Siklotron: Desain, Sejarah, dan Aplikasi Modern dalam Kedokteran dan Riset
Latar Belakang
Siklotron kontemporer menggunakan dua elektroda berongga berbentuk D yang ditempatkan dalam ruang vakum tinggi antara kutub elektromagnet yang kuat. Tegangan AC berfrekuensi tinggi memacu setiap elektroda, sementara sumber ion menghasilkan ion positif atau negatif tergantung pada konfigurasi. Ion dipercepat menuju satu elektroda oleh tarik elektrostatis; saat polaritas AC berbalik, mereka ditarik menuju elektroda lain. Proses bergantian ini, dikombinasikan dengan medan magnet yang kuat, memaksa ion untuk mengikuti lintasan lingkaran. Setiap transisi antara elektroda menambahkan energi, memperluas orbit menjadi spiral hingga ion mencapai tepi luar wilayah percepatan. Pada titik itu, partikel yang dipercepat diekstrak dan membentuk sinar yang dapat membombardir target untuk menghasilkan isotop radioaktif.
Isotop yang dihasilkan oleh siklotron sangat penting dalam kedokteran: sebagai penelusur untuk citra diagnostik dan sebagai agen terapi untuk pengobatan kanker. Sinar siklotron juga digunakan untuk tomografi emisi positron (PET), modalitas citra canggih yang mengukur konsentrasi radioisotop yang mengeluarkan positron dalam jaringan hidup, memungkinkan deteksi dini gangguan neurologis, penyakit vaskular serebral, epilepsi, dan tumor.
Sejarah
Pada tahun 1929, Ernest O. Lawrence dan mahasiswanya di Universitas California, Berkeley, mencapai siklotron pertama yang berhasil. Mesin awalnya sederhana—osilator radio-frekuensi 10 watt, elektromagnet 4 inci, dan ruang vakum diameter 5 inci yang mempercepat ion hidrogen ke 5–45 MeV. (1 MeV = 1.602 × 10−13 J.) Selama dekade berikutnya, siklotron tumbuh dalam ukuran dan kompleksitas, melibatkan fisikawan, insinyur, dan kimiawan. Pekerjaan Lawrence membentuk dasar untuk fisika dan kimia nuklir modern, mengakibatkan dia mendapatkan Hadiah Nobel Fisika (1939) dan National Medal of Science (1958).
Bahan Baku
Magnet inti siklotron terdiri dari 25 ton baja karbon rendah dengan kutub yang dilapis nikel, menciptakan aparatur 55 ton. Ia ditempatkan dalam gudang yang dinding beton tebal 2 meter untuk melindungi area sekitar dari radiasi umur pendek yang dihasilkan selama operasi. Dimensi siklotron sekitar 30,5 m × 30,6 m × 11,9 m. Coil dibuat dari tembaga yang dianil, diinsulasi dengan fiberglass, dan dilapisi resin epoksi. Ruang vakum aluminium ditempelkan dengan O-ring polyurethane, sementara filamen tungsten mengionisasi gas hidrogen. Kemasan polyethylene boron mengurangi penumpukan neutron termal, dan penukar target—utama aluminium dengan stainless steel minimal—mengurangi aktivasi neutron.
Desain
Siklotron kustom dirancang untuk memenuhi spesifikasi klien. Ebco Technologies Inc. menawarkan dua model ion negatif: TR19 (maks 19 MeV) dan TR32 (maks 32 MeV). TR19 dapat menampung dua sinar eksternal dan hingga delapan target, dengan opsi skalabilitas. Tersedia dalam konfigurasi terlindung atau tidak terlindung; versi terlindung menghilangkan kebutuhan akan ruang khusus. Sistem RF terdiri dari amplifier, garis transmisi koaksial, sumber daya, dan instrumen diagnostik, semuanya terintegrasi ke dalam kerangka kontrol komputerisasi. Injeksi ion dilakukan melalui silinder magnet diameter 10 cm, dengan assembly target yang didinginkan helium yang terbuat dari perak, aluminium, atau titan berkualitas tinggi.
Ernest Orlando Lawrence
Lahir di Dakota Selatan pada 8 Agustus 1901, Lawrence mendapatkan B.S. di fisika di Universitas Dakota Selatan (1922), M.S. di Universitas Minnesota (1923), dan Ph.D. dari Yale (1925). Dia menjadi profesor associate di UC Berkeley pada tahun 1928 dan, dua tahun kemudian, profesor penuh termuda universitas. Penemuan siklotron Lawrence pada tahun 1929 merevolusi ilmu nuklir. Dia dipilih ke Akademi Ilmuwan Nasional (1934), menerima Hadiah Nobel Fisika (1939), Medal of Merit (1946), dan Hadiah Fermi (1957). Lawrence tetap di Berkeley sampai kematiannya pada 27 Agustus 1958.
Proses Manufaktur
- Tim proyek mengkoordinasi konduit, kabel tray, saluran lantai, dan peralatan terkait sebelum pengiriman, penangangan, dan pemasangan siklotron dan subsistemnya.
- Magnet baja 25 ton dipesan dari slab 10 inci dan diposisikan antara kutub elektromagnet, memastikan pengukuran medan magnet yang presisi.
- Kutub magnet yang dilapis nikel dicetak dari baja karbon rendah.
- Assembly coil, terbuat dari tembaga hollow yang dianil, dibentuk, diperkeras, dipasang di yoke, didinginkan air, diinsulasi dengan fiberglass, dan dilapisi epoksi.
- Tangki vakum aluminium, yang ditempatkan antara kutub, dibekukan dan dilengkapi dengan cryopump yang mengudara ruang ke −459 °F (−273 °C) untuk membekukan gas residu.
- Elektroda dipesan dari tembaga 0,06 inci dengan resistensi rendah, dipotong, dan di-etched untuk mengoptimalkan transfer energi RF.
- Setelah memasang elektroda di dalam tangki, O-ring polyurethane memancur assembly; baut nylon dan spasi mengamankan elektroda dalam perumahan nylon Lisex industri dengan port khusus untuk kabel osilator, pompa vakum, dan gauge.
- Cincin PVC mengelilingi elektroda, berisi tabung penyimpanan detektor dan saluran untuk pasokan tegangan, baut set, dan titik pemasangan kait perunggu.
- Plastik industri bening melindungi PVC untuk visibilitas dan penguatan struktural.
- Silikon gel mempertahankan seal vakum rapat di sekitar ruang utama, penting untuk mencegah attenuasi partikel alfa.
- Baut nylon memegang piringan pengalih tembaga di tempat, terisolasi listrik dari bagian lain sistem; baut set menyesuaikan posisinya.
- Sistem RF dirakit dalam kotak logam persegi 19 inci, tinggi 6 kaki, dengan resistor, transmitter, saklar, sirkuit pengatur, induktor, dan kapasitor yang dirakit tangan.
- Kotak pasokan daya dirakit untuk target didinginkan air, magnet, sumber ion, cryopump, dan sirkuit.
- Sumber ion—silinder magnet diameter 10 inci, panjang 4,7 inci—menginjeksikan gas hidrogen melalui tabung kapiler.
- Inflector spiral yang miring dipasang pada elektroda helical yang di-rangkap, dipesan pada mesin milling sumbu tetap.
- Badan target (perak, aluminium, titan berkualitas tinggi) menampilkan jendela foil tipis yang didinginkan helium untuk memisahkan bahan target dari vakum siklotron.
- Sistem pendingin helium tertutp mengudara jendela foil.
- Pipa, katup solenoid, beam stop didinginkan air, dan kolimator terisolasi listrik diintegrasikan ke dalam assembly target.
- Assembly target mencakup penyegel aluminium padat dengan lubang 10 cm yang berfungsi sebagai kolimator.
- Garis eksternal pada penyegel dan O-ring menciptakan seal vakum antara badan target dan penukar target empat posisi.
- Cincin kolimasi dengan jendela di kedua sisi terletak antara penyegel dan badan target.
- Sistem lengkap diintegrasikan dengan perangkat lunak pengawasan untuk mengontrol dan memantau perangkat keras PLC.
Kontrol Kualitas
Setiap tahap manufaktur diperiksa secara ketat untuk memastikan integritas komponen. Cacat seperti retakan atau kebocoran diidentifikasi secepatnya untuk mencegah kebocoran radiasi. Sifat baja magnet diverifikasi, dan medan magnet dipantau terus-menerus menggunakan teknik Resonansi Magnet Nuklir (NMR).
Byproducts/Waste
Produksi menghasilkan 2–3 ton limbah logam, yang didaur ulang jika memungkinkan. Bahan sisa diselamatkan atau dibuang berdasarkan kondisinya.
Masa Depan
Kemajuan dalam teknologi pemancuran memungkinkan siklotron lebih baru membutuhkan pelindung beton yang lebih sedikit, menghasilkan unit yang lebih aman dan lebih kompak. Siklotron ion negatif empat sektor terdepan menampilkan sumber ion eksternal, cryopump, sistem daya dan kontrol presisi tinggi, dan desain modular, memungkinkan skalabilitas di berbagai ukuran dan aplikasi.
Di Mana Mempelajari Lebih Lanjut
Buku
Lawrence, E. O., & Langmuir, I. (1942). Molecular Films: The Cyclotron & the New Biology. New Brunswick: Rutgers University Press.
Periodika
Burgerjon, J. J., & Strathdee, A. (eds.). (1972). Cyclotrons. New York: American Institute of Physics.
