2011.Október 03. Szent László ÁMK, Baja ATOMKI látogatás 2011.Október 03. Szent László ÁMK, Baja

Program tervezet ATOMKI 11:00-11:35 Ciklotron 11:40-12:15 PET (Pozitron Emissziós Tomográf) 12:20-13:00 Hideglabor, kísérletek folyékony nitrogénnel. Debreceni Egyetem Kísérleti Fizika 13:00-14:00 ködkamra (háttér sugárzások, alfa-forrás, neutronok által meglökött protonok nyomai); természetes és mesterséges radioaktív anyagok sugárzásának detektálása; gamma-spektrometria; gamma- és neutron dozimetria; müonok észlelése koincidenciába kapcsolt GM-csövekkel; mesterséges radioizotóp előállítása magreakcióval és felezési idejének mérése; kisfeszültségű gyorsítók ("neutrongenerátorok") megtekintése;detektorok megismerése;

Elméleti felkészülés Energia egységek Gyorsítás: DU potenciálkülönbségen(feszültség)áthaladó részecske kinetikusenergia-változása: 1 eV 1,6∙10-19 = [Cb]∙ 1 [V] = 1,6∙10-19 [J] (ekkora energiát kap egy elektron/proton 1 V feszültség-különbség hatására) 1 keV=103eV 1MeV=106eV 1 GeV=109 eV, 1 TeV=1012 eV kilo- mega- giga- tera-

Természetes radioaktivitás felfedezése Radioaktív sugárzás: előzetes energiaközlés nélkül bekövetkező sugárzás Antoine Henri Becquerel :az uránérc előzetes besugárzás nélkül is bocsátott ki bizonyos sugarakat, amelyek a fényhez hasonló nyomot hagytak a fényképezőlemezen. Marie Curie és Pierre Curie : Felfedezték a polóniumot és a rádiumot. Megfigyelték, hogy az új sugárzás független a sugárzó elem fizikai és kémiai állapotától. Ernest Rutherford: A radioaktív anyagból kilépő sugarakat elektromos mezőbe vezette, a sugárzás három összetevőjét figyelte meg.

A radioaktív sugárzás típusai α-sugárzás: nagy sebességű He 2+- ionokból áll, ionizáló hatása legnagyobb, áthatoló képessége a legkisebb β-sugárzás: közel fénysebességű elektronokból áll, ionizáló hatása kisebb, áthatoló képessége nagyobb γ-sugárzás: nagy frekvenciájú elektromágneses hullám,ionizáló hatása legkisebb,áthatoló képessége legnagyobb A sugárzás tulajdonságai külső hatás nélkül keletkezik erőssége az elem mennyiségétől függ fizikai és kémiai változások nem befolyásolják ionizáló hatása van élő sejteket károsítja fluoreszkálást, foszforeszkálást okoz

A radioaktivitás a sugárzó atomok belső átalakulásának következménye. α-sugárzáskor a rendszám 2-vel, tömegszám 4-gyel csökken β-sugárzáskor a rendszám 1-gyel nő, tömegszám nem változik A radioaktív elemek családokba sorolhatók, melyben egymást követő bomlások sorozata játszódik le,míg egy stabil izotóp keletkezik.

Aktivitás: időegységre eső bomlások száma jele: A mértékegysége: Bq λ:bomlásállandó N:a t idő múlva jelenlévő bomlatlan atomok száma Felezési idő: az az idő, amely alatt az atommagok fele elbomlik jele: T1/2 Bomlástörvény: N (t) :a t időpillanatban jelenlévő bomlatlan atommagok száma N (0) : kezdeti bomlatlan atommagok száma

1.Dózisegyenérték Jele: H Mértékegysége: Sv (Sievert) 1Sv=1J/kg H=DQN D: elnyelt dózis Q: sugárzás típusára jellemző faktor N: sugárzás körülményeire jellemző állandó 2.Elnyelt dózis (1 kg tömegben elnyelt sugárzási energia) mértékegysége Gray =J/kg D (mSv) Hatások 200 Küszöbdózis orvosilag kimutatható, tünetmentes 750-1000 Kritikus dózis rosszullét 1000-2000 Vérképző szervek zavarai 4000 Félhalálos dózis Az 50%-a orvosi kezelés hiányában meghal 6000 Halálos dózis A sugárdózis átlag értéke mSv/év-ben

Háttérsugárzás Az átlagos természetes radioaktív háttérsugárzás kb. 1.8 mSv/év. Emberi tevékenységből, - döntő részben az orvosi röntgen átvilágítás és terápia, - még átlagosan 0.4 mSv/év, együtt maximum kb 2,5 mSv/év.  A háttérsugárzás legjelentősebb komponensei: a helyiségben jelenlévő radon (kb. 0.5 mSv/év), az épületek sugárzása (kb. 0.4 mSv/év), kozmikus sugárzás, ami felfelé haladva erősen növekszik (0.3 mSv/év), a bennünk lévő kálium 40 izotóp sugárzása (kb. 0.2 mSv/év)

Radioaktív sugárzás detektálása Filmdoziméter (pl. egészségügyi dolgozók) A filmdoziméter egy fotográfiai film, amelyet speciális kazettában helyeznek el. A kazettán szűrők vannak, melyek segítségével a filmen különböző mértékű elfeketedések alakulnak ki A filmeket előhívás után kiértékelik, amely során a feketedés mértékéből lehet a kapott személyi dózist becsülni, sőt ad információt a sugárzás minőségéről, irányáról, és az energia eloszlásáról is.

Radioaktív sugárzás detektálása Ködkamra Wilson-féle ködkamra A kamrában alkohol telített gőze van, a sugárforrásból kilépő részecskék ionokat hoznak létre, körülöttük a gőz lecsapódik.

Radioaktív sugárzás detektálása Nagy energiájú sugárzás, vagy részecskék hatására fényvillanás következik be. Szcintillációs detektor

Radioaktív sugárzás detektálása Geiger Müller számláló Geiger-Müller számláló – GM-cső anód: W-szál katód:Cu-henger Anód-katód közötti feszültség:500-2000V Töltőanyag: szerves oldószer gőze, nemes gáz A belépő radioaktív részecskék ionokat hoznak létre a gázokban, ez áramlökést hoz létre.

Részecskék, antirészecskék Az atommag pozitív töltésű Protonokból (p) és neutronokból (n) áll. A protonok és neutronok kvarkokból állnak A kvarkok „színtöltést” hordoznak A kvarkokat gluonok „ragasztják” össze Részecskék, antirészecskék

Megmarad-e az energia a béta-bomlásban? Az elektron energiája nem meghatározott 1931 – Pauli, neutrínó jóslat 1954 – Szalay, Csikai közvetett megf. 1959 – Reines, Cowan közvetlen megf.

Részecskecsaládok + antirészecskéik Miért pont ennyi család? (Ki rendelte? – Rabi) + antirészecskéik 16

Részecskék és antirészecskék

Kölcsönhatások Ide jó lenne pár kis ábra. 18

Hogyan láthatunk részecskét? Előtte TV-t megemlíteni. Az ELTE'-n készített ködkamra (Horváth Ákos, Barnaföldi Gergely). Itt mozgó képnek kellene lennie, de ez csak a szerkesztés helyén megy nekem. 19

Diffúziós ködkamra -  (He2+) forrással 300 V-os feszültség alkoholos vatta LED  (He2+) forrás hőszigetelő termosz szilárd CO2 – „szárazjég” Particle tracks + High Voltage 100-200 V= Isopropyl alc. source - T increase LED Copper plate a-source Copper rods Thermos CO ice 2 Fig. 2: Systematic diagram of cloud chamber

Egy e+e- ütközés eredménye 21

Mi a részecskegyorsító? Bármilyen eszköz, ami töltéssel rendelkező részecskéket igen nagy sebességre gyorsít elektromos vagy mágneses mezővel A képen egy korai részecskegyorsító látható 1937-ből. Ezt a gyorsítót használták az első atombomba készítésénél is. http://en.wikipedia.org/wiki/Image:P3280014.JPG

Gyorsítók Részecskenyaláb „terelése”: elektromágneses (Lorentz) erő: elektromos térerősség mágneses indukció részecske sebessége Faraday „kalitka” Fémoboz belsejében az elektromos térerősség: E=0 A részecskék „csomagokban” gyorsulnak. Fázisfókuszálás

Stanford Linear ACcelerator lineáris gyorsító Gyorsítás: csak az elektródok közötti térben (belül: Faraday-kalitka) Az elektródok hossza változik, hogy mindig jó fázisban érjék el a gyorsítórést az egyre nagyobb sebességű részecskék. SLAC Stanford Linear ACcelerator A világ legnagyobb lineáris gyorsítója Hossza: 3,2 km Részecskék: elektron, pozitron E~ 50 GeV

Egy korai gyorsító 1929-ben, Ernest Lawrence fejlesztette ki az első körpályás gyorsítót Ennek a ciklotronnak csupán 4 inch volt az átmérője (kb.10cm), és két D alakú mágnest tartalmazott réssel elválasztva A kis résben váltakozó áram kelti a változó elektromos mezőt, ami gyorsítja a részecskéket ahogy körbefutnak a gyorsítóban

Lawrence ciklotronja: http://www.facstaff.bucknell.edu/mvigeant/univ_270_03/Jaime/History.html

ciklotron centrip. erő = Lorentz erő Homogén mágneses térben, a B-re merőlegesen belépő részecskékre: Ebből kapjuk: (F ┴ v, körpálya) = állandó, (amíg m is állandó) Gyorsító elektródán belül „Faraday-kalitka” Gyorsítás: az elektródák között

Ciklotronnal előállítható maximális energia: Nagy energiáknál két probléma: 1) De az energia növekedésével m is nő (relativisztikusan) Két lehetséges megoldás: B növelése (relativisztikus ciklotron) w csökkentése (szinkrociklotron)

2) Gyorsítsunk protonokat Emax= 50 GeV energiára! Legyen B = 3 T Mekkora sugarú ciklotronra lenne szükség? Relativisztikus számolással kapjuk R ~ 52 m A mágnespofák tömege ~45000 t! A súlyához még a mágneses vonzás is hozzájárul. És ezt nem lehet belül alátámasztani!!! Gyorsítógyűrű!

Gyorsítógyűrűk Körpályás gyorsítók igen nagy sebességre (energiára) képesek felgyorsítani a részecskéket, mivel minden részecske hosszú ideig gyorsul. A körpálya hossza egészen nagy lehet Fermilab’s Tevatron (Near Chicago, USA) - 4 miles (6.44 km) CERN’s LHC (Near Geneva, Switzerland) – 16.8 miles (27 km)

Gyorsítógyűrűk Körpályás gyorsítók elektromágnesekkel kör alakú pályán vezetik a részecskéket amíg el nem érik a kívánt sebességet/energiát A részecskék egyik irányba gyorsulnak, míg antirészecskéik az ellentétes irányba www.fnal.gov

Pozitron Emissziós Tomográf (PET) Ennél a módszernél egy nem stabil izotóp bomlásakor kibocsátott pozitron egy elektronnal való találkozásakor kisugárzott gamma-fotonokat detektálják. A PET berendezés ezeknek a fotonoknak a számát méri.

Pozitron (+) bomlás Atommag neutronok 18F-FDG + protonok elektronok

Neutron szegény izotópok pozitron kibocsátással + bomlás Neutron szegény izotópok pozitron kibocsátással + anti-neutrino + pozitron következmény: egy proton helyett neutron anti-neutrino pozitron

Pozitron Emissziós Tomográf (PET) A páciens szervezetébe olyan izotópot juttatnak, amely bomlásakor pozitront sugároz ki. Erre tipikus példa a fluor 18-as izotópja. A fluoratomokat egy, a cukorral rokon vegyületben megkötött formában adják a páciensnek. Ez az anyag így a szervezet anyagcsere-folyamatait követve olyan helyekre jut el, ahová a cukor is eljutna. A kibocsátott pozitronok száma és így a másodlagos folyamatban keletkező fotonok száma arányos a fluoratomok számával. Vagyis, ha egy tomografikus intenzitástérképet vesznek fel, tér- és időbeli képet kaphatnak az anyagcsere-folyamatok lezajlásáról.

Pozitron Emissziós Tomográf (PET) Így ez a módszer lehetőséget nyújt pl. az agy különböző területeinek és az ott lezajló folyamatoknak a vizsgálatára.

PET Az első PET scanner (1975) ciklotronok

PET Imaging Overview Nyomkövető szintézis Nyomkövető bejuttatása Az izotóp által kibocsátott gamma fotonok mérése (~20-60 min) Kép készítés a mért intenzitás eloszlás alapján

Pozitron annihiláció Annihiláció 2x 511 keV gamma fotonok 180 fokos szögben Pozitron és gamma foton elhelyezkedés nem esik egy egyenesbe A scanner mint foton számláló Gamma párokat számol egyes gamma fotonok függvényében időköz ~ 1 ns 511 keV e+ e- 511 keV

55M Events PET/CT-Scanner 1M Events

Mobile PET

PET Gamma Kamerával

ATOMKI ciklotron Az ATOMKI Ciklotron Laboratóriuma üzemelteti Magyarország legnagyobb részecskegyorsító berendezését. Az itt működő MGC-20 típusú ciklotron 1985 novembere óta szolgáltat gyorsított részecskenyalábokat alap- és alkalmazott kutatások számára illetve orvosi és ipari alkalmazásokhoz is.

Mérföldkövek a ciklotron történetében 1980-83 Tervezés és beszerzés (a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség támogatásával) 1984-85 Gyártás és telepítés 1985 Nov. Üzembe helyezés 1986 SPECT-izotópok termelésének kezdete 1987 Gyors neutronokkal végzett orvos- és agrobiológiai kutatások indulása 1994 PET-izotópok termelésének kezdete 1997 Sugárkárosodási vizsgálatok indulása 1997-99 Felújítási projekt (a NAÜ Műszaki Együttműködési programjának támogatásával, a projekt száma: HUN/4/013) 2002 Vékonyréteg aktivációval végzett kopásvizsgálatok indulása 2003 A ciklotron nagyfrekvenciás rendszerének felújítása (a Magyar Tudományos Akadémia támogatásával) 2005 CVD gyémánt besugárzások kezdete

A targethelyiségek elrendezése és a nyalábvezető rendszer felépítése

Ez egy olyan változtatható végenergiájú kompakt ciklotron, amely proton, deutérium és alfa részecskenyalábokat képes gyorsítani. Körülbelül két évtizedig az egyetlen ciklotron típusú gyorsító berendezés volt az országban, számos kutatási és alkalmazási program mellett jelentős orvosi (PET) felhasználással. Az utóbbi években két új PET-ciklotront helyeztek üzembe (Budapesten és Debrecenben), amelyek proton- és deutérium nyalábokat az ATOMKI ciklotronhoz közeli végenergiával képesek előállítani. Részecskenyaláb Energia [MeV] Intenzitás [µA] proton 2.5 - 18 40 deutérium 1 - 10 3He++ 4 - 27 10 alfa 2 - 20 20

A gyorsító széles tartományban változtatható paraméterű nyalábokat képes előállítani, így rugalmasan alkalmazható sokféle, akár különböző tudományterületek által megkívánt feladatra. Ezen túlmenően a ciklotron olyan nyalábvezető rendszerrel rendelkezik, amely lehetővé teszi a nagyon eltérő és speciális követelményekkel rendelkező felhasználói igények kielégítését is.

A bemutató internetes anyagok, többek között Dr A bemutató internetes anyagok, többek között Dr. Sükösd Csaba részecskefizika témájú ppt-je és az ATOMKI honlap felhasználásával készült.