Dette blogindlæg undersøger de principper og anvendelser, der førte kernefysik – studiet af atomkerner – til moderne medicinske teknologier som strålebehandling og PET-scanninger via cyklotroner og radioaktive isotoper.
Hvorfor førte kernefysik til medicin og eksperimentel videnskab?
Kernefysik er studiet af atomkerner. Mange mennesker har dog en tendens til udelukkende at opfatte kernefysik som det felt, der beskæftiger sig med kernefissionsfænomener, der forekommer i atomkraftværker. I modsætning til denne opfattelse muliggjorde forskellige biprodukter, der genereres under kernefysikforskning, eksperimenter, der tidligere var umulige inden for andre områder af kemi eller fysik, og de har også praktisk værdi inden for det medicinske felt.
Cyklotron: Bare en simpel partikelaccelerator?
For eksempel kan man betragte cyklotronen, en accelerator udviklet til kernefysiske eksperimenter. En cyklotron er en partikelaccelerator, der inducerer partikler i cirkulær bevægelse. Strukturelt set er det en relativt simpel enhed bestående af to D-formede vakuumkamre lavet af kobberplader. Denne enhed bruger højfrekvent vekselstrøm til at accelerere strømmen af ladede partikler.
Cyklotronens strukturelle egenskaber kan groft sagt opdeles i to hovedtræk. Det første træk er, at cyklotronen, i modsætning til konventionelle lineære partikelacceleratorer, er en cirkulær partikelaccelerator med to D-formede halvcirkelformede plader anbragt med afstand fra hinanden. Det andet træk er, at vekselspændingens frekvens ændrer sig i cyklotronen, hver gang partikler passerer gennem en af de halvcirkelformede plader. For at accelerere partikelstrømmen flyder vekselspændingen mellem to halvcirkelformede metalelektroder inde i vakuumkammeret. Disse halvcirkelformede plader er anbragt med et fast interval for at sikre, at partikler, der injiceres i midten af dette rum, har plads til at bevæge sig frit. De halvcirkelformede plader er placeret mellem polerne på en elektromagnet, der genererer et elektromagnetisk felt vinkelret på elektrodepladerne. Det resulterende magnetfelt får partiklernes baner til at krumme sig i en cirkulær form på grund af Lorentz-kraften, der virker vinkelret på deres bevægelsesretning. Desuden ændrer retningen af det elektriske feltfrekvens sig, hver gang partikler passerer gennem mellemrummet mellem de halvcirkelformede plader. Denne ændring sikrer, at det elektriske felt er orienteret korrekt for at accelerere partiklernes hastighed. Følgelig styres partiklerne til at følge cirkulære baner med gradvist større radier under påvirkning af den elektriske kraft.
Partikler, der accelereres på denne måde, kan anvendes i eksperimenter, når de forlader cyklotronen, såsom at kollidere dem med forskellige materialer eller fremkalde nukleare reaktioner for at observere dannelsen af nye partikler. Partikler, der genereres i en cyklotron, tjener dog ikke kun til simple eksperimenter, men spiller også en afgørende rolle inden for det medicinske område. Med andre ord kan ionstrålen, der udsendes fra en cyklotron, anvendes til kræftbehandling, hvilket stemmer overens med kerneprincippet i en medicinsk teknologi, der almindeligvis er kendt som strålebehandling. Metoden med at bestråle en patients tumorsted med protoner accelereret til cirka 60 procent af lysets hastighed i en cyklotron for at ødelægge kræftcelle-DNA, giver den fordel, at den minimerer påvirkningen af sundt væv under dets passage gennem kroppen sammenlignet med konventionel strålebehandling. Desuden er behandlingsprocessen relativt hurtig og forårsager mindre ubehag for patienten, hvilket er en anden væsentlig egenskab. Anvendelsen af kernefysik viser således, at den ikke er begrænset til det begrænsede felt elproduktion, men kan strække sig til forskellige områder.
Kernefysik i medicinsk teknologi
Radioaktive isotoper, der almindeligvis håndteres i kernefysikeksperimenter, anvendes også aktivt inden for medicinsk teknologi. Innovative medicinske apparater er blevet udviklet, der bruger radioaktive isotoper til at opnå mere detaljeret information om menneskekroppens indre funktioner. Ud over konventionel røntgenbilleddannelse, computertomografi (CT) og magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) er der opstået en teknologi kaldet positronemissionstomografi (PET), der kan visualisere selve hjernens funktionelle aktivitet. PET er en enhed, der bruger stoffer mærket med radioaktive isotoper til at opnå billeder af forskellige områder af hjernen. Princippet bag indsamling af PET-billeder udnytter det fysiologiske fænomen, at glukosemetabolismen stiger i aktiverede hjerneområder, hvilket fører til en tilsvarende stigning i blodgennemstrømningen. I denne proces bruges vandmolekyler, der indeholder en isotop med en ekstremt kort halveringstid på cirka to minutter, til at måle ændringer i blodgennemstrømningen. Undersøgelsen sammenligner hjernens respons i en tilstand uden specifik stimulering med dens aktiveringstilstand, når stimulering anvendes, udført ved hjælp af en tomografisk billeddannelsesmetode. Sådanne eksempler viser tydeligt, hvordan kernefysik positivt kan påvirke udviklingen af andre akademiske områder.
Anvendeligheden af kernefysik
Både teknologien til at generere elektricitet ved hjælp af nuklear fissionsreaktioner og den medicinske anvendelse af partikelacceleratorer kaldet cyklotroner er resultater af anvendelsen af videnskabelige principper opdaget under udforskningen af atomkerner. I denne forstand er kernefysik ikke blot en disciplin, der fokuserer på at belyse partiklers egenskaber; det er et felt, der driver udviklingen af andre akademiske discipliner baseret på den viden, der er akkumuleret under forskningen. Afslutningsvis kan kernefysik opsummeres som en alsidig disciplin, der ikke kun udforsker atomkerner, men også bidrager til fremskridt inden for videnskab og teknologi som helhed ved at anvende de principper, der afsløres i processen, på forskellige områder.
