفته شده و پارامترهای فنی از جمله اندازه و فناوری ساخت و نیز شرایط اجرایی و انرژی مصرفی با یکدیگر تفاوت‌هایی دارند.

جدول ‏031. بخشی از پارامترهای اصلی و توصیف‌کنندۀ مشخصات فیزیکی شتاب‌دهنده
برای تعدادی از سیکلوترون‌ها در IBA، ACCEL و JINR LNP [105]
پارامترها
C-235
(IBA)
C-250
(ACCEL)
C-190
(JINR LNP)
C-200
(JINR LNP)
انرژی پروتون (MeV)
235
250
70-190
~200
میانگین میدان مغناطیسی (T)
در مرکز
در شعاع خروجی

1/739
2/165

~4
~4

0/77
0/92

1/33
1/64
وزن آهنربا (T)
210
90
400
300
جریان اصلی سیم‌پیچ (kA)
525

150
340
توان مصرفی (kW)
190
40
120
170
3-3- سینکروترون
نوع دیگری از شتاب‌دهنده‌های دایروی، سینکروترون‌ها می‌باشند. اگرچه در پروتون‌تراپی، سینکروترون‌ها و سیکلوترون‌ها در رقابت با هم هستند، اما درحال حاضر در تجهیزات مربوط به درمان با یون‌های سنگین، سینکروترون‌ها تنها سیستم‌های در حال اجرا می‌باشند. مزیت عمدۀ یک سینکروترون آن است که به‌وسیلۀ آن، پروتون‌ها تا انرژی دلخواه شتاب داده می‌شوند؛ به‌علاوه، پروتون‌های کم‌انرژی، شدت مشابهی با پروتون‌های دارای انرژی بالا دارند.
فضای مورد نیاز برای یک سینکروترون نسبت به یک سیکلوترون بیشتر است. سینکروترون، قطری در حدود m 8-6 دارد. سیستم تزریقی مورد استفاده در این سیستم، شامل یک چشمۀ یونی، یک یا دو شتاب‌دهندۀ خطی به صورت سری و یک سیستم انتقال پرتو به طول m10-6 می‌باشد [4]. فرآیند شتاب در یک سینکروترون در چرخه‌هایی صورت می‌گیرد. هر کدام از این چرخه‌ها شامل مراحلی هستند که عبارتند از:
پر کردن حلقۀ شتاب‌دهنده با 〖×10〗^10 2 پروتون با انرژی MeV 2 (در مرکز لومالیندا97) یا 〖10〗^11 پروتون با انرژی MeV 7 (هیتاچی میتسوبیشی98)
شتاب پروتون‌ها تا انرژی دلخواه بین MeV70 تا MeV250
خروج آهستۀ پروتون‌ها به سمت خط پرتو
بازگشت به موقعیت اولیه و کاهش سرعت و تخلیۀ پروتون‌های استفاده نشده با انرژی کم
شکل 3-4، نمای کلی از یک چرخه در سینکروترون را نشان می‌دهد [4]. این فرآیند، برای مدولاسیون بهینۀ انرژی، طولانی است؛ از این‌رو انرژی موردنظر برای پرتو خروجی از شتاب‌دهنده، در هر زاویۀ مورد استفاده در درمان انتخاب می‌شود (این انرژی برابر با بیشینه مقدار مورد استفاده در آن زاویه می‌باشد)؛ سپس مدولاسیون به‌وسیلۀ چرخ مدولاتور و یا فیلترهای شیاردار در نازل انجام می‌گیرد.

شکل 3-4. نمای کلی از یک چرخه در سینکروترون که شامل تزریق پروتون‌های MeV 2 یا MeV 7، شتاب پروتون‌ها تا انرژی دلخواه در زمانی کمتر از 5/0 ثانیه، خروج آهستۀ پروتون‌های شتاب داده شده به خط پرتو در زمانی بین 5-5/0 ثانیه و در آخر کاهش سرعت و تخلیۀ پروتون‌های استفاده نشدۀ باقی‌مانده [4]
یک سینکروترون شامل شبکه‌ای با آهنرباهای خم‌کننده و اجزای متمرکزکنندۀ پرتو می‌باشد. آهنرباهای چهارقطبی جهت متمرک

پایان نامه
Previous Entries دانلود پایان نامه ارشد درمورد RBE، شتاب‌دهنده‌های، پروتونی Next Entries دانلود پایان نامه ارشد درمورد شبیه‌سازی، تحت درمان، پروژه‌های تحقیقاتی