Yüksek Frekans Tekniği

Elektronik olarak elde edilebilecek en yüksek frekans, 300 000 000 000 Hz dolayındadır. 

300 milyar Hz  =  300 milyon Khz  = 300 000 Mhz = 300 Ghz 

 

Dalga kılavuzu

İng. wave guide

İçinde çok kısa dalga boylu akımmıknatıssal dalgaları ileten çembersel ya da dikdörtgen kesitli metal boru.

Klystron: boyları 10 cm veya daha kısa olan dalgalara tekabül eden yüksek frekanslı akımlar meydana getirir veya var olan akım düzeyini yükseltir. ismi dalgaların kumsaldaki hareketini ifade etmek için kullanılan klyzein fiilinden türemiştir.


Hız modülasyon lambalarına verilen addır. özellikle radarlarda kullanılırlar.


katot'un yayınladığı elektron demeti, sesin şiddet ve süresini artıran bir rezonans boşluğunda, eş eksenli bir kablonun beslediği bir kuplaj çevriminin yarattığı değişken alanın etkisiyle hızını değiştirir ve yüksek bir ivme kazanır. Anot'un çekişiyle ikinci rezonans boşluğuna girip, eş eksenli bir çıkış kablosuyla biten bir kuplaj çevriminde akım yaratır.

Giriş ve çıkış kabloları arasında bağlantı kurulmasıyla da salınımlar elde edilmiş olur


lineer hızlandırıcılarda kullanılanı elektromanyetik dalga üretmez, üretilen elektromanyetik dalgayı güçlendirmeye yarar. bu cihazlarda elektromanyetik dalgayı ise harici bir osilatör ya da magnetron üretir.


klistron : klystron
Elektrik enerjisini, katotdan anoda doğru akan elektron demetinin hızını modüle ederek yüksek frekanslı elektromanyetik enerjiye dönüştüren elektron tüpü.

Elektronik: klystron
yüksek frekans jeneratörü

Klystron is a Microwave Generator,
1- an electron tube used to amplify microwave-frequency electromagnetic radiation :  klystron


---------------------------------------------------------------------------------

Magnetron:


Çok kısa radyo dalgaları veren bir lamba


ikinci dünya savaşı sırasında radarlarda kullanılmak üzere geliştirilen yüksek enerjili mikrodalga jeneratörleridir. Daha sonra farkliı kullanım alanları bulmuştur.


elektrik enerjisinin mikrodalga enerjisini dönüşmesini sağlar ve 2450 mhz frekansında dalgalar üretir.28 ghz frekans üretenlerde mevcuttur.

60 hz'lik elektrik enerjisini mikrodalgaya dönüştüren vakum tüpüdür.

diğer yürüyen dalga tüpleri ya da klistron doğrusal ışınım yapan tüpler gibi çalışır. Magnetronda, radar cihazına yüksek gönderim gücünü üretmek için birbirine dik (çapraz biçimli) bir elektrik ve kuvvetli bir manyetik alan oluşur. Bu nedenle eski yayınlarda magnetron "çapraz alan üreteci" veya "çapraz alan osilatörü" olarak adlandırılmıştır.


Magnetron i. (fr. magnétron). Çok yüksek frekanslı akımlar doğuran veya yükselten vakumlu tüp; içindeki elektron akışına hem bir elektrik alanıyla, hem de bir magnetik alanla kumanda edilir.

— ansikl. Fizikçi Maurice Ponte tarafından bulunan magnetron’da, elektron yayan bir katot ve onunla eşmerkezli, pozitif potansiyelde tutulan ve elektronları çeken bir anot bulunur. Magnetronun elektrotlarının yerleştirildiği boş kısmın dışında bulunan kuvvetli bir elektromıknatısın magnetik alanı, elektronları yörüngelerinden saptırmağa ve anoda varmadan önce spiral bir yol izlemeğe zorlar. Anodun yapısında bulunan rezonans boşlukları duruma göre ya titreşime yolaçar veya magnetrona uygulanan işaretin titreşimlerini yükseltir. Desimetre seviyesindeki dalgalar için kullanılan ve empülsiyon rejimine göre çalışan magnetron i1e birkaç megawattlık güçler elde edilebilir. Radarın kalbi olan magnetron, Hertz verici rölelerinde de kullanılır. (L)

Elektriksel imleri, telsiz olarak yaymak amacıyla elektromıknatıs ışınımdan yararlanma.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
Gyrotron: Elektromanyetik dalga üreteci
 


Magnetron ve Mikrodalga Salınımı


Magnetron mikrodalga üretimi için kullanılan bir çeşit osilatördür.  Mikrodalga üretimi günlük hayatta radarlar ve mikrodalga ısıtıcılarında kullanılıyor.  Magnetronun temel prensibi elektromanyetik dalga teoreminin yasalarına dayanıyor.

1-) Düzgün hızla hareket eden bir elektron etrafında düzgün bir manyetik alan oluşur.

2-) Düzgün bir manyetik alan içerisinde hareket eden bir elektron üzerine manyetik alana ve elektron hareketine dik olacak şekilde bir kuvvet etki eder.

3-) Düzgün bir elektrik alan içerisindeki bir elektrona elektrik alana paralel olarak bir kuvvet etki eder.

Magnetron bir anot olarak adlandırılan büyük bir bakır bloktan meydana gelir. Anot bloğunun orta deliğinde ısıtıcı flaman iletkenleri ile taşınan bir silindirik katot yer alır. Bu katot, yüksek salım (emisyon) yeteneği olan dolaylı olarak ısıtılan bir oksit katottur.  Anot bloğu çevresinde frekansı tayin edici 8 ila 20 adet kadar kovuk çınlayıcısı (cavity resonator) yer alır ve bunlar bir kapalı gecikme hattı gibi çalışır. Bu resonatörlerde anot ile katot arasında bağlantıyı sağlayan küçük bir yarık vardır.

Bir vakum tüpünün içindeki bir oksit katot, yüzeyindeki metalden tüpteki boşluğa doğru elektron saçan bir elektrot tur.  Katot ısıtıldığında metal katot üzerindeki termal titreşimler artar. Bu titreşimler elektronları yüzeyden boşluğa doğru iter. 

 

  Katot’un  metal yüzeyinden boşluğa doğru saçılan elektronlar, katot tüpün etrafında elektron bulutları oluşturlar.  Bu elektron bulutları kümeler halinde magnetronun altına ve üstüne yerleştirilen mıknatısların manyetik alanlarının etkisi ile tüpün içerisinde dönmeye başlar.

Advertısement

  Şekilde kırmızı renkli olarak gösterilen ve dönen mikser bıçağına benzeyen şey, dönen elektron bulutlarıdır.  Değişik elektron gruplarının farklı hızlara sahip olmaları nedeniyle, elektronlar dönüşleri sırasında çalışma zamanı etkileri ortaya çıkar. Daha hızlı elektronlar daha yavaş elektronları yakalar ve elektronların kümelenmeleri sonucu „jant telli bisiklet tekerinin dönmesi” sırasında meydana gelen bir görüntüye benzer bir çark görüntüsü ortaya çıkar. Bu görüntüye İngilizce de „Space-Charge-Wheel” denilmektedir. Bu çark AC alanın her bir çevrimi için 2 kutupluk açısal bir hızda dönmektedir. Bu faz ilişkisi elektron kümelerinin enerjilerini sürekli aktararak yüksek frekanslı salınımın sürmesini sağlar. Resim 8 da betimlenen an, bu çarkın anot DC gerilimi bindirilmiş (superimposed) yüksek frekanslı dönen alanının biraz negatif yüklü iken olan ki halidir.

,,

  Tüp içerisinde dönen yoğun elektron bulutları resonatörlerin yarıklı olması sebebi ile resonatörün kapasitif davranmasına sebep olur.  Bu kapasitif etki, geciktirme hatları(Kovuklar) üzerinde bir dönen manyetik alan oluşturur. Manyetik alan, resonatörlerin iç bölümlerinde etkili olduğundan, sadece resonatör yarığında yoğunlaşan elektrik alanı etkileşim hacminde etkin olur ve elektronların hareketlerini etkiler.

 Sonuç olarak katottan boşluğa yayılan elektronlar manyetik alanla hızlandırılmış ve bu hızlandırılan elektron bulutları, etrafına yerleştirilen kovuklar üzerinde kapasitif etki yaratarak yine resonatörler üzerinde değişken bir akım meydana getirmişlerdir.   Bu çok küçük değişken akım yani elektron hareketi, bir elektromanyetik dalga ışımasına sebep olur.   Elektronlar ne kadar çok hızlandırılabilirse salınım yapılacak olan elektromanyetik dalga frekansı o kadar artar. 

  Yüksek frekanslı enerji magnetrondan bir halka vasıtasıyla sağılır. 10 GHz altında ki frekanslarda bu halka bir eşeksenel (koaksiyel) kablonun ortasında ki iletken bükülerek ve ardından dış iletkene lehimlenerek yapılır. Bu şekilde oluşturulan halka (Resim 11, Görüntü A) kovuğun içine yerleştirilir. Daha yüksek frekanslarda ise (Görüntü B) bu halka çınlayıcının dışına doğru alındığında daha verimli olmaktadır.





REZONATÖR NEDİR?

Belli bir frekansta titreşen ya da rezonans yapan, dolayısıyla belirli frekanslardaki dalgaları iletmeye ya da güçlendirmeye yarayan mekanik veya elektriksel aygıttır.

Boşluk rezonatörü

Boşluk rezonatörleri kapalı metal kutulardır.
Kutular elektromanyetik enerjiyi sınırlar. Böylece ışıma ve yüksek direnç etkileri yok olur ve çok yüksek kalite faktörü elde edilir.

Kalite faktörü (Q): Fiziğin çeşitli dallarında osilasyon yapan sistemlerde osilasyonun verimini belirtmek için kullanılan terimdir.

Mikrodalga frekanslarında R,L ve C gibi toplu devre elemanları yapmak zordur. Geleneksel tel devreler hem ışımadan kaynaklanan hem de deri etkisinden dolayı yüksek dirençlere sahip olurlar. UHF ve daha yüksek frekanslarda bir rezonans devresi yapmak için iletken duvarlarla bir boşluk kullanılabilir. Böyle ekranlanmış bir boşluk elektromanyetik alanları içeriye hapseder ve akım akışı için büyük alanlar sağlar. Böylece ışıma ve yüksek direnç durumları yok olur. Bu yapıların doğal rezonans frekansları ve çok yüksek Q ları vardır. Bu yapılar boşluk rezonatörleridir.

Dalga kılavuzu içi boş olduğu için, aynı zamanda bir boşluk rezonansı olarak kabul edilebilir.

Rezonans boşlukları çok yüksek Q değerlerine sahiptir.30,000 aşan bir Q değerine sahip olan boşluklar vardır.Yüksek Q, bu cihazları dar bir bant geçirici özellik verir ve bu sayede çok doğru ayarlama sağlar. Basit ve sağlam yapısı ek bir avantajdır.

Farklı frekans aralıkları ve uygulamalar için tasarlanan boşluk rezonatörleri, çeşitli şekillerde olmasına rağmen, çalışma temel ilkeleri herkes için aynıdır.

Dikdörtgen boşluk rezonatörleri

Her iki ucu iletken duvarla kaplı bir dikdörtgen dalga klavuzu düşünelim. Boşluğun iç boyutları şekilde gösterildiği gibi a,b ve d dir.

Bir dikdörtgen dalga klavuzunda hem TE hem TM modları var olabildiğinden bir dikdörtgen rezonatörde de bu modların var olması beklenir. Ancak bir rezonatörde TE ve TM modları gösterimi tek değildir çünkü x,y ve z yönü yayılma yönü olarak seçilebilir. Bir başka deyişle tek boylam yönü yoktur. Örneğin z eksenine göre bir TE modu, y eksenine göre bir TM modu olabilir.

Z ekseninin referans yönü olarak seçildiği var sayılırsa;
Gerçekte z=0 ve z=d deki iletken sını duvarları çoklu yansımalara neden olur ve duran dalgalar oluşur. Bir sınırlı boşlukta yayılan bir dalga yoktur. Bir boşluk rezonatöründeki TM veya TE duran dalgalarını göstermek için üç sembollü alt indise(mnp) ihtiyaç vardır.

Bir boşluk rezonatörü küçük bir probla veya döngüyle beslenebilir.

Bir boşluk rezonatörünün kalite faktörü

Bir boşluk rezonatörü herhangi bir mad varolduğunda elekrtrik ve manyetik alanlarlada enerji depolar. Boşluk rezonatöründe duvarların öz iletkenliği sonludur ve sonuçtaki güç kaybı depolanan enerjinin azalmasına neden olur. Bir rezonatörün kalite faktörü bant genişliğinin bir ifadesidir aşağıdaki şekilde ifade edilebilir .

Lineer hızlandırıcılar (linear accelerator - linac) yüksek enerjili X-ışını ve elektron üreten bilgisayar kontrollü cihazlardır. X-ışın tüpünde olduğu gibi yüksek gerilim altında metal hedeften koparılan elektronlar, daha yüksek kinetik enerjiye sahip olabilmek için elektromanyetik alan içerisinde hızlanırlar. Yüksek enerjili elektron demetinin kendisi yüzeysel tümörlerin tedavisi için kullanılabilirken, bir hedefe çarptırılmaları sonucu elde edilen yüksek enerjili X-ışınları, derin yerleşimli tümörlerin tedavisinde de kullanılabilmektedir. Bu şekilde 4 ile 25 MeV enerjisindeki elektronlar ve hedefe çarptırılmaları ile 4-25 MV enerjisinde X ışınları meydana gelir.


Çalışma prensibi basitçe şu şekilde özetlenebilir: Modülatör olarak adlandırılan birim, bir doğru akım (DC) güç kaynağı tarafından beslenir ve yüksek voltaj sinyalleri oluşturur. Sinyaller eş zamanlı olarak elektron tabancasına da verilir. Magnetron veya klystron denilen dalga üreticileri tarafından oluşturulan mikrodalgalar, hızlandırıcı tüp içine gönderilir. Her sinyal içerisindeki mikrodalgaların frekansı 3000 MHz’ dir ve elektron tabancası ile üretilen elektronlar da hızlandırıcı içerisine enjekte edilir. Elektronlar, yaklaşık 50 keV’lik enerjiyle hızlandırıcı yapı içine enjekte edildiklerinde mikrodalgaların elektromanyetik alanlarıyla etkilenirler. Elektronlar, tıpkı bir sörfçüye benzer hızlanma işlemiyle sinüzoidal elektrik alanından enerji kazanırlar. Yüksek enerji elektronları, hızlandırıcı yapının çıkış penceresinden çıktıklarında yaklaşık 3 mm çaplı bir kalem ışın şeklindedirler. Rölatif olarak kısa hızlandırıcı tüpe sahip düşük enerjili lineer hızlandırıcılarda (6 MV ve daha düşük) elektronların, x ışın üretimi için düz olarak ilerlemesi sağlanır. Yüksek enerjili lineer hızlandırıcılarda ise hızlandırıcı yapı çok uzundur ve yatay bir şekilde veya yatay bir açıyla yerleştirilmiştir.

Elektronlar hızlandırıcı yapı ve hedef arasında (genellikle 90° ve 270°) uygun bir açı boyunca eğilirler. Elektron demetinin tam eğimi, saptırıcı mıknatıslar, odaklama bobinleri ve diğer bileşimlerin bir araya gelmesi ışın taşıma sistemi tarafından gerçekleştirilir. İstenilen ışının oluşturulması ve dışarıya ulaştırılması aşamasında magnetron, klystron, tedavi başlığı, hedef düzleştirici filtre, ışın kolimasyonu ve denetimini sağlayan bölümler önem arz etmektedir. Işının en son dışarıya çıktığı kısım olan gantri lineer hızlandırıcıların radyasyon kaynağını düşey bir eksende döndürme avantajını sağlayan parçasıdır. Gantri dönerken kolimatör ekseni ışın merkezi ekseniyle uyuşacak şekilde dikey eksende hareket eder. Kolimatör ekseniyle gantri ekseninin kesişim noktası eşmerkez olarak adlandırılır ve tedavi için çok önemli bir anlam ifade eder.


Radyasyon onkolojisinde, yüksek enerjili foton ışınlarına sahip lineer hızlandırıcılar yaygın olarak kullanılmaktadır. Teknolojik gelişmeler doğrultusunda, kullanılmakta olan lineer hızlandırıcıların kolimatör tasarımları da değişmiştir. Lineer hızlandırıcıların kolimatör tasarımlarındaki farklılık, alan kenarındaki ve alan dışındaki dozlarla doğrudan ilgilidir. Ortogonal bitişik alanların kullanıldığı radyoterapi tekniklerinde kolimatör tasarımları daha da önem taşımaktadır. Bu çalışmada, radyasyon onkolojisinde kullanılmakta olan lineer hızlandırıcıların kolimatör tasarımları ve bu tasarımların birbirlerine üstünlükleri mevcut literatür incelenerek araştırılmıştır. Bu çalışmanın sonunda, lineer hızlandırıcıların kolimatör tasarımındaki farklılıkların, alan kenarındaki doz dağılımının önemli olduğu klinik uygulamalarda etkili olduğu görülmüş ve detaylı olarak tartışılmıştır.


Medikal Lineer Hızlandırıcılar
Radyoterapinin esasını X-ışınları ile yapılan tedavi teşkil etmektedir. Konvansiyonel enerji seviyesinde elde edilen X-ışınlarının giricilik kabiliyeti düşük olduğundan, derine yerleşmiş tümörlerin tedavisinde, tümörün üst kısmında bulunan sağlam dokular fazla miktarda doz almakta ve bilhassa cilt reaksiyonları fazla olmaktaydı. Kemik dokusu ile yumuşak doku arasındaki büyük soğurma farkları konvansiyonel X-ışınları ile yapılan tedavide bir sakınca teşkil etmekteydi. Bu sebepten, kemik ve diğer dokularda aynı soğurmayı verecek X-ışını cihazları üzerinde yoğun çalışmalar yapıldı. Yüksek enerjili X-ışını demetlerinin konvansiyonel tipte çalışan cihazlar ile elde edilemeyeceği anlaşıldığından, yüklü parçacıklar hızlandırılarak başka sistemler üzerinde araştırmalar yapıldı. Bu amaçlı ilk lineer hızlandırıcı, 1928 yılında İsveçli fizikçi Wideröe tarafından yapıldı. 1930'lu yılların sonunda yüksek frekanslı, çok kısa dalga boylu osilatörler geliştirilerek lineer hızlandırıcılarda, elektron hızlandırılmasında kullanıldı. Böylece değişik enerjilerde hem X-ışını hem de elektron demetleri veren cihazlar yapıldı. Bu cihazlar, mikrodalga frekansında duran ya da ilerleyen elektromanyetik dalgalarla çalışmaktadır. İlerleyen dalgalarla çalışan cihazlarda hızlandırıcı tüpün ucunda, gelen dalganın yansımasını önleyen soğurucu bir sistem vardır. Duran dalgalarla çalışan cihazlarda ise hızlandırıcı tüpün her iki ucunda en fazla yansımayı sağlayacak, böylece yansıyan dalgaların gelen dalgalarla girişime uğramasıyla duran dalgaların oluşturulduğu sistemler vardır. Günümüzdeki medikal lineer hızlandırıcıların da esasını oluşturan ilk mikrodalgalı hızlandırıcılar, 1948'de İngiltere ve 1955'de Amerika'da kurulmuştur.1

Lineer hızlandırıcılar röntgen tüplerinin çalışma prensipleri ile çalışırlar. Ancak, normal X-ışın tüplerinde elektronlar 400 kV'dan fazla hızlandırılamazlar. Anot ile katot arasındaki mesafe, lineer hızlandırıcılarda daha uzundur. Megavoltaj X-ışınları, katottan fırlatılan elektronların, megavoltaj elektrik potansiyel farkı ve mikrodalgalar sayesinde hızları ışık hızına yaklaştırılarak anoda çarptırılması sonucu elde edilir.

Lineer hızlandırıcılarda, radyoaktif kobalt ünitelerinden daha yüksek enerjili ışınlar, daha keskin ve daha geniş alanlar elde etmek mümkündür. Ayrıca cilt koruyucu özellikleri, Cobalt teleterapi cihazlarının yaydığı gama ışınlarından daha fazladır. Lineer hızlandırıcıların bu avantajları olmasına rağmen, maliyetleri yüksek ve bakımları oldukça güçtür. Modern medikal lineer hızlandırıcıya ait blok şema, Şekil 1'de verilmiştir.



Çalışma prensipleri basitçe şöyledir: Güç kaynağı, merkezinde katot, çevresinde anot bulunan silindirik yapılı, impuls (atma) oluşturan şebeke ağı ve hidrojen thyratron lambalarını içeren modülatöre doğru akım verir. Elektrik akımı modülatörde depolanır ve bir kontrol sistemi, bu akımla belli aralıklarla titreşim oluşturur (mikrodalga). Modülatörden çıkan yüksek voltajlı atmalar magnetron veya klystron tüplerine ve aynı zamanda elektron tabancasına iletilir. Magnetron, elektromanyetik mikro dalgalar üreten, klystron ise elektromanyetik dalgayı güçlendiren düzeneklerdir. 15 MeV'den daha büyük elektronlar için klystron kullanılır. Hızlandırıcı (dalga klavuzu = waveguide), silindirik tüpten oluşmuş yaklaşık 10 cm çapındadır. ¼ dalga boyu aralıklarla metalik disk veya diagramdan oluşan seri bakır odacıklardan ibarettir. Bu tüpe yüksek derecede vakum uygulanır.

Elektron tabancasından elde edilen elektronlar 50 keV'luk enerji ile (ışık hızının beşte ikisi kadar) hızlandırıcı bakır tüpün içine gönderilir. Magnetron veya klystrondan çıkan elektromanyetik dalgalar hızlandırıcı tüpe gelir. Böylece, yaklaşık 10 cm çaplı odacıklarda 3000 MHz frekansında titreşimler oluşturulur. Odacıkta oluşan bu yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar, odacığın ortasındaki kanala iletilir. Bu arada elektron tabancasından elde edilen elektronlar, 50 keV ile hızlandırıcı bakır tüpe girer, elektromanyetik dalgalara bindirilir ve odacıktan odacığa bu kanal boyunca doğrusal olarak hızlanarak ilerler. Bir elektrodun (odacık) içine girmekte olan bir parçacık, AC geriliminin periyodunun yarısına eşit bir zaman için, alan olmayan bir bölgeye sürüklenir. Bu yolla gerilim kutuplanması, parçacığın sürüklenme tüpü içinde geçirdiği süre içinde tersine çevrilir ve daha sonra parçacık, bir sonraki boşluğu geçerken hızlandırılır. Son odacıktan çıktığında elektronların hızları her odacıkta aldıkları hızların toplamına eşit olur. Bu işleme lineer hızlandırma denir.

Yüksek enerjiler ve yüksek akımlar için bir ilerleyen dalga kullanmak daha verimlidir. Bu ilerleyen dalganın tepe noktasında, parçacıkların hızlandırıcının boyunu, sanki bir sörf tahtası ile okyanus dalgasının tepesinde gezinirmiş gibi katettiklerini hayal edebiliriz. Dirençsel kayıplar yüksek olduğundan, bu ilerleyen dalgayı sürdürmek için, hızlandırıcı boyunca düzenli aralıklarla güç verilmelidir. Bu nedenden ötürü hızlandırıcılar, sürekli bir demet yerine pulslu bir modla çalıştırılırlar. Pulslu moda güç, sadece zamanın küçük bir kesri içinde sağlanmalıdır.

Lineer hızlandırma odalarına iletilen titreşimlerin hepsinin aynı frekansta olmasını sağlamak, frekans düzenleyicisi ve lineer hızlandırıcı tüpünde oluşabilecek iyonları tutarak daha önce oluşturulan vakumu sağlamak için vakum pompası kullanılır. Elektronları bir demet halinde toplamak ve bu halde hedefe göndermek için manyetik odaklayıcılar kullanılır. Yüksek enerjili elektronlar, hızlandırıcının çıkış penceresinden, en yüksek enerjilerini kazanarak, 3 mm çapında pencil beam olarak çıkarlar. Enerjileri yaklaşık 5 MV/metre'dir. Daha yüksek enerjili ışınlar elde etmek için, bu huzme, tüp ile hedef arasındaki yönlendirici mıknatıs (bending) ile 900 veya 2700 saptırılarak elektron demetinin çıkacağı kafa kısmına yönlendirilir. Buradan da hedefe (target) veya yapının dışına verilir.

Elektron demetleri enerjilerine göre yüzeysel, orta ve derin tedavide kullanılırken, X-ışını demetleri ise derine yerleşmiş tümörlerin tedavisinde kullanılmaktadır. Lineer hızlandırıcılarda çıkan ışınların odak noktası çok küçüktür (2-3 mm). Bu nedenle radyasyon demetinin sınırları keskindir.

Elektronlar, tungsten gibi yüksek atomik sayılı bir metalden oluşmuş targete çarptırılarak frenleme X-ışını elde edilir. Bu fotonun yayılım yönü gelen elektronun enerjisine bağlıdır. Gelen elektronun kinetik enerjisi 100 keV'den az ise, X-ışının yayılımı tüm doğrultularda az veya çok eşittir. Elektronun enerjisi arttıkça, ileri doğrultuda X-ışını yayılımı artar. MV mertebesindeki X-ışını tüplerinde kullanılan geçirgen tip yüksek atom numaralı hedeflerin bir yüzüne elektronlar gelirken, diğer yüzünde X-ışınları oluşur. Gelen elektronun soğurulması için hedef yeterli kalınlıkta olmalıdır. Lineer hızlandırıcılarda X ışınları demeti heterojen dağılıma sahiptir.

Bir lineer hızlandırıcının kafa kısmı şu bölümlerden oluşur:

• X-ışın üretimi halinde, elektron hüzmesinin çarptırıldığı tungsten target; bütün elektronlar targette durdurularak frenlenme X ışınlarını oluştururlar.
• Işın huzmesinin çapını tayin eden dairesel ilk kolimatör.
• X-ışınlarını homojen hale getiren koni şeklindeki “egalizatör” denilen filtre.
• Elektron demetini homojen hale getiren (elektron ışınlaması halinde, yani tungsten hedefin kullanılmadığı durumlarda devreye girer) manyetik alan oluşturan difüzör veya “elektron süpürgesi”; bu, elektronların homojen şekilde dağılmasını sağlar.
• Verilen dozun iki ayrı iyon odasında ölçülerek ışın demetinin şiddetini ve simetrik olup olmadığının kontrolünü sağlamak için iki ayrı iyonizasyon odası.
• Tedavi sahalarının tayini için hareketli çenelerden yapılmış olan ikincil kolimatör bulunmaktadır.

Kafa Kısmı (Gantry)
Lineer hızlandırıcılar, radyasyon kaynağının yatay eksen üzerinde döndürebilecek şekilde tasarlanır. Gantry yatay bir eksen etrafında dönerken kolimatör de alanın merkezinden geçen dik eksen etrafında döner. Gantry’nin dönme ekseni ile kolimatörün dönme eksenlerinin kesiştiği noktaya izomerkez (isocenter) denir.

Lineer hızlandırıcıda target malzemesi suyla soğutulur. X-ışınlarının en yüksek enerjisi gelen elektronun enerjisine eşittir. Elektron modunda, kalem genişliğindeki elektron ışını, tedavi alanı boyunca aynı (uniform) elektron akısı sağlamak için saçıcı tabaka- (scattering foil) düzenleyici filtre ile genişletilir. Saçıcı tabaka ince bir metalden yapılmıştır ve genelde bu metal kurşundur. Bu tabaka kalınlığı önemlidir. Saçılma sırasında frenlenme ışınları çıkar. Elektron demetinde bu ışınlardan kaynaklanan X-ışını bulaşıklığı %5’den azdır. Bulaşmayı azaltmak amacıyla tabaka yeterince ince olmalıdır. Yine bu modda elektronların havada saçılmasından dolayı ikinci kez bir kolimasyona gereksinim duyulur. X-ışını modunda yüksek enerjili elektronlar sırası ile önce hedefe, saçıcı tabakaya, düzeltici filtreye (flattening filter) iyon odalarına, gerektiğinde wedge filtreden (motorize) ve hareketli kollimatör sisteminden geçerler.

Gantry, kurşun tungsten veya kurşun tungsten alaşımı olan yüksek yoğunluklu koruyucu mataryel içerir. Radyasyon sızıntısına karşı yeterli derecede kalkan görevi görür. X-ışınları hedefi, saçıcı foil, düzleştirici filtre, iyon odası, sabit ve hareketli kolimatör ve ışık sistemini kapsar. Elektronların hedefe çarpması sonucu bir kısım enerjileri X-ışınına dönüşürken geri kalanı ısı olarak açığa çıkar. Demeti homojen hale getiren düzenleyici filtre; kurşun, tungsten, uranyum, çelik, alüminyum veya bunların birleşiminden oluşur. Hareketli kolimatör kurşun veya tungstenden yapılmış olup kaynaktan 100 cm uzaklıkta 40 x 40cm2 kadar (simetrik ve asimetrik) açılarak tedavi alanını belirler. Işık lokalize sistemi ışık kaynağı tedavi alanının boyutunu saptamak için kullanılır. Işık alanı ile radyasyonun hedef alanı birbiri üzerine düşürülür. Elektronlar için değişebilir kolimatör veya aplikatörler kullanılır.

Düzeltici filtre simetrik alanlar için yapılmış olup, asimetrik alanlarda kullanıldığında, temel dozimetrik parametrelerde değişiklikler olabilir.

Işın, birincil kolimatör ile şekillendirilip, doz ölçüm birimine (ion chamber) gelir. İyon odası ile doz, doz hızı, düzgünlük ve simetri gibi fiziksel parametreler ölçülür. İkincil kolimatörde bulunan hareketli X ve Y çeneleri ile de tedavi alanları oluşturulur. Şekil 2’de farklı hızlandırıcılar için kolimatör yapıları verilmiştir.



 

 

 

 

 

The Cyclotron


A cyclotron can accelerate charged particles to very high speeds. Both electric and magnetic forces have a key role. The energetic particles produced are used to bombard atomic nuclei and thereby produce nuclear reactions of interest to researchers. A number of hospitals use cyclotron facilities to produce radioactive substances for diagnosis and treatment.

A schematic drawing of a cyclotron is shown in Figure 29.26. The charges move inside two semicircular containers D1 and D2, referred to as dees. A high frequency alternating potential difference is applied to the dees, and a uniform magnetic field is directed perpendicular to them. A positive ion released at P near the center of the magnet in one dee moves in a semicircular path (indicated by the dashed red line in the drawing) and arrives back at the gap in a time T/2, where T is the time needed to make one complete trip around the two dees, given by Equation 29.15. The frequency of the applied potential difference is adjusted so that the polarity of the dees is reversed in the same time it takes the ion to travel around one dee. If the applied potential difference is adjusted such that D2 is at a lower electric potential than D1 by an amount ΔV, the ion accelerates across the gap to D2 and its kinetic energy increases by an amount qΔV. It then moves around D2 in a semicircular path of greater radius (because its speed has increased). After a time T/2, it again arrives at the gap between the dees. By this time, the polarity across the dees is again reversed, and the ion is given another “kick” across the gap. The motion continues so that for each half-circle trip around one dee, the ion gains additional kinetic energy equal to q ΔV. When the radius of its path is nearly that of the dees, the energetic ion leaves the system through the exit slit. It is important to note that the operation of the cyclotron is based on the fact that T is independent of the speed of the ion and of the radius of the circular path.

We can obtain an expression for the kinetic energy of the ion when it exits the cyclotron in terms of the radius R of the dees. From Equation 29.13 we know that ν = qBR/m. Hence, the kinetic energy is When the energy of the ions in a cyclotron exceeds about 20 MeV, relativistic effects come into play. We observe that T increases and that the moving ions do not remain in phase with the applied potential difference. Some accelerators overcome this problem by modifying the period of the applied potential difference so that it remains in phase with the moving ions.