Experimentalphysik III TU Dortmund WS2015/16 Shaukat TU - Dortmund. de Kapitel 6

Transkript

1 5.9 Medizinische Anwendungen der Kernphysik Strahlentherapie - überwiegend mit Beschleunigern Diagnostik - Szintigraphie, insbesondere Schilddrüse mit 99 Tc, 13 I oder 131 I - Positronen-Emissions-Tomographie, Krebsdiagnostik: b + -Strahler wird verabreicht (z.b. 18 F), und nimmt am Stoffwechsel teil, emittierte Positronen annihilieren mit Elektronen der Umgebung, zwei Photonen (511 kev) werden in entgegengesetzte Richtung ausgesandt und in Koinzidenz emittiert. Durch Aufnahme koinzidenter Photonen aus verschiedenen Richtungen wird mit mathematischen Methoden ein Schnittbild erzeugt. Die Halbwertszeit von 18 F beträgt 110 min, dieses und andere kurzlebige Radionuklide werden mit Zyklotrons erzeugt Radiometrische Altersbestimmung z.b. Radiocarbon-Methode Die kosmische Strahlung setzt in der oberen Atmosphäre Neutronen frei, die in tieferen Schichten auf Stickstoff treffen und 14 C erzeugen: Nn,p C Dadurch gibt es ein bestimmtes Verhältnis von 14 C zu 1 C in der Biosphäre, u.a. in lebenden Organismen (~10-1 ). Wenn der Organismus stirbt und der Austausch mit der Umgebung unterbleibt, nimmt der 14 C-Anteil durch b - -Zerfall mit einer Halbwertszeit von ca Jahren ab. Durch Messung der Aktivität organischer Überreste (z.b. Holz) kann deren Alter bis ca Jahre datiert werden. Neben der Unsicherheit der Zählrate und der Halbwertsbreite ist das 14 C/ 1 C-Verhältnis Schwankungen unterworfen - Fluktuation der kosmischen Strahlung (wechselnde Sonnenaktivität) - Abnahme des Verhältnisses durch Verbrennung fossiler Brennstoffe - Kernwaffentests (bis 1963 in der Atmosphäre) 1

2 6 Methoden der Kern- und Elementarteilchenphysik 6.1 Teilchenbeschleuniger Motivation Teilchenbeschleuniger ermöglichen Streuexperimente oder Reaktionen mit Teilchen, deren... Energie wesentlich höher ist als die Teilchenenergie aus radioaktiven Präparaten... Rate und räumliche Dichte wesentlich höher ist als die kosmischer Teilchen Lorentzkraft F q E q v B - Beschleunigung von Teilchen durch elektrische Felder (erfordert Kraft in Bewegungsrichtung) - Führung und Fokussierung von Teilchen durch elektrische oder magnetische Felder v c Beschleunigertypen E c B 8 m Vs typisch s m MV 300 m Einteilung nach der Art, wie das elektrische Feld zur Verfügung gestellt wird: - elektrostatische Beschleuniger - elektrisches Feld durch zeitlich veränderliches Magnetfeld (elektromagnetische Induktion) - hochfrequente elektromagnetische Wellen Einteilung nach der Bauform - lineare Beschleuniger: beschleunigende Strecke wird 1x durchlaufen - Kreisbeschleuniger: beschleunigende Strecke wird mehrfach durchlaufen

3 Beschleunigung durch ein elektrostatisches Feld (a) Cockroft-Walton-Generator (Cambridge 1930) hohe Spannung durch sog. Greinacher-Schaltung, erste Kernumwandung mit einem Beschleuniger 7 3Li(p, ) 4 He (b) Marx-Generator (nicht mehr gebräuchlich) (c) Van-de-Graaf-Generator (MIT 1931), hohe Spannung durch mechanischen Transport von Ladung, oft als Tandem-Van-de-Graaf-Beschleuniger John Cockroft ( ) Ernest Walton ( ) Die Beschleunigungsspannung ist bei elektrostatischen Beschleunigern durch die Duchschlagsspannung der Luft auf einige MV begrenzt. Durch ein Schutzgas (SF 6 ) werden Werte über 10 MV erreicht. Oben: Cockroft-Walton-Generator als Vorbeschleuniger für Protonen am Paul-Scherrer-Institut/Schweiz Links: Tandem-Van-de-Graaf- Beschleuniger am MPI/Heidelberg. Die Hochspannung von 1 MV wird x ausgenutzt: Negative Ionen werden beschleunigt und streifen in der Mitte der Maschine (dem "Terminal") Elektronen in einem Stripper-Gas oder einer Folie ab. 3

4 Beschleunigung aufgrund elektromagnetischer Induktion - Betatron (Idee um 193, erste Maschine 1940), ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt eine Induktionsspannung gemäß E ds A Bda hier E R R und hält gleichzeitig die Teilchen auf der Kreisbahn. Das Betatron ist nur für Elektronen geeignet und wurde oft für die Strahlentherapie verwendet (heute eher Linearbeschleuniger) - Induktions-Linearbeschleuniger (1963), für hohe Strahlströme eingesetzt B Rolf Wideröe ( ) Kreisbeschleuniger allgemein: Beziehung zwischen Impuls p, Ladung q, Magnetfeld B und Bahnradius R gegeben durch Zentripetalkraft = Lorentzkraft (i.d.r. gilt v B) mv q v B R m0 v p q B R Betatron Zyklotron Mikrotron Synchrotron (schematisch) Donald Kerst ( ) Bild: University of Illinois, Urbana-Champain 4

5 Beschleunigung durch hochfrequente elektromagnetische Welle - erster Linearbeschleuniger (Idee 194, erste Umsetzung 198): Wechselspannung zwischen Driftröhren. Ein Teilchen wird von der Spannung zwischen den Röhren beschleunigt, die immer dann umgepolt wird, wenn das Teilchen in einer Röhre ist Rolf Wideröe ( ) Bei Frequenzen um 1 MHz werden die Abstände zwischen den Driftröhren sehr groß, wenn v c: l i T c HF 1 f HF ms s 150 m Erst mit der HF-Technik im GHz-Bereich (z.b. Klystron 1937) werden relativistische Teilchenstrahlen erreicht. Der mit ca. 3 km weltweit längste Linearbeschleuniger ist der Stanford Linear Accelerator. Der Beschleuniger wurde mit bis zu 50 GeV Elektronenenergie für die Teilchenphysik eingesetzt, ein Drittel seiner Gesamtlänge dient zurzeit als Beschleuniger für einen Freie-Elektronen-Laser. 5

6 Hochfrequenz (HF) Bei Frequenzen im 100-MHz- und GHz-Bereich ist das Bild eines elektrischen Felds zwischen zwei Elektroden (z.b. Driftröhren) nicht mehr sehr hilfreich, wie man sich am Beispiel eines zylindrischen Plattenkondensators (a) verdeutlichen kann. Durch die schnelle Änderung des elektrischen Felds (Verschiebungsstrom) entsteht ein Magnetfeld, dessen Änderung wiederum ein elektrisches Feld erzeugt (Induktionsgesetz), das dem ursprünglichen E-Feld entgegengerichtet ist (b). Dieses Wechselfeld entspricht dem einer TM 010 -Mode, die sich ausbildet, wenn man eine Hochfrequenzwelle in einen zylindrischen Hohlraumresonator einkoppelt (c). t 0 Typische Beschleunigungsstrukturen sind - ein- oder mehrzellige Hohlraumresonatoren z.b. in einem Synchrotron - Linearbeschleuniger mit stehender oder laufender HF-Welle t Trf Links: Linearbeschleuniger für relativistische Elektronen: die Teilchen "surfen" auf einer 3-GHz-Welle, deren Phasengeschwindigkeit durch Irisblenden auf c herabgesetzt wird, damit sie die Elektronen nicht überholt. Rechts: Supraleitende Beschleunigungsstruktur bei typisch 1,3 GHz. Hohlraumresonator ("cavity") in Zylinderform ("pillbox"). Dieser Resonator mit f HF = 500 MHz wurde für den DORIS-Speicherring in Hamburg entwickelt und wurde an vielen Orten (u.a. bei DELTA) verwendet. 6

7 Kreisbeschleuniger mit Hochfrequenz (HF) - Zyklotron (Berkeley 193): Energiegewinn nach jedem halben Umlauf in dem Spalt zwischen den "Dees". Bedingung: HF-Periode = Umlaufszeit, bzw. Hochfrequenz = Umlaufsfrequenz Diese sog. "Zyklotronfrequenz" ist konstant, solange 1 ist, d.h. solange die Teilchen nicht-relativistisch sind m v f 0 HF 1 T HF p q B R v R q B m 0 v R q B m 0 Zyklotron am HZB in Berlin Ernest O. Lawrence ( ) Das Zyklotron ist also eine Maschine für schwere Teilchen (Protonen und Ionen). Wenn nur wenig von 1 abweicht, gibt es zwei Möglichkeiten: - die Hochfrequenz wird ~1/f HF angepasst (Synchrozyklotron) - das Magnetfeld B wird nach außen höher (Isochronzyklotron) - Mikrotron (Idee von 1944, erstes Mikrotron Ottawa 1947): Die Umlaufszeit ist nicht konstant, sondern ändert sich pro Umlauf um ein ganzzahliges Vielfaches der HF-Periode, so dass die Teilchen (in diesem Fall relativistische Elektronen) immer phasenrichtig ankommen. Mikrotron als Vorbeschleuniger bei SESAME, eine Synchrotronstrahlungsquelle in Jordanien. Blau: HF-Welle, elektrisches Feld als Funktion der Zeit. Rot: Ankunftzeit der Teilchen beim Zyklotron (äquidistant) und beim Mikrotron (mit zeitlich zunehmenden Abständen). 7

8 Kreisbeschleuniger mit Hochfrequenz (Fortsetzung) - Synchrotron (Berkeley 1945): Energiegewinn in einem Holhlraumresonator nach jedem Umlauf. Der Bahnradius bleibt konstant, weil das Magnetfeld ~ erhöht wird. m0 v p q B R Weil das Magnetfeld nur entlang des Umfangs und nicht über die umschlossene Fläche benötigt wird, können sehr große Maschinen gebaut werden (z.b. der LHC am CERN/Genf). Allerdings ist das Synchrotron eine gepulste Maschine, d.h. ein Beschleunigungszyklus muss vollendet sein, bevor die nächsten Teilchen beschleunigt werden können (Frage: bei welchen Maschinen ist das anders?) Edwin McMillan ( ) Marcus Oliphant ( ) Das Cosmotron ( ) - Brookhaven National Lab - Speicherringe (Patent für "Kernmühlen" 1949, erster e + e - -Ring 1960) ähnelt einem Synchrotron (ringförmige Maschine mit HF-Resonatoren), dient aber nicht dazu, die Teilchenenergie zu erhöhen, sondern nur Verluste (insbesondere durch Synchrotronstrahlung) auszugleichen. Einige Maschinen, z.b. der LHC sind sowohl Synchrotron als auch Speicherring. Der Large Hadron Collider, ein Protonen-Synchrotron und Speicherring (CERN CC-BY-SA-4.0) 8

9 Verbesserungen und Entwicklungen - Theorie der "starken" Fokussierung (1950, 195) bessere Fokussierung, kleinere Magnete und Vakummkammern - Supraleitende Magnete und HF-Resonatoren (1980er) höhere Magnetfelder für Protonen im TeV-Bereich z.b. LHC - Synchrotronstrahlungsquellen und Freie-Elektronen-Laser Hochbrillante Strahlungsquellen Das Cosmotron ( ) - Brookhaven National Lab - Spallationsquellen (z.b. SNS, Oak Ridge, USA; ESS, Lund, Schweden) hoher Neutronenfluss - Strahlentherapie mit Protonen und Ionen (z.b. HIT, Heidelberg) bessere Lokalisierung der Strahlendosis ("Bragg peak", s.w.u.) - Transmutation und Energiegewinnung (geplant, Mol, Belgien) Umwandlung von radioaktivem Abfall - Myonen-Collider (noch nicht verwirklicht) Leptonen mit weniger Synchrotronstrahlungsverlusten Elektronenspeicherring BESSY, Berlin - Neutrinofabriken (noch nicht verwirklicht) Hoher Neutrinofluss aus zerfallenden Myonen - Neue Beschleunigerkonzepte z.b. Laser-Plasma-Beschleuniger GeV/cm statt MeV/cm, bereits einige Demo-Experimente Die "schwache" Fokussierung (z.b. beim Cosmotron) besteht in dem geometrischen Effekt, dass zwei Kreisbögen mit gleichem Radius einander annähern, die "starke" Fokussierung (bei allen modernen Maschinen) geschieht mit Quadrupolmagneten. 9