Syklotron

En syklotron er en partikkelakselerator brukt til å akselerere ladete partikler (protoner, deuteroner eller alfapartikler (helium-4)) i en spiralbane utover fra sentrum i et sylindrisk vakuumrør. Spiralbanen er styrt av et statisk magnetfelt laget av to elektromagneter på hver side normalt plassert på det horisontale vakuumrøret. Akselerasjonen gis via et raskt skiftende elektrisk felt, oscillerende i radiofrekvens. Spiralbevegelsen yil protonene følger Fermats spiral. Protonene blir laget fra ionisert hydrogengass. Hvis atomkjerner til et grunnstoff blir bombardert med protoner med høy hastigheten fra den spiralformete banen så kan massen endres og de blir transformert til isotoper av andre grunnstoffer. Sannsynligheten for at et proton skal trenge inn i atomkjernen øker med partikkelhastigheten.

Den amerikanske fysikeren Ernest O Lawrence (1901-1958) fikk nobelprisen i fysikk i 1939 «for oppfinnelsen og utviklingen av syklotronen og resultatene oppnådd med den, spesielt med hensyn på kunstige radioaktive grunnstoffer». Ved Radiation Lab ved Universitetet i California, Berkeley, nå Lawrence Berkeley National Laboratory ble det laget flere syklotroner med akselerasjon av protoner som fikk stadig høyere energi. I 1939 en syklotron med radius 152 cm og som ga protoner med energi 16 millioner elektronvolt (MeV).  

Fermats spiral

Fermats spiral

Det en begrensning hvor høy energi det er mulig å gi protonstrålen forklart av den spesielle relativitetsteorien. Maksimalt var det mulig å akselerere protoner til energi 350 MeV. Syklotronen ble derfor erstattet av synkrotronen (synkrosyklotron) og isokrone syklotroner som gir større partikkelhastighet, men innen nukleærmedisin blir syklotronen fremdeles anvendt for å lage radioaktive isotoper (radionuklider) med korte halveringstider e.g. fluor-18, karbon-11 og teknesium-99m anvendt innen kreftdiagnostikk og behandling I tillegg kan partikkelstrålingen med akselererte protoner bli brukt direkte på pasienter med kreft i form av rotonterapi. Partikkelterapi i form av karbonionterapi blir også benyttet  med høy lineær energitransferstråling (LET)  med en stor Bragg-topp. 

PET-skanning

Positronemisjontomografi (PET)baserer seg på positronstråling (β+))fra kortlivete isotoper laget i en syklotron og som annihilerer med elektroner (β-) og sender ut gammastråling (γ) med høy energi. 

e- + e+ →  γ + γ

Fluor-18 (18F) blir laget i en syklotron hvor akselererte protoner bombardere den stabile oksygenisotopen oksygen-18 (18O). Fluor-|8  lir deretter brukt til å lage fluor-|8-deoksyglukose som er en glukoseanalog og akkumuleres i cellevev med stort opptak av glukose slik som i kreftceller.  18F har halveringstid 109.8 minutter.  Fluor-|8-deoksyglukose blir tatt opp av kreftcellene og fosforylert av heksokinase fra glykolysen som det finnes mye av i mitokondriene i kreftceller.

Teknetium 99m festet til metylendifosfonat blir tatt opp av bein og kan gi lokal beståling av beinkreft.

Radiomerkete monoklonale antistoffer blir brukt i diagnostikk for å visualisere tumorer og terapeutisk i behandling. Andre kortlievete positronemittere (β+) brukt til PET-skanning i kreftdiagnostikk og radioterapi er:

Gallium-68 (68Ga, , t1/2= 68 min) laget ved protonstråling av zink-68.

 Karbon-11 (11C, t1/2= 20.38 min)  

Nitrogen-13 (13N, t1/2= 9.9 min) brukt til å lage N-13 merket ammonium.

 Oksygen-15 (15O, t1/2= 2.05 min) brukt til å studere blodstrøm, blodvolum og oksygenomsetning, Også brukt til å lage [15O]O2, [15O]CO2, [15O]CO and [15O]H2O. Vanligst laget ved beståling av 1nitrogen-14 med  7MeV deuteroner. Sender ut postitronstråling og omdannes til nitrogen-15

 Scandium-44 (44Sc, t1/2=4.042 h), h = time. 

Kobber-64 (64Cu, t1/2= 12.7 h) hvor kobber kan chelateres til peptider, proteiner monoklonale antistoffer og nanopartikler.

Zirkonium-89 (89Zr, t1/2= 3.3 d) desintegrer via positronstråling og elektroninnfanging til yttrium- 89. kan bli laget ved protonstråling 89Y(p,n)89Zr eller i reaksjon med deuteronstråling 89Y(d,2n)89Zr.   

Yttrium-86 (86Y, t1/2= 14.7 h)

 Jod-124 (124I, t1/2= 4.18 d)

Litteratur

Lawrence EO  & Edlefsen NE : On the production of high speed protons. Science. 72 (1867) (1930) 376–377, 10.1126/science.72.1867.372

Wikipedia

Tilbake til hovedside

Publisert 20. mars 2023 13:28 - Sist endret 31. mars 2023 14:34