تراشه شتاب دهنده ای که می تواند دنیای پزشکی را متحول کند

عبارات مهم : انرژی

به گزارش ایسنا و به نقل از انگجت، آزمایشگاه ملی شتاب دهنده در استنفورد(SLAC) جهت نخستین بار در سال ۱۹۶۶ تاسیس شد. در حال حاضر، حائز طولانی ترین شتاب دهنده خطی در جهان؛ یک شگفتی ۳٫۲ کیلومتری ۲۵ متر زیر تپه های کالیفرنیای شمالی است.

تراشه شتاب‌دهنده‌ای که می‌تواند دنیای پزشکی را متحول کند

امروزه این آزمایشگاه، همراه با یک کنسرسیوم بین المللی شرکت های تحقیقاتی، در حال تلاش جهت ایجاد نوع جدیدی از شتاب دهنده است که به اندازه کافی کوچک است که در جعبه کفش جا گیرد ولی دارای پتانسیل علمی زیادی است.

شتاب دهنده کامل این آزمایشگاه که “LINAC” نامیده شده، بر پایه “klystrons” که لوله های خلاء خاص ای هستند که به عنوان تقویت کننده های فرکانس رادیویی عمل می کنند و جهت تولید پرتوهای الکترون پرانرژی در آزمایشات این مرکز استفاده می شوند، متکی است.

برخی کشف‌های بزرگ دانشمندان گاهی در تراشه‌های کوچک عرضه می‌شود. اکنون تراشه شتاب‌دهنده ابداعی دانشمندان دانشگاه استنفورد می‌تواند موجب پدید آمدن یک انقلاب در عر

آنها همچنین مجموعه ای از تشعشع را تولید می کنند، به همین علت است که پرتودهی در دو طبقه زیر زمین در یک پناهگاه بتنی انجام می شود.

الکترونها در انتهای خط تولید می شوند و بعد از آن در حالی که دو مایل(بیش از سه کیلومتر) در عمق زمین سفر می کنند، به سرعت ۹۹٫۹۹۹۹۹ درصدی سرعت نور می رسند.

آنها همچنین تا ۱۵ گیگاالکترون ولت(GeV) انرژی اضافی دریافت می کنند. هنگامیکه این ذرات زیراتمی به اهداف خود می رسند که اهداف در این مورد یا ماده نمونه یا پوزیترون هست، واقعا انرژی زیادی دارند.

تراشه شتاب‌دهنده‌ای که می‌تواند دنیای پزشکی را متحول کند

در فیزیک به ذرات کوچکتر از اتم ذره زیراتمی گفته می شود. این ذرات به دو دسته ذرات بنیادی و ذرات ترکیبی تقسیم می شوند. فیزیک ذرات و فیزیک هسته ای بخشی از فیزیک هستند که به مطالعه این ذرات می پردازند.

معروف ترین ذرات زیراتمی الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها هستند. الکترون ذره بنیادی و غیرقابل تقسیم است و پروتون و نوترون ذرات ترکیبی هستند که از سه کوارک تشکیل شده است اند.

برخی کشف‌های بزرگ دانشمندان گاهی در تراشه‌های کوچک عرضه می‌شود. اکنون تراشه شتاب‌دهنده ابداعی دانشمندان دانشگاه استنفورد می‌تواند موجب پدید آمدن یک انقلاب در عر

کوارک (Quark) یک ذره بنیادی و یکی از اجزای پایه ای تشکیل دهنده ماده هست. کوارک ها با هم ترکیب می شوند تا ذرات مرکبی به نام هادرون را پدیدآورند که پایدارترین آن ها پروتون و نوترون، اجزای تشکیل دهنده هسته اتم هستند.

پوزیترون نیز ذره ای هم جرم الکترون ولی با بار مثبت است.

تراشه شتاب‌دهنده‌ای که می‌تواند دنیای پزشکی را متحول کند

مشکلات این پروژه، هزینه و دسترسی آن هست. در این سیاره فقط تعداد انگشت شماری از این آزمایشگاه ها وجود دارد، لیکن هزینه ساخت، نگهداری و کار آنها بسیار اوج است.

به همین ترتیب، تهیه ماشین آلات جهت شروع و تکمیل آزمایشات وقت بسیار زیادی را می گیرد. امروز “linac” به طور میانگین ۲۴ ساعت در روز و پنج روز در هفته در حال فعالیت هست. دو روز تعطیلی نیز جهت خدمات نگهداری در نظر گرفته شده است است.

خدمات SLAC چنان تقاضای بالایی دارد که از هر شش درخواست، آزمایشگاه تنها یک مورد را می پذیرد و کسانی که قصد دریافت خدمات و انجام آزمایش دارند با یک برنامه فشرده و سخت گیرانه مواجه می شوند.

چه می شد اگر به جای اینکه چند شتاب دهنده خطی در سراسر این سیاره وجود داشت، جامعه علمی می توانست این دستگاه ها را به اندازه یک میدان فوتبال کوچک کند؟ این امر آنها را قادر می ساخت تا در زیرزمین اکثر دانشگاه ها و بیمارستان های تحقیقاتی راه اندازی شوند و به میزان قابل ملاحظه ای به در دسترس بودن آنها افزوده شود.

در سال ۲۰۱۵ و به لطف کمک ۱۳٫۵ میلیون دلاری از بنیاد “گوردون و بتی مور”، استنفورد و SLAC شروع به کار بر روی فشرده سازی و کوچک کردن یک شتاب دهنده ذرات از مقیاس مایل به متر کردند. آنها آن را “شتاب دهنده در تراشه” (ACHIP) نامیده اند.

جوئل انگلند، فیزیکدان SLAC، پژوهشگر این پروژه پنج ساله، در بیانیه ای در سال ۲۰۱۳ گفت: آیا می توان به ساخت شتاب دهنده های ذره ای همانطور که در میکروتراشه های کامپیوتری اتفاق افتاد، امیدوار بود؟ ساختن آنها به صورت بسیار کوچک تر و ارزان تر می تواند شتاب دهنده ها را عمومی کند و به طور بالقوه آنها را جهت میلیون ها نفر در دسترس قرار دهد. ما حتی نمی توانیم برنامه های خلاقانه ای که در پی این تکنولوژی پدید می آید را تصور کنیم.

این دستگاه به همان شیوه خطی کار می کند ولی به جای شلیک الکترون ها از لوله خلاء مسی و فشار آوردن به آنها به وسیله امواج مایکروویو، الکترون ها از طریق یک تراشه سیلیکا دقیق طراحی شده است که کوچکتر از یک دانه برنج هست، پرتاب می شوند و با پرتوهای لیزر برانگیخته می شوند.

این یک فرآیند دو مرحله ای هست. اولا، با استفاده از یک شتاب دهنده معمولی، الکترون ها تقریبا به سرعت نور می رسند. سپس آنها را از طریق یک کانال با ارتفاع نیم میکرون که روی یک تراشه سیلیکا با طول نیم میلی متر سوار شده، تحت تأثیر قرار می دهد. این کانال، دارای یک سری برآمدگی و حفره است که در آن تراشیده و ایجاد شده است است.

با عوض کردن عرض این شیارها با توجه به طول موج لیزر، محققان می توانند از گذر الکترون های عبوری، انرژی خالص تولید کنند.

بدون این شیارها، به محض اینکه الکترون ها به کانال برخورد می کردند، به آسانی به عقب و جلو حرکت می کردند و موجب حرکت موج های لیزر به صورت حرکت سینوسی، مانند قایق روی موج دریا می شدند. در این صورت محققان به هدفشان نمی رسیدند.

انرژی سطح شیب دار تراشه شتاب دهنده که میزان انرژی افزوده شده است به الکترون در فاصله طی شده است خاصی را اندازه گیری می کند، ۷۰۰ مگاولت بر متر (MeV / m) است که ۱۰ برابر زیاد از توان تولید انرژی “linac” است.

ما می توانیم الکترون ها را به سرعت فوق العاده اوج برسانیم و به آنها انرژی بیشتری بدهیم تا انرژی فوق العاده بیشتری تولید کنیم.

خارج از تحقیقات فیزیک بنیادی که می تواند انجام شود، می توان از آنها به عنوان ژنراتورهای اشعه ایکس جهت مواد، زیست شناسی، زمینه های شیمی استفاده کرد، ضمن این که کاربردهای پزشکی آن نیز بسیار زیاد است.

جوئل انگلند، پژوهشگر سرپرست SLAC جهت این برنامه گفت: یکی از رویاها ساخت فیلم های مولکولی یا چیزی که بتوان وقت تکامل مولکول را در وقت های متفاوت بدست آورید و این کار را در مقیاس زمانی بسیار کوتاه انجام دهید. بنابراین شما می توانید ببینید که چگونه مولکول ها در هنگام تصویر العمل یا ترکیب با مولکول های دیگر عوض کردن می کنند.

یا به عنوان نمونه در سرطان اطفال و بزرگسالان که پرتودرمانی برایشان تجویز می شود، آنها مجبورند تا ۳۰ دقیقه در روز، چندین روز در هفته و هفته ها در معرض تابش تجهیزات پزشکی صنعتی با انرژی بالای ذرات قرار می گیرند. این روند حتی جهت فرزند ها بدتر هست، آیا که باید جهت هر جلسه بیهوش شوند.

از سوی دیگر با یک شتاب دهنده ذرات، می توانیم یک دستگاه ارزان قیمت که با منبع قدرت لیزر فیبری جفت شده است است را جایگزین دستگاه پرتودرمانی ۴۵ تنی و چندین میلیون دلاری کنیم که می تواند تومور را سریع تر و بدون نیاز به بیهوشی از بین ببرد.

انگلند می گوید: هنگامی که شما وارد یک میلیون الکترون ولت یا زیاد می شوید، آن وقت می توانید برنامه های کاربردی بسیاری داشته باشید. چیزی که شتاب دهنده پزشکی جهت شما به ارمغان می آورد. بنابراین به طور معمول جهت درمان سرطان شما با استفاده از ذرات بین یک تا ۲۰ میلیون الکترون ولت انرژی استفاده خواهید کرد و با قابل حمل ساختن آنها، پزشکان می توانند این فناوری احیا کننده را جهت افراد بیشتری حتی در مناطق دورافتاده به ارمغان بیاورند.

وی افزود: پیش از اینکه این فناوری جهت استفاده در دنیای واقعی عملی شود، هنوز چالش های متعددی وجود دارد، ولی در نهایت اندازه و هزینه های آتی ذرات انرژی اوج جهت بررسی دنیای ذرات و نیروهای بنیادین، به اندازه قابل ملاحظه ای کم کردن خواهد یافت.

وی خاطرنشان کرد: حتی زمانی که این اتفاق می افتد، احتمالا به این زودی ها روزی نخواهد آمد که شما به فروشگاه الکترونیک محل خود بروید و یک شتاب دهنده جهت خود بخرید. مقدار تشعشع تولید شده است به وسیله یک شتاب دهنده مدرن و کوچک ممکن است با “linac” هم اندازه نباشد، ولی همچنان جهت رساندن آسیب جدی کافی هست. نهایتا من فکر نمی کنم این دستگاه به یک لوازم خانگی تبدیل شود.

واژه های کلیدی: انرژی | پزشکی | میلیون | استفاده | الکترونیک | اخبار پزشکی

تراشه شتاب‌دهنده‌ای که می‌تواند دنیای پزشکی را متحول کند