Elektrongyorsítók

   Tankönyv Fizikusoknak  »  Képalkotás szerepe a sugárterápiában  »  Teleterápiás besugárzókészülékek  »  Elektrongyorsítók

Elvileg ugyan igen egyszerű az elektronok gyorsítása, a gyakorlati megvalósítás azonban csak a nagyteljesítményű (2 MW-nál nagyobb) nagyfrekvenciás berendezések megjelenésével vált lehetségessé. A második világháború alatt Európában a nagyteljesítményű nagyfrekvenciás oszcillátort, a magnetront fejlesztették ki, Amerikában pedig a nagyfrekvenciás erősítésre alkalmas klisztront találták fel. Mindkettőt katonai titok volt, így a háború befejezéséig az orvosi felhasználás szóba sem jöhetett. Az orvosi gyorsítók a 2,97 GHz frekvencián működnek.
A magnetronban a központi hengeres katódot a vörösrézből készült anódblokk veszi körül úgy, hogy a kettő között hengeres üreg marad. az anódblokkban körkörös elrendezésben alakítják ki a rezonátor üregeket. A magnetront az ábra síkjára merőleges homogén mágneses térbe helyezik. A központi izzókatódból kilépő elektronok az egyenáramú feszültség impulzusok és a mágneses tér hatására bonyolult pályán mozognak az anód felé. Rezonancia esetén nagyteljesítményű nagyfrekvenciás rezgés jön létre, amit megfelelő antennával a hullámvezetőn keresztül a gyorsítócsőbe lehet juttatni. Általában másodpercenként néhány száz, egyenként 2-5 szélességű csomag keletkezik.

Magnetron metszete Klisztron metszete

Lineáris gyorsító blokkvázlata

 
A klisztron nem nagyfrekvenciás generátor, hanem csak a nagyfrekvenciás rezgéseket erősíti. Felépítését tekintve két kamrából (üregrezonátorok) és az azokat összekötő csőből áll. A katód oldalon táplálják be az erősítendő nagyfrekvenciát, aminek hatására az elektronos sebessége úgy modulálódik, hogy az anód oldalra már kompakt csomagokban érkeznek. Az anódoldali rezonátor üregből Az elektronok hatására keletkező és a bemenő oldalival azonos frekvenciájú, nagyteljesítményű teret kicsatolják, az elektronokat pedig az anód nyeli el. Ezzel a rendszerrel akár 5-30 MW teljesítmény érhető el.
A sugárterápiában a kisebb teljesítményt igénylő, csak 6 MV-vel, vagy az alatt működő lineáris gyorsítókban kizárólag magnetront, 15 MV felett pedig majdnem mindig klisztront használnak.
A lineáris gyorsító blokkvázlata gyorsító főbb elemeit mutatja (1. impulzusüzemű tápegység, 2. kontrol konzol, 3. klisztron, 4. hullámvezető, 5. cirkulátor, 6. elektronágyú, 7. gyorsító cső, 8. besugárzó fej az eltérítő mágnessel, 9. vákuum rendszer, 10. AFC (automatic frequency control) rendszer, 11. gáz-rendszer, 12. hűtővíz rendszer). Az elektronágyúból a gyorsítócsőbe az elektronok csomagokban, megfelelő időpontokban kerülnek, itt az elektromágneses tér hatására gyorsulnak. A gyorsítócső mérete jelentősen függ attól, hogy az elektronok gyorsítására milyen módszert alkalmaznak. Az ún. haladó hullámú készülékeken a cső tengelyével párhuzamos elektromos erőtér hatását használják fel. A lassú elektroncsomagok időegység alatt csak rövidebb utat tesznek meg, vagyis az elektronágyúhoz közeli üregek rövidebbek, majd miután az elektronok gyakorlatilag fénysebességre gyorsultak, azonos hosszúságú, hosszabb üregek szükségesek. A gyorsítócső végén az energiát vagy el kell nyeletni, vagy a cső elejére vissza kell csatolni. A rendszer előnye a jól definiált elektron energia. Hátrány a hosszú gyorsítócső, ami miatt bonyolultabb az elektronnyaláb egyben tartása, és csak forgódobos felfüggesztés lehetséges.
A mai lineáris gyorsítók – egyetlen gyártó kivételével - állóhullámú berendezések. Ezeknél a gyorsítócső kb. 1,7-szer rövidebb, mint a haladó hullámú készülékekben. További, igen jelentós méretcsökkentést tett lehetővé, hogy az ún. csatoló üregeket, amelyekben gyorsítás nem történik, a nyalábból „oldalra kitolták”. Ehhez képest már csak kis méretcsökkenést jelentett, hogy az energiát a hullámvezetőn oldalról csatolják. A végeredmény olyan rövid gyorsítócső (az elektronágyúval együtt), hogy 6 MV esetében az izocentrum felé lehet irányítani, és nincs szükség eltérítő mágnesre sem, a 10-25 MV tartományban pedig elfér a C-karban. Hátrány a szélesebb elektronspektrum.
Az elektronnyalábnak (a kilépő ablak után) az izocentrum felé irányítása (amennyiben szükséges) gyakorlatilag kétféle módszerrel történik. A haladóhullámú készülékekben a szükséges több mágnest kihasználva az ún. szlalom technikát használják. Az elektronnyaláb az első két mágnes terében úgy „szlalomozik”, hogy a harmadik, ami alig több, mint 90° (a 90° a széles spektrumot „teríti”, nem fókuszálja!), megfelelően fókuszálva a beteg felé irányítja. Az állóhullámú készülékekhez akromatikus 270°-os mágnest alkalmaznak, ami megfelelő mágneses tér kialakítással a szélesebb spektrumot is fókuszálva az izocentrum felé irányítja.
A nyaláb további sorsa attól függ, hogy mire akarjuk használni. Ha elektron-besugárzást kívánunk végezni, akkor a keskeny nyalábot rendszerint két szóró fóliával „terítjük”, ha fékezési sugárzás szükséges, akkor megfelelő minőségű céltárgyat (pl. wolfram targetet) alkalmazunk. A céltárgy kialakítása olyan, hogy nem a testfelszínen akarunk homogén besugárzást, hanem ezt nagy (40 x 40 cm2) mezőben 10 cm mélyen kívánjuk meg. Így a felületen „over flattening”-et kell létrehozni.
A gyorsítókhoz igen bonyolult retesz rendszer csatlakozik. Ez a közvetlen biztonságtechnikai reteszeken kívül a gyorsító sugárfizikai paraméterinek állandóságát hivatott ellenőrizni. Ezek közül talán legfontosabb az ionizációs kamra rendszer. Ez nemcsak a nyaláb szimmetriáját, homogenitását, dózisteljesítményét ellenőrzi, de a dózis kiszolgáltatását is. A megfelelő mezők kialakítására blende rendszer szolgál.
A mezők alakját abszorbensekkel (pl. blokkok), a dóziseloszlását pedig ékekkel lehet módosítani. Az utóbbiakat újabban szoftverrel, a kollimátor mozgatásával (dinamikus ék) vagy egy 60°-os ékelt és egy nyílt mező kombinálásával érik el. Az alábbi ábra lineáris gyorsítóval egybeépített röntgenberendezést mutat.

Linac + on board imager (OBI) (Varian, Palo Alto, California engedélyével)

 
Jelentős előrelépés a lemezes kollimátor (MLC, multi leaf collimator) megalkotása. Ezzel tetszőleges alakú mezőt lehet kialakítani. Az MLC lehet önálló egység, de lehet az egyik blendepár helyén is alkalmazni. Ma kétféle MLC létezik, az egyik a hagyományos sugárterápiában használatos (52-120 lemezből, nagy mezőkre, 40 cm-ig), a másik pedig a MLC legfeljebb 10 cm-es mezőre, de finom lépésekben (sztereotaktikus besugárzásra). Az MLC a konformális besugárzás és az intenzitás-modulált sugárterápia (IMRT) nélkülözhetetlen eszköze.