المعجل الخطي للجسيمات linear accelerator - linac
المعجل الخطي للجسيمات من أقدم الوسائل
لتعجيل الجسيمات دون الذرية، إلى سرعات عالية جدا تقترب من سرعة الضوء، حيث تم
اختراعه وفي عام 1928 بواسطة رولف فيدروي Rolf Wideroe 11)
يوليو 1928 – 11 أكتوبر 1999).
المعجلات الخطية تختلف كثيرا في الطول؛ حيث تبدأ من أنبوب أشعة الكاثود
المعروفة، حتى عدة كيلومترات. تستخدم تلك المعجلات في تطبيقات عدة، مثل: إنتاج
الأشعة السينية، للأغراض الطبية، والصناعية، والعلمية، أو غيرهم. تصميم المعجل
الخطي يعتمد على نوع الجسيمات التي سيتم تعجيلها، مثل: الإلكترونات، والبروتونات،
أو الأيونات.
المكونات والتشغيل
يتكون المعجل الخطي للجسيمات، من الأجزاء التالية::
1.
مصدر الجسيمات:
تصميم المصدر يعتمد على خصائص الجسيمات المطلوب
تعجيلها. فمثلا: يتم توليد الإلكترونات بواسطة الكاثود البارد، أو الكاثود الساخن،
أو الكاثود الضوئي، وأما الجسيمات الموجبة يتم تجهيزها بطرق أخرى.
2.
مصدر للجهد الكهربي العالي :
وذلك بغرض الحقن الأولي للجسيمات المطلوب تعجيلها.
3.
غرفة مفرغة على هيئة أنبوب
مجوف:
يختلف طول الغرفة والأنبوب طبقا لنوع التطبيق، حيث؛ إذا
كان الجهاز سيستخدم لإنتاج الأشعة السينية للفحص، أو العلاج، فإن الأنبوب قد يتراوح
طوله بين نصف متر إلى متر ونصف.
في حين أنه، إذا استخدم الجهاز كحاقن مغذي للمعجلات ذات
الطاقة العليا، مثل: السينكروترون synchrotron ، فقد يصل طوله
إلى عدة أمتار. إما إذا كان الغرض من الجهاز هو التعجيل الأولى للجسيمات بهدف
إجراء فحوص للجسيمات النووية، فإن طول المعجل قد يصل إلى آلاف عدة من الأمتار.
4.
أقطاب كهربية معزولة:
اسطوانية الشكل، داخل الغرفة المفرغة يختلف طول الأقطاب حسب موقعها على طول الأنبوب. حيث يعتمد طول كل
قطب کهربي على التردد وقدرة مصدر الجهد الكهربي،
وكذلك طبيعة الجسيم المطلوب تعجيله. ودائما تتزايد
أطوال الأقطاب بالتتابع من المصدر حتى الوصول إلى الهدف الذي ستصطدم به الجسيمات
المعجلة. إن خصائص الجسيم المعجل ذات أثر مباشر، وكبير في تحديد طول الأقطاب
الاسطوانية، فمثلا: الإلكترونات أصغر في الكتلة من البروتونات بنسبة 1 إلى 1839، ولذلك فإنها
تتطلب مقاطع أقصر كثيرا من الأقطاب الاسطوانية؛ حيث أنها تكتسب سرعة أعلى في زمن
أقل، على الرغم من أن طاقة حركتها تكون أقل كثيرا من
البروتونات التي تمتلك نفس السرعة.
5.
مصدر طاقة واحد أو أكثر:
ذو
تردد رادیوي للاتصال بالأقطاب الاسطوانية: في حالة المعجلات عالية الطاقة، يستخدم مصدر واحد منفصل
لكل قطب على حده. وينبغي أن تكون قدرة المصدر، وتردده، وحالة الطور متوافقة على
حسب تسلسل موقع القطب الاسطواني في السلسلة، مع نوع الجسيم تحت التعجيل؛ حتى نحصل
على أعلى قيمة من الطاقة عند نهاية المسار.
6.
مادة هدف مناسبة :
يستخدم هدف من التنجستين المبرد بالماء، إذا كان
المطلوب إنتاج أشعة سينية بواسطة جسيمات
معجلة. كما يستخدم مواد أخرى عدة، كمادة للهدف، عندما يكون الجسيم المعجل هو
البروتون، أو أيونات أخرى؛ اعتمادا على نوع الفحوصات المطلوبة.
فكرة عمل المعجل الخطي للجسيمات
كل اسطوانة ذات جهد كهربي محدد، أقل في القيمة من التي
تليها، ابتداء من مصدر الجسيمات حتى مادة الهدف. وهذا يعني أن سطح كل اسطوانة
متساوي في الجهد، ومن ثم لا يكتسب الجسيم المشحون أي طاقة أثناء عبوره أحد
الاسطوانات (لا يحدث تعجيل للجسيمات داخل أنابيب الانجراف - الأقطاب الكهربية)
لعدم وجود مجال كهربي فيها. ولكن عند مرور الجسيم بين اسطوانتين متتاليتين (أي في
الفجوة بين قطبين متتاليين)، يكتسب الجسيم مزيدا من السرعة ( الطاقة)، في اتجاه
واحد، تحت تأثير المجال الكهربي في تلك الفجوة، وبالتالي تصير سرعته أكبر، مما
يعني أنه في الاسطوانة التالية سوف يستغرق زمن أقل عند مروره خلالها إذا كانت
متساوية في الطول مع سابقتها. ونظرا للتوافق الزمني لتغير فرق الجهد الكهربي، فإن
هذا يستدعي أن تكون الاسطوانات المتتالية متزايدة في الطول، بحيث وصل الجسيم المشحون عند نهاية الاسطوانة، يحدث تغير في
اتجاه الجهد الكهربي ليصير اتجاه قوة المجال الكهربي دائما في اتجاه حركة الشحنة.
وعندما تزداد سرعة الجسيمات، التقترب من سرعة الضوء، فإن مقدار السرعة المكتسبة
سيكون صغيرا؛ نظرا للزيادة في كتل الجسيمات طبقا للنظرية النسبية الخاصة وهذا
يتطلب أن تكون أنابيب الانجراف متقاربة في الطول قرب نهاية مسار الجسيمات المعجلة.
·
تضاف عناصر كعدسات
كهروستاتيكية أو مغناطيسية ، لتأمين بقاء شعاع الجسيمات على
محور الأنبوبة المفرغة وكذلك الأقطاب الكهربية
·
المعجلات الطويلة
جدا قد تحافظ وتبقي على اصطفاف دقيق لمكوناتها، من خلال استعمال
أنظمة آلية المؤازرة، التي تكون موجهة بواسطة شعاع من الليزر.
مميزات المعجلات الخطية
1.
المعجلات الخطية
ذات التصميم المناسب تكون قادرة على تعجيل الأيونات الثقيلة إلى طاقات تتخطى تلك
المتاحة في المعجلات من النوع الدائري مثل السيكلوترون cyclotron، والتي تكون مقيدة بشدة بالمجالات
المغناطيسية المطلوبة لبقاء الأيونات في مسار دائري.
2.
المعجلات الخطية
ذات القدرة العالية، يمكن أيضا تطويرها لإنتاج إلكترونات تمتلك سرعات قريبة من
سرعة الضوء. هذا النوع من المعجلات مطلوب، حيث أن الإلكترونات السريعة المتحركة في
شكل قوس، سوف تفقد جزء من طاقتها خلال أشعة السينكروترون. وهذا بالطبع، سوف يحد من
القيمة العظمى للطاقة التي يمكن أن تمتلكها الإلكترونات في السينكروترون.
3.
المعجلات الخطية
قادرة أيضا على إنتاج سيل متقارب شبه متصل من الجسيمات المعجلة، ومن ثم فإن
الفترات الزمنية بين نبضات الأشعة السينية الناتجة تكون قصيرة للغابة وهذا مفيد
جدا للعديد من التطبيقات.
4. المعجلات الخطية المستخدمة في المجال الطبي، تعجل
الإلكترونات باستخدام تجويف متناغم كموجه موجة wave guide ، حيث أن مصدر الموجات الراديوية RF تنشئ موجات موقوفة. في حين أن بعض المعجلات
الخطية تحتوي على موجهات موجة قصيرة ومركبة عموديا، بينما الأجهزة ذات النبضات
الأعلى تميل إلى استخدام موجهات موجة طويلة، وأفقية، ومغناطيس انحناء لإدارة
الشعاع بشكل عمودي نحو المريض.
5. المعجلات الخطية الطبية تستخدم أشعة من الإلكترونات وحيدة
الطاقة فيما بين 4 حتى 25 مليون
إلكترون فولت، منتجة أشعة سينية مستمرة، لطيف من الطاقات حتى طاقة الإلكترون،
عندما يتم توجيه الإلكترون إلى هدف عالي الكثافة مثل: التنجستين. الإلكترونات
والأشعة السينية يمكن أن يستخدما في علاج كل من الأورام الحميدة والخبيثة.
6. يتميز الشعاع الناتج عن المعجلات الخطية الطبية، بدرجة عالية
من المرونة والدقة جعلته أداة علاجية ممتازة للأورام، ولذا يمكن أن تستخدم بدلا من
العلاج بالكوبالت المشع. إضافة إلى ذلك، يمكن إيقاف الجهاز عند عدم استخدامه، ولا
يوجد مصدر مشع يتطلب حماية إشعاعية مكثفة على الرغم من أن الاستخدام المطول
للأجهزة عالية الطاقة (أعلى من 18 مليون إلكترون فولت) يمكن أن تسبب كمية كبيرة
نسبيا من الأشعة داخل الأجزاء المعدنية، وفي رأس الجهاز، بعد فصل التيار عنه (أي
أن الأجزاء المعدنية صارت مصدرا نشطا للأشعة، ولذلك يجب أخذ الاحتياطات الضرورية).
عيوب المعجلات الخطية
·
محدودية طول
المعجل الخطي؛ طبقا للمكان الذي سيوضع فيه.
·
يتطلب المعجل
الخطي عددا كبيرا من الأجهزة المزودة، ومصادر القدرة الكهربية المصاحبة لها، مما
يعني مزيدا من نفقات التركيب والصيانة لهذا النوع من الأجهزة.
·
إذا صنعت جدران
الفجوات المعجلة من مواد توصيل عادية، وكانت المجالات المعجلة كبيرة، فإن المقاومة
الكهربية للجدران سوف تحول الطاقة الكهربية إلى حرارة بسرعة. وعلى الجانب الآخر،
فإن المواد فائقة التوصيل تمتلك قيودا متعددة، إضافة إلى كونها باهظة التكلفة خاصة
عند بناء المعجلات الخطية الكبيرة جدا.
المصادر
1. F. M. Khan, The Physics of Radiation
Therapy, Chapter 3: Production of X-rays, 4th edition, Lippincott Williams
& Wilkins (2010).
2. J. T. Bushberg, J. A. Seibert, E. M.
Leidholdt and J. M. Boone, TheEssential Physics for Medical Imaging, Chapter 5:
X-ray, Lippincott Williams & Wilkins Division, (2002).
3. IAEA publications, Radiation Oncology
Physics, Chapter 5: Treatment Machines for External Beam Radiotherapy, VIENNA,
(2005) page 128. Or, The original source: H. E. Johns, J. R. Cunningham, The
Physics of Radiobiology, 4th Edition, Chapter 2: The production and Properties
of X-rays, Charles C Thomas Publisher (1983) page 53.
4. D. G. Schulzel and P. M. Bertsch,
Synchrotron X-ray Techniques in Soil, Plant and Environmental Research,
Advances in Agronomy, Vol. 55 (1995) page 5.
5. M. Hoheisel, Review of medical imaging
with emphasis on X-ray detectors, Nuclear Instruments and Methods in Physics
Research A, Vol. 563 (2006) pages 215–224.
6. L. Shekhtman, Novel position-sensitive
gaseous detectors for X-rayimaging, Nuclear Instruments and Methods in Physics
Research A, Vol. 522 (2004) pages 85–92.
7. J. P. Ponpon, Semiconductor detectors
for 2D X-ray imaging, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A,
Vol. 551 (2005) pages 15–26.
تعليقات
إرسال تعليق