Tässä blogikirjoituksessa tarkastellaan periaatteita ja sovelluksia, jotka johtivat ydinfysiikan – atomiytimien tutkimuksen – nykyaikaisiin lääketieteellisiin teknologioihin, kuten sädehoitoon ja PET-kuvauksiin, syklotronien ja radioaktiivisten isotooppien avulla.

Miksi ydinfysiikka johti lääketieteen ja kokeellisen tieteen kehittymiseen?

Ydinfysiikka on atomiytimien tutkimusta. Monet ihmiset kuitenkin ajattelevat ydinfysiikan olevan pelkästään ydinvoimaloissa tapahtuvien ydinfissioilmiöiden tutkimisen ala. Tästä käsityksestä poiketen ydinfysiikan tutkimuksessa syntyneet erilaiset sivutuotteet mahdollistivat aiemmin muilla kemian tai fysiikan aloilla mahdottomia kokeita, ja niillä on käytännön arvoa myös lääketieteen alalla.

Syklotroni: Vain yksinkertainen hiukkaskiihdytin?

Tarkastellaan esimerkiksi syklotronia, ydinfysiikan kokeita varten kehitettyä kiihdytintä. Syklotroni on hiukkaskiihdytin, joka saa hiukkaset pyörivään liikkeeseen. Rakenteellisesti se on suhteellisen yksinkertainen laite, joka koostuu kahdesta kuparilevyistä valmistetusta D-muotoisesta tyhjiökammiosta. Tämä laite käyttää korkeataajuista vaihtovirtaa varattujen hiukkasten virtauksen kiihdyttämiseen.
Syklotronin rakenteelliset ominaisuudet voidaan jakaa karkeasti kahteen pääominaisuuteen. Ensimmäinen ominaisuus on se, että toisin kuin perinteiset lineaariset hiukkaskiihdytimet, syklotroni on pyöreä hiukkaskiihdytin, jossa on kaksi D-kirjaimen muotoista puoliympyrän muotoista levyä, jotka ovat erillään toisistaan. Toinen ominaisuus on se, että syklotronin sisällä vaihtojännitteen taajuuden suunta muuttuu joka kerta, kun hiukkaset kulkevat toisen puoliympyrän muotoisen levyn läpi. Hiukkasten virtauksen kiihdyttämiseksi vaihtojännite kulkee kahden puoliympyrän muotoisen metallielektrodin välillä tyhjiökammion sisällä. Nämä puoliympyrän muotoiset levyt on sijoitettu kiinteällä etäisyydellä toisistaan, jotta tilaan keskelle ruiskutetuilla hiukkasilla on tilaa liikkua vapaasti. Puoliympyrän muotoiset levyt on sijoitettu sähkömagneetin napojen väliin, jolloin syntyy elektrodilevyihin kohtisuora sähkömagneettista kenttää. Tuloksena oleva magneettikenttä saa hiukkasten reitit kaareutumaan ympyrän muotoon Lorentzin voiman ansiosta, joka vaikuttaa kohtisuorassa niiden liikesuuntaan nähden. Lisäksi joka kerta, kun hiukkaset kulkevat puoliympyrän muotoisten levyjen välisen raon läpi, sähkökentän taajuuden suunta muuttuu. Tämä muutos varmistaa, että sähkökenttä on suunnattu oikein hiukkasten nopeuden kiihdyttämiseksi. Tämän seurauksena hiukkaset ohjautuvat seuraamaan asteittain suuremman säteen omaavia ympyränmuotoisia kiertoratoja sähkövoiman vaikutuksesta.
Tällä tavoin kiihdytettyjä hiukkasia voidaan hyödyntää syklotronista poistumisen jälkeen kokeissa, kuten törmäyttämällä niitä erilaisiin materiaaleihin tai indusoimalla ydinreaktioita uusien hiukkasten syntymisen havaitsemiseksi. Syklotronissa syntyvät hiukkaset eivät kuitenkaan palvele vain yksinkertaisia ​​kokeita, vaan niillä on ratkaiseva rooli lääketieteen alalla. Toisin sanoen syklotronista sinkoutunutta ionisuihkua voidaan hyödyntää syövän hoidossa, mikä on linjassa sädehoitona tunnetun lääketieteellisen teknologian ydinperiaatteen kanssa. Menetelmä, jossa potilaan kasvainkohtaa säteilytetään protoneilla, jotka on kiihdytetty noin 60 prosenttiin valonnopeudesta syklotronissa syöpäsolujen DNA:n tuhoamiseksi, tarjoaa etuna, että se minimoi vaikutuksen terveeseen kudokseen sen kulkiessa kehon läpi verrattuna perinteiseen sädehoitoon. Lisäksi hoitoprosessi on suhteellisen nopea ja aiheuttaa potilaalle vähemmän epämukavuutta, mikä on toinen merkittävä ominaisuus. Ydinfysiikan soveltaminen osoittaa siis, että se ei rajoitu sähköntuotannon rajoitettuun kenttään, vaan se voi ulottua monille eri alueille.

Ydinfysiikka lääketieteellisessä teknologiassa

Radioaktiivisia isotooppeja, joita käytetään yleisesti ydinfysiikan kokeissa, hyödynnetään aktiivisesti myös lääketieteellisessä teknologiassa. On kehitetty innovatiivisia lääkinnällisiä laitteita, jotka hyödyntävät radioaktiivisia isotooppeja saadakseen yksityiskohtaisempaa tietoa ihmiskehon sisäisestä toiminnasta. Perinteisen röntgenkuvantamisen, tietokonetomografian (TT) ja magneettikuvauksen (MRI) lisäksi on syntynyt positroniemissiotomografia (PET), joka voi visualisoida itse aivojen toiminnallista toimintaa. PET on laite, joka käyttää radioaktiivisilla isotoopeilla merkittyjä aineita kuvien saamiseksi aivojen eri alueista. PET-kuvien keräämisen periaate hyödyntää fysiologista ilmiötä, jossa glukoosiaineenvaihdunta lisääntyy aktivoituneilla aivoalueilla, mikä johtaa vastaavaan verenkierron lisääntymiseen. Tässä prosessissa käytetään vesimolekyylejä, jotka sisältävät isotooppia, jonka puoliintumisaika on erittäin lyhyt, noin kaksi minuuttia, mittaamaan verenkierron muutoksia. Tutkimuksessa verrataan aivojen vastetta tilassa ilman erityistä stimulaatiota niiden aktivoitumiseen, kun stimulaatiota käytetään tomografisella kuvantamismenetelmällä. Tällaiset esimerkit osoittavat selvästi, miten ydinfysiikka voi vaikuttaa myönteisesti muiden akateemisten alojen kehitykseen.

Ydinfysiikan sovellettavuus

Sekä ydinfissioreaktioiden avulla sähkön tuottamiseen tarkoitettu teknologia että syklotronien, hiukkaskiihdyttimien, lääketieteellinen käyttö ovat tulosta atomiytimien tutkimuksen aikana löydettyjen tieteellisten periaatteiden soveltamisesta. Tässä mielessä ydinfysiikka ei ole pelkästään hiukkasten ominaisuuksien selvittämiseen keskittyvä tieteenala; se on ala, joka edistää muiden akateemisten tieteenalojen kehitystä tutkimuksensa aikana kertyneen tiedon perusteella. Yhteenvetona voidaan todeta, että ydinfysiikka voidaan tiivistää monipuoliseksi tieteenalaksi, joka ei ainoastaan ​​tutki atomiytimiä, vaan myös edistää tieteen ja teknologian kehitystä kokonaisuudessaan soveltamalla prosessissa paljastuvia periaatteita eri aloille.